可靠性工程中自然環(huán)境條件量化分析數(shù)據庫構想

胡冬，呂衛(wèi)民，謝勁松

（北京航空航天大學，北京 100191）

基于失效物理的可靠性分析，要求在給定的工作負載與工作環(huán)境下對產品進行建模仿真，從而進行壽命評價，這就需要引入產品實際所經受的自然環(huán)境條件。由于產品所經歷的環(huán)境應力描述形式、所受載荷的計算方法以及要求的載荷輸出形式往往各具特點[1－2]，使得原來針對不同的研究對象都需要一套在可靠性工程應用中的環(huán)境特征量數(shù)據分析工具。此外，在項目研發(fā)過程中由于部分產品設計方與使用方沒有原始自然環(huán)境數(shù)據的積累，或者設計方無法保證此數(shù)據的科學性，或者出于其他涉密限制造成無法得到設計方的原始數(shù)據，因此給可靠性工程師在開展工程實踐時帶來了諸多不便。基于上述實際應用需求，筆者在自行研制的RelSIMTM 仿真軟件平臺上逐步開發(fā)可用于自然環(huán)境條件量化分析的自然環(huán)境數(shù)據庫模塊。該數(shù)據庫目前已具備一定的通用分析能力和工程應用價值。

1 應用需求與特點

典型的可靠性工程主要包括可靠性設計（Design for Reliability，DfR）、故障預測和健康監(jiān)控系統(tǒng)（Prognostics and Health Management，PHM）以及裝備延壽。在這些工程應用中，自然環(huán)境數(shù)據庫的應用需求如下。

1）DfR。在產品需求分析時，需提供所受環(huán)境應力的量化描述，有時還需給予用戶已有的環(huán)境數(shù)據支持，以得出產品未來可能的使用環(huán)境。同時，在進行可靠性試驗或環(huán)境試驗之前，要綜合產品未來可能經受的實際環(huán)境應力進行仿真分析和試驗設計，以便找出薄弱環(huán)節(jié)以及相應的敏感應力[3]。

2）PHM。在基于失效物理的PHM系統(tǒng)中，設計傳感器硬件系統(tǒng)需要結合產品失效機理，定位監(jiān)測部位，具體提出傳感器的相應技術指標，如溫度測試范圍、振動測試頻率等[4]。

3）裝備延壽。在裝備延壽能力評估中，需要通過逆向工程推導出迄今為止產品實際服役的環(huán)境描述，如溫度剖面、功率載荷譜、沖擊響應譜等，以得出待考察的不利差量[5]。

目前，現(xiàn)有的自然環(huán)境類型數(shù)據庫主要有3類，包括各類氣象組織發(fā)布的數(shù)據集、基于綜合環(huán)境數(shù)據表示與交換規(guī)范（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS）的綜合自然環(huán)境（Synthetic Natural Environment，SNE）、國外環(huán)境試驗三大標準所對應氣候數(shù)據值。在此將這3類作比較（見表1）。

表1 現(xiàn)有自然環(huán)境數(shù)據庫Table 1 The existing databases of natural environment

由表1 可知，定位用于可靠性典型工程應用的自然環(huán)境數(shù)據庫應該具備如下特點：

1）覆蓋典型工程應用的環(huán)境數(shù)據或參考標準，如有關大氣溫度、大氣相對濕度、大氣硫化物、路面譜、海浪譜等；

2）引進權威且共享的數(shù)據源，并可對其進行標準化數(shù)據導入、保存、修改、計算、傳輸?shù)忍幚恚?/p>

3）需要不同的數(shù)據計算模型（包括物理計算、統(tǒng)計計算）來進一步計算時，可重復編寫程序模塊，同時達到算法可優(yōu)化、可拓展；

4）在整個軟件平臺中，與可靠性仿真評價（如壽命評價和預測）相配套，實現(xiàn)數(shù)據自動調用計算。

2 數(shù)據庫關鍵技術

在進行自然環(huán)境量化分析以及數(shù)據庫的開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，由于其開發(fā)過程存在多學科交叉，且失效物理學科本身處于不斷豐富發(fā)展的過程，因而研發(fā)所面臨的技術問題不僅僅在于軟件技術層面，還在于軟件的開發(fā)管理層面，后者在某種意義上說難度比前者更甚。以下著重總結這2個層面的問題。

