一、案例背景
人工心臟是一種使用機(jī)械或生物機(jī)械手段部分或完全替代自然心臟給人體供血的輔助裝置。一家從事高科技醫(yī)療設(shè)備設(shè)計及生產(chǎn)的公司，開發(fā)了一款人工心臟。該產(chǎn)品通過“Power Driveline(動力傳動線)”將能量轉(zhuǎn)換為信號，使人工心臟替代心臟的功能促進(jìn)血液的流動。動力傳送系統(tǒng)傳動系包含三根電纜，用于向LVAD(左心室輔助裝置)輸送三相PWM（脈寬調(diào)制）電流。顯然，這個系統(tǒng)對病人來說非常重要。在第一代產(chǎn)品升級到第二代時，為了提升人工心臟的可靠度，工程師提出冗余設(shè)計方案。
二、設(shè)計對象
本案例的設(shè)計對象為“Power Driveline”（動力傳動線），它為人工心臟輸送能量及信號。如圖所示，動力傳動線由三根電纜組成（紅、綠、藍(lán)各一根，每根電纜輸送一相信號，三根電纜代表三相不同的脈寬調(diào)制信號，三相信號共同支持了人工心臟的工作）。對于熟悉產(chǎn)品可靠性的工程師而言，可以看到“動力傳送線”是一個串聯(lián)的系統(tǒng)。對于串聯(lián)系統(tǒng)而言，可靠性是下降的。串聯(lián)系統(tǒng)中單元數(shù)越多，則系統(tǒng)的可靠性越低，各單元本身的可靠性越低，則系統(tǒng)的可靠性越低。
三、新品的設(shè)計方案
考慮到動力傳送線的重要性，設(shè)計工程師們想到，動力傳送線是三根電纜串聯(lián)，可靠性不是很好，能不能做些簡單的更改？原來的設(shè)計是單根線纜傳送一相，能否每相做兩根電纜？若每相有兩根電纜，這屬于冗余設(shè)計，產(chǎn)品的可靠性將得到提升，同時附帶了好處：每相電纜有兩根線，任何一根線斷了，都可以檢測到。
在醫(yī)療系統(tǒng)中，要做這樣的更改，需要立項評審。設(shè)計工程師做了一定的分析后，跟領(lǐng)導(dǎo)層匯報，領(lǐng)導(dǎo)層決策可以考慮去做這個事情。但也有工程師提出沒必要更改。設(shè)計工程師們之間意見存在分歧。于是，他們找到可靠性工程師咨詢：原來的產(chǎn)品有三根電纜，是否有必要改為六根？
對于公司兩派的爭論，可靠性工程師要給予答案。表面上，這是一件看起來簡單的事情。但可靠性工程師在公司不應(yīng)該隨意發(fā)表意見，一個設(shè)計是好還是壞，需要一定的分析支撐。
那么，從可靠性工程角度，該如何回答這個問題？
先來看一下設(shè)計工程師做的可靠性分析：
（1）原來的產(chǎn)品方案（本案例描述為X方案）：串聯(lián)；
（2）新的產(chǎn)品方案（本案例描述為Y方案）：并聯(lián)后再串聯(lián)；
設(shè)計工程師認(rèn)為，雖然Y方案是串聯(lián)的，但是Y方案的可靠性肯定高于X方案，并進(jìn)行了計算驗證如下：
（一）串聯(lián)系統(tǒng)：如圖所示，N個子系統(tǒng)串在一起形成一個系統(tǒng)。所有的子系統(tǒng)都必須正常運行，整個系統(tǒng)才正常，只要有一個環(huán)節(jié)出問題了，整個系統(tǒng)就會出問題。其可靠度計算公式：R=R1*R2*…*Rn
（二）并聯(lián)系統(tǒng)：如圖所示，并聯(lián)系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)并聯(lián)在一起。多個子系統(tǒng)只要有一個能正常運行，系統(tǒng)就能正常運行。換句話說，只有全部子系統(tǒng)都出問題，則系統(tǒng)出問題。其可靠度計算公式：R=1-(1-R1)*(1-R2)*…*(1-Rn)
在本案例中，為方便計算，假定R紅=0.9，R藍(lán)=0.9，R綠=0.9，進(jìn)行冗余設(shè)計后，仍然假設(shè)增加的線R紅=0.9，R藍(lán)=0.9，R綠=0.9
計算結(jié)果如下：
X方案的可靠度：R（X）=0.9*0.9*0.9=73%
Y方案的可靠度：R（Y）=[1-（1-0.9）*（1-0.9）]3=97%
串聯(lián)系統(tǒng)X方案的可靠度為73%，并聯(lián)之后再串聯(lián)Y方案的可靠度為97%。從計算結(jié)果看，改進(jìn)后產(chǎn)品可靠性提升很多，于是得出結(jié)論：六根電纜是好的，這個項目應(yīng)該執(zhí)行。
這一切，看起來是如此的自然，不過真的對嗎？
四、從可靠性原理剖析事件
回到可靠性的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，稱為可靠性。這里的能力，可以理解為概率?？煽啃允茄芯慨a(chǎn)品失效的概率，與產(chǎn)品的故障做斗爭。
從概念出發(fā)，比較兩個產(chǎn)品方案的可靠性就簡單了。工程師只需要分析兩件重要事情：一是兩者設(shè)計有什么不同；二是針對失效，在規(guī)定的時間內(nèi)它的發(fā)生概率是多少。
第一步：讓我們一起來看看設(shè)計有哪些不同？
