基于經典法的裝備可靠性設計分析技術

施建榮

（海軍裝備研究院，上海 200235）

可靠性是組成裝備的系統或設備（以下簡稱單元）在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。眾所周知，設計工程是從裝備將圓滿的執行某一功能著手，可靠性工程則是從裝備在執行某一功能時會失效的假設著手。性能設計關心的是裝備如何有效運行，而可靠性設計關心的是裝備能無故障運行多長時間。從直觀的角度看，可靠性是反映裝備在足夠長時間內具有完成其指定任務的良好工作能力的一個性能特征。因此，可靠性是一個衡量裝備的設計和使用性能是否完好的參數指標。經典的由設計得到可靠性的方法與傳統的可靠性設計方法有兩個方面的重要不同。第一，由設計得到可靠性的方法強調可靠性是設計過程的一個整體部分。這樣促使設計人員象對待影響裝備性能因素那樣認真地去考慮影響裝備可靠性的那些要素。第二，由設計得到可靠性強調設計本身，因而降低了對可靠性驗證試驗的依賴。由于可靠性工程是在裝備設計的早期進行的，因此采用基于經典的方法設計和分析可靠性，保證裝備在投產或試驗前就符合規定的要求是最基本的選擇。

1 裝備可靠性建模

1.1 可靠性建模的目的

可靠性模型是表示一個裝備的可靠性以什么方式依賴于其組成的單元的可靠性。可靠性模型可以由一個可靠性框圖以及一個或幾個數學模型組成。數學模型是對框圖的一個代數模擬。可靠性框圖是一種邏輯圖，是對于導致裝備成功或失效的邏輯事件的一種圖形比擬。在這種意義上它與功能框圖有所不同。功能框圖是對裝備的一種圖解表述。故障模式影響和危害度分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）或潛在狀態分析（SA）中用到的框圖屬于功能框圖。建立可靠性模型的目的是為了對裝備進行可靠性設計、分析、分配，特別是可靠性預計。裝備的可靠性數值分配和預計需要用到可靠性模型，復雜串并聯單元布置的裝備的可靠性評定必須要用可靠性模型。

1.2 可靠性建模的步驟

可靠性建模一般應分別建立基本可靠性模型和任務可靠性模型。基本可靠性模型是一個串聯的模型，包括冗余或備用模式的單元都需按串聯處理，此舉是用以估計裝備的維修及保障要求。換句話說，基本可靠性模型是由一個串聯的可靠性框圖和將故障率、工作周期和任務持續時間等數據與各單元的故障相聯系的有關數學模型組成。任務可靠性模型是由一個串聯或并聯繪制的可靠性框圖和有關的數學模型組成。建立可靠性模型步驟如下：

● 裝備定義；

● 繪制裝備可靠性框圖；

● 確定計算單元可靠性的概率數學表達式。

1.3 獲取可靠性的過程

在研制的早期，需要可靠性建模以便將裝備的作戰使用要求通過分配轉化為每個單元的可靠性要求。在研制的后期，隨著設計的進展，建模工作亦可用來評定為實現裝備功能而采取的各種設計備選方案，評定所提出的各種更改對裝備的影響。可靠性建模的基本信息來自于描述裝備關系的單元功能或原理圖。裝備可靠性模型特性必須反映該裝備的設計和使用特點。用來作為分配、預計和工程基礎的數學模型必須將可靠性與設計的技術狀態、使用模式、工作周期和使用條件相聯系。可靠性模型的詳細程度取決于裝備研制的進程以及裝備在設計上可供使用的參數指標。建成的可靠性模型在裝備研制的各個階段都是有用的。

2 裝備可靠性分配

2.1 可靠性分配的目標

裝備設計必須把各種特性參數轉變成詳細的技術要求。當建立了可靠性模型和確立了功能關系后，就能確定每個單元準確的可靠性要求，這個過程就是可靠性分配。然而它所涉及的不只是一個簡單的數學等式。每一單元的可靠性隨多種因素變化。裝備可靠性分配是可靠性預計的逆過程。在可靠性預計中，可估算出單元的失效率（即單位時間的失效次數），并計算裝備的失效率（即估算的單位時間的失效總次數）。在可靠性分配中，則是從某個可靠性要求開始，把此要求轉變成單位時間所允許的失效總次數，然后，把允許的失效總次數分攤給各個單元。可靠性分配應以達到裝備所要求的可靠性而支出的費用、人力和物力最少為目標。

