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智能仪表可靠性优化设计方法*
武照云1,李 丽2,吴立辉1,刘楠嶓1
（1. 河南工业大学机电工程学院,河南 郑州 450001; 2. 河南职业技术学院汽车工程系,河南 郑州 450046）
摘 要：本文面向智能仪表生产领域,研究智能仪表可靠性优化设计方法,解决产品可靠性与生产成本优化调控的问题.首先提出了智能仪表可靠性优化设计方法框架；然后阐述了优化设计的方法；最后开发了优化设计软件,对研究方法与技术进行实例验证.本文提出的可靠性优化设计方法能够适用于各种类型的智能仪表,设计出的智能仪表具有可靠性高、成本低等优点,可增强产品的竞争力和市场占有率,具有明显的社会效益.
关键词：仪表；智能仪表；可靠性优化设计；蚁群算法
中图分类号：TP202 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.03.112
智能仪表是指以单片机、嵌入式系统等为主体的新一代多功能测量控制仪表,具有自动化测量、快速数据处理、网络化通信、扩展功能多样化等特点.在商业领域和工业领域,尤其是在设备检测、远程抄表与能源监测等方面,智能仪表都发挥着无可替代的作用.目前,国外许多发达国家智能仪表的应用已经十分普遍,我国也正在大力发展智能仪表相关产业.但目前国内的智能仪表产品和国外领先企业的产品在质量和可靠性方面差距很大[1],其根本原因在于国内企业的产品可靠性设计水平较低,并缺乏电子可靠性工程的系统方法.
近年来,我国一些智能仪表生产厂家已经意识到产品可靠性的重要性,针对各自的产品对可靠性进行了研究.例如,长沙威胜、浙江顺舟、上海协同等仪表厂家在设计可靠性、工艺可靠性和元器件失效机理分析等方面持续投入并取得了较好的成效.然而,在提高产品质量可靠性的同时,又出现了另外一个问题,那就是为了使产品获得较高的可靠性指标,往往要额外增加大量的生产成本,进而造成产品的市场销售居高不下,在与国外同类产品竞争时处于劣势.因此,在满足智能仪表产品质量可靠性的同时,如何精细化控制生产成本,成了众多智能仪表生产厂家最亟待解决的一大难题.
本文面向智能仪表生产领域,研究智能仪表的可靠性优化设计方法,解决产品可靠性与生产成本优化调控的问题.
1 智能仪表可靠性优化设计
可靠性优化设计又称为最佳可靠性设计,是综合了可靠性设计与优化设计各自优点的一种设计方法.该方法将质量、成本与可靠度作为设计目标,能够在给定的可靠度之下,使产品具有最低的成本；或在给定的成本之下,使产品具有最大的可靠度.该方法近些年在机械设计领域得到了一定的发展与应用,取得了一些成果[2-6],但在智能仪表设计领域的应用相对较少.因此,本文将可靠性优化设计方法引入到智能仪表设计领域,提出针对智能仪表的可靠性优化设计方法,方法总体框架见第113页图1.该方法以可靠性理论与智能优化方法为基础,以计算机技术为支撑,能够使产品既满足可靠性要求,同时又具有最佳的工作性能与参数,达到产品可靠性高、体积小质量小、材料消耗少、加工工时短的目的.
2 智能仪表可靠性优化设计方法
2.1 智能仪表可靠性评价方法
智能仪表可靠性评价是对智能仪表产品或其组成部分的可靠性所达到的水平进行定量分析和预测
的过程,是可靠性工程的核心内容之一.本文采用寿命分布分析与统计推断方法,对智能仪表的可靠性进行评价,主要包括以下方面：一是根据产品的组成结构,建立产品的可靠性结构模型与寿命预测模型；二是对试验数据和现场使用数据等进行收集与整理,使用数理统计方法得到产品的寿命分布,并进行拟合优度检验；三是根据数理统计的基本原理,对产品寿命分布参数进行计算；四是由寿命分布与可靠性参数的关系,计算产品可靠性参数（故障率、平均寿命、可靠度等）.
2.2 智能仪表可靠性优化设计建模
笔者采用“以优化设计方法为基础框架,将可靠性设计准则作为约束条件”的可靠性优化设计建模方法.首先,根据优化目标准则,建立智能仪表产品的生产成本目标函数；其次,根据智能仪表可靠性设计中得到的电子元器件选型标准,建立电子元器件的选型边界约束条件；第三,根据智能仪表可靠性评价方法中得到的可靠性参数计算方法,建立产品的可靠性性能约束条件；第四,综合其他常规约束条件和设计变量,建立智能仪表可靠性优化设计的数学模型.
2.3 智能仪表可靠性优化设计算法
在建立了数学模型之后,还需要选择合适的优化算法进行求解计算.智能仪表可靠性优化设计问题的实质是：在满足产品可靠性要求的前提之下,寻求产品结构中各个电子元器件的最佳组合.因此,该问题属于典型的NP组合优化问题,为此,本文采用蚁群算法对其进行优化计算.具体步骤如下：第一步,建立蚂蚁-元器件选择图模型；第二步,按照算法要求与优化模型的特点,分别建立蚂蚁路径矩阵、元器件信息素矩阵、路径选择矩阵、成本矩阵、全局最优路径向量、算法迭代收敛矩阵及元器件可选择状态矩阵等[7]；第三步,根据节点转移概率准则和赌准则,研究元器件的随机选择方法；第四步,根据产品可靠性的性能约束条件,建立可靠性指标的校核计算函数；第五步,按照成本最小的优化目标要求,建立蚂蚁行走路径的成本计算函数；第六步,结合元器件信息素更新规则、启发式因子与信息素相对权重值设置方法等,建立智能仪表的元器件选择优化算法.
3 智能仪表可靠性优化设计软件实现
基于上述方法与技术,开发了智能仪表可靠性优化设计软件,对本文研究的方法与技术进行实例验证.该软件包括电子元器件管理模块、仪表可靠性设计模块、可靠性试验数据分析模块、可靠性评价模块、仪表可靠性优化设计模块、设计结果仿真模块等,采用面向对象的C#作为程序设计语言,Visual Studio 2012作为软件开发环境,Matlab作为优化算法运算平台,SQL Server 2010作为系统数据库.该软件可以完成智能仪表与电子元器件的相关信息管理,并根据设计要求自动完成智能仪表的可靠性优化设计工作.
4 结束语
在产品质量与可靠性问题的困扰下,很多智能仪表生产企业都采取了相应的可靠性设计方法,但随之而来的高投入、高成本和低利润却让企业难以承受.
本文提出的可靠性优化设计方法能够适用于各种类型的智能仪表,设计出的智能仪表具有高可靠性、低成本等优点,可增强企业的行业竞争力和市场占有率,具有明显的社会效益.
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