机电一体化的发展依靠对信息的持续利用来提高可靠性.docx
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机电一体化的发展依靠对信息的持续利用来提高可靠性
机电一体化的发展--依靠对信息的持续利用来提高可靠性
摘要---一方面要求增加产品的实用要求和系统的复杂性，另一方面要求降低开发时间和开发费用，是几乎所有制造商今天面临的挑战性制约。
再加上，顾客期望高质量的产品。
这篇论文介绍的是目前复杂智能化的机电一体化系统的可靠性导向开发的现状。
因此，这篇论文描述了典型的开发和可靠性进程。
很明显在目前的形势下，一个可持续的有效的可靠性导向的机电一体化系统的开发是没有把握的。
详细分析目前形势，我们会发现导致这种现状的重要原因有缺少可靠性有关信息、它们的可行性较低和信息流明显不足。
当采用机电一体化时，这些原因阻碍了可靠性的大幅提升。
因此，目前开发中的可靠性信息流和持续利用可靠性有关信息的挑战被仔细地关注。
在整个开发复杂机电一体化系统的进程中，完整利用和重点利用可靠性有关的信息能够大大减少努力并且提高系统的可靠性。
最后，一个理论的可靠性信息模型的想法被指出。
Ⅰ、引言
顾客不仅在购置大型装备，而且在生活消费品或汽车时，都希望买到高实用性和低花费的产品，见[1]。
为了满足这些挑战性的需求，制造商不得不一方面减少开发时间，一方面降低成本。
这些要求的实现依靠依靠开发进程和仍在增长机电一体化的配置。
但是，此外消费者也期望高质量的产品。
根据[2]可知，在购买一辆新车时可靠性是最重要的要求。
许多制造商试图通过微调他们正常建立起来的适用于生产简单机械产品的开发进程来应对这些要求。
但是尽管有可供机电一体化用的专门的开发进程，产品的可靠性总是部分取决于运用故障模型和影响分析（FMEA）之类的孤立的可靠性方法[3]。
同样，采用一个独立的可靠性进程主要代表了一个特定方法的线性组合而不是一个连续的进程。
在大部分情况下，这些行动在用一个便宜且可持续的方式提高系统可靠性的进程中发生得太晚了[1]。
这个可以通过利用一个可靠性进程避免，这些进程开始分析和修改产品开发早期阶段的活动[3]。
除了这些特定的可靠性进程和方法，更多的可靠性相关信息适用于开发的整个进程，但是这没有被用来提高产品的可靠性。
所以仅仅一个可靠性导向的产品开发进程就可以满足所有顾客的要求，这个开发进程包含对信息的综合和重复利用。
基于所有行为识别、管理和影响，系统的可靠性是一个有效的可靠性管理系统。
尤其是涉及到像机电一体化系统的复杂系统，可靠性管理系统必须直接和开发进程相联系。
这个可靠性管理系统必须支持一个准确的可靠性信息流。
机电一体化的可靠性管理系统的结构和内容在第Ⅱ部分介绍。
第Ⅱ部分讲述了在机电一体化中产品开发的实质，并介绍了一个产品的开发进程，而第Ⅳ部分以机电一体化中可靠性导向为中心。
第Ⅴ部分指出数据信息和保证系统可靠性的关键因素--知识的关联。
第Ⅵ部分展示了机电一体化中可靠性相关信息的有序使用和重复利用。
第Ⅶ部分继续从一个理论的可靠性信息模型分析，这个模型通过处理所有有关信息促进系统可靠性的提升。
Ⅱ、可靠性管理系统
迄今为止，很少有关于可靠性管理系统的讨论的文献。
通常情况下，可靠性管理系统被看成其它管理系统，如设计和开发管理系统的一部分。
根据[4]，可靠性管理系统是制造商用于做决策和贯穿开发不同阶段的管理产品可靠性的工具。
正如[4]所提到的，可靠性管理系统由相互联系的三个模块组成，如图1。
