论文部分内容阅读
摘 要:文章介绍了广义可用性分析方法的理论基础和工作流程,并提出了计算可用性指标的含义。本文还描述了可用性指标与安全性指标和维修性指标之间的关系。安全性指标和维修性指标是计算可用性的基础,直接影响可用性指标的计算结果。本文在提出计算方法的同时,以举例形式说明计算方法的可行性。
关键词:可用性 可靠性 维修性 功能持续性
中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)07(c)-0011-02
可用性是指在指定时间范围内,设备/系统能处于正常工作状态的时间百分比,用于表征功能的持续性(continuously of function,来源于ARP5754)[1],反映了设备/系统长期工作的能力。设备/系统的可用性较高,代表设备/系统具有更强的长期工作能力,更低的维修时间成本和运营成本。从另一方面,设备/系统的长期工作能力直接关系客户利益,可用性较高的设备/系统能给客户降低时间成本、维修成本、因功能不正常而带来的营运成本等。图1反映了设备/系统可用性与客户利益之间的关系。
1 可用性计算方法研究
系统可用性指标综合了系统可靠性指标和系统维修性指标,从系统可靠性角度和维修性角度检验系统的长期工作能力。在分析系统可用性指标时,需要用到可靠性指标中的MTTF何MTBF,以及维修性指标中的MTTR。[2]
(1)平均工作时间(MTTF,Mean Time To Failure):不可修复(指失效后无法修复或不修复而进行替换)产品的平均寿命是指产品失效前的平均工作时间。
(2)平均故障间隔时间(MTBF,Mean Time Between Failures):可修复产品的平均寿命是指相邻故障间的平均工作时间,称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间。
(3)平均修复时间(MTTR,Mean Time To Repair):指更换/维修故障的平均时间,包括设备修理时间/设备更换时间和安装后调整时间。
针对平均工作时间MTTF的维修任务为更换设备,针对平均故障间隔时间(MTBF)的维修任务为设备维修,但是在系统可用性分析中并不详细讨论设备的维修过程或更换过程,而只关心从发生故障到清除故障的操作时间。因此,对于研究可用性与可靠性、维修性的关系,平均工作时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)等效。
1.1 设备可用性计算方法研究
对于航空机载设备(LRU)来说,在设备发生故障(显性或可探测隐性故障)后,无论故障是否可维修,为了保证正常飞行,首先都将设备更换。因此在计算设备可用性时,方法较为简单,因为平均修复时间(MTTR)是确定的。以下为设备可用性的计算公式:
Aitem=[MTBFitem/(MTBFitem+ MTTRitem)]×100%
Aitem为设备可用性指标;
MTBFitem:设备平均故障间隔时间;
MMTRitem为设备平均维修时间。
1.2 系统可用性计算方法研究
系统可用性的分析对象为多个设备,系统内任何一个设备发生故障均会导致系统不能正常工作(没有考虑MMEL的情况,如果系统内包含MMEL,则去掉MMEL项目),因此在计算系统可用性时,需考虑系统内各设备的故障情况。
系统可用性的计算方法与设备可用性的计算方法相同,所不同的是MTBF应当使用系统的MTBFsystem,MTTR应当使用系统平均MTTRaverage。
Asystem=[MTBFsystem/( MTBFsystem+ MTTRaverage)]×100% (1)
Asystem为系统可用性指标;
MTBFsystem为系统平均故障间隔时间;
MTTRaverage为系统平均修复时间。
假设系统内有n个设备:
1/MTBFsystem=1/MTBFitem1+1/MTBFitem2+……+1/MTBFitemn (2)
等式(2)等价变换后可得:
MTBFsystem=1/(1/MTBFitem1+1/MTBFitem2+……+1/MTBFitemn) (3)
假设在一段较长的时间范围T内,第i个设备发生了Mi次故障,总的修复时间为Ti。
按照定义:
MTTRaverage=(∑Ti)/(∑Mi) (4)
在(4)等式右侧分子和分母同时乘以1/T:
MTTRaverage=[∑(Ti/T)]/[(∑Mi/T)]
=[∑(Ti/T)]/[(∑1/MTBFitemi)] (5)
MTTRitemi=Ti/Mi (6)
同样,在(6)等式右侧分子和分母同时乘以1/T:
MTTRitemi=(Ti/T)/(Mi/T)
=(Ti/T)/(1/MTBFitemi) (7)
等式(7)变形后可得:
Ti/T=MTTRitemi/MTBFitemi (8)
将(8)带入(5)可得:
MTTRaverage=[∑(MTTRitemi/MTBFitemi)]/[∑(1/MTBFitemi)]
=∑{[(1/MTBFitemi)/(∑1/MTBFitemi)]×MTTRitemi} (9)
将(3)和(9)带入(2)后可得出系统可用性指标。
2 系统可用性计算
