電子表決系統可靠性試驗方法探究與應用

王毅，唐小平，彭程

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.中科院成都信息技術股份有公司，四川 成都 610041）

0 引言

1978年，自中國科學院成都計算機應用研究所研制出我國首套電子選舉系統開始，從黨的“十二大”成功應用后的40多年來，一直服務于黨的全國代表大會、全國“兩會”和各級黨代會、“兩會”。隨著時間的推移，由于技術、成本等多方面的因素助推，電子表決器已用于多種需要進行現場投票、實時計票打分等場景。由于電子表決系統在我國的使用場景日益豐富和復雜，承擔的責任越來越重大，尤其是在政府部門的投票表決中，需要保證“穩(wěn)妥可靠、萬無一失”，因此電子表決系統的可靠性工作尤為重要。

1 電子表決系統試驗項目概述

本次選取了某型長期服務于各級政府部門的表決器系統進行可靠性試驗，以考核產品在綜合環(huán)境應力條件下在設計、生產和使用方面是否存在薄弱環(huán)節(jié)，驗證產品是否滿足平均故障間隔時間（MTBF）最低可接受值的要求。本次用于試驗的樣品為現場集中式有線電子表決系統，主用系統采用全系統雙通道實時熱備的架構設計，由電子表決器（終端表決器）、表決控制器、網絡交換機和寫表決器軟件等組成。根據電子表決系統的使用特點，電子表決系統上設備運輸至電子表決系統總裝廠或總裝地點，完成電子表決系統的裝配；電子表決系統運輸至目的地后進入工作準備；電子表決系統安裝，各個系統開機自檢，正常后進入工作模式；電子表決系統完成按鍵信號接收、信號處理和信號反饋等任務；任務完成后電子表決系統進入待機或關機狀態(tài)。對于電子表決系統，一次完整的任務過程通常包括運輸、安裝和工作（包括準備、使用）等階段，表決器系統的典型任務剖面如圖1所示。

圖1 電子表決系統典型任務剖面

可靠性試驗剖面一般由振動應力、溫度應力、濕度應力和電應力等組成，結合應力類型對電子表決系統的典型任務過程進行分析。電子表決系統及表決器上的設備在開始工作前，會經受各種環(huán)境下的運輸工況才能到達會場，根據運輸過程經歷路況和運輸目的可將運輸工況區(qū)分為高速公路運輸、鐵路運輸和飛機運輸；運輸工況一般通過可靠性試驗剖面中的振動應力進行模擬。根據任務剖面可知，對于電子表決器和表決器相關設備，振動應力應在設備開始工作值班前完成。

電子表決系統進入會場并完成安裝后，電子表決系統及表決器上的設備即開始長期的值班任務，此時電子表決系統需在全天候下長時間地開機工作，以完成按鍵信號接收、信號處理和信號反饋等任務。電子表決系統在全天候下的長期值班任務可以通過可靠性試驗剖面中的溫度、電應力綜合模擬，即用不同溫度條件下的設備工作狀況來模擬全天候狀態(tài)下的設備的工作狀況。

2 電子表決系統試驗方法

2.1 定時截尾試驗

電子產品失效率符合指數分布，電子表決系統的關鍵功能由電子元器件實現，GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》中的統計試驗方案為指數分布模型，標準中規(guī)定有定時截尾試驗方案、定數截尾試驗方案、全數試驗方案和序貫截尾試驗等方案。本次可靠性鑒定試驗選取GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》中定時截尾試驗方案30-1，方案參數如表1所示，明確被試樣品電子表決系統每年工作n小時，3年任務可靠性指標工作時間為T0=n*3（h），根據試驗結果來判定試驗是否通過，并可通過試驗數據來評估產品的可靠性特征量。

