內外場綜合可靠性試驗方法分析與探討

文 | 空軍裝備研究院雷達所 馬志宏 李金國 李 靜 李 慧

內外場綜合可靠性試驗方法分析與探討

文 | 空軍裝備研究院雷達所 馬志宏 李金國 李 靜 李 慧

介紹了常規內場試驗采用的一些可靠性評價標準，概括總結了內場與外場可靠性分析與評價中運用的數據處理方法，提出了利用內場數據，收集和分析外場數據的信息融合技術，即內外場可靠性綜合分析法，闡述了該技術方法的相關研究內容，最后通過實際應用指出了計算的有關方法和步驟。

內外場；可靠性評價；信息融合；先驗分布；后驗分布

引言

目前裝備的可靠性驗證試驗分為內場和外場試驗兩部分，但具體運用中，內場試驗和外場試驗相互分離，內場試驗數據很少利用，外場試驗數據大量丟失，數據和信息不能共享，同時目前常規的方法靠一次性試驗驗證，受統計樣本量影響大，內場試驗時間短，看不到長期的故障模式，長期故障到外場觀察才能發現，更改時又受技術狀態控制規則制約，造成人力、物力、財力的浪費[1]。

針對軍用裝備，特別是系統復雜、價格昂貴、可靠性高的裝備，對其可靠性指標驗證所需周期較長、經費耗費多，開展內外場綜合驗證方法研究，不僅可縮短評價產品可靠性的試驗時間，同時可減少評價可靠性的試驗費用，可在短時間內評價可靠性和壽命，但如何充分利用數據，完善收集外場數據并建立一套相互利用，相互補充的高效的內外場綜合可靠性驗證方法是目前國內研究比較熱的一個問題。

1.規內場試驗方法

常規內場試驗方法已經標準化，美軍標主要有MILHDBK-781A(1996)工程研制、鑒定與生產可靠性試驗方法、方案和環境，MIL-STD-2164A電子設備的環境應力篩選程序。我國已發布的有關可靠性試驗標準有GJB 899可靠性鑒定和驗收試驗，GJB 1407可靠性增長試驗和GJB/Z 34電子產品定量環境應力篩選指南，GJB/Z 77可靠性增長管理手冊。按試驗任務不同，上述標準將可靠性試驗分為四類，分別推薦了試驗方法和技術，見表1。

可靠性試驗方案從研發時起，一直把用最短的試驗時間達到最大的試驗效果（以高置信水平判斷可靠性是否達標）作為制定準則。將定時和序貫試驗方案進行比較，可知定時試驗除第21號r = 0判決以外，其余定時方案在相同風險和鑒別比下，期望試驗時間都遠大于序

表1.靠性試驗任務和試驗方法

貫試驗方案，所以，條件允許時應盡可能利用序貫試驗。美軍國防部指令5000.40曾指定零故障為優選驗收試驗方案。詹姆士等人設計了一組完整的零故障試驗方案，可供用戶按不同的鑒別比和風險率選用[2]。

2.場可靠性分析與評價方法

在內場除進行常規的可靠性試驗以外，還開展一系列可靠性分析，檢驗和應力試驗等分析與評價活動，目的是綜合利用各種與產品可靠性有關的定量、定性信息，評價產品是否滿足規定的可靠性（固有）要求。

許多產品，諸如導彈、衛星、航空電子等軍用產品，系統復雜、成本昂貴，可靠性要求高，生產量少，難以依靠專門的可靠性試驗完成裝備可靠性評估。通過綜合各種相關信息，定性、定量結合，可以更快更好地對裝備可靠性做出評價。

