電子設(shè)備可靠性評估方法應(yīng)用研究

蔡駿

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

1 引言

在軍用電子產(chǎn)品研制的工程實(shí)踐中，產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的要求都較高，樣本數(shù)較少，由于項(xiàng)目研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)及資源等條件的限制，難以采用可靠性鑒定試驗(yàn)的方法來對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，建立在科學(xué)理論及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的可靠性評估就成為對電子設(shè)備可靠性水平進(jìn)行評價(jià)，對其可靠性指標(biāo)要求進(jìn)行驗(yàn)證的重要方法與手段[1]。

可靠性評估按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征可分為成敗型可靠性評估模型、指數(shù)壽命型可靠性評估模型、威布爾型可靠性評估模型及結(jié)構(gòu)（應(yīng)力-強(qiáng)度型）可靠性評估模型等。實(shí)踐數(shù)據(jù)證明，大部分電子產(chǎn)品的失效分布符合指數(shù)分布。為此，本文主要討論符合指數(shù)分布的電子設(shè)備的可靠性評估方法。指數(shù)可靠性評估模型按照試驗(yàn)方法的不同分為定數(shù)截尾、定總試驗(yàn)時(shí)間及定時(shí)截尾3種，在電子設(shè)備的研制中最常使用無替換情形下的定總試驗(yàn)時(shí)間方法。工程上常用經(jīng)典法和貝葉斯法進(jìn)行評估，在定總試驗(yàn)時(shí)間情況下，這兩種方法MTBF單側(cè)置信下限的計(jì)算公式如下[2]。

其中，MTBFL——設(shè)備MTBF單側(cè)置信下限；

T——定時(shí)截尾試驗(yàn)的等效試驗(yàn)時(shí)間；

R——故障數(shù)；

（1-α）——置信度，一般在0.6～0.9之間選取，實(shí)際由承制方和使用方協(xié)商決定。

本文以某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備為例，闡述對其進(jìn)行可靠性評估的工程應(yīng)用實(shí)施方法。

2 可靠性評估的工作步驟

可靠性評估工作的開展，必須是在規(guī)范化的研制過程條件下進(jìn)行。采取的評估方法合理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，才能保證評估結(jié)果的有效性。某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備在研制過程中，對各類可靠性試驗(yàn)都規(guī)定了嚴(yán)格的試驗(yàn)條件和方法，對出現(xiàn)的所有故障使用故障報(bào)告分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）管理。對設(shè)計(jì)過程中設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的改變進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分、記錄和管理?？偨Y(jié)整個(gè)可靠性評估工作的過程，可分為以下幾個(gè)工作步驟：

2.1 制定可靠性評估大綱

某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的可靠性評估大綱主要規(guī)定了試驗(yàn)樣本、可靠性評估方法、采用的試驗(yàn)類型及試驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)管理方法等。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備主要由電子元器件組成，是典型的電子設(shè)備，所以設(shè)備評估模型采用指數(shù)發(fā)布。為了更全面地了解設(shè)備可能達(dá)到的可靠性水平，規(guī)定同時(shí)采用經(jīng)典法和貝葉斯法進(jìn)行可靠性評估計(jì)算。評估結(jié)果采用區(qū)間估計(jì)值，即MTBF的單側(cè)置信下限。試驗(yàn)樣本為2臺，采納設(shè)計(jì)總體方案定型后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)、模塊數(shù)、關(guān)重件都不再更改以后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)類型包括設(shè)備進(jìn)行的可靠性研制試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)規(guī)定所有的故障必須進(jìn)行FRACAS的管理。本設(shè)備MTBF的指標(biāo)要求為最低1 500 h。

2.2 制定故障判據(jù)

參與可靠性評估的故障數(shù)據(jù)僅計(jì)算關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)，非關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)不計(jì)算。為此，制定的故障判據(jù)如下：

a）記入關(guān)聯(lián)故障的故障類型

1）部件和元器件設(shè)計(jì)缺陷或工藝不良造成的故障；

2）電路板上多個(gè)元器件發(fā)生失效，如果相互之間沒有因果關(guān)系，算作多次故障；

3）壽命件在有效壽命期間發(fā)生的故障；

4）故障現(xiàn)象相同的間歇故障，通過故障分析，故障原因相同的故障，算作一個(gè)故障。

b）記入非關(guān)聯(lián)故障的故障類型

1）受試設(shè)備在試驗(yàn)箱內(nèi)安裝不當(dāng)造成的故障；

2）試驗(yàn)設(shè)備或監(jiān)測儀器不良引發(fā)的故障；

3）操作失誤引發(fā)的故障；

4）由其它故障引發(fā)的故障。

同時(shí)規(guī)定，查明關(guān)聯(lián)故障的故障原因之后，改進(jìn)設(shè)備，后期試驗(yàn)經(jīng)過驗(yàn)證，確認(rèn)改進(jìn)有效，不再出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)為非關(guān)聯(lián)故障處理。

對軟件引發(fā)的故障，查明原因，改進(jìn)軟件，在虛擬軟件測試環(huán)境和硬件條件下進(jìn)行測試。對改進(jìn)模塊及相關(guān)模塊都要進(jìn)行測試，測試用例的覆蓋范圍必須包括條件組合覆蓋和路徑覆蓋。所有的測試驗(yàn)證軟件在改正有效的情況下，可以不計(jì)入關(guān)聯(lián)故障。如果是不明原因的軟件故障，則必須記入關(guān)聯(lián)故障。

