一種安全防范產(chǎn)品的可靠性評(píng)估測(cè)試方法

劉耀松

（公安部第三研究所，上海）

引言

近年來(lái)，隨著平安中國(guó)建設(shè)不斷走向深入，“智慧城市”、“雪亮工程”等工程項(xiàng)目在全國(guó)各地紛紛啟動(dòng)，安全防范行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模與技術(shù)水平都在快速提升[1]。為保障安全防范行業(yè)技術(shù)水平，促進(jìn)安全防范行業(yè)良性發(fā)展，一大批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范先后制定與修訂，對(duì)安全防范產(chǎn)品的性能指標(biāo)提出了更高、更明確的要求，細(xì)化了評(píng)價(jià)方法與實(shí)施細(xì)則[2]。相應(yīng)地，安全防范產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)業(yè)務(wù)量也隨之逐年增長(zhǎng)，每單業(yè)務(wù)包含的檢測(cè)項(xiàng)目也更多、更細(xì)致，這對(duì)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)芰π纬闪颂魬?zhàn)，也創(chuàng)造了新的發(fā)展機(jī)遇。

在安全防范產(chǎn)品的評(píng)估測(cè)試項(xiàng)目中，可靠性的評(píng)估與測(cè)試往往是各項(xiàng)目中耗時(shí)最長(zhǎng)，測(cè)試樣品數(shù)量最多和試驗(yàn)?zāi)芰σ笞罡叩?，是安全防范產(chǎn)品評(píng)估測(cè)試的瓶頸項(xiàng)目。目前，安全防范產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的主要可靠性指標(biāo)為平均無(wú)間隔故障時(shí)間（MTBF），旨在考核安全防范產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境下保持長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，其數(shù)值大小是產(chǎn)品質(zhì)量水平的綜合體現(xiàn)[3]。其測(cè)試方法主要依據(jù)為《GB/T 5080.7-1986 設(shè)備可靠性試驗(yàn) 恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無(wú)故障時(shí)間的驗(yàn)證試驗(yàn)方案》、《GJB 899A-2009 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》、《GB/T 11463-1989 電子測(cè)量?jī)x器可靠性試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中主要的試驗(yàn)方案有序貫試驗(yàn)方案、定時(shí)/定數(shù)試驗(yàn)方案等。

面對(duì)安全防范產(chǎn)品的可靠性要求不斷提高的趨勢(shì)，目前普遍方法是采用標(biāo)準(zhǔn)中期望實(shí)驗(yàn)時(shí)間更短的實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)投入更多的測(cè)試樣品分?jǐn)倢?shí)驗(yàn)時(shí)間。然而，即使是采用標(biāo)準(zhǔn)中耗時(shí)最短的高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)方案，仍然需要大量的測(cè)試樣品來(lái)保證實(shí)驗(yàn)周期在可接受的范圍內(nèi)，這又產(chǎn)生了測(cè)試成本高和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ拿?。有些種類的安全防范產(chǎn)品單價(jià)較高，安裝調(diào)試步驟復(fù)雜繁瑣，為滿足實(shí)驗(yàn)要求的樣品數(shù)量需要投入很大成本。此外，這些產(chǎn)品往往體積較大，運(yùn)輸費(fèi)用高昂且存在風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)試過(guò)程中也占據(jù)了許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，進(jìn)一步提高了測(cè)試費(fèi)用。從實(shí)驗(yàn)室角度，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)芰茈y滿足多臺(tái)大中型測(cè)試樣品同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的可靠性評(píng)估測(cè)試實(shí)驗(yàn)，往往需要排期，導(dǎo)致實(shí)際實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在前期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)梳理總結(jié)相關(guān)安全防范產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和歷史故障數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開(kāi)展失效機(jī)理分析，確定被測(cè)試安全防范產(chǎn)品的主要失效機(jī)理和失效部位和對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷，針對(duì)關(guān)鍵失效部位制定可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案。該實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試樣品為安全防范產(chǎn)品中具有獨(dú)立功能的關(guān)鍵部件，測(cè)試載荷為主要失效機(jī)理對(duì)應(yīng)的載荷，達(dá)到了在相同試驗(yàn)?zāi)芰ο略黾油瑫r(shí)測(cè)試樣品數(shù)，減小試驗(yàn)周期的目的。最后，以某型執(zhí)法記錄儀管理平臺(tái)的平均無(wú)間隔故障時(shí)間（MTBF）可靠性實(shí)驗(yàn)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 可靠性評(píng)估方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方案選取