2.1 數(shù)據庫系統(tǒng)構成

自然環(huán)境數(shù)據庫是一個工作在RelSIMTM軟件平臺之上的環(huán)境條件量化分析計算的功能模塊[14－15]，即包括圖1 中系統(tǒng)管理和用戶操作兩部分，其主要功能包括：

1）從數(shù)據庫中獲取由數(shù)據源導入的原始自然環(huán)境數(shù)據，且可對其進行有效篩查、標準化批量處理；

2）可調用、管理模型庫中的自然物理常數(shù)、物理模型與統(tǒng)計模型以及相應的計算內核；

3）將模型計算內核的輸出結果在不同的模型間共享，且可傳遞到pofANTM，pofPWATM的失效物理模型中進行可靠性分析；

4）整個自然環(huán)境數(shù)據計算過程中，管理輸入輸出結果的處理和圖形顯示，且可以提供下載；

5）為用戶提供后臺在線服務，系統(tǒng)數(shù)據管理與用戶操作使用分隔開，同時對用戶設定不同的使用權限。

圖1 系統(tǒng)構成Fig.1 System architecture

2.2 數(shù)據源的獲取與篩選

為保證在進行失效物理模型計算前加載實際的自然環(huán)境應力，原始自然環(huán)境數(shù)據往往來源于各類氣象組織發(fā)布的數(shù)據集，比如國家氣象信息中心、國家海洋信息中心、英國Hadley 中心以及世界氣象組織，而國外環(huán)境試驗三大標準所對應氣候數(shù)據值僅供諸如溫度極值等部分環(huán)境數(shù)據參考時使用。其中，不同的數(shù)據集規(guī)定各自的使用權限或付費標準，給項目研究帶來了一定的成本要求。此外，自然氣候數(shù)據一般存在海陸區(qū)分，這在研究產品可靠性時能較好地統(tǒng)一起來。按照生成的時間順序來劃分，數(shù)據可分為歷史數(shù)據、現(xiàn)時數(shù)據、預報數(shù)據和標準數(shù)據，通過不同的數(shù)據需求論證，可采納不同種類數(shù)據。由于原始數(shù)據的采集能力限制等原因，數(shù)據集中可能包含缺省項或無效項，對此就需對數(shù)據進行有效篩選。篩選的過程可以選擇在平臺外或平臺內進行，這需要針對具體的數(shù)據集而定。

2.3 數(shù)據處理

在數(shù)據處理方面，主要需要考慮以下4 個技術關鍵點。

1）自然環(huán)境數(shù)據在時間與空間上存在分辨率技術指標要求。分辨率提高，則數(shù)據量會成倍增長。由于數(shù)據庫需要提供在線服務，因此可能需要考慮數(shù)據庫的硬件配置。分辨率指標決定于待考察產品的貯存和使用基本狀況。例如，在長期貯存過程中，不需要在時間與空間上有較大的分辨率，環(huán)境數(shù)據主要以載荷譜的形式描述即可；但是對于短時間飛行的產品，由于使用時間較短，可能會考慮在空間上應力隨時間的持續(xù)變化。

2）與失效物理模型所需的應力相對應，自然環(huán)境數(shù)據的計算包括物理模型數(shù)據與統(tǒng)計模型數(shù)據。統(tǒng)一于整個軟件平臺的技術構架，上述兩類模型分別歸于標準化的數(shù)據計算模塊以備調用。

3）受原始數(shù)據源所限，往往需要對其來源數(shù)據進行插值計算，其容差范圍需要與用戶協(xié)商，同時與實際的應用環(huán)境相比對，以驗證插值算法計算結果的合理性與精確性。