以某控制系统为例,表1列出了该控制系统内部设备清单及相关的MTBF和MTTR。表1为控制系统可用性指标参数表。 2.1 设备可用性计算举例
以表1中设备1为例,计算设备1的MTBF设备1为60000H。
根据维修手册,设备1的MTTR设备1为3H,包括更换时间和新设备的调整时间。
根据MTBF和MTTR,设备1的可用性指标
A设备1=[MTBF设备1/(MTBF设备1+MTTR设备1)]×100%
=[60000/(60000+3)]×100%
=99.9950%
各设备的单个设备可用性已列在表1最后一列中,不再重复计算。
2.2 系统可用性计算
根据表1中列出的设备数量、MTBF、MTTR,计算系统可用性过程如下:
MTBFsystem=1/(1/MTBF设备1+1/MTBF设备2+……+1/MTBF设备8)
=1/(2/60000+2/60000+1/30000+1/20000+1/25000+
3/10000+3/30000+2/20000)
=1/(6.4e-4)
=1562.5FH
MTTRaverage=∑{[(1/MTBF设备i)/(∑1/MTBF设备i)]*MTTR设备i}
=[(2/60000)/(6.4e-4)]×3+[(2/60000)/(6.4e-4)]×1+
[(1/30000)/(6.4e-4)]×2+[(1/20000)/(6.4e-4)]×1+
[(1/25000)/(6.4e-4)]×0.5+[(3/10000)/(6.4e-4)]×1+
[(3/30000)/(6.4e-4)]×4+[(2/20000)/(6.4e-4)]×1
=1.67188FH
将MTBFsystem=1562.5FH和MTTRaverage =1.67188FH带入(1)后可得:
Asystem = [ MTBFsystem/(MTBFsystem +MTTRaverage)]×100%
=[1562.5/(1562.5+1.67188)]×100%
=99.89%
通过以上计算可知,该控制系统可用性为99.89%。
3 结语
系统可用性反映了系统的可靠性和维修性,较高的系统可用性说明系统可靠性较高,同时系统维修时间成本较短,从侧面反映了系统可靠性与维修性之间的平衡。本文提供的计算系统可用性指标的方法计算过程明确、简单,在工程应用有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] Society of Automotive Engineers, Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A),2010.
[2] 曾声奎.系统可靠性设计分析教程[M].北京航空航天大学出版社,2001.
关键词:可用性 可靠性 维修性 功能持续性
中图分类号:TP31 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)07(c)-0011-02
可用性是指在指定时间范围内,设备/系统能处于正常工作状态的时间百分比,用于表征功能的持续性(continuously of function,来源于ARP5754)[1],反映了设备/系统长期工作的能力。设备/系统的可用性较高,代表设备/系统具有更强的长期工作能力,更低的维修时间成本和运营成本。从另一方面,设备/系统的长期工作能力直接关系客户利益,可用性较高的设备/系统能给客户降低时间成本、维修成本、因功能不正常而带来的营运成本等。图1反映了设备/系统可用性与客户利益之间的关系。
1 可用性计算方法研究
系统可用性指标综合了系统可靠性指标和系统维修性指标,从系统可靠性角度和维修性角度检验系统的长期工作能力。在分析系统可用性指标时,需要用到可靠性指标中的MTTF何MTBF,以及维修性指标中的MTTR。[2]
(1)平均工作时间(MTTF,Mean Time To Failure):不可修复(指失效后无法修复或不修复而进行替换)产品的平均寿命是指产品失效前的平均工作时间。
(2)平均故障间隔时间(MTBF,Mean Time Between Failures):可修复产品的平均寿命是指相邻故障间的平均工作时间,称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间。
(3)平均修复时间(MTTR,Mean Time To Repair):指更换/维修故障的平均时间,包括设备修理时间/设备更换时间和安装后调整时间。
针对平均工作时间MTTF的维修任务为更换设备,针对平均故障间隔时间(MTBF)的维修任务为设备维修,但是在系统可用性分析中并不详细讨论设备的维修过程或更换过程,而只关心从发生故障到清除故障的操作时间。因此,对于研究可用性与可靠性、维修性的关系,平均工作时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)等效。
1.1 设备可用性计算方法研究
对于航空机载设备(LRU)来说,在设备发生故障(显性或可探测隐性故障)后,无论故障是否可维修,为了保证正常飞行,首先都将设备更换。因此在计算设备可用性时,方法较为简单,因为平均修复时间(MTTR)是确定的。以下为设备可用性的计算公式:
