可靠性应用模式与能力等级评价 | 可靠性系统工程三部曲（下）

实施可靠性系统工程的八个要素、五个应用模式，共同构成了企业的可靠性系统工程能力。八个要素，即指标需求、组织形式、专业队伍、工作流程、规范指南、过程控制、数据信息、技术集成。五个应用模式，即故障归零模式、试验把关模式、定量设计模式、故障补偿模式、综合集成模式。

图1：可靠性系统工程能力

故障归零模式

所谓故障归零模式，就是企业在运行维护过程中，收集产生的数据，进而进行故障信息的统计。下面以某汽车制造厂某型离合器故障为例进行说明，这是很早期的汽车数据。从离合器按里程故障统计和主要失效模式统计中，可以得到这一部件发生各种故障多少的视图。图2统计了各个时间段发生的故障数，图3是按照这一部件的故障模式发生数据进行统计，包括有哪些故障模式，每个故障模式占的百分比。

图2：某汽车制造厂某型离合器按里程故障统计

图3：某汽车制造厂某型离合器主要失效模式统计

有了这些数据之后，就知道哪些零部件、哪些故障模式要进行改进。在需要对某些零部件进行改进的时候。首先，要对它进行故障机理分析，针对机理进行设计或者是工艺技术的改进，改进之后还要进行有效性的验证，通过FRACAS（Failure Report Analysis and Corrective Action System，故障报告分析与纠正措施系统）循环来提高可靠性。

图4：故障报告分析与纠正措施系统

目前，大部分企业采用的是故障归零模式，但是做的并不好。做不好的原因主要有两个，一是信息缺失，二是没有管理好FRACAS循环。做好可靠性，三分靠技术、七分靠管理。

试验把关模式

第二种模式是试验把关模式。当企业创新程度越来越高的时候，越来越不确定产品投放到市场上是好是坏的时候，就要进行考核试验。这个时候要把关，在投入批产之前、在交付用户之前，要设计可靠性的试验项目。

例如，长虹公司2007年开始导入可靠性，当时售后数据显示维修费用占到利润的近30%。电视机的利润本来就薄，要想保住利润就要高可靠性。因为家电行业售后数据统计的非常清晰，返修率都能算出来，那么直接导入的就是试验考核。所有电视机在出厂之前都要进行可靠性试验考核，设计一个试验考核方案，不通过的不能投产上市。这个途径当时遭到了设计师的抵制。公司解决这个问题的方法就是先由各个项目组自愿选择，愿意走可靠性技术路线的就按照试验考核流程走，不愿意的项目组继续按老程序办。家电行业的售后数据反馈非常快，半年后数据收集回来了，通过考核的型号，返修率就降下来了，没有经过考核的，没走这套流程的，依然是高的返修率。这时候领导一声令下都按照这个试验考核流程执行了，可靠性试验考核的标准也定下来了，流程也固化了。之后5年的返修率均值降下来了，波动也小了。

可靠性试验的类别有很多种，例如：

1、可靠性摸底试验：对模拟产品实际使用的环境应力和工作应力进行试验，在规定时间无故障通过，定性考核。

图5：可靠性试验中产品发生故障时间与总试验时间1998-2008数据统计图

2、可靠性强化试验：逐步增大产品环境应力和工作应力进行破坏试验，故障分析与纠正后再次试验通过，定性考核。

强化试验是要掌握产品的破坏极限，把产品做坏，做到失效，这是强化试验的一个原理。

图6：可靠性强化试验原理

3、可靠性鉴定试验：模拟产品实际使用中的环境应力和工作应力条件下进行的统计试验，可以给出定量的可靠性指标。足够多的样本和足够长的试验时间。定量考核。

鉴定试验给出定量的考核性指标，但是要提高准确度，就要投入大样本。寿命试验也是统计的方法，可以按照1.5倍的寿命进行试验。如果产品寿命指标很长，就需要加速试验，另外设计试验方案。总之，不同的情况要有不同的解决方案。

4、可靠性验收试验：按规定的批量大小和抽样原则，从各生产批次中抽取产品，在与可靠性鉴定试验相同的试验条件下进行的统计试验，可以给出定量的可靠性指标。定量考核。

图7：可靠性鉴定与验收试验原理

针对不同的场景，不同的场合，摸底试验和强化试验是针对研发阶段，暴露设计工艺缺陷的，鉴定试验是对研发阶段的定量考核，验收试验是批产阶段，保证可靠性水平不波动。

定量设计模式

第三种模式是定量设计模式，分两方面，一方面称为健壮性设计，就是三次设计方法，是日本一个教授发明的，60年代开始在日本的企业应用，70年代、80年代开始普及，日本企业把这个做的非常精致。

这个方法分三步。第一次设计为系统设计，是功能创新。第二次设计为参数设计，要把运行参数、性能参数调整到非线性的饱和区域。这个区域波动小，性能参数就稳定。第三次设计为容差设计，目标是质量损失最小。例如，螺母和螺杆是配套的零件，在一大批的零件里随机拿一个螺母和一个螺杆拧到一起，有一定的概率是拧不上的，这就是失效，这个概率允许有多少？一个复杂的产品有很多零件容差是累计到一起的，失效概率是多少呢？容差设计就是解决这个问题的。

通过三个步骤之后，实现功能创新、性能稳定、质量损失最小，可靠性自然就高了。

图8：稳定性设计：三次设计方法

第二个方面是，把性能稳定做好之后，还有高可靠长寿命目标。面对着长时间的使用需求，产品使用就要退化，不使用也退化，退化再加上可能遇到的各种各样的异常的条件，可能就要突发失效，图9给出的是一个高可靠长寿命设计技术体系图，是经过航空行业广泛应用过的。

