工程系統(tǒng)可靠性的演進

秦詠紅,呂乃基

(東南大學(xué)STS研究中心,江蘇南京 211189)

可靠性是工程系統(tǒng)維持無故障工作能力的綜合指標,表征元件、部件、設(shè)備等以及它們構(gòu)成的工程系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力。可靠性是人工自然、人機關(guān)系以及工程設(shè)計、建造、運行和使用中的一個基礎(chǔ)范疇。工程系統(tǒng)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(lǐng)域①有三個論據(jù):1939年《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》最早提出可靠性指標;1942年美國麻省理工學(xué)院最早提出可靠性定義;“二戰(zhàn)”末期德國火箭專家R.Lusser最早提出系統(tǒng)可靠性理論。。50至60年代,在美國、前蘇聯(lián)和日本等國形成了可靠性技術(shù)和管理并大致確定了可靠性工程的理論基礎(chǔ)和研究方向。70至80年代狹義可靠性工程②可靠性工程學(xué)科研究內(nèi)容涵蓋可靠性科學(xué)、可靠性技術(shù)、可靠性管理。成熟,可靠性研究受到國際重視,其科學(xué)的理論基礎(chǔ)、完備的技術(shù)體系以及配套的管理和教育機構(gòu)相繼確立,并向廣義的方向發(fā)展。研究工程系統(tǒng)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(xué)等問題的理解。

一、 工程系統(tǒng)可靠性演進的背景

可靠性工程起源于軍用電子設(shè)備失效現(xiàn)象并非偶然?！岸?zhàn)”期間,美國與德國在尖端武器研制上的競爭,以及戰(zhàn)后美國和前蘇聯(lián)在軍事和航空航天領(lǐng)域的角逐,使得大量的人才、經(jīng)費和物資投入到可靠性研究領(lǐng)域?？煽啃允玛P(guān)工程效能和安全,工程運行的復(fù)雜性、工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性、工廠事故的危害性等都要求工程系統(tǒng)必須可靠。其一,工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與其功能之間的相關(guān)性、涌現(xiàn)性、不確定性等使得工程系統(tǒng)的運行越發(fā)復(fù)雜,例如一個密封圈的失效就能導(dǎo)致“挑戰(zhàn)者”號航天飛機失事。其二,工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化、工藝流程連續(xù)化、設(shè)備運行高速化等要求工程系統(tǒng)必須可靠。其三,工程系統(tǒng)不可靠可能帶來連鎖反應(yīng),從元件故障擴散到整個系統(tǒng),引發(fā)嚴重的經(jīng)濟和安全問題,給社會和環(huán)境帶來災(zāi)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(huán)境保護法、產(chǎn)品責任制等干預(yù)工廠的設(shè)計、建造和運行,迫使工程系統(tǒng)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(tǒng)可靠性是傳統(tǒng)工程向“大工程”邁進的要求?！按蟪叨裙こ滔到y(tǒng)”綜合化、系統(tǒng)化的特點在工程的結(jié)構(gòu)、功能、性能和效能等方面均有體現(xiàn)[1]。元素種類和數(shù)量的劇增給工程系統(tǒng)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(guān)系和影響尚存在未知領(lǐng)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(tǒng)的零部件數(shù)量增多、功能增強,彼此間關(guān)系變得復(fù)雜,失效狀態(tài)隨之增多。元件失效具有隨機性,工程技術(shù)人員僅憑借個體經(jīng)驗或直觀定性分析,難以評價工程性能、判斷狀態(tài)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(shù)據(jù)衡量復(fù)雜的工程系統(tǒng)。再次,技術(shù)設(shè)備所應(yīng)用的環(huán)境、過程和條件或復(fù)雜或未知,須要在不確定的工程系統(tǒng)環(huán)境下,保障其在使用時功效能正常發(fā)揮。最后,復(fù)雜系統(tǒng)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(shè)法縮短老煉期,提高設(shè)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?？煽啃怨こ碳闪丝煽啃詳?shù)學(xué)、失效物理學(xué)、運籌學(xué)、環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、價值工程學(xué)、工程材料學(xué)等知識,研究工程各階段可靠性定性和定量的分析、預(yù)計、控制、驗證、評估、優(yōu)化的理論和方法。可靠性科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(huán)境應(yīng)力可靠性試驗方法等,為可靠性技術(shù)和管理在工程系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。以可靠性數(shù)學(xué)為例,上世紀30年代迅速發(fā)展起來的概率論和數(shù)理統(tǒng)計,為分析元器件可靠性的隨機性問題創(chuàng)造了條件。1951年W.威布爾提出了材料疲勞壽命分布函數(shù),為用材料疲勞與極限理論來研究材料復(fù)合問題提供了定量分析的數(shù)學(xué)工具[2]2。