4）一般而言，數(shù)據源已設定為普遍通用的數(shù)據格式輸出，如.txt，.xls 格式等，則數(shù)據的導入能夠以此進行自動鏈接。數(shù)據的保存與傳遞統(tǒng)一于整個軟件平臺的技術構架，同樣采取模塊化管理。計算結果的顯示、輸出以普遍通用的數(shù)據格式輸出，以便用戶導出后進行查閱、驗證。

2.4 數(shù)據庫與平臺兼容

該數(shù)據庫作為軟件平臺的一個計算模塊，其操作與其他計算模塊具有統(tǒng)一性，在此對該軟件平臺的使用不作贅述?？偟膩碚f，數(shù)據庫與平臺應達到以下兼容性：

1）數(shù)據庫后臺人員可實時維護與拓展系統(tǒng)原始自然環(huán)境數(shù)據、自然物理常數(shù)、模型庫；

2）將不同環(huán)境因素的量化要求劃分出若干計算模塊，再靈活組合模塊；

3）用戶按照數(shù)據需求進行人機交互，如可加載自然環(huán)境想定信息、輸入輸出所需要的數(shù)據格式；

4）與整個軟件平臺的操作使用一樣，實現(xiàn)用戶權限管理與在線升級。

2.5 數(shù)據庫開發(fā)團隊運行

整個自然環(huán)境數(shù)據開發(fā)的過程是在一個學科交叉運用的完全工程環(huán)境中進行的，因此高效的團隊合作成為必要保證，其運行模式如圖2所示。

圖2 團隊運行模式Fig.2 Mode of team work

尤其要強調的是需要有一個在環(huán)境工程專業(yè)方面能夠滿足用戶了解自然環(huán)境科學知識及其背景的系統(tǒng)，為用戶提供有關使用和構建所需要物理模型的科學文獻和依據，這就需要軟件平臺有相應的專家知識庫faprlKBTM作為技術支撐。

3 數(shù)據庫應用算例

筆者在此僅給出前期開發(fā)的一個實際算例，大致演示RelSIMTM仿真軟件平臺中自然環(huán)境數(shù)據庫的應用情況。同時，結合數(shù)據庫的實際需求，簡要剖析研發(fā)過程中的關鍵技術。

溫度對電子產品可靠性的影響主要有穩(wěn)態(tài)溫度、溫度循環(huán)、溫度梯度、溫度隨時間變化率[18]。例如，Arrhenius 模型中，需要輸入工作溫度t 來計算器件的壽命[19]；Engelmaier-Wild模型中，需要輸入器件與基板的溫度循環(huán)ΔθC，ΔθS來計算焊點疲勞壽命[20]。那么，某個時間段內的工作溫度與溫度循環(huán)對應實際情況可認為，其環(huán)境特征量是該時間段內產品每天所歷經的平均氣溫與溫差，將其代入相應的失效物理模型，且運用Miner法則把每天的累積損傷進行線性累加[19]，即可算出產品的實際耗損壽命。以計算1998年5月4日海南省三亞鹿回頭地點的日平均氣溫與氣溫日較差為例，計算過程依照如下順序進行：

1）輸入想定點信息；

2）人工尋找想定點所處溫度類型，確認在經度上符合無差別要求的備選臺站，即與想定點處于相鄰的同種溫度類型；

3）備選臺站在空間與時間維度上與想定點進行比對，明確是否有現(xiàn)成數(shù)據，若有，則直接輸出，若沒有，需繼續(xù)補充計算；

4）在空間維度上，首先對備選臺站的氣溫數(shù)據進行海拔高度同一化處理，再在緯度上按照氣溫變化規(guī)律進行模型計算或依據關聯(lián)數(shù)據進行回歸分析；

5）輸出計算結果。

計算過程中的具體操作如下。

1）數(shù)據源選用與導入。根據該算例自然環(huán)境的數(shù)據要求，選用中國氣象科學數(shù)據共享服務網提供的《中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據集》。數(shù)據集為中國194個國際交換站1951年以來地面日值數(shù)據集，包括每天的平均氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速、最大風速及風向、日照時數(shù)、降水量等。按照原始數(shù)據的導入方式，添加 1991 年—1998 年 5 月 4 日海南省海口、東方、瓊海3 個臺站的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫數(shù)據至數(shù)據庫中，如圖3 所示。這里需要強調以下3點。