定量評價主要是綜合利用各種相關信息，據以擴大、補充樣本量，作出是否滿足可靠性要求的定量評價，主要方法有：

1）借助本系統或相似產品零部件、設備的試驗數據。這里相似主要指結構、生產條件、功能、任務剖面、試驗條件等方面。

2）盡量采用計量型試驗代替成敗型試驗。

3）充分利用中斷試驗和無失效試驗信息。

當某種產品可靠性很高，若等到全部抽試樣件都失效才截止試驗，時間上等不及。這時，可根據工程需要，規定只要試驗到規定任務時間的若干倍（如1.5～2倍）即可停止試驗，稱這種試驗為中斷試驗，如全部試件無一失效稱無失效試驗，這樣可以利用的信息就大大增加了[3]。

極小樣本無失效數據在給定置信水平C = 1-α情況下的置信下限 計算公式為：

（4）充分利用研制各階段的可靠性分析與試驗信息。

3.場可靠性試驗方法

對外場任務和系統級可靠性試驗在納入裝備內外場試驗和評價的總體方案（TEMP）后，主要關注的是設備級以上的可靠性數據處理方法。因為設備級、系統級大都是可修復的，所以這里主要介紹可修系統可靠性數據處理方法[4]。

可修系統的故障數據一般有3種情況，見圖1所示：

1）故障間隔時間隨著時間呈加寬趨勢即可靠性增長狀態，簡稱“喜型”，用?或R ?表示；

2）故障間隔時間隨時間呈縮短趨勢，即可靠性退化狀態，簡稱“悲型”，用?或R?表示；

3）故障間隔時間呈不增不減的常數故障狀態，或R-表示。在進行數據處理時，應先辨明是何種狀態，再用適合該狀態的數學工具去處理，否則將會出錯。

為防止錯用數據處理方法，可以將故障修復過程(F-R)分為兩大類：一類是完全修復，即壽命獨立系統(A-I)；另一類是不完全修復，即壽命持續系統(A-P)。對(A-I)系統用時齊泊松過程(HPP)數學模型，對(A-P)系統用非時齊泊松過程(NHPP)[5]。處理流程圖見圖2所示：

圖1.障間隔趨勢目視檢驗圖

圖2.障數據處理流程圖

4.外場可靠性綜合評價方法

內外場可靠性綜合評估法就是根據產品的可靠性結構即系統與單元間的可靠性關系、產品的壽命分布模型以及現有的與產品可靠性有關的所有信息包括試驗數據和驗前信息, 利用概率統計方法針對產品可靠性的特征量進行統計推斷和決策, 包括點估計、區間估計等[6]。它可以在產品研制的任一階段進行, 既可以是設計階段的可靠性預計, 也可以是定型階段的可靠性評估。

目前常用的內外場綜合評價法是采用Bayes方法，Bayes可靠性評估方法的特點在于能充分利用各種信息，包括先驗信息和試驗信息、精確信息和模糊信息，同時Bayes分析方法程式化, 便于工程人員把握。Bayes方法是一種有效地綜合主觀經驗信息和試驗數據進行可靠性評定的工具, 在航空領域得到了廣泛地應用。可靠性評估方法通常將專家經驗等主觀信息視為先驗信息, 通過演繹性的推理過程, 用樣本信息修正先驗信息, 然后進行統計推斷[7]。

航空電子產品的飛行試驗數據往往比較缺乏, 此時,專家意見是一類非常重要的可靠性信息, 需要好好加以利用。本文提出了一種新的Bayes可靠性評估方法, 該方法回避了從模糊先驗信息構造先驗分布的困難, 有效綜合了模糊先驗信息和試驗數據，得出了可信的評估結果。

新的貝葉斯方法認為可靠性參數（MTBF或θ，1 /λ）是隨機變量，它服從某一已知的分布，稱之為先驗分布，這個分布的確定是基于人們的經驗或感性認識，帶有主觀的信息。然后按照貝葉斯法則，將先驗分布與樣本觀察相結合，形成一個參數的新分布，稱為后驗分布，后驗分布的均值可作為參數的點估計[8]。貝葉斯方法的特點就在于有個先驗分布，由于有了這個先驗分布，不需要很大的子樣也可以得到較好的參數估計值，這是貝葉斯的優點。正是貝葉斯方法的這個優點，吸引了一些可靠性專家，研發出一些實用貝葉斯方法評估現場可更換單元（LRU）的失效率（或MTBF）使之更符合實際，從而提高部件需求量預計精度。