二、 工程系統(tǒng)可靠性的分布

工程系統(tǒng)按照特定目標及技術(shù)要求,由人、物料、設(shè)備、能源、信息、技術(shù)、資金、土地、管理等要素構(gòu)成[3],是“全要素”和“全過程”的交叉和結(jié)合[4],是具有壽命周期的動態(tài)系統(tǒng)[5]。工程要素在一定的時空結(jié)構(gòu)中排列組合、生成演化、更替消亡等的流程、關(guān)系和活動,須要在工程目標引導(dǎo)下可靠地進行。采用可靠性技術(shù)和管理能夠控制工程系統(tǒng)在一定時期和條件下,維持動態(tài)的平衡性、穩(wěn)定性和持續(xù)性,使工程系統(tǒng)效能、性能和功能等保持在工程目標設(shè)定的正常狀態(tài),即使工程失效,也能保障重要設(shè)備、人員和環(huán)境的安全?？煽啃约夹g(shù)在工程領(lǐng)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(lǐng)域。可靠性管理貫穿工程系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、建造、運行、維護和保障等各個階段。

實體性的工程系統(tǒng)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(shè)備的可靠性;宏觀如國家電網(wǎng)的可靠性。概念性的工程系統(tǒng)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(xué)科性的工程系統(tǒng)可靠性包括多個可靠性工程知識體系的概念性子系統(tǒng),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(nèi)涵

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

三、工程系統(tǒng)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?！岸?zhàn)”期間,美國60%的機載電子設(shè)備運到遠東后不能使用,50%的電子設(shè)備在存儲期間失效[6]2。大量軍用電子設(shè)備頻繁失效現(xiàn)象,迫使人們思考失效現(xiàn)象背后的本質(zhì)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(shè)備可靠性顧問團(AGREE),并于1957年發(fā)表了奠基性的《軍用電子設(shè)備可靠性》研究報告,提出一整套可靠性設(shè)計、試驗和管理方法,確立了可靠性工程發(fā)展方向[6]2。此后,它不斷向工業(yè)和民用產(chǎn)品領(lǐng)域滲透,20世紀60年代推廣到核工業(yè),70年代在化學(xué)工業(yè)普及,并陸續(xù)擴散到其他工程領(lǐng)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(xiàn)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(shè)備維修費超過其購置費10倍[2]2。羅姆實驗室由此設(shè)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(fā)《維修性大綱要求》、《維修性驗證、演示和評估》和《維修性預(yù)計》,標志著維修性演變成為一門獨立的工程學(xué)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(dǎo)體集成電路和數(shù)字電路復(fù)雜性的增長,出現(xiàn)了故障檢測和隔離所需時間大增的現(xiàn)象,維修重點由拆卸、更換等轉(zhuǎn)向故障檢測隔離。機內(nèi)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(shè)計診斷電路,受到軍方重視[6]6,1978年美國設(shè)立測試性研究機構(gòu)。1993年美國頒發(fā)《系統(tǒng)和設(shè)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(xué)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(fù)雜性增長導(dǎo)致的戰(zhàn)備完好性低而保障費用居高不下的現(xiàn)象。它與測試性同期分蘗出來,執(zhí)行《系統(tǒng)和設(shè)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(xù)分出,而已經(jīng)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(shù)體系都呈現(xiàn)綜合化發(fā)展趨勢,同期歐洲將可靠性、維修性、維修保障性等技術(shù)綜合為可信性技術(shù)[7]。廣義可靠性工程提供的各種衡量、控制、預(yù)測、評估、管理工程系統(tǒng)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(xié)同化演進階段?？煽啃怨こ痰难葸M促進了新材料、新工藝、質(zhì)量控制技術(shù)和檢驗統(tǒng)計技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體物理學(xué)、失效物理學(xué)的發(fā)展曾受益于可靠性研究。維修保障性研究促進了物流學(xué)發(fā)展。研究人、系統(tǒng)的可靠性促進了人因工程學(xué)和安全工程學(xué)的發(fā)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(fā)展?？煽啃砸环矫娲偈乖瓉戆l(fā)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(xué)科;另一方面引導(dǎo)組織各種物質(zhì)資源預(yù)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(xié)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(tǒng)可靠性演進呈階梯狀層級逐級躍升模式。在工程系統(tǒng)較簡單的區(qū)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(tǒng)復(fù)雜性較低。隨著工程系統(tǒng)規(guī)模擴大,可靠性知識得到積累,認識水平得以提升,有關(guān)可靠性的科學(xué)、技術(shù)、管理等研究和實踐反過來又進一步補充和發(fā)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(tǒng)可靠性的演進

隨著工程的發(fā)展,原有工程知識集成水平難以應(yīng)對復(fù)雜性的持續(xù)增加,須要升華可靠性認識。每一個XX性工程的生成均對應(yīng)一個可靠性層級的躍升(參見圖2中的[3]、[5]),產(chǎn)生新的關(guān)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(chǔ),在原有基礎(chǔ)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(tǒng)復(fù)雜性,提升工程系統(tǒng)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(tǒng)迎來新一輪發(fā)展,隨之而來的是工程系統(tǒng)復(fù)雜性新一輪持續(xù)增長。當現(xiàn)有階梯層級的平臺無法容納更高的工程系統(tǒng)復(fù)雜性時,工程的有效性降低,出現(xiàn)新的失效現(xiàn)象,現(xiàn)有的工程知識組織方式再次失靈,工程系統(tǒng)的預(yù)設(shè)功能將難以充分發(fā)揮,可靠性難以與相應(yīng)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(xué)知識、技術(shù)工具和管理手段等集成出新的可靠性工程模式對復(fù)雜性加以約束。工程系統(tǒng)積聚并整合系統(tǒng)內(nèi)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(wěn)步提高。