新的設(shè)計相對于老的設(shè)計有個基本的要求：動力傳送線的外直徑不能發(fā)生變化（這是因為在醫(yī)療行業(yè)，如果要做改變線外徑的變更，需要做大量試驗驗證）。通過剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，為保證動力傳送線外直徑的一致，三根電纜的直徑與六根電纜的直徑是不同的，即新、老設(shè)計的電纜不是同樣規(guī)格的電纜。這也意味著前面的可靠度計算是有問題的。
分析兩個設(shè)計方案，可知X方案的電纜較粗，Y方案電纜較細(xì)。X方案動力傳送線由三根電纜串聯(lián)，Y方案動力傳送線由兩根電纜并聯(lián)后再三相串聯(lián)。因此，前述可靠度計算公式是正確的。
但問題在于：由于X方案的電纜和Y方案的電纜線徑不同，電纜本身的可靠度是不同的。因此，要比較的問題轉(zhuǎn)化為：X方案和Y方案，電纜可靠度誰高誰低？
進(jìn)一步對電纜進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，每根電纜并非由單根電導(dǎo)線構(gòu)成，而是由無數(shù)的電線組成。為保證動力傳送線的總外徑不變，X方案和Y方案的電纜直徑實際是不同的，每根電纜的組成電線數(shù)目也不一樣。
所以前述可靠性分析存在很大的問題。為方便分析，我們假設(shè)：原來X方案的動力傳送線，每根電纜含有96根電線絲，而采用6根電纜的Y方案，每根電纜含有50根電線絲。
了解設(shè)計方案不同后，再來分析失效。根據(jù)原有的經(jīng)驗以及FMEA分析等信息，得知電纜的失效模式主要有兩類：
1.斷路。例如其中的某相電纜斷了，導(dǎo)致失效；
2.短路。即相跟相之間短路，造成失效。
先看第一種失效模式——斷路。電纜斷開的本質(zhì)是里面的電線絲部分?jǐn)嚅_。從可靠性角度，電線絲斷是由于電纜不斷彎折，發(fā)生疲勞損壞。
疲勞應(yīng)力系數(shù)是常數(shù)，跟材料有關(guān)，疲勞應(yīng)力數(shù)值等于疲勞應(yīng)力系數(shù)乘以電纜半徑跟彎曲半徑的比值。由于電纜線很細(xì)，而彎曲半徑很大，因此可以認(rèn)為，每次彎曲時，里面的電線絲基本受到同樣的應(yīng)力。所以在某一時刻，電纜線的可靠度都是一樣的。
電纜能夠輸送電流，需要一定數(shù)目的電線絲，例如：假設(shè)產(chǎn)品設(shè)計要求是60根電線絲才能輸送電流，低于60根則無法輸送電流。所以對于每一相而言，無論具有幾根電纜線，從可靠性角度，構(gòu)成的是整個電纜線包含的總電線絲數(shù)目的k-out-of-n系統(tǒng)。
k-out-of-n系統(tǒng)指的是，系統(tǒng)有 n個元件(或子系統(tǒng) )，當(dāng)其中有 k個元件 (或子系統(tǒng) )正常時，整個系統(tǒng)就能正常工作。在本案例中，k跟電纜數(shù)目是沒有關(guān)系的，取決于材料等因素，這里不作探討。
X設(shè)計方案由三根電纜串聯(lián)，每根電纜里面有96根電線絲，每一根電纜的可靠性模型為k-out-of-96。每根電纜是一相，三相電纜組成串聯(lián)模型。
Y設(shè)計方案由兩根電纜并聯(lián)組成一相，再三相串聯(lián)。則每一相有100根電線絲（每根電纜有50根電線絲，兩根電纜合計100根電線絲），所以它每相電纜的可靠性模型為k-out-of-100。三相電纜組成串聯(lián)模型。
綜上，對于斷路失效模式，Y方案的可靠度有所增加，但是增加的不多(電線絲數(shù)量只是從96增加到了100，而k值是一樣的)。
第二個失效模式是相與相之間短路。主要原因是電纜線的護(hù)套由于彎曲發(fā)生了破裂。
對于X設(shè)計方案來說，只要三根電纜線不同時發(fā)生兩根破裂，則不會發(fā)生短路；
而對于Y設(shè)計方案，三相中不同時發(fā)生兩相破裂，則不會發(fā)生短路。但由于每相都是由兩根電纜線構(gòu)成，任意一根電纜線破裂，則認(rèn)為是該相發(fā)生破裂。所以模型是兩根線纜先串聯(lián)構(gòu)成一相，再進(jìn)行三中取二。由于包含有串聯(lián)，可靠性是降低的，所以對于短路失效而言，Y設(shè)計的可靠性是降低的。
總結(jié)而言，動力傳送線有兩種失效模式，新老設(shè)計各有利弊。根據(jù)產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)，這兩種失效模式在顧客端的失效大概各占50%左右。也就意味著，六根電纜的設(shè)計，其實并沒有增加太多的可靠性。
所以結(jié)論不言而喻，項目被取消。
五、總結(jié)
可靠性工程師經(jīng)常遇到一些類似簡單的小問題。實際上，它們并沒有像聽上去那么簡單，常常需要做很多分析或試驗才能正確地回答問題。
對這類問題的回答，常常會有很多的工程假設(shè)，每個工程的假設(shè)都要去研究分析。在實際工作中，有很多可靠性模型的仿真，跟現(xiàn)實是有差別的。模型與實際具體有多大的差別，一定要心中有數(shù)。
對這些問題的回答，不要忘了最基本的可靠性領(lǐng)域知識，比如概念、定義、試驗等。很多時候，最簡單的方法是最有效的方法。
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