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如何應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)開展產(chǎn)品的質(zhì)保期與產(chǎn)品可靠性分析、產(chǎn)品壽命預(yù)測

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，智能芯片、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等的出現(xiàn)已經(jīng)改變了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的收集方式、能力、范圍及內(nèi)容。數(shù)據(jù)收集比以前更為容易了。例如，越來越多的產(chǎn)品在研制過程中，設(shè)計了自動數(shù)據(jù)收集設(shè)備，這些數(shù)據(jù)收集設(shè)備可以跟蹤產(chǎn)品在什么環(huán)境使用以及使用情況如何。然而，盡管收集了大量的動態(tài)數(shù)據(jù)之后，很少人或企業(yè)對這些數(shù)據(jù)進行可靠性分析，搞不清楚如何對這些數(shù)據(jù)分析以獲得更為準確的產(chǎn)品可靠性信息。如何分析這些數(shù)據(jù)，更好地進行產(chǎn)品質(zhì)保期的科學(xué)決策、如何判定投入產(chǎn)品的使用壽命以及維護團隊的策劃。

其實，隨著采集的數(shù)據(jù)的增加，借助這些數(shù)據(jù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以很好的分析產(chǎn)品投入市場后，在不同的使用環(huán)境下，確定產(chǎn)品所承受的應(yīng)力對產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的影響，可以掌握產(chǎn)品的客戶使用情況以及后續(xù)的維護風險。 例如，根據(jù)軸承產(chǎn)品的運行環(huán)境和故障數(shù)據(jù)，我們很容易借助應(yīng)力損傷模型，分析相應(yīng)的溫度、濕度等應(yīng)力對產(chǎn)品壽命的影響，通過相應(yīng)的壽命預(yù)測方法及大數(shù)據(jù)應(yīng)用工具，可以快速的預(yù)測市場上運行的產(chǎn)品的壽命。

根據(jù)軸承的現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)進行壽命預(yù)測

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品剩余壽命的分析

軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析

1、前言

        隨著我國高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，高鐵已逐步成為了人們出行的首選。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L出行及服務(wù)質(zhì)量需求，軌道車輛系統(tǒng)的安全、可靠是關(guān)鍵。正因如此，國內(nèi)外很多機構(gòu)都在投入相應(yīng)的人力、物力開展軌道交通系統(tǒng)的可靠性、安全性研究工作。但是，由于軌道車輛系統(tǒng)的可靠性相關(guān)標準較少，主要有EN 50126-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例、GB/T 21562-軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例(即EN 50126)，使得軌道車輛系統(tǒng)的相關(guān)研制單位在實施可靠性工作過程中，無所適從。本文結(jié)合實例，詳細介紹如何開展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過分析，確定輪副及組件分系統(tǒng)的故障率比重較高，且采用球型軸承設(shè)計的輪副可靠性比圓柱型軸承設(shè)計的輪副高一些。根據(jù)分析結(jié)果，可以為后續(xù)的軌道車輛系統(tǒng)的可靠性設(shè)計、改進提供技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。

2、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析流程

        關(guān)于全壽命周期階段的軌道車輛系統(tǒng)可靠性工作項目、流程問題，在EN 50126.3標準的第6章節(jié)、EN 50126.1標準的第6章節(jié)已經(jīng)詳細介紹，這里不再贅述。本文主要介紹的是如何結(jié)合相應(yīng)維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，開展可靠性分析工作，以支撐軌道車輛系統(tǒng)設(shè)計、運行與使用階段的RAMS工作。

        軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析流程大體分為以下幾步：

        第一：明確可靠性分析目的，明確可靠性分析對象，對軌道車輛系統(tǒng)、子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的理解，及其故障的識別和編碼；

        第二：收集、篩選和分類處理每個子系統(tǒng)的相關(guān)故障數(shù)據(jù)（MTBF、MDBF等，參數(shù)含義見附錄A）；

        第三：驗證相同和獨立分布的組件的數(shù)據(jù)；

        第四：擬合子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，獲得理論的概率分布；

        第五：評估每個子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，以及最優(yōu)分布。

        需要注意的是：下面的分析是基于以下假設(shè)：

        （1）系統(tǒng)是可修的；

        （2）系統(tǒng)可進行維修和維護更新；

        （3）所研究的系統(tǒng)功能是獨立的；

        （4）修復(fù)的組件與新的一樣好，即修復(fù)如新。

3、軌道車輛系統(tǒng)可靠性分析案例

3.1 對象及目的

        本次分析的對象是軌道車輛系統(tǒng)。分析的目的是：通過分析，確定軌道車輛系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并利用相應(yīng)的維修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)找出薄弱環(huán)節(jié)的可靠性影響規(guī)律，用于評估、確定各分系統(tǒng)的可靠性指標，用于合理確定系統(tǒng)的預(yù)防性維修工作計劃等。