图1数据信息和知识在可靠性管理系统是必不可少的。
尤其是对于由机械、电子和软件组成的复杂的机电一体化系统，在系统开发中可靠性有关的信息几乎是未知的。
在Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ部分，这些方面会被详细分析。
除了这个和第Ⅰ部分被提到的，在机电一体化中与开发进程和可靠性导向相关的紧密联系也是必要的。
图表1：
可靠性管理系统的模块
Ⅲ、机电一体化中的产品开发
机电一体化在这个背景下是指机械学、电子学和软件的结合，这个结合可能产生更简单、更经济可靠的多功能系统，如图表2。
跨越多个学科和知识领域，机电一体化特别的方面呈现出来。
在机电一体化系统的开发中，主要涉及了机械工程、电子工程和信息技术。
这些不同的领域有它们各自的概念体系、经验、方法和描述方式。
但对于机电一体化方案，要求所有领域专家共同提出产品概念。
系统的模块和组成可以通过不同领域的解决方案实现。
但一直以来，严格的跨领域合作是值得的和有意义的。
这就要求有有组织的解决方法，尤其是在管理信息流时。
在机电一体化中，有一些众所周知的产品开发进程，其中一个就是所谓的V模型，被称为德国VDI2206准则，“机电一体化系统设计方法学”[6]。
这个准则引起了科学界很多团体的兴趣。
所用的进一步的分析将以此为基础。
这个准则提出了一个复杂的进程模型。
这个模型本质上是以以下三个要素为基础：
·微观层面常规问题解决循环，
·微观层面的V模型，
·在机电一体化系统开发中处理周期性工作步骤的预定进程模块。
微观层面的V模型描述了设计机电一体化系统的一般步骤。
引入下面三个阶段：
·系统设计，
·域详细设计，
·系统集成。
这些阶段伴随着“建模和模型分析”和“确保性能”。
经过所有这些阶段最终形成产品，见图表4。
一个复杂的机电一体化产品基本不会只在一个宏观周期内开发。
在一定程度上需要许多周期。
尽管VDI2206准则代表了在机电一体化开发中一个结构化的、整体的方法，但仍然涉及到机械学、电子学和软件各自独立的领域具体化的结构。
除此之外，这个准则除了在上文被提到没有提供详细的信息，也没有给出对系统可靠性的信息判别方法。
不过，这一阶段完成特定的确定的重要事情。
在这一阶段的重要事情和活动是这些工作的基础。
第Ⅵ部分，给出了在机电一体化产品开发单一阶段更多的关于工作和结果的详细信息以及对完成的重要事情的记录。
Ⅳ、机电一体化中可靠性导向开发
除了可靠性管理系统，在机电一体化中必须采用一个特殊的可靠性进程确保可靠性导向开发。
为了尽可能多的减少工作量，可靠性进程要紧密联系在第Ⅲ部分介绍的开发进程。
一个在第Ⅰ部分提到支持所有要求的目标导向可靠性进程，有图表4中的几个要素组成。
第一个要素，“设置可靠性目标”，一个系统的可靠性目标在几个方面被设置。
除了技术角度的可靠性目标，顾客角度的可靠性目标——经济性、考虑了法律也是特别重要的。
第二个要素，“研究的可靠性分析”，目标是有序地选择“最好的”判别可靠性的理念。
在[7]描述了这种分析的一个典型进程。
选取的理念将在下面的要素——“系统和子系统的可靠性分析”中详细分析。
在这一阶段，将完成更多基于功能和组成的定性和定量的分析。
第一步，建立系统和子系统的功能结构。
可靠性功能结构将按照这个步骤，例如采用框图。
通常这个工作采用例如故障树形图分析会更加方便。
在[8]中提到一个早期的可靠性定量分析的典型例子。
