工程系統可靠性的演進

秦詠紅,呂乃基

(東南大學STS研究中心,江蘇南京 211189)

可靠性是工程系統維持無故障工作能力的綜合指標,表征元件、部件、設備等以及它們構成的工程系統在規定的條件下和規定的時間內,完成規定功能的能力。可靠性是人工自然、人機關系以及工程設計、建造、運行和使用中的一個基礎范疇。工程系統可靠性研究肇始于20世紀30至40年代的航空和軍事工程領域①有三個論據:1939年《適航性統計學注釋》最早提出可靠性指標;1942年美國麻省理工學院最早提出可靠性定義;“二戰”末期德國火箭專家R.Lusser最早提出系統可靠性理論。。50至60年代,在美國、前蘇聯和日本等國形成了可靠性技術和管理并大致確定了可靠性工程的理論基礎和研究方向。70至80年代狹義可靠性工程②可靠性工程學科研究內容涵蓋可靠性科學、可靠性技術、可靠性管理。成熟,可靠性研究受到國際重視,其科學的理論基礎、完備的技術體系以及配套的管理和教育機構相繼確立,并向廣義的方向發展。研究工程系統可靠性的演進,可以豐富和深化對工程與社會、工程倫理、工程哲學等問題的理解。

一、 工程系統可靠性演進的背景

可靠性工程起源于軍用電子設備失效現象并非偶然。“二戰”期間,美國與德國在尖端武器研制上的競爭,以及戰后美國和前蘇聯在軍事和航空航天領域的角逐,使得大量的人才、經費和物資投入到可靠性研究領域。可靠性事關工程效能和安全,工程運行的復雜性、工業生產的經濟性、工廠事故的危害性等都要求工程系統必須可靠。其一,工程系統結構的復雜性與其功能之間的相關性、涌現性、不確定性等使得工程系統的運行越發復雜,例如一個密封圈的失效就能導致“挑戰者”號航天飛機失事。其二,工業生產規模化、工藝流程連續化、設備運行高速化等要求工程系統必須可靠。其三,工程系統不可靠可能帶來連鎖反應,從元件故障擴散到整個系統,引發嚴重的經濟和安全問題,給社會和環境帶來災難,例如切爾諾貝利核電站事故。為此世界各國尤其是歐洲國家通過制定環境保護法、產品責任制等干預工廠的設計、建造和運行,迫使工程系統可靠性得到重視和提高。這也是日趨激烈的市場競爭的要求。

提高工程系統可靠性是傳統工程向“大工程”邁進的要求。“大尺度工程系統”綜合化、系統化的特點在工程的結構、功能、性能和效能等方面均有體現[1]。元素種類和數量的劇增給工程系統帶來了變化。首先,新的零部件制造工藝、性能,特別是與其他零部件的關系和影響尚存在未知領域,須要對其可靠程度進行衡量,并逐步改進、提高、補充和完善。其次,工程系統的零部件數量增多、功能增強,彼此間關系變得復雜,失效狀態隨之增多。元件失效具有隨機性,工程技術人員僅憑借個體經驗或直觀定性分析,難以評價工程性能、判斷狀態和排除故障,往往須要借助可靠的方法和工具,以較少的試驗數據衡量復雜的工程系統。再次,技術設備所應用的環境、過程和條件或復雜或未知,須要在不確定的工程系統環境下,保障其在使用時功效能正常發揮。最后,復雜系統元素間時序上的相容問題、時間因素等造成的老化劣化等易隱藏的問題也促使人們想方設法縮短老煉期,提高設備等的可靠性。

可靠性工程的演進離不開工程知識綜合水平的整體提升。可靠性工程集成了可靠性數學、失效物理學、運籌學、環境科學、系統工程學、價值工程學、工程材料學等知識,研究工程各階段可靠性定性和定量的分析、預計、控制、驗證、評估、優化的理論和方法。可靠性科學技術的發展使分析可靠性問題的手段和方法越來越先進,例如影響與危害度分析(FMEA)、綜合環境應力可靠性試驗方法等,為可靠性技術和管理在工程系統的廣泛應用奠定了基礎。以可靠性數學為例,上世紀30年代迅速發展起來的概率論和數理統計,為分析元器件可靠性的隨機性問題創造了條件。1951年W.威布爾提出了材料疲勞壽命分布函數,為用材料疲勞與極限理論來研究材料復合問題提供了定量分析的數學工具[2]2。