2.3 確定環(huán)境因子

進(jìn)行可靠性評估，由于各類試驗(yàn)的條件不一致，必須將各類試驗(yàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境下的等效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就是必須確定各類試驗(yàn)環(huán)境轉(zhuǎn)為實(shí)際工作環(huán)境的環(huán)境因子。某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的實(shí)際工作環(huán)境為一般室內(nèi)固定環(huán)境，可能沒有空調(diào)設(shè)備的情況。按照GJB/Z 299C[3]中有關(guān)環(huán)境的規(guī)定，屬于一般地面固定情況。在各種試驗(yàn)中，可靠性研制試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是完全仿照實(shí)際的工作環(huán)境進(jìn)行的，所以環(huán)境因子是1。環(huán)境試驗(yàn)所進(jìn)行的各類試驗(yàn)必須確定環(huán)境因子，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。確定環(huán)境因子的方法，常用的主要有參照可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C中的環(huán)境系數(shù)、GJB 367A[4]附錄中環(huán)境因子典型值或通過相似設(shè)備各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)評估而獲得。針對本項(xiàng)目，由于相似設(shè)備的試驗(yàn)比較少，不足以獲得準(zhǔn)確的環(huán)境因子評估值。設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)是按照GJB 367A的規(guī)定進(jìn)行的，所以采取參考GJB/Z 299C和GJB 367A的方式來確定環(huán)境因子。GJB 367A附錄中提供了各類試驗(yàn)條件下對常溫試驗(yàn)條件下的環(huán)境因子，這個(gè)常溫試驗(yàn)條件相當(dāng)于GJB/Z 299C中的地面良好（GB）環(huán)境，和設(shè)備工作環(huán)境不一樣，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境相當(dāng)于GJB/Z 299C中的一般地面固定（GF1），參考299C標(biāo)準(zhǔn)中各類元器件GF1和GB兩者之間的環(huán)境系數(shù)，一般GF1是GB的兩倍。綜合以上分析，各類環(huán)境試驗(yàn)條件下的環(huán)境因子，取GJB 367A附錄中的典型值，再除以2，作為轉(zhuǎn)化為設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境下的環(huán)境因子。綜合以上分析，各類試驗(yàn)的環(huán)境因子確定見表1：

表1 環(huán)境因子表

2.4 整理與分析可靠性數(shù)據(jù)

可靠性數(shù)據(jù)的收集范圍包括研制過程中的可靠性研制試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)一次Modem模塊不能同步故障，該故障是由內(nèi)部接線松動(dòng)引起的，屬于制造工藝問題，計(jì)入關(guān)聯(lián)故障，因此該設(shè)備可靠性評估的關(guān)聯(lián)故障數(shù)為1。進(jìn)行評估計(jì)算的試驗(yàn)時(shí)間為累計(jì)臺時(shí)，根據(jù)前面確定的各種試驗(yàn)的環(huán)境因子（πE），統(tǒng)計(jì)等效試驗(yàn)時(shí)間，如表2所示。

表2 試驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2計(jì)算，累積等效試驗(yàn)時(shí)間為4 840.7（h）。

3 可靠性評估結(jié)果

3.1 經(jīng)典法

根據(jù)式1，取T=4 840.7 h，r=1，經(jīng)過計(jì)算，得到某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備可靠性MTBF的評估結(jié)果，如表3所示。

表3 經(jīng)典法可靠性評估結(jié)果報(bào)表

由于該設(shè)備要求MTBF≥1 500 h，經(jīng)典法評估結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

3.2 貝葉斯法

根據(jù)式（2），取 T=4 840.7 h，r=1，經(jīng)過計(jì)算，得到某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備可靠性MTBF的評估結(jié)果，如表4所示。

表4 貝葉斯法可靠性評估結(jié)果報(bào)表

由于該設(shè)備要求MTBF≥1 500 h，貝葉斯法評估結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

由兩種評估結(jié)果可見，經(jīng)典法更為嚴(yán)格。

4 結(jié)束語

按照可靠性理論，該網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備需要繼續(xù)積累試驗(yàn)與現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)，不斷豐富可靠性評估數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在產(chǎn)品研制生產(chǎn)的不同階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)的評估工作，使評估結(jié)果能更真實(shí)地反映出產(chǎn)品各階段的可靠性實(shí)際水平。

按照GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》，在型號研制過程中，在研制任務(wù)書或合同文件中都要明確產(chǎn)品可靠性定量要求和驗(yàn)證方法。然而，對于有很高可靠性指標(biāo)要求的產(chǎn)品，由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)、研制費(fèi)用、成本以及研制周期等方面的限制，通常不可能完全通過專門的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)。因此，結(jié)合產(chǎn)品在研制過程中一系列可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行綜合評估，不失為一種經(jīng)濟(jì)、有效的可行方法。

上文所述可靠性評估方法在某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的研制工作中通過了專家評審，得到了客戶的認(rèn)可，對類似產(chǎn)品的研制具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

[1]張?jiān)访?，辛?現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)可靠性評估方法的研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005，23（5）：14-17.

[2]張士峰，李榮，樊樹江.Byes可靠性評估方法述評 [J].飛行器測控學(xué)報(bào)，2000，19（2）：28-34.

[3]GJB/Z 299C-2006，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊 [S].

[4]GJB 367A-2001，軍用通信設(shè)備通用規(guī)范 [S].