適合泊松分布MTBF的貝葉斯估計方法見表2所示。

該貝葉斯可靠性綜合估計法使分析者能利用過去的信息/圖形去“擬合”試驗結果，以獲得當前的估計值。其計算過程有如下假設[9]：

1）設MTBF (θ)為隨機變量，其概率密度函數為f (θ)即表 2 中 g (θ)；

2）設f (θ)為一反T分布；

3）設θ的先驗分布有參數T (表2中α)和r (表2中β )(其中T為累積試驗時間，r為故障數。通常以上次試驗為根據)。該分布的均值為T / (r -1)；

4）設追加試驗t (表2中T)小時，有k(表2中f )個故障，θ的后驗分布為又一個反T分布，有參數T+t和r+k，該分布的均值為( T+t ) / ( r+k-1)。

5.外場可靠性綜合評價方法應用

設具有參數MTBF (θ)的某硬件，先驗分布為反Γ分布，參數為T為500，r值為2。繼續追加試驗t到1330h，出現失效數k=2，后驗分布仍為反Γ分布，參數T與t之和為1830，r與k之和為4。

可直觀看出，采用貝葉斯方法修正后對MTBF計算較合理。

6.束語

對于復雜系統本身, 往往由于價格昂貴、可靠性高,如導彈、衛星和載人飛船等, 因此系統級的試驗數據很少甚至沒有。要對系統進行可靠性評估就必須充分利用內外場試驗數據，實現數據和信息共享，通過內外場綜合可靠性評估方法來獲得可靠性數據。

貝也斯方法就是充分利用內場數據，完善收集和分析外場數據，利用內外場數據相結合的方法，獲得準確的可靠性數據，從而對裝備的可靠性水平作出正確的評價。這種新方法不僅可以縮短評價產品可靠性的試驗時間，而且還可減少評價可靠性的試驗費用，可在短時間內評價可靠性和壽命，提高武器裝備質量，為我國的國防事業作出貢獻。

[1] 蘇德清等. 可靠性技術標準手冊[M]. 北京：中國標準出版社, 1994.[2] James E.Breneman, Pratt & Whitney. Reliability, Maintainability,Supportability Initiatives: Contributing to the competitive edge [J].PROCEEDINGS Annual RELIABILITY and MAINTAINABILITY Symposium,1991

[3] QRMS-46 《美軍可用性手冊》[S].

[4] DOD3235.1-H Test & Evaluation of System Reliability Availability and Maintainability.

[5] 茹詩松, 王玲玲. 可靠性統計[M]. 華東師范大學出版社, 1984:87-93.[6] 章國棟等. 系統可靠性與維修性的分析與設計[M]. 北航出版社.1998:107-134.

[7] 李榮. 復雜系統Bayes可靠性評估方法研究[D]. 工學博士學位論文, 國防科技大學, 1999.

[8] J.Dunst, K.Fry. An Approach to Assessing Readiness Based Logistic Support Policies [J]. Naval Engineers journal, 1997, 5, 195-203.

[9] 劉琦, 馮靜. 變參數指數分布先驗信息的折合[J]. 系統工程與電子技術,2003(3):290-293.

Analysis and Discussion of Integrated Reliability Evaluation Method of The Internal and External Field Test

This report introduces some reliability evaluation standards in the internal field test and generalizes the method to handle data and to analyze reliability characteristic value in internal and external field test. It puts forward the information fusion technique to collect and analyze external field by means of internal data, namely the integrated evaluation method of the internal and external field test.It elaborates related research review of this integrated evaluation method and finally pointed out the method and steps in practice.

internal and external field；reliability evaluation；information fusion；prophet distribution；posterior distribution

馬志宏（1975～），男，山西朔州人，空軍裝備環境與可靠性試驗中心，工程師，從事裝備環境與可靠性試驗與研究工作。