表1 統計試驗方案參數

2.2 電應力

被試品工作狀態(tài)的電應力按照GJB 899A—2009中規(guī)定的幅度范圍循環(huán)變化。第一試驗循環(huán)的輸入電壓為標稱電壓，第二試驗循環(huán)的輸入電壓為下限電壓，第三試驗循環(huán)的輸入電壓為標稱電壓，第四試驗循環(huán)的輸入電壓為上限電壓。4個試驗循環(huán)的輸入電壓的變化構成一個完整的電應力循環(huán)，整個試驗期間重復這一電應力循環(huán)，直到試驗結束，如圖2所示。電應力變化范圍如表2所示。

圖2 電應力循環(huán)順序示意圖

表2 電應力變化范圍 單位：V

2.3 溫度應力

電子表決系統需在全天候下完成值班任務，其壽命周期環(huán)境內，共經歷冷天和熱天兩個環(huán)境，將其按冷熱天經受的應力強度按照比例分配到試驗剖面中，持續(xù)時間占1/2。

為了全面覆蓋產品值班狀態(tài)下的天候，充分地考核產品全天候下的工作性能，可靠性試驗剖面中溫度應力的制定，一般按照產品相關技術文件中規(guī)定的極限條件進行考核，且在合適的時機增加冷浸及熱浸以模擬產品經歷極寒、極熱環(huán)境貯存后再啟動的能力。即高溫部分按照表決器系統的高溫工作極限溫度T熱工進行考核，熱浸溫度為電子表決系統的高溫貯存溫度T熱貯；低溫部分按照電子表決系統的低溫工作極限溫度T冷工進行考核，冷浸溫度為表決器系統的低溫貯存溫度T冷貯；常溫部分按照20℃進行考核。

2.4 濕度應力

在每一循環(huán)的熱浸階段注入濕氣，并保持露點溫度≥31℃，直到熱浸結束。在試驗循環(huán)的其他階段不注入濕氣，不控制濕度，試驗箱的空氣不應烘干。

濕度應力按試驗剖面的要求并與其他應力同步施加。濕度穩(wěn)定后控制容差達±5%RH。

2.5 振動應力

在可靠性試驗開始前，應完成運輸過程中預期的振動試驗，包括公路運輸、鐵路運輸和飛機運輸，以模擬運輸工況。公路運輸、鐵路運輸和飛機運輸振動試驗條件按照GJB 150.16A—2009中規(guī)定的高速公路運輸譜進行。

2.6 統計試驗方案

根據選定的試驗方案，本次可靠性試驗的總有效試驗時間為（總有效時間是指所有的被試品乘以被試驗應力的累積時間，用被試品試驗累積的臺時數表示）:

每種狀態(tài)被試品數量為1套，因此本次可靠性試驗的試驗時間為:

可靠性試驗合格與否的判決在對被試品的故障進行分類后或在其他適當的時刻進行。每種狀態(tài)電子表決系統在實驗室試驗時間達到T時及試驗后的常溫測試中，如責任故障數r=0，則接收；如責任故障數r≥1，則拒收。

綜上所述，可靠性試驗剖面如圖3所示。

圖3 電子表決器產品可靠性試驗剖面

2.7 功能性能測試

在可靠性試驗期間，全程監(jiān)控被試品的工作狀態(tài)。電子表決系統在試驗中的測試連接如圖4所示。在試驗過程中，每個試驗循環(huán)設置兩個測試點，測試點分別設在試驗剖面T冷工、T熱工時，測試功能與性能如表3所示。

表3 功能檢查和性能測試表

圖4 被試品的檢測連接框圖

3 結束語

可靠性是質量在時間維度上的指標，在電子表決系統應用場景越來越廣泛、所扮演的角色越來越重要的今天，決定了對其可靠性的高要求。目前，電子表決系統類產品開展可靠性試驗的經驗較少，本次試驗是該類產品在可靠性試驗領域中進行的有益探索。筆者建議電子表決系統類產品加大可靠性試驗驗證工作的力度，逐步地將考核關口前移，在設計開發(fā)、生產制造環(huán)節(jié)引入可靠性工作，建立并健全可靠性評審制度。