在这一阶段，可靠性目标被划分成功能性的和组成性的。
下一个要素，“域内可靠性导向设计”，支持机电一体化中各个域内的可靠性活动。
在这个阶段，可靠性目标被分解到部件层次。
此外，所有错误原因、错误模型、错误影响必须被识别。
再次，开始利用可靠性信息在部件层次定量分析。
将结果与可靠性目标对照。
这一阶段的典型性遵循说明书和强大的域方向。
尤其是这一阶段，要确保遵循每个部件设定的可靠性目标。
“子系统可靠性确认”，这个要素包括检查错误、确保服从于集成部件和子系统说明书。
正因为这样，必须提出和执行详细的测试方案。
在系统层面，这个工作于“系统可靠性确认”中的工作相当。
分析测试结果后，要求确定这些结果与系统可靠性之间的关系，如果必要的话将开始修正。
“可靠性导向生产”确保制造和装配出没有额外错误的系统。
监测可靠性有关数据同时用该领域如顾客投诉信息的系统确保一个使用中系统的可靠性的调查。
在机电一体化中，为了确保可靠性导向的开发是持续的、有效的，很明显需要在开发进程和可靠性进程之间建立密切的联系。
理论构件的方式组成了联系这些进程的信息流。
所有的必要的信息将在第V部分讨论。
这些必要的信息是关于数据、信息和它们的相互依存性。
Ⅴ、数据、信息和知识
正确理解数据、信息、知识这些术语对于利用它们很重要。
下面这部分描述了这些术语的定义和所谓的DIKW-等级制度（数据、信息、知识和智慧）中它们的相互依存性。
图表3表示DIKW-等级制度。
数据和信息是两个经常被用作同义词或仅仅有微小区别的两个术语。
但根据[9]，它们是不同的。
数据是未经加工的，它仅仅只是存在，没有超出存在的意义。
信息是用来表达相关联系和回答“谁”、“什么”、“哪里”、“什么时候”的数据。
知识是指数据和信息的应用或用来回答“怎么办”的。
智慧是估计的理解。
理解是一个添入的不确定的过程。
它含有分析和认知。
理解和知识的不同正如“学习”、“记忆”的不同。
在机电一体化开发过程中的所用信息可以很明显地分成几类可靠性相关信息。
在此研究中，会介绍此三类可靠性相关信息：
·直接的可靠性相关信息：
与新系统的可靠性有直接联系的信息，例如前驱单元的错误率信息。
·间接的可靠性相关信息：
和至少一个其它的可靠性有关信息有联系的信息，例如，环境温度范围和连续的环境温度范围对电池组各单元影响的信息。
·非可靠性相关信息：
与系统的可靠性没有关系的信息，如系统的成本。
一般，与可靠性直接相关的信息可以借助可靠性进程和特殊的可靠性方法获得。
这些方法经常利用部分间接可靠性相关信息来预测系统开发过程中单一时间系统的可靠性。
但是这些方法不能确保整体分析，因为其单一的使用时间。
当应用一个可靠性方法时，专门的可靠性分析工程师可以确保所有应用这个方法所需的信息是可得到的。
间接的可靠性相关信息在整个开发进程中都是可以获得的。
这些信息的问题是这些信息的可靠性相关性由于没有工程接触而很难被察觉。
为了阻止这种情况的发生，机电一体化中可靠性相关信息的有序使用和重复利用在下一部分开始。
Ⅵ、机电一体化中可靠性相关信息的有序使用
目前，机电一体化中可靠性工程的现状描述如下：
通常，“可靠性进程”有许多可靠性方法组成，这些方法在可靠性进程的单个阶段执行，如质量函数调度（QFD），早期可靠性预计方法[8]或FMEA。
这些方法要求对信息的输入专门设置，这些信息有开发进程或进一步可靠性进程传递。
这些普通的可靠性方法的应用是由于顾客、法律或其它因素的特别要求。
这种可靠性理解的影响是其特点是可靠性过程的要求，所谓的拉驱动的信息流。