二、 工程系統可靠性的分布

工程系統按照特定目標及技術要求,由人、物料、設備、能源、信息、技術、資金、土地、管理等要素構成[3],是“全要素”和“全過程”的交叉和結合[4],是具有壽命周期的動態系統[5]。工程要素在一定的時空結構中排列組合、生成演化、更替消亡等的流程、關系和活動,須要在工程目標引導下可靠地進行。采用可靠性技術和管理能夠控制工程系統在一定時期和條件下,維持動態的平衡性、穩定性和持續性,使工程系統效能、性能和功能等保持在工程目標設定的正常狀態,即使工程失效,也能保障重要設備、人員和環境的安全。可靠性技術在工程領域分布廣泛,從航天飛機到家用電器,從大型建筑到單個電子元件,涉及宇航、電子、核能、電力、化工、冶金、機械、建筑、通信和交通等諸多工程領域。可靠性管理貫穿工程系統規劃、設計、建造、運行、維護和保障等各個階段。

實體性的工程系統可靠性可分為三個層次:微觀層次如集成電路的可靠性;中觀如機械設備的可靠性;宏觀如國家電網的可靠性。概念性的工程系統可靠性涵蓋各個時期可靠性理念、方法、標準和建制等各種知識體系。學科性的工程系統可靠性包括多個可靠性工程知識體系的概念性子系統,例如人因工程和維修性、測試性、保障性工程等(參見圖1)。

圖1 可靠性工程的內涵

可靠性工程學科的演進是實體性與概念性工程系統可靠性二者的交織、集成和協同演進。隨著可靠性應用范圍的拓展,二者都在發展之中。實體系統可靠性在演進時,概念系統各種可靠性的理論、方法、標準和建制也在演進。實體系統可靠性研究一旦有了突破,其變化也會在概念系統上表現出來,而概念系統反過來也會影響實體系統可靠性演進。

三、工程系統可靠性演進的階段和模式

1. 可靠性工程演進的各個階段

狹義可靠性工程的生成是可靠性工程演進的初始階段。“二戰”期間,美國60%的機載電子設備運到遠東后不能使用,50%的電子設備在存儲期間失效[6]2。大量軍用電子設備頻繁失效現象,迫使人們思考失效現象背后的本質問題。為此美國1943年成立電子管研究委員會,1952年成立國防部電子設備可靠性顧問團(AGREE),并于1957年發表了奠基性的《軍用電子設備可靠性》研究報告,提出一整套可靠性設計、試驗和管理方法,確立了可靠性工程發展方向[6]2。此后,它不斷向工業和民用產品領域滲透,20世紀60年代推廣到核工業,70年代在化學工業普及,并陸續擴散到其他工程領域。

(1) 分蘗出維修性工程的階段。維修性研究起源于上世紀50年代中期美國武器裝備維修費驟增現象。當時每250個電子管就需要一個維修人員,每天武器維修費需2500萬美元[6]4。美國空軍5年的電子設備維修費超過其購置費10倍[2]2。羅姆實驗室由此設計了維修性改進方案,奠定了維修性工程雛形。1966年美國頒發《維修性大綱要求》、《維修性驗證、演示和評估》和《維修性預計》,標志著維修性演變成為一門獨立的工程學科[6]6。

(2) 分蘗出測試性、保障性工程等XX性工程的階段。測試性研究肇始于上世紀70年代。隨著半導體集成電路和數字電路復雜性的增長,出現了故障檢測和隔離所需時間大增的現象,維修重點由拆卸、更換等轉向故障檢測隔離。機內測試和故障診斷成為改善維修性的重要途徑。1975年F.Ligour等人提出了測試性概念并用于設計診斷電路,受到軍方重視[6]6,1978年美國設立測試性研究機構。1993年美國頒發《系統和設備測試性大綱》,測試性脫離維修性,成為一門與可靠性、維修性并列的工程學科[6]7-8。保障性研究源自上世紀70年代中期大型武器裝備復雜性增長導致的戰備完好性低而保障費用居高不下的現象。它與測試性同期分蘗出來,執行《系統和設備綜合后勤保障的采辦和管理》等標準。