（1）由于數(shù)據庫使用權所限以及算例中的特征數(shù)據需求，最佳方案是從中國氣象科學數(shù)據共享服務網選取《中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據集》。

圖3 原始數(shù)據加載Fig.3 Loading the raw data

（2）空間維度處理。該數(shù)據集沒有三亞臺站的原始數(shù)據，因此需要人工處理：設定對于氣溫而言，已知海南島的海口、東方、瓊海臺站與三亞處于同種溫度類型B2[14]。依據文獻[21—22]可知，具有同種溫度類型的相鄰區(qū)域，其溫度在經度上無太大差異，在海拔高度上按照每上升100 m 氣溫下降0.65 ℃，在緯度上具有從北到南氣溫升高的規(guī)律。這里，筆者對氣溫在緯度上作一元線性回歸處理。當然，如此處理后的氣溫數(shù)據的準確度需要與用戶或環(huán)境工程專家確認其可否接受。

（3）時間維度處理。輸入1991 年—1998 年5 月4日海南省?？?、東方、瓊海3個臺站的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫數(shù)據?；跀?shù)據的標準化計算要求，倘若沒有某年某月某日當天的數(shù)據（這與原始數(shù)據源有關），需要根據以往數(shù)據進行一元線性回歸處理。本算例不需要該時間維度處理。

2）用戶想定信息輸入。將以下想定信息輸入，如圖4 所示。想定點名稱：三亞鹿回頭；時間：1998年5 月4 日；地點：北緯18.23°，東經109.50°，海拔高度275.1 m。

圖4 想定點信息輸入Fig.4 Inputting the specific information

3）結果計算。按照算例中的自然環(huán)境數(shù)據計算流程（如圖5 所示），結合數(shù)據源所提供的原始數(shù)據進行計算，結果得到日平均氣溫為26.75 ℃，氣溫日較差為6.32 ℃，如圖6所示。

圖5 計算流程Fig.5 Flow diagram of calculation

圖6 計算結果Fig.6 Calculation result

如此得出具體的某日日平均氣溫與氣溫日較差，那么自然環(huán)境數(shù)據庫模塊可照此對其若干天的數(shù)據進行批處理，這樣就獲得了某一時間段內產品每天所經歷的平均氣溫與溫差，同時也具備了進入失效物理模型計算的基本數(shù)據形式。此外，從上述整個計算過程可以注意到，具體操作層面上所獲取的原始數(shù)據源形式及其后續(xù)計算方法較大地影響了后續(xù)計算結果的認同度。

4 結語

前期的工作僅僅提供了一定的自然環(huán)境數(shù)據計算能力，目前尚未覆蓋所有環(huán)境特征量的計算和達到整個RelSIMTM仿真軟件平臺通用化、模塊化、開放性的應用研發(fā)要求。下一步工作主要在以下4個方面開展：

1）針對具體項目，進一步定義計算模塊、優(yōu)化算法，尤其是根據環(huán)境特征量拓展統(tǒng)計計算模塊，同時改善人機交互界面；

2）根據后續(xù)數(shù)據源需求，遵照共享數(shù)據源使用規(guī)定，履行后續(xù)使用協(xié)議，以便可持續(xù)擴充原始數(shù)據；

3）自然環(huán)境數(shù)據計算輸出結果即環(huán)境特征量，需要廣泛滿足失效物理模型的輸入且力求標準化計算，這樣自然環(huán)境數(shù)據才能與可靠性評價完全鏈接，同時減少針對不同的環(huán)境特征量重復開發(fā)計算程序的工作量；

4）制訂并固化自然環(huán)境數(shù)據庫拓展與使用流程，形成典型可靠性工程應用中自然環(huán)境數(shù)據需求的解決方案。

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