这种情况引起可靠性信息直接的充分的供应，这些信息是由于应用特别的方法所需要的。
在大部分情况下，可靠性方法应用的结果只是部分地考虑到可靠性进程。
这种拉驱动情况的结果是不完整方法的输入信息流。
这种信息流既不是可追踪的，也不是连续的、可持续的（图表4中的黑箭头表示）。
事实上，很多直接的和间接的可靠性相关信息丢失了，这些信息不是运用冗特别方法所需要的。
为了实现复杂产品的高可靠性，要求详细分析所有直接和间接的可靠性相关信息。
如[1]所示，系统的进程和产品的可靠性受到系统设计早期阶段的剧烈影响。
在机电一体化中，这也适用于域详细设计的早期阶段。
但是如果认真对待这种看法，那就有必要综合利用机电一体化产品开发的可靠性相关信息和知识。
如[4]中所提到的，一个有效的可靠性管理要求有一个在产品开发生命周期不同阶段间的信息流。
现状和这个研究要处理的挑战将会利用图表4进一步讨论。
图表4展示了机电一体化的开发进程与可靠性进程之间的基本的艺术级的信息流，这个信息流黑色带虚线的箭头标出。
在这一部分里，这些箭头的方向会被仔细分析。
已开发目标的要求开始，提出了间接可靠性要求，如“降低保修和备用件的花费”、“相对于前一代产品可靠性提高10%”或“可靠性比目前A产品高20%”。
通过分析这些要求，第一可靠性要求可以除去。
机电一体化系统的可靠性目标以进一步的可靠性预测方法为基础。
系统设计的第一步以选择最好的最成熟的原理完成任务为目标。
为了完成原理的选择，所有的要求被分解成详细的功能。
利用功能结构可以得到第一个组成部件结构。
在这个阶段，已经有了例如关键的可靠性功能和所得的第一个组成部件结构方面可靠性的信息[7]。
由于事实上，大部分可靠性方法不支持开发早期阶段的可靠性活动。
在可靠性进程中，几乎没有可靠性信息流到“研究的可靠性分析”这一步。
到达这个转折点后，原理选择结束。
接下来的步骤中详细分析功能结构和组成部件结构。
除此之外，如FMEA之类的可靠性方法开始运用（“系统和子系统的可靠性分析”）。
因此，一个更大的信息流产生了。
在这个阶段末期域综合系统原理实现。
由此，详细的域单元或部件组成的说明书将编制完成。
这个说明书是域详细设计的基础。
在域详细设计时，根据给定的说明书完成工作。
这时只有一点点的域间综合协调，也只有一点点信息流。
在大多数情况下，如果坚持域详细设计说明书，这个开发过程就没有可靠性导向的工作。
但是尤其是在开发阶段，可以获得新的领悟和技术。
在机电一体化的艺术级得可靠性工作中，几乎没有从每个单独的域中有序地获取可靠性相关信息的任何可靠性活动。
完成域详细开发、设计模块和组成部件（包括绘图，材料单，重量等）之后，将开始系统的综合集成。
尤其是在接下来的系统综合集成阶段，在可靠性进程和开发进程之间通常存在紧密联系。
系统综合集成有系统和子系统的可靠性确认支持。
形成这种状况的原因是进行了大量的测试过程，这个测试过程的目的是检测说明书是否可信以及设计或功能是否有缺点或错误。
找到并改正设计中的缺点或错误可以提高系统的可靠性，提升顾客的满意度。
所以，一个在可靠性进程和开发进程之间强大的循环信息流对于应对这些挑战是必要的。
总的来说，图表4展示在艺术级的可靠性导向的系统开发中，强大的可靠性信息流存在与开发的每一个阶段。
通常这个信息流是单向的，同时尤其是系统集成和测试时，会出现双向的可靠性信息交换。
但是特别是在系统设计和域详细设计中，存在多得多的可靠性相关信息。
