內(nèi)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(nèi)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(guī)內(nèi)場試驗采用的一些可靠性評價標準，概括總結(jié)了內(nèi)場與外場可靠性分析與評價中運用的數(shù)據(jù)處理方法，提出了利用內(nèi)場數(shù)據(jù)，收集和分析外場數(shù)據(jù)的信息融合技術(shù)，即內(nèi)外場可靠性綜合分析法，闡述了該技術(shù)方法的相關(guān)研究內(nèi)容，最后通過實際應(yīng)用指出了計算的有關(guān)方法和步驟。

內(nèi)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(nèi)場和外場試驗兩部分，但具體運用中，內(nèi)場試驗和外場試驗相互分離，內(nèi)場試驗數(shù)據(jù)很少利用，外場試驗數(shù)據(jù)大量丟失，數(shù)據(jù)和信息不能共享，同時目前常規(guī)的方法靠一次性試驗驗證，受統(tǒng)計樣本量影響大，內(nèi)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(fā)現(xiàn)，更改時又受技術(shù)狀態(tài)控制規(guī)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(tǒng)復(fù)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(jīng)費耗費多，開展內(nèi)外場綜合驗證方法研究，不僅可縮短評價產(chǎn)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(nèi)評價可靠性和壽命，但如何充分利用數(shù)據(jù)，完善收集外場數(shù)據(jù)并建立一套相互利用，相互補充的高效的內(nèi)外場綜合可靠性驗證方法是目前國內(nèi)研究比較熱的一個問題。

1.規(guī)內(nèi)場試驗方法

常規(guī)內(nèi)場試驗方法已經(jīng)標準化，美軍標主要有MILHDBK-781A(1996)工程研制、鑒定與生產(chǎn)可靠性試驗方法、方案和環(huán)境，MIL-STD-2164A電子設(shè)備的環(huán)境應(yīng)力篩選程序。我國已發(fā)布的有關(guān)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(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南，GJB/Z 77可靠性增長管理手冊。按試驗任務(wù)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(shù)，見表1。

可靠性試驗方案從研發(fā)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(fēng)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(wù)和試驗方法

貫試驗方案，所以，條件允許時應(yīng)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(yōu)選驗收試驗方案。詹姆士等人設(shè)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(fēng)險率選用[2]。

2.場可靠性分析與評價方法

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

許多產(chǎn)品，諸如導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航空電子等軍用產(chǎn)品，系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴，可靠性要求高，生產(chǎn)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(guān)信息，定性、定量結(jié)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(guān)信息，據(jù)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(tǒng)或相似產(chǎn)品零部件、設(shè)備的試驗數(shù)據(jù)。這里相似主要指結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件、功能、任務(wù)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(chǎn)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(jù)工程需要，規(guī)定只要試驗到規(guī)定任務(wù)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(shù)據(jù)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(wù)和系統(tǒng)級可靠性試驗在納入裝備內(nèi)外場試驗和評價的總體方案（TEMP）后，主要關(guān)注的是設(shè)備級以上的可靠性數(shù)據(jù)處理方法。因為設(shè)備級、系統(tǒng)級大都是可修復(fù)的，所以這里主要介紹可修系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)處理方法[4]。

可修系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)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(tài)，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(tài)，簡稱“悲型”，用?或R?表示；

3）故障間隔時間呈不增不減的常數(shù)故障狀態(tài)，或R-表示。在進行數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)先辨明是何種狀態(tài)，再用適合該狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具去處理，否則將會出錯。

為防止錯用數(shù)據(jù)處理方法，可以將故障修復(fù)過程(F-R)分為兩大類：一類是完全修復(fù)，即壽命獨立系統(tǒng)(A-I)；另一類是不完全修復(fù)，即壽命持續(xù)系統(tǒng)(A-P)。對(A-I)系統(tǒng)用時齊泊松過程(HPP)數(shù)學(xué)模型，對(A-P)系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理流程圖

4.外場可靠性綜合評價方法

內(nèi)外場可靠性綜合評估法就是根據(jù)產(chǎn)品的可靠性結(jié)構(gòu)即系統(tǒng)與單元間的可靠性關(guān)系、產(chǎn)品的壽命分布模型以及現(xiàn)有的與產(chǎn)品可靠性有關(guān)的所有信息包括試驗數(shù)據(jù)和驗前信息, 利用概率統(tǒng)計方法針對產(chǎn)品可靠性的特征量進行統(tǒng)計推斷和決策, 包括點估計、區(qū)間估計等[6]。它可以在產(chǎn)品研制的任一階段進行, 既可以是設(shè)計階段的可靠性預(yù)計, 也可以是定型階段的可靠性評估。

目前常用的內(nèi)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(jīng)驗信息和試驗數(shù)據(jù)進行可靠性評定的工具, 在航空領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用?？煽啃栽u估方法通常將專家經(jīng)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(tǒng)計推斷[7]。

航空電子產(chǎn)品的飛行試驗數(shù)據(jù)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(gòu)造先驗分布的困難, 有效綜合了模糊先驗信息和試驗數(shù)據(jù)，得出了可信的評估結(jié)果。

新的貝葉斯方法認為可靠性參數(shù)（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(jīng)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(jié)合，形成一個參數(shù)的新分布，稱為后驗分布，后驗分布的均值可作為參數(shù)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(shù)估計值，這是貝葉斯的優(yōu)點。正是貝葉斯方法的這個優(yōu)點，吸引了一些可靠性專家，研發(fā)出一些實用貝葉斯方法評估現(xiàn)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(yù)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(jié)果，以獲得當前的估計值。其計算過程有如下假設(shè)[9]：

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

2）設(shè)f (θ)為一反T分布；

3）設(shè)θ的先驗分布有參數(shù)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(shù)。通常以上次試驗為根據(jù))。該分布的均值為T / (r -1)；

4）設(shè)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(shù)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(yīng)用

設(shè)具有參數(shù)MTBF (θ)的某硬件，先驗分布為反Γ分布，參數(shù)為T為500，r值為2。繼續(xù)追加試驗t到1330h，出現(xiàn)失效數(shù)k=2，后驗分布仍為反Γ分布，參數(shù)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(fù)雜系統(tǒng)本身, 往往由于價格昂貴、可靠性高,如導(dǎo)彈、衛(wèi)星和載人飛船等, 因此系統(tǒng)級的試驗數(shù)據(jù)很少甚至沒有。要對系統(tǒng)進行可靠性評估就必須充分利用內(nèi)外場試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，通過內(nèi)外場綜合可靠性評估方法來獲得可靠性數(shù)據(jù)。

貝也斯方法就是充分利用內(nèi)場數(shù)據(jù)，完善收集和分析外場數(shù)據(jù)，利用內(nèi)外場數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，獲得準確的可靠性數(shù)據(jù)，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(chǎn)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(nèi)評價可靠性和壽命，提高武器裝備質(zhì)量，為我國的國防事業(yè)作出貢獻。

[1] 蘇德清等. 可靠性技術(shù)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(tǒng)計[M]. 華東師范大學(xué)出版社, 1984:87-93.[6] 章國棟等. 系統(tǒng)可靠性與維修性的分析與設(shè)計[M]. 北航出版社.1998:107-134.

[7] 李榮. 復(fù)雜系統(tǒng)Bayes可靠性評估方法研究[D]. 工學(xué)博士學(xué)位論文, 國防科技大學(xué), 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(shù)指數(shù)分布先驗信息的折合[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),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(huán)境與可靠性試驗中心，工程師，從事裝備環(huán)境與可靠性試驗與研究工作。