2.2 可靠性分配的用途

可靠性分配是根據裝備建立的可靠性模型而進行的指標分配。基于裝備的壽命剖面，可靠性分配應有基本可靠性分配和任務可靠性分配。對于基本可靠性，指標分配到單元中的哪一層次取決于從這一層次獲得的信息量。對于任務可靠性，指標最好分配到能確定危及任務完成的故障必不可少的單元下的那一級層次。分配后的可靠性要求有助于沿著有利的方向引導可靠性工作和協調各項研制工作。當可靠性分配結合可靠性模型進行時，分配后的各門限值應不低于規定的要求。可靠性分配有以下用途：

● 有助于確定技術上的可行性；● 可以明確互相兼容的要求；● 監督研制目標和監控增長；

● 提供了研制各階段的評定標準。

2.3 可靠性分配考慮的因素

2.3.1 裝備的復雜度

裝備越復雜，單元的數量越多，則達到高可靠性就越困難，費用也越大。

2.3.2 裝備的研制工作量

如果對正在研制中的裝備提出很高的可靠性指標，將會增加研制時間，增加為達到該可靠性指標而進行的試驗次數和費用。

2.3.3 預期的作戰使用環境

對于達到相同可靠性的裝備，在惡劣環境中使用的裝備比在較好環境中使用的相同裝備所需的修理次數多得多。

2.3.4 單元工作時間的長短

制造一個長時間無故障工作的單元所需要的研制工作量和費用要比制造一個短時間無故障工作的單元所需的研制工作量和費用多得多。

2.3.5 單元的重要程度

若其故障不會危及任務完成，則不需要很高的可靠性，可在容許的故障范圍內降低可靠性要求。

2.4 可靠性分配方法

2.4.1 等量分配法

等量分配法是在缺少裝備的資料和裝備由n個單元串聯時采用。這時，分配給n個單元中每個單元的是該裝備可靠性要求的n次根。等量分配法假設n個單元串聯，對每個單元指定相同的可靠性門限值。這個分配法的主要缺點是對單元的門限值不是按達到這些要求的困難程度指定的。

2.4.2 按復雜性分配法

按復雜性分配法假設串聯的單元在串聯中具有恒定的故障率，因此任一單元故障均會引起裝備故障。而且單元任務時間與裝備的任務時間相同，這個分配法需要將可靠性要求表示為故障率。

2.4.3 AGREE分配法

AGREE分配法既考慮單元的復雜性，也考慮其重要性。假設一個由k個單元串聯而成的裝備，每個單元具有時間與失效次數呈指數分布，然后求出第i個單元的MTBF。

2.4.4 最少工作量分配法

最少工作量分配法可以使為滿足裝備可靠性要求所花費的總工作量減到最少。

3 裝備可靠性預計

3.1 可靠性預計的目的

可靠性預計是定量地評估一個提出的裝備的設計是否能滿足規定的可靠性要求的過程。定量表達的實際意義在于定量值所傳遞的信息和對這些信息的利用。可靠性預計的用途有：評定設計可行性；比較備選方案；標識潛在問題；確定數據資料；權衡各項決策；分配各種要求和規定可靠性增長和驗證試驗的基準。可靠性預計不會提高裝備的可靠性。對單元的失效控制，可以通過對失效模式和失效機理的分析后予以改進。可靠性預計只是提供了一些選擇這項工作過程的準則。可靠性預計應盡早開始且一直延續到單元的整個壽命期。盡早盡快標識單元的故障模式以及單元的設計薄弱點非常重要，因為這些設計特征越早標識，調整就越容易、費效也越好。在設計和研制期間，可靠性預計可為各個設計方案的可靠性判斷提供定量指導。可靠性預計的目的如下：

