当前位置:首页-文章-MBSE-正文

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA)

0 引言

今天,数字化设计相对传统基于文档/文本设计的优势已在各行各业形成共识。 MBSE (Model Based Systems Engineering),作为一种新的数字化手段,实现了系统工程中前期方案设计环节的数字化,补齐了系统研发环节最后一块大的短板。更由于其在系统研发环节中所处的特殊位置,MBSE将注定带来比其他数字化工具更广泛和深刻的影响。

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第1张

FMEA (Failure Mode and Effects Analysis),作为与系统设计并行、共生的研发环节,必然将会从系统设计的数字化中受益,也必然会向着数字化设计的方向发展 – 从传统的Text-Based FMEA转变为Model-Based FMEA。

本文将结合案例说明当前Model-Based FMEA的一种实现方式(基于SysML扩展),以及其与传统FMEA分析方式的差异等。

1 FMEA概述

FMEA作为一种自下而上对系统的失效模式和潜在影响分析的方法,是系统安全、可靠性分析的重要内容,广泛应用于航空、航天、汽车等行业,属于产品研发过程中不可或缺的环节。

1.1 发展历史

FMEA分析方法最初应用在NASA Apollo等航天项目中,复杂的系统设计催生了FMEA在航天的最早应用,以保证航天系统的可靠性,人类在月球的第一个脚印背后有着FMEA这种分析手段的支撑。

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第2张

随后,FMEA方法被引入到对系统安全、可靠性要求同样严格的民航业,并形成了自己的可靠性分析标准–SAE J1739,该标准涵盖设计(Design FMEA)和制造(Process FMEA)两部分,是航空产品安全性评估流程(ARP4761)的重要组成部分。

汽车行业对FMEA的引入始于1970s年代的福特Ford。1993年,AIAG(Automotive Industry Action Group)发布了汽车行业的FMEA规范- PotentialFailure Mode and Effects Analysis(FMEA) Reference Manual,随后多次更新,至今已到第4版,该规范目前作为Chrysler LLC, Ford Motor Company, General Motors Corporation等车企及其供应商进行FMEA分析的指导手册。

IEC-International ElectrotechnicalCommission从1985年开始发布FMEA国际标准–IEC 60812,并在2006、2018年更新第2、3版。

当前,FMEA的应用已不仅仅局限于航空航天、汽车行业,越来越多涉及安全、可靠性的行业,如半导体、医疗、软件等,在不断扩展FMEA的应用。

1.2 内容和分析流程

FMEA分析的内容包含但不限于如下信息:

1、FMEA分析的范围的确认,需要的信息包含:

  • 系统功能模型
  • 系统边界图
  • Parameter (P) diagrams
  • 界面接口图

2、Item – 分析对象,可以是系统、子系统、功能单元、零部件等

3、Potential Failure Modes - 分析对象的失效模式

4、Potential Causes – 可能引起失效的原因

5、Potential Effects - 失效可能带来的影响,一般包含局部影响和对系统的最终影响

6、Occurrence – 失效发生的频率

7、Severity – 失效严重程度评估

8、Prevention Controls – 预防失效发生的措施

9、Detection Controls – 失效的探测措施

10、Recommended Action – 推荐措施

11、相关责任人

12、预计完成日期

13、…

以福特Ford汽车公司Design FMEA为例,其FMEA分析涵盖内容如下:

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第3张

Potential Failure Mode andEffect Analysis (FMEA) Reference Manual-4th Ed

关于FMEA分析流程,IEC 60812标准中提供了参考,如下图:

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第4张

2 MBSE与FMEA的结合: OMG Safety & Reliability Profile

由于FMEA分析与系统设计过程并行且高度耦合,MBSE与FMEA的结合变成了自然而然的事情。

基于这一想法,OMG组织于2017年成立专业团队,研究在SysML中实现safety and reliability分析的功能,以便形成标准的落地方案。

RFP (Request for Proposals)中提出的需求包含:

  • 能够对安全性信息进行建模,如风险Hazard及其危害Harms等
  • 能够对可靠性分析进行建模,包含FaultTree Analysis (FTA) and Failure Mode and Effects Analysis (FMEA)

截至当前,已经发布的OMG Safety & Reliability Profile框架如下,基于国际标准IEC 60812的FMEA已经包含在该框架内。

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第5张

借助Stereotype扩展的方式,OMG Safety & Reliability Profile中提供了FMEA分析所需的元素和关联关系,用于支撑FMEA的模型化表达,包含失效模式、失效原因、控制措施、探测措施、局部失效影响、最终失效影响等,如下图所示:

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第6张

有了这套标准Profile的支撑,可靠性分析可以实现与系统设计工作在同一个平台下、用同一个语言、同一套标准进行。

3 Model-Based FMEA案例

FMEA分析对象为系统模型,基于SysML的图形化模型数据可直接作为可靠性工程师进行FMEA分析的辅助输入。

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第7张

系统与周边环境交互关系

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第8张

系统架构

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第9张

接口界面矩阵

FMEA模型的呈现:

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第10张
MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第11张

FMEA覆盖率分析:覆盖率矩阵可直观查看当前FMEA分析完成进度、FMEA信息与系统设计信息的追溯关系。

MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) - 第12张

4 基于模型的FMEA vs 基于文本的FMEA

基于文本的FMEA基于模型的FMEA
FMEA与系统设计元素追溯人工查询追溯(对元素进行唯一编号等方式)通过模型中的关联关系自动追溯
数据一致性设计更改传递至FMEA存在延迟,可能存在数据不同步问题设计更改实时反馈给FMEA,并通过追溯关系获取完整影响分析
数据重用性可重用性差可将典型失效模式、失效影响建立模型库,后续项目可直接重用
数据自动化处理难度,如:·历史数据统计分析·FMEA表单自动生成·与其他工具间数据集成等文本语言较难处理基于对象的元素更容易处理
数据可维护性手动维护不同版本FMEA文档,难度高且存在数据丢失风险对模型的维护较为简单,无需在本地手动维护多个文档

5 小结

借助新的数字化设计手段,FMEA实现了与系统设计在同一套工具、同一个语言、同一套标准下进行,这将帮助工程师克服传统基于文本的FMEA分析方式中数据追溯性、一致性、可重用性、可维护性的困难。

另外,有了数字化的FMEA模型,在FMEA数据的统计分析、FMEA表单的自动化生成、周边工具集成等方面也将出现更多的可能性。

本文来源:数字化从业笔记。

相关文章

换一批