3.2 數(shù)據(jù)收集、分類

        列車在運行過程中，可能會發(fā)生各種各樣的故障。但是，只有特定的一些故障才會影響到車廂正常運行、乘客乘車安全。此外，一些嚴重的故障可能還會導(dǎo)致一個或者多個車廂脫軌，從而導(dǎo)致列車的低可用性、低安全性，影響乘客的乘車滿意度。

        軌道車輛系統(tǒng)的每節(jié)車廂，都是由多個子系統(tǒng)組成，包括轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)、變速箱子系統(tǒng)等，每個子系統(tǒng)由不同的組件、設(shè)備組成，每個組件壽命都可能服從一定的失效分布。為了更清晰地判斷軌道車輛系統(tǒng)到底是哪個環(huán)節(jié)更為薄弱，需要對軌道車輛系統(tǒng)的故障進行分類收集、處理。因此，我們首先需要分析列車每節(jié)車廂由哪些子系統(tǒng)、組件組成，這樣就可以對故障數(shù)據(jù)進行分類處理。

        我們以某公司研制的列車為例，把每節(jié)車廂劃分為轉(zhuǎn)向架與車輪定位分系統(tǒng)、輪副及組件分系統(tǒng)、空調(diào)（冷氣系統(tǒng)）、剎車系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)等組成。根據(jù)收集的故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)，進行不同子系統(tǒng)的故障數(shù)統(tǒng)計（使用帕托圖方法統(tǒng)計）。通過統(tǒng)計可知，輪副及組件分系統(tǒng)的故障比重占76%。因此，我們重點分析輪副及組件分系統(tǒng)的可靠性問題。

圖1 轉(zhuǎn)向架與車輪定位分系統(tǒng)

圖2 輪副及組件分系統(tǒng)

        通過分析，該公司研制的車廂使用的輪副包括三種類型，分別為I類（770mm、碟剎、球型軸承）、II類（770mm、碟剎、圓柱型軸承）、III類（830mm、蹄片剎車、圓柱型軸承）。分別找出這三類不同輪副的故障與維修數(shù)據(jù)，進行進一步的分析。

3.3 數(shù)據(jù)有效性驗證、分析

        收集到的數(shù)據(jù)，不能直接用于可靠性分析。需要進行一定的數(shù)據(jù)有效性驗證、分析工作。驗證分析主要是對所收集的數(shù)據(jù)進行有效性驗證、分布檢驗等，確認數(shù)據(jù)是否服從統(tǒng)一分布、是否具有相關(guān)性，確保后續(xù)可靠性評估等工作的數(shù)據(jù)輸入的準確性。這里，利用PosVim工具的威布爾分析模塊進行驗證分析，把表2的數(shù)據(jù)輸入到軟件工具中，進行箱圖分析、早期失效分析、圖示檢驗、分布檢驗（AD檢驗、KS檢驗、T檢等）等多種手段檢驗。通過檢驗分析，可以看出，威布爾分布與數(shù)據(jù)擬合更為合理。

圖3 箱圖分析

圖4 圖示檢驗

圖5 圖示檢驗

3.4 分布擬合分析

        確認數(shù)據(jù)有效性以及后，即可進行分布擬合、分布參數(shù)的估計。利用PosVim工具的威布爾分析模塊，使用0.95置信度，極大似然法進行擬合。通過擬合，得到I類、II類、III類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果如下表所示。

圖6 I類輪副分布參數(shù)擬合結(jié)果

圖7 II類輪副分布參數(shù)擬合結(jié)果

圖8 III類輪副分布參數(shù)擬合結(jié)果

3.5 可靠性評估

        根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果，利用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計算不同時間（這里使用Km為單位）的可靠度。計算結(jié)果如下表所示。從結(jié)果可知，當列車運行時間達到40000Km時，類型I的輪副可靠度為0.8395（即有0.8395的概率不會失效），類型II的輪副可靠度為0.8017，類型III的輪副可靠度只有0.6851。 通過圖6、圖7以及表4也可以直觀看出，I類、II類這兩類輪副是相似、相近的。主要差別是軸承的設(shè)計方案不同，造成壽命分布參數(shù)不相同。一種使用的是球型軸承設(shè)計，一種是選用圓柱型軸承設(shè)計。從分析結(jié)果可以看出，選擇軸承球型設(shè)計時，可靠度比圓柱型設(shè)計的高一些。通過對比，也可以為后續(xù)的可靠性改進設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