● 提供達到可靠性要求的信息；

● 足夠詳細地標識出設計薄弱點；

● 生產前對設計進行確認；

● 設計變動不大時，評估接口問題；

● 獲得試驗結果后，證實先前的分析。

3.2 可靠性預計的方法

可靠性預計一般取決于兩個因素，即設計深度及單元可靠性歷史。可靠性預計過程是將單元中各個零部件或元器件的故障率應用于可靠性模型，而可靠性模型則隨著設計的進展而得到推進和更新。可靠性預計的一般步驟是：確定單元的性能和繪制準確的可靠性模型；預測單元中的每個零部件或元器件的故障頻率；編排單元、零部件或元器件明細表；組合單元、零部件或元器件失效率；計算裝備的可靠性。如上所述，單元的可靠性模型必須根據設計的工程參數描述復現單元功能上的性能。可靠性模型還必須真實地描述所有可能的故障模式和對單元的影響。可靠性模型中所用的故障數據資料必須是從設計特性、環境條件和在作戰使用上與該裝備的任務剖面相似的單元或實測得到。在當前標準中介紹的可靠性預計是為分析電子單元而制定的，由于非電子單元和機械單元的可靠性預計中所存在的特有困難，所以當前的可靠性預計通常是指通過相應于電子設計工程使用的方法確定的。使用適合于電子單元的方法去預計非電子單元和機械單元的可靠性往往使定量結果的準確性和實用性受到質疑，置信度較低。當前還沒有特殊的、能為廣泛接受的適用于非電子單元和機械單元可靠性預計的方法。可靠性預計應進行基本可靠性預計和任務可靠性預計。可靠性預計方法是根據可用的數據和資料的獲取程度分為如下7類：

● 相似產品法；

● 相似復雜程度法；

● 功能預計法；

● 元器件計數法；

● 應力分析法；

● 上、下限法；

● 框圖法。

4 裝備可靠性分析

4.1 故障模式影響和危害度分析

FMECA是可靠性分析的一種方法。FMECA結合了建模和預計的程序，通過考慮潛在的故障和對裝備的影響評定設計的可靠性，并且它也可用來分析裝備的維修和保障要求。FMECA用于系統地分析單元、零部件或元器件所有可能的故障模式、影響和危害度。其分析過程是一個面向裝備可靠性設計的評估過程。該方法可以鑒別可能的故障模式、起因。經過評估分析可確定每一個故障對自身或上下一級單元、零部件或元器件的影響以及最終對整個裝備運行、完成使命任務以至人員安全的影響。通過建立每個故障模式的臨界點，就可以預測每個故障發生的概率。一旦把故障的影響程度分出等級后就可為解決故障措施中的優先次序提供依據。FMECA在可靠性分析中的另一個重要功能之一是能確定裝備所攜帶的備品備件中的關鍵件需求量并能提出精確的故障模式。進行FMECA的目的是預防裝備發生故障，提前將故障排除，可避免裝備在實際使用過程中故障的重復發生。FMECA是一項跨學科的分析方法，它要求的操作技巧涉及裝備的硬件和軟件設計、可靠性分析數據應用、維修性和安全性接口等。其缺點是只考慮單個故障，不能很方便地考察人員的失誤或裝備其他的外部因素的影響，也不適宜評估一個故障的二次影響。

4.2 故障樹分析

FTA是可靠性分析的一種方法。FTA是通過畫出故障樹來對可能造成裝備故障的硬件、軟件、環境、人為因素進行分析，從而確定裝備故障原因的各種可能組合方式和發生概率。它與FMECA一樣是一個面向裝備可靠性設計的評估過程。該方法可以鑒別不希望發生的事件。從每一個選擇出來的不希望發生的事件出發，用圖象方法檢查引起這個事件的硬件、軟件失效和人為失誤，并估計出不希望發生的事件的概率。FTA在可靠性分析中的另一個重要功能之一是能確定裝備所攜帶的備品備件中的關鍵件需求量。FTA不同于FMECA，FMECA是從故障模式出發并決定其影響，而FTA則是從一個特定的不希望發生的事件出發，使用復合的邏輯推理來決定可能的成因。FTA的第一步是對給定的裝備構建故障樹。由于現實的故障樹錯綜復雜，建造出來的故障樹因人而異。為了能用標準的程序對各種不同的故障樹進行定性分析和定量分析，必須將建好的故障樹變為規范化的故障樹，并盡可能對故障樹進行簡化和模塊化，以便減少定性分析和定量分析的工作量。故障樹是一種邏輯因果關系圖，為了對故障樹進行定性分析和定量分析，必須對這種因果關系給出數學的表達式，對給定的故障樹進行數學描述。其缺點是無法保證在分析中包括每一種故障發生途徑。很難保證分析中考慮了頂事件發生的所有可能原因。

4.3 潛在狀態分析（SA）

SA是可靠性分析的一種方法。SA是基于裝備的所有組成單元均正常工作的條件下，用于搜尋抑制正常功能或誘發不正常功能的潛在狀態（針對電路的潛在電路狀態，針對液氣管路的潛在通路狀態和針對軟件的潛在配置狀態等）。對裝備而言，這些“潛在”狀態會在所有元器件工作正常的情況下激活不希望的功能或抑制需要的功能，從而導致裝備故障或不能完成任務。潛在狀態分析的目的就是要在裝備試驗或工作時出現“狀態”前就把這些問題查找出來。而這些問題的盡早識別就可降低成本，減少重新設計的工作量，提高裝備的可靠性和安全性。潛在狀態分析通常在單元下的最低一級（元器件或結構件）進行。潛在狀態分析與元器件或結構件的失效率無關，潛在狀態分析不評估元器件或結構件失效的影響，不考慮溫度、濕度、沖擊、振動等環境因素。潛在狀態分析工作比較復雜，除了需要相應的軟件支持外還要用到數學上的拓撲理論。