图9：高可靠长寿命设计

故障补偿模式

第四种模式是故障补偿模式，也可以称之为健康管理模式。系统发生故障后对其进行维修的方式为反应式维修，是被动式维修。执行计划内预防性活动来检测系统异常，修理故障部件/系统的方式，为预防性维修。当前最新的是预计性维修，载体就是故障预测与健康管理。

图10：三种维修方式的比较

故障诊断、故障预测，健康管理形成一体化，根据诊断和预测的信息判别系统健康状态，是治未病，未病先防，所有叫健康管理。预测和健康管理是关键的转变。从事后的维修到事前的预判，是观念的转变。随着技术的发展，从自动化的维修也转变到智能化的维修。

图11：基于开放体系结构的事前维修系统框架

综合集成模式

把上述这些应用模式全都使用起来，将售后运维的数据统计做好，做好定量设计、试验考核、维修保障系统，这些加起来就是综合集成的模式。可靠性完整的结构就是这样的，全都做到了的话，可靠性系统工程也就成功实现了。

图12：综合集成模式

能力等级

可靠性系统工程能力等级，是根据可靠性系统工程能力的不同水平进行划分的，每一等级都代表了组织改进过程中经历的一个阶段。通过可靠性系统工程能力成熟度评价，可以判断企业可靠性做的好或不好。每一级都有详细的定义，企业要一步一步走，循序渐进。

图13：可靠性系统工程的能力等级

能力成熟度

第一级是已执行级。开始RMS（可靠性Reliability、维修性Maintenance、安全性Safety）各项工作，但工作项目不完善，各项工作处于混乱状态，没有良好的计划和跟踪监控，RMS工作不能和产品的设计、试验和生产过程相融合。RMS工作的效果，取决于执行工作的人员素质。

第二级是已管理级。RMS工作有专人负责，成为专业，并且与设计、试验和生产过程相融合，产品的RMS专业特性得到保证。一个项目中RMS工作的成功经验，可以在组织中的其他项目中复现。

第三级是已定义级。建立了组织的RMS标准规范，各项目实施中RMS工作均按照标准规范执行，产品RMS指标得到很大程度的提高，RMS工作结果可以被跟踪和控制的。

第四级是定量管理级。RMS工作的执行可用量化指标来度量，组织的RMS工程能力可以量化评测。通过量化的手段可以预测产品RMS指标的改进趋势、工作进度、成本需求。当超过不可接受的范围时，可以采取相应的手段加以纠正，从而实现对产品RMS工作的控制和管理。

第五级是优化级。组织能对RMS工作进行整合及优化。组织有能力识别出RMS工作的潜在缺陷并进行有针对性的过程改进。组织能主动吸取新技术或者完善已有的技术，组织可靠性系统工程能力会得到不断的改进和完善。

能力评价要点

在评判模型中，分成了10个评价项目，24个评价要点，103个打分点。好的企业从导入可靠性开始，快的话，可以用5年左右的时间，达到5级，但也有的企业长时间停在2级水平。

图14：能力评判模型

评价效果

航空企业中已经有20多个单位完成了能力评价，目前来讲他们达到了第三级，开始形成自己的标准。航空企业做的很好，也不过是在第二、三级水平，华为应该是在第五级的阶段。从可靠性角度来看，真的是很不一样。这个评价模型也可以用来企业自评。

图15：不同能力级别的评价效果

打造中国制造业可靠性系统工程生态圈

工业界、学术界、生产性服务业，共同构成了可靠性系统工程生态圈。

制造业企业是牵引可靠性工作的动力，可靠性需求会带来新的发展，更高的质量要求，更强的社会责任，最具有中国特色的中国产品的使用场景，这非常重要。例如，地铁出入口的闸机最初是采用西门子公司的产品，我们国产的产品不是没有，但是总出故障，影响使用，特别是高峰期，闸机出故障影响不好。鉴于西门子产品的可靠性很好，于是就安装了，一开始还都挺好，但是当地铁载客量越来越多时，西门子产品的故障率也高了起来。西门子公司也很奇怪，伴随着一百多年地铁历史而发展的公司，闸机怎么到中国就不好用了。西门子派人服务跟踪，他们先看我们的使用场景，然后发现中国人太多了，一个一个过闸机的频度是全世界最高的，频度不一样，他们的软件、硬件不适应这个频度，就出现故障了，所以使用场景不一样，也是影响可靠性的。

图16：可靠性系统工程生态圈

第二个就是学术圈。可靠性在大学里是一个成长中的新学科，可靠性正从工程走向科学，要培养大量的专业人才，做可靠性的更多的基础研究、技术研究。国外的一位可靠性教授说很羡慕我们，我说是羡慕我们有钱吗？国内现在科研投入增长很快，可靠性拿研究项目相对容易。他说你太LOW了，羡慕的不是这个，羡慕的是中国制造业的发展历程和使用场景跟国外不一样，质量可靠性的新问题在中国，近水楼台，会遇到学科发展的新问题，研究的东西是国外专家接触不到的，这样未来十年二十年后中国的可靠性学科就会走到世界领先地位了。这个思考的角度让我很受教育，也非常有信心。

第三个圈是生产性服务业，十九大报告里叫现代服务业，这是创业者的乐园。伴随着从制造大国向制造强国的转型，可靠性咨询服务作为现代服务业也要有跨越式发展了。

可靠性系统工程生态圈的发展，预示着我们正在交互打造中国可靠性的生态链，这是未来的发展方向和目标。

作者

康锐：北京航空航天大学可靠性与系统工程学院

编审

孟采菽：《知识自动化》主编

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