3.6 預(yù)防性維修間隔期計算

        根據(jù)三類輪副的分布參數(shù)擬合結(jié)果，以及可靠性指標要求，可以合理確定預(yù)防性維修間隔期。這里使用PosVim工具的威布爾分析模塊分別計算可靠度指標要求為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95等值時的預(yù)防性維修間隔期時間。計算結(jié)果如下表5所示。例如，當輪副可靠度要求不低于0.8時，I類輪副的預(yù)防性維修間隔期需要不超過46869.46KM，即列車運行累積公里數(shù)不超過46869.46KM，需要進行預(yù)防性維修。

圖9 PosVim的可靠度及維修間隔期計算

4 結(jié)論與建議

        本文結(jié)合軌道車輛系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)，詳細介紹了如何開展軌道車輛系統(tǒng)的可靠性分析工作。通過分析可知，軌道車輛系統(tǒng)的輪副分系統(tǒng)的可靠性偏低，且采用球型軸承設(shè)計的輪副的可靠性比采用圓柱型軸承設(shè)計的輪副可靠性高一些。通過分析，可以合理評估得到軌道車輛系統(tǒng)的可靠性水平，以及合理確定預(yù)防性維修間隔，為軌道車輛系統(tǒng)的研制、管理決策提供重要技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。

附錄A 軌道車輛系統(tǒng)適用的RAMS參數(shù)

A.1 可靠性參數(shù)

A.2 可維修性參數(shù)

A.3 可用性參數(shù)

A.4 后勤保障參數(shù)

A.5 安全性參數(shù)

可靠性試驗的3倍MTBF規(guī)則問題

        摘要：開展可靠性試驗方案設(shè)計工作時，往往會用到3倍MTBF規(guī)則確定試驗時間。該規(guī)則簡單、易懂且易于執(zhí)行。但是，是否能夠合理使用3倍MTBF規(guī)則，對于試驗的成功與否具有較大影響。本文從3倍MTBF規(guī)則的含義、來源、理論依據(jù)、存在問題、案例說明等方面進行了介紹，希望對對可靠性試驗相關(guān)人員有所幫助。

1、3倍MTBF規(guī)則含義

        使用3倍MTBF值進行可靠性試驗時間設(shè)計的規(guī)則，由于其簡單、易懂且易于執(zhí)行，被廣泛應(yīng)用于MTBF指標的驗證試驗方案設(shè)計工作中。但是，可能很多人不了解這3倍MTBF的試驗時間設(shè)計規(guī)則的原理，往往出現(xiàn)盲目使用的情況。本文綜合國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗、資料，詳細論述3倍MTBF設(shè)計規(guī)則的來源、含義、存在問題以及改進方案。

        3倍MTBF規(guī)則是：假設(shè)受試產(chǎn)品的MTBF要求值是MTBF0，置信度1-α為80%，試驗過程中的故障數(shù)為1，那么總試驗時間T達到3倍的MTBF0時，即可完成對受試產(chǎn)品的MTBF指標的鑒定/驗證。也就是說，在80%置信度下，進行3倍MTBF0試驗時間的可靠性試驗，如果試驗過程中出現(xiàn)的故障數(shù)不超過1個，那么認為受試產(chǎn)品的MTBF指標滿足要求。由于該規(guī)則比較通俗易懂，所以很多單位都采用該辦法進行試驗方案設(shè)計。

        一個例子：

        美國國防部（DOD）采辦中心計劃采購一個無人機設(shè)備，合同中要求的可靠性指標為MTBF，其中MTBF門限值為100小時，目標值是200小時，置信度為80%。

        高通公司承擔了該設(shè)備的研制。為了驗證該設(shè)備是否滿足合同中的MTBF指標要求，高通公司使用3倍MTBF規(guī)則設(shè)計了一個可靠性試驗方案，并驗證80%置信度下該設(shè)備是否滿足MTBF門限值要求。高通公司采用3倍MTBF規(guī)則進行可靠性試驗，那么意味著該公司要開展至少3倍MTBF的試驗時間的可靠性試驗，且只允許最多有1個故障。這樣，該公司共需要進行300小時的可靠性試驗。如果試驗結(jié)束后，沒有出現(xiàn)故障或者只出現(xiàn)1個故障，那么可以驗證該設(shè)備超過或滿足MTBF指標要求。

2、3倍MTBF規(guī)則的理論依據(jù)