5 裝備可靠性設計

5.1 高可靠設計技術

為達到裝備的可靠性要求，最直接的設計技術是研制高可靠的單元。這種設計技術基本上是應用良好的設計慣例，并對預計的應力水準加上一個保守的“安全裕度”作為選用單元額定應力值。這個辦法的好處是降低了保障費用，減少了維修和備品備件以及重量，從而又減少了初始采辦費用。采用高可靠性的單元是提高裝備可靠性的一種比較好的設計技術。其缺點是如果需要的技術目前不可達到的話，就會延長研制時間、提高研制費用并帶來制造技術的風險。

5.2 降額設計技術

降額設計技術是一項用低于額定應力或降低某一應力以換取提高另一應力來使用一個單元的技術。采用目前狀態的設計、工程和制造程序與過程有時不能保證當今先進的、高度復雜的裝備的可靠性。為了保證“最高”的可靠性和戰備完好性，對裝備的設計可用“降額”的技術。采用降額設計技術，不管是單元故障或是戰斗損壞所造成的不正常工作都不會降低或妨礙整個裝備可靠性。這種設計技術是通過允許執行最低限度功能保證任務完成來提高整個裝備的可靠性。這里要注意的是降額設計技術在增加安全系數的同時也增加了裝備費用、重量和體積。

5.3 冗余設計技術

冗余設計技術是一項用多于一種的途徑來完成一個規定的功能的技術。有人認為冗余設計技術是一種蹩腳的設計技術，除非作為最后的手段。這種說法需要商榷。許多設計狀態表明慎重地采用冗余設計技術可獲得較大的利益。裝備的可靠性可通過冗余設計技術得到顯著的增強。冗余設計技術是通過增加并聯單元，即在裝備中設計一個或幾個另外的功能性通路來實現的。在改善可靠性的其他辦法都無效時，或者高裕度可靠性單元的研制比備份更花錢時，冗余設計技術可能是唯一可用的技術。采用冗余設計技術是有代價的。它將增加重量、空間、復雜性、費用和設計時間。在物理上，當并聯的冗余單元超過幾個后，冗余單元得到的可靠性增益就會迅速減少。因此，采用冗余設計技術前必須注意保證從冗余得到的可靠性增益不被實現冗余所配置的轉換裝置和其他的外圍單元所造成的故障率相抵消。

5.4 容錯設計技術

容錯設計技術是一個平衡裝備風險的技術。這項技術容許個別單元失效，然后通過對潛在單元失效的補償達到可靠性目標。容錯設計技術是基于潛在失效原因是可識別的。這種識別可通過FMECA或FTA結果來標識。容錯設計技術不同于純冗余設計技術，其采取的措施是有計劃地把工作模式降低到可接受的水平。容錯設計技術是一個迭代過程。當下一個設計迭代的費用不可承受或當風險已經減小到可接受的程度時，就停止迭代。假設通用的可靠性設計手段已經用于消除所有設計的或材料的缺陷，但硬件和軟件還會冒可能會失效的風險。通常，故障預防的目標是通過消除所有故障來達到增加可靠性的目的，這一說法在理論上不會受到質疑，在現實中卻是不切實際的。因此，故障預防的目標應該定位在把單元失效的概率減小到最低可接受的水平。容錯設計技術可預測到失效的發生，而失效的影響將通過采用容錯冗余或其它類型的補償來自動抵消。容錯設計技術的開展容易受重量、體積、進度或費用的限制。但是裝備設計時對容錯設計技術未加考慮，將會冒性能嚴重下降或過早結束任務的高風險。

6 結束語

可靠性是裝備的重要質量特性，是構成裝備作戰效能并影響其壽命周期費用的主宰因素。面對五維一體化的高科技戰爭，裝備正朝著結構復雜化、功能多元化和性能最優化快速發展。由于裝備的特殊使用環境和特殊使命任務，導致了裝備的可靠性問題尖銳突出。經典的可靠性設計分析技術為研制可靠、頂用、耐用、適用的裝備提供了充分必要的條件。