Aitem=[MTBFitem/(MTBFitem+ MTTRitem)]×100%
Aitem为设备可用性指标;
MTBFitem:设备平均故障间隔时间;
MMTRitem为设备平均维修时间。
1.2 系统可用性计算方法研究
系统可用性的分析对象为多个设备,系统内任何一个设备发生故障均会导致系统不能正常工作(没有考虑MMEL的情况,如果系统内包含MMEL,则去掉MMEL项目),因此在计算系统可用性时,需考虑系统内各设备的故障情况。
系统可用性的计算方法与设备可用性的计算方法相同,所不同的是MTBF应当使用系统的MTBFsystem,MTTR应当使用系统平均MTTRaverage。
Asystem=[MTBFsystem/( MTBFsystem+ MTTRaverage)]×100% (1)
Asystem为系统可用性指标;
MTBFsystem为系统平均故障间隔时间;
MTTRaverage为系统平均修复时间。
假设系统内有n个设备:
1/MTBFsystem=1/MTBFitem1+1/MTBFitem2+……+1/MTBFitemn (2)
等式(2)等价变换后可得:
MTBFsystem=1/(1/MTBFitem1+1/MTBFitem2+……+1/MTBFitemn) (3)
假设在一段较长的时间范围T内,第i个设备发生了Mi次故障,总的修复时间为Ti。
按照定义:
MTTRaverage=(∑Ti)/(∑Mi) (4)
在(4)等式右侧分子和分母同时乘以1/T:
MTTRaverage=[∑(Ti/T)]/[(∑Mi/T)]
=[∑(Ti/T)]/[(∑1/MTBFitemi)] (5)
MTTRitemi=Ti/Mi (6)
同样,在(6)等式右侧分子和分母同时乘以1/T:
MTTRitemi=(Ti/T)/(Mi/T)
=(Ti/T)/(1/MTBFitemi) (7)
等式(7)变形后可得:
Ti/T=MTTRitemi/MTBFitemi (8)
将(8)带入(5)可得:
MTTRaverage=[∑(MTTRitemi/MTBFitemi)]/[∑(1/MTBFitemi)]
=∑{[(1/MTBFitemi)/(∑1/MTBFitemi)]×MTTRitemi} (9)
将(3)和(9)带入(2)后可得出系统可用性指标。
2 系统可用性计算
以某控制系统为例,表1列出了该控制系统内部设备清单及相关的MTBF和MTTR。表1为控制系统可用性指标参数表。 2.1 设备可用性计算举例
以表1中设备1为例,计算设备1的MTBF设备1为60000H。
根据维修手册,设备1的MTTR设备1为3H,包括更换时间和新设备的调整时间。
根据MTBF和MTTR,设备1的可用性指标
A设备1=[MTBF设备1/(MTBF设备1+MTTR设备1)]×100%
=[60000/(60000+3)]×100%
=99.9950%
各设备的单个设备可用性已列在表1最后一列中,不再重复计算。
2.2 系统可用性计算
根据表1中列出的设备数量、MTBF、MTTR,计算系统可用性过程如下:
MTBFsystem=1/(1/MTBF设备1+1/MTBF设备2+……+1/MTBF设备8)
=1/(2/60000+2/60000+1/30000+1/20000+1/25000+
3/10000+3/30000+2/20000)
=1/(6.4e-4)
=1562.5FH
MTTRaverage=∑{[(1/MTBF设备i)/(∑1/MTBF设备i)]*MTTR设备i}
=[(2/60000)/(6.4e-4)]×3+[(2/60000)/(6.4e-4)]×1+
[(1/30000)/(6.4e-4)]×2+[(1/20000)/(6.4e-4)]×1+
[(1/25000)/(6.4e-4)]×0.5+[(3/10000)/(6.4e-4)]×1+
[(3/30000)/(6.4e-4)]×4+[(2/20000)/(6.4e-4)]×1
=1.67188FH
将MTBFsystem=1562.5FH和MTTRaverage =1.67188FH带入(1)后可得:
Asystem = [ MTBFsystem/(MTBFsystem +MTTRaverage)]×100%
=[1562.5/(1562.5+1.67188)]×100%
=99.89%
通过以上计算可知,该控制系统可用性为99.89%。
3 结语
系统可用性反映了系统的可靠性和维修性,较高的系统可用性说明系统可靠性较高,同时系统维修时间成本较短,从侧面反映了系统可靠性与维修性之间的平衡。本文提供的计算系统可用性指标的方法计算过程明确、简单,在工程应用有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] Society of Automotive Engineers, Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A),2010.
[2] 曾声奎.系统可靠性设计分析教程[M].北京航空航天大学出版社,2001.