安全防范產(chǎn)品可靠性評(píng)估測(cè)試的實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證平均無(wú)間隔故障時(shí)間（MTBF），全稱“Mean Time Between Failure”。它是衡量產(chǎn)品可靠性的指標(biāo)，單位為時(shí)間，反映了產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)的工作質(zhì)量[4]。在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，需要考慮以下參數(shù)：

m：MTBF 的真值。然而，在可靠性實(shí)驗(yàn)中，該指標(biāo)的真值是無(wú)法得到，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能給出它的置信范圍。

m0：規(guī)定可接受的MTBF。當(dāng)產(chǎn)品MTBF 真值為m0時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定風(fēng)險(xiǎn)會(huì)判定為不合格，該風(fēng)險(xiǎn)稱為生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)，記為α。

m1：MTBF 的下限值。當(dāng)產(chǎn)品MTBF 真值為m1時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定風(fēng)險(xiǎn)會(huì)判定為合格，該風(fēng)險(xiǎn)稱為使用方風(fēng)險(xiǎn)，記為β。m0與m1的比值稱為鑒別比，記作Dm。

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，給出了具有不同生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)α，使用方風(fēng)險(xiǎn)β 和鑒別比Dm的多種實(shí)驗(yàn)方案，可分為序貫實(shí)驗(yàn)方案和定時(shí)定時(shí)（定數(shù)）截尾實(shí)驗(yàn)方案兩種。在這些實(shí)驗(yàn)方案中，生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)一般在10%～35%之間，使用方風(fēng)險(xiǎn)一般在10%～40%之間，鑒別比為1.25～5之間。

對(duì)安全防范產(chǎn)品，由于其技術(shù)相對(duì)成熟，新型號(hào)多為之前產(chǎn)品的迭代改進(jìn)，宜選用高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)縮短總實(shí)驗(yàn)時(shí)間。常用的兩種方案實(shí)驗(yàn)判定如表1 所示[5]。兩方案的生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)均為30%，鑒別比分別為1.25 和3。

表1 安全防范產(chǎn)品常用可靠性實(shí)驗(yàn)方案對(duì)比

1.2 失效機(jī)理分析

失效分析是指根據(jù)產(chǎn)品發(fā)生失效的現(xiàn)象，通過(guò)理論分析和驗(yàn)證，確定主要失效機(jī)理、失效部位和對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷。常見(jiàn)的失效機(jī)理有高溫老化、低溫脆斷、元器件虛焊空焊等，常見(jiàn)的環(huán)境載荷有溫度、濕度、振動(dòng)、氣壓等[6]。

對(duì)安全防范產(chǎn)品，首先可以根據(jù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的型式檢驗(yàn)項(xiàng)目，確定其主要功能和敏感的環(huán)境載荷；進(jìn)一步，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了在環(huán)境實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中對(duì)產(chǎn)品特定功能的驗(yàn)證，可將這些功能項(xiàng)目視為潛在的主要失效模式；在“檢驗(yàn)規(guī)則”章節(jié)，還會(huì)將不同的功能項(xiàng)目檢測(cè)分組，項(xiàng)目檢測(cè)的頻繁程度也可以說(shuō)明其重要性和失效的可能性。

安全防范產(chǎn)品的歷史故障數(shù)據(jù)可以對(duì)定位具體失效零部件具有一定價(jià)值。根據(jù)不同種類安全防范產(chǎn)品的歷史故障數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期正常使用后發(fā)生的失效往往集中在電氣部分，結(jié)構(gòu)部分失效多為偶發(fā)的高載荷及初始缺陷。在電氣部分，以電池老化、線纜老化，屏幕顯示異常最為突出，失效多發(fā)生在溫度變化較大的地區(qū)或使用場(chǎng)景，可歸納出對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷為溫度。

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)安全防范產(chǎn)品的失效機(jī)理具有一定共性，故可有針對(duì)性設(shè)計(jì)開(kāi)展可靠性評(píng)估測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可將環(huán)境載荷設(shè)為溫度，實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)為樣品的電氣部分，在保證電器結(jié)構(gòu)一致性的情況下，其結(jié)果也應(yīng)具有較高的一致性。此外，在實(shí)驗(yàn)條件有限的情況下，可將電氣部分進(jìn)行拆分，分別進(jìn)行可靠性評(píng)估測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果按照電器結(jié)構(gòu)進(jìn)行串并聯(lián)計(jì)算得到最終結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)方法減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地空間的要求，也可以更方便的進(jìn)行測(cè)試的布線連接，在最大保證結(jié)果一致性的情況下提高了測(cè)試效率。