(3) 廣義可靠性工程趨于成熟,各種XX性圍繞可靠性綜合的階段。隨著可靠性工程的演進,新的XX性陸續分出,而已經分出的XX性圍繞可靠性又重新集成起來。20世紀80年代末以來,美國可靠性、維修性、保障性工程無論是指標還是工程技術體系都呈現綜合化發展趨勢,同期歐洲將可靠性、維修性、維修保障性等技術綜合為可信性技術[7]。廣義可靠性工程提供的各種衡量、控制、預測、評估、管理工程系統可靠性的有效方法受到國際認可。

(4) 各種可靠性知識的專門化、協同化演進階段。可靠性工程的演進促進了新材料、新工藝、質量控制技術和檢驗統計技術的發展。半導體物理學、失效物理學的發展曾受益于可靠性研究。維修保障性研究促進了物流學發展。研究人、系統的可靠性促進了人因工程學和安全工程學的發展(見圖1)。這些專門化的工程研究取得突破后,又促進了可靠性工程進一步發展。可靠性一方面促使原來發散的認識收斂聚焦,圍繞可靠性在橫向和縱向形成新的分支和學科;另一方面引導組織各種物質資源預置或投入工程之中,以提高工程的性能和功效。其演進在這兩個方面的相互促進和協同中進行。

2. 可靠性工程演進階梯的層級躍升模式

工程系統可靠性演進呈階梯狀層級逐級躍升模式。在工程系統較簡單的區間,可靠性呈線性增長(參見圖2中的[1]),此時工程知識較充裕、系統復雜性較低。隨著工程系統規模擴大,可靠性知識得到積累,認識水平得以提升,有關可靠性的科學、技術、管理等研究和實踐反過來又進一步補充和發展了工程知識,可靠性研究成果在積累中逐漸增長。

圖2 工程系統可靠性的演進

隨著工程的發展,原有工程知識集成水平難以應對復雜性的持續增加,須要升華可靠性認識。每一個XX性工程的生成均對應一個可靠性層級的躍升(參見圖2中的[3]、[5]),產生新的關于可靠性的知識體系。新體系沒有摒棄舊體系,而是以舊體系為基礎,在原有基礎上增加新層級。這些層級進一步提升了工程主體認識和運用工程知識的能力,并相對降低工程系統復雜性,提升工程系統操控水平,在新的工程知識平臺上(參見圖2中的[2]、[4]、[6]),在新的材料、工藝或組織管理方式支撐下,工程系統迎來新一輪發展,隨之而來的是工程系統復雜性新一輪持續增長。當現有階梯層級的平臺無法容納更高的工程系統復雜性時,工程的有效性降低,出現新的失效現象,現有的工程知識組織方式再次失靈,工程系統的預設功能將難以充分發揮,可靠性難以與相應的工程性能或造價匹配。此時,需要認知能力再次躍升,需要科學知識、技術工具和管理手段等集成出新的可靠性工程模式對復雜性加以約束。工程系統積聚并整合系統內外新的知識增長點,醞釀下一次躍升,即更高水平的工程知識集成。在這一次次工程知識組織層次的階段性分蘗中,人類對工程的控制水平穩步提高。

在工程主體對工程的所有需求中,可靠性位居基礎層次,經濟和審美等需求都必須以它為基礎。在可靠性演進階梯上,狹義可靠性層級同樣處于基礎地位,先分蘗出的層級是后分蘗者的基礎。維修性建立在可靠性基礎上,二者綜合可以有效降低工程系統長期運行費用。測試性從維修性發展而來,它通過衡量工程狀態、檢測隔離故障、縮短診斷時間降低了維修難度。保障性表征外部資源與工程系統匹配程度,它需要較高的管理能力處理工程系統外圍條件、環境的隨機性和不確定性,因而其在演進階梯上分蘗得較晚。

可靠性層級出現的順序與傳統工程項目各環節展開的順序相一致。傳統工程采取“序貫式”順序(參見圖1方框實線箭頭所示順序),先研制能滿足工程功能要求的主要設備,后研究和實施維修保障等所需的方案和資源配置,先解決有無的問題,再解決好壞的問題。廣義可靠性工程誕生之后,工程系統可靠性向上推廣(參見圖1虛線單箭頭所示順序),由原先的只能被動接受的運行失效階段的質量特性,轉變為設計和管理特性,可以人為地提前注入、建構、評估、預測和分配其建造運行后的可靠性、維修性等XX性。工程展開的歷史順序得以改變,串行變為并行。

