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導讀

本文譯自NASA2020年度可靠性維修性研討會（Annual Reliability & Maintainability Symposium ，RAMS）的一份報告。該報告展示了Goddard航天飛行中心（GSFC）利用現(xiàn)有商業(yè)軟件將可靠性學科納入基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），并通過對實際項目中的子系統(tǒng)建模進行成果測試，最后指出了該項目下一階段的發(fā)展方向。

以基于模型的系統(tǒng)工程（Model-based Systems Engineering，MBSE）為主導的基于模型工程的出現(xiàn)正在改變設計和分析的方法論。系統(tǒng)開發(fā)的公認好處是從以文檔為中心的信息系統(tǒng)和項目溝通轉移到以模型為中心的環(huán)境中，這使得控制壽命周期中的設計更改變得更加方便。此外，設計中全方面即時的“單一信息源”（Single Source of Truth，SSOT），成為相關系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息的權威來源，提升了系統(tǒng)元素集成的一致性和效率，從而進一步優(yōu)化設計。因此，為NASA任務提供支持的可靠性工程師（REs）必須被整合到基于模型的工程中，以確保他們的分析結果與設計、開發(fā)和故障風險評估和傳達的過程相關并具有必要的價值。

基于模型的可靠性對于分析員/建模者必定是困難的，但能夠有效地產(chǎn)出比傳統(tǒng)方法一致性更好的完整、準確的可靠性產(chǎn)品（例如，故障模式、影響和危害性分析（FMECA）、有限壽命分析（LLA）、故障樹分析（FTA），維修性/可用性分析和概率風險評估（PRA））使工程師有更多的時間進行分析、風險評估、系統(tǒng)行為調研（仿真）和基于風險的項目決策支持。然而，為了實現(xiàn)這一點，必須開發(fā)、實現(xiàn)和測試一個健壯且統(tǒng)一、全學科綜合的建模過程。

為了將可靠性這一學科納入統(tǒng)一建模過程，Goddard航天飛行中心（GSFC）的一個由機構贊助的小組完成了與基于模型的安全和任務保證倡議（Model-Based Safety and Mission Assurance Initiative，MBSMAI）部分建模和測試相關的可靠性研究。在這項研究中，GSFC可靠性專家利用具有代表性的現(xiàn)有商業(yè)工具，包括由Tietronix Software Inc.的可靠性插件支持的MADe（Maintenance Aware Design environment from PHM Technology-Siemens）和SysML/MagicDraw（Systems Modeling Language (SysML) 基于NoMagic的工具），開發(fā)了任務子系統(tǒng)模型（EUROPA推進系統(tǒng)、Wallops飛行研究所（WFF）探空火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）和國際空間站（ISS）冷凝器）。然后對這些模型及其支持可靠性分析的能力進行評估，以確定其準確性、一致性、效率，以更好地聯(lián)系和定義MBSE/MBSMA建模過程最佳實踐和支持傳統(tǒng)SMA分析和里程碑產(chǎn)品生成的建模環(huán)境需求，以便評估和傳達故障風險。

“在已經(jīng)被充分搭建建模過程和環(huán)境的前提下，基于模型的工程方法對于NASA安全和任務保證中的可靠性工程是可用且有效的。”

因此，本研究建議NASA建立結構建模環(huán)境，以提升一致性、準確性和效率，并建議NASA內的建模人員遵循推薦的MBSMA流程：

1）建立多學科建模團隊（至少包括系統(tǒng)工程（SE）和安全與任務保障（SMA））；

2）確定建模責任（例如，SE的模型需求、設計師的模型結構（功能框圖/連線圖），REs對故障行為和特征建模）并進行控制；

3）完成建模，并在模型單元之間共享公共數(shù)據(jù)；

4）生成可靠性產(chǎn)品，并在模型單元之間共享結果數(shù)據(jù)；

5）驗證和改進模型（和設計），直到獲得最終可接受的結果；

6）與未來的任務共享模型。

這些結果正被NASA用于推進對SMA分析兼容性需求的模型廣度和深度的指南，以建立的模型協(xié)作和過渡節(jié)點，潛在的根據(jù)需求重塑傳統(tǒng)產(chǎn)品，同時仍能按要求識別系統(tǒng)的全壽命周期運行風險以滿足任務目標，并提升基于模型的工具的性能。然而，這些結果完全基于可靠性學科的需要，并且源自比較小的系統(tǒng)，因此，此處也建議本研究按照預定計劃繼續(xù)測試其他SMA學科和更復雜的系統(tǒng)。

“可靠性工程提供了理論和實踐工具，評估了零件、部件、產(chǎn)品和系統(tǒng)在指定環(huán)境中無故障運行所需功能的概率和性能。”

NASA/GSFC的可靠性工程包括風險評估和分析，以評估和管理任務“壽命”中的故障風險、故障恢復和對緩解/糾正措施及其影響的識別。雖然隨機參數(shù)定義并影響可靠性，但可靠性工程不僅僅是數(shù)學和統(tǒng)計學（概率分析（PA）），也通過故障模式影響和危害性分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）、有限壽命分析（LLA）、單點失效分析，可用性/維修性分析，概率風險評估（PRA）來分析風險。因此，SMA學科是NASA/GSFC持續(xù)風險管理（CRM）的一個必需的組成部分（見圖1）。在持續(xù)的風險管理中，識別并分析/研究風險，然后制定一個計劃來處理（例如，減輕、觀察、接受或升級）風險，并最終監(jiān)控風險的出現(xiàn)或者進行修正。

圖1 RIDM-CRM風險管理流程圖