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寿命数据分析之威布尔分析

寿命数据分析之威布尔分析
内容简介:在寿命数据分析中(也称为威布尔分析),从业者通过从有代表性的样本中选择一个“合适的”寿命统计分布,从而预测在母体中所有产品的寿命情况。带有参数的分布函数能被用来估计产品重要的寿命特征量,例如:在某一特定时刻产品的可靠度或者不可靠度,产品的平均寿命和失效率。寿命数据分析需要从业者做:

基础理论的概述和其他资源的目录

在寿命数据分析中 (也称为"威布尔分析"),从业者通过从有代表性的样本中选择一个“合适的”寿命统计分布,从而预测在母体中所有产品的寿命情况。带有参数的分布函数能被用来估计产品重要的寿命特征量,例如:在某一特定时刻产品的可靠度或者不可靠度,产品的平均寿命和失效率。寿命数据分析需要从业者做:

  • 为产品收集寿命数据。
  • 选择一个寿命分布,建立产品寿命模型。
  • 估计参数。
  • 画出概率图和估计寿命特征量,如产品的可靠度和平均寿命。

此文阐述了在寿命数据分析(威布尔分析)中基础理论的概况和研究该主题的某些建议。瑞蓝公司(ReliaSoft)的Weibull++ 软件 提供了一系列完整的寿命数据分析工具。

寿命数据

术语寿命数据涉及到产品寿命的度量单位。产品寿命能被测量为小时,英里,周期或者其他应用于某个特殊产品的米制单位。既然时间是*常用的测量单位,寿命数据点也常被称作"失效时间(times-to-failure)"并且在该向导中的其余部分,产品寿命都将以时间来描述。有不同的寿命数据类型,并且每种数据类型就提供不同的产品寿命信息,寿命数据分析的方法也将随着数据类型的不同而不同。的完全数据,知道准确失效时间(比如,某产品在100小时的时刻失效了)。截尾或右截尾数据,产品成功地工作了一段已知的时间并且继续 (或者本应该继续,但截止了)工作一段不知道准确地时间 (如, 某产品在工作了100小时后仍继续工作)。t区间和左截尾数据,不知道准确的失效时间,但是知道某个时间范围内失效 。例如,某产品在100小时和150小时之间失效(区间截尾)或者在0到100小时之间失效(左截尾)。

寿命分布

统计分布已经被统计学家、数学家和工程师明确的表示为数学模型或者表现为某种特定的行为。概率密度函数(pdf) 是一个能描述寿命分布的数学函数。如图所示,x-坐标代表时间。

以下公式给出了3-参数威布尔分布的概率密度函数pdf表达式。某些分布,如威布尔分布和对数正态分布更好地趋向表现寿命数据,经常被称为寿命分布。实际上,寿命数据分析有时被称为"威布尔分析",因为威布尔分布(由教授Wallodi Weibull定义的)在分析寿命数据时,是比较受欢迎的一种分布。 威布尔分布能被应用于很多形式(包括 1-参数、2-参数、3-参数 或者混合威布尔) 和其他常用的寿命分布包括指数分布、对数正态分布和正态分布。分析者选用寿命分布时,根据过去的经验和拟合良好性,使分布*大程度地适合当前数据集。

参数估计

在合适的寿命分布模型中,分析者估计寿命分布的参数,使分布函数*适合寿命数据。参数能控制pdf函数的范围,形状和位置。例如, 在3-参数威布尔分布中(如上显示),范围参数, (eta),定义了分布的大小范围。形状参数, (beta),定义了分布的形状和位置参数, (gamma),定义了分布的初始时间位置。 [ 看参数在概率密度函数(pdf)中变化效果示例...]

 

一些估计已知寿命分布参数的方法已经设计出来,可行的参数估计方法包括:概率图估计,在x轴的秩回归(RRX),在y轴的秩回归(RRY) 和极大似然估计(MLE)。合适分析方法的选择是根据数据集的变化而变化,并且在某些已知寿命分布的情况下。

计算出的结果和绘图 rtR中国可靠性资源网
一旦你在已知寿命分布情况下计算出了参数,你能从分析中得到很多 图和计算结果,包括:

  • 给定时间的可靠度:在一个特定的时间点,一个产品能够成功工作的概率。例如,某产品在3年后成功运行的概率有88% 机会。
  • 给定时间的失效概率:在一个特定的时间点,一个产品发生故障的概率。失效概率也称为 "不可靠度" ,并且它和可靠度相对立的。例如,某产品在运行3年后发生故障的概率为12% (成功的概率为88%)。
  • 平均寿命:产品在失效前平均能工作多少时间。通常为米制单位,如平均寿终时间(MTTF) 或 (MTBF)。
  • 失效率:产品在某时刻后单位时间内发生失效的概率。
  • 保证时间 :当可靠度等同于一个目标值时,所估计的时间。 例如,当可靠度为90%时,估计时间为4年。
  • B(X)寿命:当失效概率为某个特殊值(X%),所估计的时间。例如,如果在4年时间内预期有10%的产品失效,那么B(10) 寿命就是4年。(注意这等同于,当可靠度为90%时的保证时间为4年。
  • 概率图: 一个关于失效概率对时间的坐标图。(注意概率图是根据线性化某个特定分布而构造的。因此,不同分布的概率图是各不相同的。例如,一个指数分布的概率图是不同于一个正态分布的概率图。)
  • 可靠度对时间的图:一个关于可靠度对时间的坐标图。
  • Pdf 图:概率密度函数(pdf)图。
  • 失效率对时间的图:一个关于失效率对时间的坐标图。
  • Contour图:一个表示可能解决似然率方程的图。这需要2种不同数据集作比较。

置信区间

因为寿命数据分析的估计参数的结果是基于一个产品样本的观测值,由于有限样本的大小,导致了结果的不确定性。置信区间被用来量化这个由有限样本带来不确定性,通过包含界限值的区间表现置信水平。如论如何,在一定的置信度下,界限值是不**的。

 

置信区间能被表示为双侧或者单侧置信区间。用双侧界限值表示在一定的置信度下这个区间的大小。用单侧界限值表示在一定的置信度下的置信上限或置信下限。根据应用情况,来选择单侧或者双侧区间。例如,分析者在可靠度方面用单侧置信下限,在失效概率方面用单侧置信上限估计,并且用双侧置信区间来估计分布参数。(注意单侧和双侧区间是有联系的。例如, 在置信水平 90%下的双侧区间的置信下限等同于在置信水平95%下的单侧区间置信下限 ,在置信水平90%下的双侧区间的置信上限等同于在置信水平95%下的单侧区间置信上限 )