四、工程系統可靠性演進的特點以及對工程主客體的影響

工程系統可靠性的演進受所處社會環境的型塑,其演進具有工程的實踐性、有效性特點。層級演進具有兩個維度,其一,以維修性等XX性工程形式,橫向整合概念和實體系統,增進實體系統整體行為的可靠性;其二,將概念系統形成的標準,向序貫的兩端推進,縱向貫穿工程系統全部要素和過程。可靠性的演進以提高可靠性為目標,對影響工程系統功能發揮的各種因素進行評估、篩選、監控、反饋、強化、限制和防范,通過試驗和現場使用數據的反饋,選擇并放大有利于實現工程目標的因素,抑制不利因素,不斷修正工程系統的行為,將其限定在可操控的范圍內,使工程客體沿著主體目標不斷生成和逼近,使主體不斷提高并優化操控工程客體的能力和效果。

工程系統可靠性演進過程具有完整性和一致性的特點。可靠性的演進旨在消除工程系統在協調性、兼容性、適應性、穩定性、持續性、重復性和可用性等方面的障礙[8],使工程系統內外、人機之間協同一致。其演進不僅強化了主體對客體的控制能力,還將人的操作習慣、生理和心理等因素作為工程系統的組成元素加以考慮,人機界面更加完整。其演進拉近了工程主體間的距離,工程多方主體各個環節的在場者或是不在場者,對完成工程功能的任務要求在可靠性上得到統一,工程主體之間的相互依賴關系通過可靠性得以加深。在深化可靠性認識的過程中,工程知識趨于完整,主客體在可靠性三個“規定”基礎上達成一致。

工程系統可靠性演進模式具有相似性和可移植性特點。維修性等XX性工程與狹義可靠性工程的生成和演化模式有較高的相似度。它們都在軍事領域生成,均因電子裝備復雜化導致失效率攀升、可用性大幅下降或費用驟增[9]。經過失效現象→工程問題→可靠性理論→可靠性技術→可靠性標準→可靠性建制的演進之后,以“標準”強化實體工程系統可靠性管理。可靠性標準是概念系統形式存在的可靠性指標體系,是隱性知識向嵌入編碼知識再向非嵌入編碼知識的發展[10]。作為工程領域一種特殊的非嵌入式知識體系,它具有更大的適用范圍,更易移植到相似模式中。因而,工程系統生成狹義可靠性用時較長,而生成維修性、測試性用時短得多。在電子設備研制中形成的可靠性評估、考量方法,可以應用到機械、建筑等其他工程領域;在軍用裝備生產中形成的可靠性管理認證等手段,同樣可用于提高工業設備和民用產品的可靠性。相似性和可移植性減少了演進難度,使客體不斷有序化、層級化和系統化,不斷創生新的層級,增加工程系統新的客體。

工程系統可靠性演進方向具有規定性、權衡性的特點。其演進隨著新的可靠性分蘗曲折地上升,在系統復雜程度與工程知識匹配能力兩者張力間游走,它與工程需求層次的提高相一致,是眾多因素綜合作用的結果。在可靠性演進初期,由于工程知識未知領域很多,對工藝等控制程度有限,設計人員無法充分預見工程系統面臨的全部復雜性,工程系統建立在已證實了的人工自然基礎上,序貫后一環節必須符合前一環節的規定性,不容許偏離,否則偏差經“序貫”放大易引發事故。工程系統的一致性和完整性須要由預設的規定性來保障。這種規定以完成工程功能的需要為中心,起點是機器,是人對機器的俯就[11]。可靠性演進之后,預設的規定性以主體的適用性為終點。序貫松動,工程各個環節圍繞終點目標,采取倒逼方式,通過權衡選擇與主體利益更相符合的設計,容許雙方在一定程度上偏離,例如環境的變化和人的誤操作。規定性和權衡性結合,增加了工程系統剛性和柔性。通過可靠性演進,人機雙方共同彌合二者之間的縫隙,確立了工程主客體人機友好的基礎。工程客體在偏離主體所預期的規定性時,不斷被明晰和糾偏,工程的主體對客體的可控性和有效性在可靠性演進中不斷提升。

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