尤其是编写需求和总体说明书是开发中最重要的步骤。
确切的完整的说明书将确保成功和保持整个开发的最小努力。
由于系统的可靠性关联，一个准确的更加完整的可靠性说明书是必需的。
只有利用所有开发阶段的所有可靠性相关信息才能完成它。
此外，尤其是系统开发早期，通常在开发时有许多修改和调整。
它们可能严重影响系统的可靠性，例如，由于更改安装地点和冷却系统，温度载荷范围改变。
但轻微的改变如修改固定都可能严重影响系统的可靠性[10]。
由于事实上不能明显察觉，别的判断和方法有可能被这个改变影响。
由于没有考虑这些新的相关信息，可能会浪费许多开发时间。
但通常，FMEA在单体上不能执行。
所以，FMEA实际情况不能随着产品的开发而灵活改变，这就导致了分析结果和实际系统的矛盾。
但是，但是在系统设计和编制域详细设计说明书时，考虑新系统的可靠性相关信息量的增加是可以实现的。
同样也适用于域详细设计。
域详细设计的工作是在每个单独的域内完成的，而没有在域间互换开发结果和信息。
所以在一个域内完成的或可能影响其它域的改变没有表现出来。
最终形成了一个从可靠性角度看不是最佳的机电一体化系统。
为了阻止这种情况的发生，所有有助于提高系统可靠性的信息都将会被利用。
Ⅶ、支撑的信息处理——可靠性信息模型
为了有序地处理机电一体化产品开发中所有直接或间接的可靠性相关信息，需要一个反应典型开发进程的全部可持续信息的信息模型。
这个模型的目标是描述所有在开发中的几个阶段获得的信息。
此外，模型趋向于展示开发期间与系统可靠性有关的信息。
可靠性信息模型是可靠性管理的一部分。
在开发进程中，它要求处于可靠性进程和开发进程之间，如图表4。
这个可靠性信息模型支持的“理想模型”目标是随时产生一个开放的信息流（用带阴影的双向箭头表示）。
这相当与一个拉驱动的信息流，在这里所有的可靠性相关信息被并入信息模型，如果要的话，这些信息课随时被找回。
论文的第Ⅲ和Ⅵ部分描述在机电一体化中根据VDI2206中V-模型开发的单独阶段。
更加仔细地看每个阶段，会发现有它自己的步骤和分步骤。
每个这些步骤需要并传递一定量的信息——但只是部分信息与可靠性目标有关。
信息模型用第Ⅴ部分提到的三个信息层来阐明。
以要求为信息核心（图表4），所有的新获取的信息围绕这个核心分布。
当可靠性相关信息是可知的时候，信息模型可以提供一个有序的结构化的视角。
此外，分层模型的结构是客观的。
这确保了考虑开发的每一个阶段之后的可知的可靠性相关信息。
根据这个可靠性模型，信息的详细分析在机电一体化产品的开发的所有阶段信息的可靠性相关将会在未来研究中确定。
这个可靠性信息模型有利于提升系统的可靠性同时减少开发复杂机电一体化产品的努力。
这个模型也以每个机电一体化的域的特殊规格参数为中心。
Ⅷ、总结
这篇论文阐明了机电一体化开发过程的现状和有关联的可靠性进程。
除了这个，说明开发早期对系统的可靠性施加影响的必要性。
为了保证这个，对系统的可靠性更好的详细的检查是严格的。
很明显在实际控制和管理系统的可靠性时，信息是本质要求，尤其是面对像机电一体化系统这样复杂的系统时。
但是在机电一体化系统开发阶段的信息流还没被详细描述为有效增加系统可靠性的积极条件。
除此之外，总的来说可靠性需要的信息的相关性通常是未知的，估计过低的。
可靠性信息模型描述的是可靠性相关信息的可利用性和结构。
这篇论文描述的是这种模型的基本思想。
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