在工程主體對工程的所有需求中,可靠性位居基礎(chǔ)層次,經(jīng)濟和審美等需求都必須以它為基礎(chǔ)。在可靠性演進階梯上,狹義可靠性層級同樣處于基礎(chǔ)地位,先分蘗出的層級是后分蘗者的基礎(chǔ)。維修性建立在可靠性基礎(chǔ)上,二者綜合可以有效降低工程系統(tǒng)長期運行費用。測試性從維修性發(fā)展而來,它通過衡量工程狀態(tài)、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(tǒng)匹配程度,它需要較高的管理能力處理工程系統(tǒng)外圍條件、環(huán)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(xiàn)的順序與傳統(tǒng)工程項目各環(huán)節(jié)展開的順序相一致。傳統(tǒng)工程采取“序貫式”順序(參見圖1方框?qū)嵕€箭頭所示順序),先研制能滿足工程功能要求的主要設(shè)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(tǒng)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(zhì)量特性,轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計和管理特性,可以人為地提前注入、建構(gòu)、評估、預(yù)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?yōu)椴⑿小?/p>

四、工程系統(tǒng)可靠性演進的特點以及對工程主客體的影響

工程系統(tǒng)可靠性的演進受所處社會環(huán)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(tǒng),增進實體系統(tǒng)整體行為的可靠性;其二,將概念系統(tǒng)形成的標準,向序貫的兩端推進,縱向貫穿工程系統(tǒng)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(tǒng)功能發(fā)揮的各種因素進行評估、篩選、監(jiān)控、反饋、強化、限制和防范,通過試驗和現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)的反饋,選擇并放大有利于實現(xiàn)工程目標的因素,抑制不利因素,不斷修正工程系統(tǒng)的行為,將其限定在可操控的范圍內(nèi),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(yōu)化操控工程客體的能力和效果。

工程系統(tǒng)可靠性演進過程具有完整性和一致性的特點?？煽啃缘难葸M旨在消除工程系統(tǒng)在協(xié)調(diào)性、兼容性、適應(yīng)性、穩(wěn)定性、持續(xù)性、重復(fù)性和可用性等方面的障礙[8],使工程系統(tǒng)內(nèi)外、人機之間協(xié)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(tǒng)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(huán)節(jié)的在場者或是不在場者,對完成工程功能的任務(wù)要求在可靠性上得到統(tǒng)一,工程主體之間的相互依賴關(guān)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(guī)定”基礎(chǔ)上達成一致。

工程系統(tǒng)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(lǐng)域生成,均因電子裝備復(fù)雜化導(dǎo)致失效率攀升、可用性大幅下降或費用驟增[9]。經(jīng)過失效現(xiàn)象→工程問題→可靠性理論→可靠性技術(shù)→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(tǒng)可靠性管理?？煽啃詷藴适歉拍钕到y(tǒng)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(fā)展[10]。作為工程領(lǐng)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(tǒng)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(shè)備研制中形成的可靠性評估、考量方法,可以應(yīng)用到機械、建筑等其他工程領(lǐng)域;在軍用裝備生產(chǎn)中形成的可靠性管理認證等手段,同樣可用于提高工業(yè)設(shè)備和民用產(chǎn)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(tǒng)化,不斷創(chuàng)生新的層級,增加工程系統(tǒng)新的客體。

工程系統(tǒng)可靠性演進方向具有規(guī)定性、權(quán)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(tǒng)復(fù)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(jié)果。在可靠性演進初期,由于工程知識未知領(lǐng)域很多,對工藝等控制程度有限,設(shè)計人員無法充分預(yù)見工程系統(tǒng)面臨的全部復(fù)雜性,工程系統(tǒng)建立在已證實了的人工自然基礎(chǔ)上,序貫后一環(huán)節(jié)必須符合前一環(huán)節(jié)的規(guī)定性,不容許偏離,否則偏差經(jīng)“序貫”放大易引發(fā)事故。工程系統(tǒng)的一致性和完整性須要由預(yù)設(shè)的規(guī)定性來保障。這種規(guī)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(yù)設(shè)的規(guī)定性以主體的適用性為終點。序貫松動,工程各個環(huán)節(jié)圍繞終點目標,采取倒逼方式,通過權(quán)衡選擇與主體利益更相符合的設(shè)計,容許雙方在一定程度上偏離,例如環(huán)境的變化和人的誤操作。規(guī)定性和權(quán)衡性結(jié)合,增加了工程系統(tǒng)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(chǔ)。工程客體在偏離主體所預(yù)期的規(guī)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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