2 案例分析

2.1 測(cè)試產(chǎn)品介紹

測(cè)試產(chǎn)品為執(zhí)法記錄儀管理平臺(tái)，是一種用于公安部門(mén)的安全防范產(chǎn)品，如圖1 所示。其主要功能為所在部門(mén)的多臺(tái)執(zhí)法記錄儀提供存儲(chǔ)執(zhí)法數(shù)據(jù)、生成使用記錄、上傳云平臺(tái)、充電等服務(wù)，是一種集成化智能安防設(shè)備。

圖1 執(zhí)法記錄儀管理平臺(tái)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其型式檢驗(yàn)主要內(nèi)容如表2[7]。

表2 執(zhí)法記錄儀管理平臺(tái)型式檢驗(yàn)項(xiàng)目

從氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)可以看出，管理平臺(tái)的主要環(huán)境載荷為溫度，其次為濕度；從穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)可以看出，在長(zhǎng)期使用狀態(tài)下，管理平臺(tái)的潛在失效模式為數(shù)據(jù)采集異常；從可靠性實(shí)驗(yàn)可以看出，管理平臺(tái)的可靠性要求較高。

測(cè)試的管理平臺(tái)體積較大，且成本較高，難以大批量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故考慮拆分出其包括電源模塊、顯示及操作模塊、接口模塊在內(nèi)的電氣部分進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，同步開(kāi)展整機(jī)的可靠性實(shí)驗(yàn)，最終對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證管理平臺(tái)的m0值是否大于10 000 h。實(shí)驗(yàn)方案選用《GJB 899A-2009》中的定時(shí)(定數(shù))方案21，分兩組進(jìn)行，一組樣品為三臺(tái)完整的管理平臺(tái)，二組為八臺(tái)完整的管理平臺(tái)的電氣部分，包括電源模塊、顯示及操作模塊、接口模塊。二組樣品實(shí)驗(yàn)專用測(cè)試主機(jī)如圖2 所示。主機(jī)由管理平臺(tái)的電源模塊供電，連接接口通信測(cè)試設(shè)備測(cè)試管理平臺(tái)的接口模塊，連接點(diǎn)按器測(cè)試管理平臺(tái)的顯示及操作模塊。

圖2 實(shí)驗(yàn)專用測(cè)試主機(jī)示意

實(shí)驗(yàn)環(huán)境載荷為溫度，每6 h 為一個(gè)循環(huán)，如圖3所示。每個(gè)循環(huán)包含55 ℃高溫工和-10 ℃低溫工作各2 h，每?jī)蓚€(gè)循環(huán)檢查一次管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集功能。

圖3 實(shí)驗(yàn)溫度載荷循環(huán)

可計(jì)算出第一組的判定時(shí)間為50.92 d，經(jīng)歷204個(gè)循環(huán)；第二組判定時(shí)間為19.09 d，經(jīng)歷76 個(gè)循環(huán)。根據(jù)判定規(guī)則，當(dāng)判定時(shí)間前出現(xiàn)相關(guān)失效時(shí)，拒收；到達(dá)判定時(shí)間時(shí)未出現(xiàn)相關(guān)失效，接收。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩組測(cè)試樣品均順利通過(guò)接收，且在各檢查點(diǎn)其數(shù)據(jù)傳輸速率基本一致，可見(jiàn)通過(guò)失效分析拆出的樣品電氣部分具有較好的代表性，且縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

結(jié)束語(yǔ)

為解決安全防范產(chǎn)品可靠性評(píng)估測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ邢薜膯?wèn)題，本文通過(guò)梳理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、歷史故障數(shù)據(jù)分析、失效分析等方法，針對(duì)安全防范產(chǎn)品中具有獨(dú)立功能的關(guān)鍵部件和主要失效機(jī)理對(duì)應(yīng)的載荷制定可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到了增加同時(shí)測(cè)試樣品數(shù)、減小試驗(yàn)周期的目的，并通過(guò)案例驗(yàn)證了該方法的可行性和應(yīng)用價(jià)值。