2.1統(tǒng)計假設(shè)檢驗

        為了更好理解3倍MTBF規(guī)則的含義，并分析3倍MTBF規(guī)則存在的問題以及如何改進，我們首先了解3倍MTBF規(guī)則的理論依據(jù)。第一個理論依據(jù)使統(tǒng)計假設(shè)檢驗；第二個使3倍MTBF規(guī)則的假設(shè)條件、前提條件（見2.2節(jié)）；第三個是置信度問題（見2.3節(jié)）。

        統(tǒng)計假設(shè)檢驗可以作為判斷一個試驗得到的MTBF真值（具體數(shù)值可能不知，因為我們開展可靠性試驗時，很多時候只鑒定其受試設(shè)備滿足或者不滿足指標要求，實際值是無法知道的）是否超過了某目標值MTBF0的工具、手段。

        根據(jù)統(tǒng)計假設(shè)檢驗理論，可以知道存在兩種假設(shè)檢驗結(jié)果：

H0:MTBF≤MTBF0和H1:MTBF>MTBF0

        對于這兩種假設(shè)，我們比較容易理解是存在兩種錯誤的判斷的，即假設(shè)檢驗中的一類錯誤、二類錯誤。當受試產(chǎn)品的MTBF真值超過100小時，做出不通過的錯誤判斷結(jié)論時，稱為第一類錯誤，假設(shè)造成第一類錯誤判斷的概率為α；當受試產(chǎn)品的MTBF真值小于100小時，做出通過的錯誤判斷結(jié)論，稱為第二類錯誤，假設(shè)造成第二類錯誤判斷的概率為β。

        根據(jù)假設(shè)檢驗理論可知，對于可靠性試驗結(jié)果的判斷，我們不僅可以做出可靠性試驗的MTBF值是否滿足預(yù)期值要求的判斷，也可以能存在第一、二類錯誤判斷的問題。

2.2 應(yīng)用3倍MTBF規(guī)則的前提條件

        使用3倍MTBF規(guī)則是需要滿足一定的前提條件的。我們很多人由于不了解3倍MTBF規(guī)則的前提條件，無論什么樣的產(chǎn)品都直接使用該準則進行可靠性試驗的設(shè)計，特別是一些機械產(chǎn)品、耗損型產(chǎn)品等，都直接使用3倍MTBF規(guī)則設(shè)計。此時，往往會得到錯誤的結(jié)論，造成不必要的損失。應(yīng)用3倍MTBF規(guī)則時，其重要的前提是：

        （1）故障時間相互獨立；

        產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布。

        關(guān)于指數(shù)分布的內(nèi)容介紹資料較多，這里不再贅述。指數(shù)分布的概率密度函數(shù)為：

        式中，t是故障時間，MTBF是平均故障間隔時間。工程經(jīng)驗告訴我們，在產(chǎn)品穩(wěn)定期、成熟期，其失效率往往是常數(shù)，即我們認為λ=1/MTBF為常數(shù)。如果產(chǎn)品的故障時間服從指數(shù)分布，那么故障數(shù)r、觀測時間T服從泊松分布：

        式中，P(R=r|T)是觀測時間段T內(nèi)發(fā)生r個故障的概率。

2.3 3倍MTBF規(guī)則的置信度問題

        美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）于2012年發(fā)布的工程手冊中，提供了可用于確定在給定置信度和允許失效數(shù)的情況下的試驗時間方法，具體內(nèi)容可參閱該手冊。該手冊指出：

        （1）、隨著允許失效的數(shù)量增加，試驗時間也要增加；

        （2）、建議使用最大的允許失效數(shù)的方案，因為試驗時間更長的方案更能夠揭示產(chǎn)品特征、質(zhì)量，并且減少誤判的可能性。

        根據(jù)該手冊可知，如果置信度為80%且允許失效數(shù)為1個時，其可靠性試驗時間準確值（計算得到）應(yīng)該是2.99（近似為3）倍MTBF。這也就是3倍MTBF的主要來源、依據(jù)。

        盡管3倍MTBF規(guī)則提供了一個簡單的可靠性試驗方案設(shè)計辦法，但是，如果只是考慮置信度問題，可能會出現(xiàn)以下的問題： 根據(jù)3倍MTBF規(guī)則，我們結(jié)合前面的例子，繪制該例子的MTBF真值為不同值時通過驗證試驗的概率圖。

        由圖可知，當產(chǎn)品的真值MTBF=100時，只有20%的概率通過驗證，當產(chǎn)品的真值MTBF=200（即例子中的目標值）時，有56%的概率通過驗證，當產(chǎn)品的真值MTBF=3.6倍要求值（MTBF0）時，即364小時，才能有80%的概率通過驗證。

        從上面可以看出，使用3倍MTBF規(guī)則的一個缺陷是它只考慮置信度，即只考慮判斷結(jié)果的可信或者不可信問題，沒有考慮通過率問題。然而，無論是對于生產(chǎn)方還是使用方來說，更希望選擇合適的方案進行試驗，通過一次試驗即可驗證設(shè)備是否滿足指標要求，即以高通過率進行試驗，以免由于試驗方案選擇失敗造成多次試驗，浪費人力物力資源。

圖1 驗證通過概率圖

3、綜合考慮置信度和通過率的試驗方案設(shè)計

        通過上面的分析可知，3倍MTBF規(guī)則是一個簡單、易于理解、易于實施的策略。但是，原有的3倍MTBF規(guī)則還是存在一定的缺陷的，主要體現(xiàn)在：如果僅僅依靠置信度單一因素進行試驗方案設(shè)計、選擇，是比較難得到合適的試驗方案，是比較容易出現(xiàn)低通過率的情況。因此，需要綜合考慮置信度、通過率因素等，讓設(shè)計、選擇的試驗方案不僅較高概率地通過驗證試驗，避免因為選擇試驗方案的不合理造成重做試驗，而且降低造成第一、第二類錯誤的風險。

        建議的改進方法：

        假設(shè)MTBF1是要求高通過率通過預(yù)期值驗證的平均故障間隔時間，即要求研制的產(chǎn)品達到MTBF1時，能夠比較高的概率通過可靠性驗證試驗。由此，我們可以得到:

        假設(shè)可靠性試驗方案的置信度為1-α為80%，通過率不小于1-β，允許r個故障，我們?nèi)菀淄扑愕玫剑?

         式中，是卡方分布，1-α是分位數(shù)，2(r+1)是自由度。

        同時，我們可以得到試驗時間T的計算公式：

         上述的故障數(shù)及試驗時間確定，可以借助PosVim軟件提供的試驗方案設(shè)計工具計算。

        一個示例：

        仍然以前面的高通公司的案例為例，假設(shè)產(chǎn)品的MTBF門限值為100小時，目標值是200小時，置信度要求為80%?，F(xiàn)要驗證該產(chǎn)品是否滿足MTBF指標要求。即MTBF0=100,α=0.2。

        我們使用綜合考慮置信度、通過率因素的設(shè)計方法進行產(chǎn)品的可靠性試驗方案設(shè)計。假設(shè)我們選擇MTBF目標值200作為MTBF1的值，且希望試驗?zāi)軌蛞?0%的概率通過驗證，那么MTBF1=200,β=0.2。這樣設(shè)計的可靠性試驗方案，如果設(shè)備的MTBF真值=MTBF1=200時，我們能夠有80%的概率判斷該設(shè)備的MTBF是大于100的。注意：通常情況下，MTBF0和MTBF1的值不一定需要選擇是門限值和目標值，可根據(jù)實際情況選擇，但是一定要注意哪個值高、哪個值是低的，否則容易出錯。

        選擇MTBF0的值時，當產(chǎn)品質(zhì)量不夠好時，所選擇的MTBF0值要盡量高概率讓其不通過鑒定。為此，設(shè)計師要評估產(chǎn)品的真實MTBF是否超過了MTBF0 。例如，可以通過可靠性預(yù)計、可靠性摸底試驗、可靠性評估等手段進行評估、預(yù)判斷。相反，MTBF1的值選擇應(yīng)該使得MTBF真值滿足要求的設(shè)備能夠高概率通過鑒定。

        當設(shè)置了MTBF0和MTBF1的值后，結(jié)合α、β值即可根據(jù)上面的公式計算出最小的故障數(shù)r。根據(jù)公式可以得到本例的r=6。因此，可知該試驗方案的故障數(shù)選擇為6個故障，把r代入試驗時間T的計算公式，可以得到試驗時間值。計算得到T=907.5小時。同時，容易計算得到第二類錯誤率β=0.174，通過指數(shù)為0.826。

4 結(jié)論

        由上可知，我們在設(shè)計可靠性試驗（驗證MTBF指標類試驗）過程中，如果試驗方案（比如選用GJB899A的試驗方案）很難確定時，可以考慮采用3倍MTBF規(guī)則進行設(shè)計，并建議綜合考慮置信度、通過率進行試驗方案設(shè)計。否則，可能由于選擇的可靠性試驗方案不合適，造成試驗失敗，造成多次試驗。