船用电子设备的可靠性设计与分析

崔国友，韩小明，曾志红(.90厂，上海 00083；.上海埃威航空电子有限公司，上海 0033)

船用电子设备的可靠性设计与分析

崔国友1，韩小明2，曾志红2
(1.902厂，上海 200083；2.上海埃威航空电子有限公司，上海 200233)

文章提出了可靠性设计要求的内容和可靠性分析的一般方法，以研制的新型多模式航行信息接收设备为例，介绍可靠性设计的原则以及如何满足可靠性设计所要求的内容，最后采用了一种常用的可靠性分析的方法进行了验证，对类似的船用电子设备的可靠性设计和分析具有较大的借鉴意义。

船用电子设备；可靠性设计；可靠性分析

随着船舶电气自动化程度的日益提高，船用电子设备的使用环境对设备的可靠性要求越来越高，目前，对船用电子设备的可靠性研究大多集中于理论研究，而从工程设计的角度进行可靠性设计与分析的资料尚不多，本文从电子设备可靠性设计所依据的一般性原则出发，阐述设计时应注意的事项，以及如何达到设备可靠性设计的要求。

1 可靠性设计与分析的主要内容

可靠性要求的工作内容要求一般是在产品研制过程中要求采取的可靠性设计措施，来保证和提高产品的可靠性[1]。可靠性设计的方法一般包括：简单化的设计思想、余度设计、容错设计、降额设计、零部件的选择、采用成熟的技术、环境防护设计、热设计、电磁兼容性(EMC)设计、软件可靠性设计和设备的包装、运输环节等。经典的可靠性分析方法有：故障模式、影响及危害性分析(FMECA)，故障树分析、电路容差分析和潜在通路等分析方法，为弥补经典可靠性分析方法的不足，目前已有多种基于设备结构体系的可靠性评估方法，比如基于结构可靠性的模糊综合评估方法。

2 某型号多模式航行信息接收设备的可靠性设计

多模式航行信息接收设备能够同时接收处理航行告警信号、船舶识别和气象传真信号，并通过显示设备和热敏打印设备完成集中显示和图像打印功能的船载航行信息综合接收系统，是保障舰船航行安全的重要设备[2]。

多模式航行信息接收设备在设计时充分考虑了船用电子设备使用的特点和可靠性设计的要求，从设备的机械结构和电子线路2部分出发，依据可靠性的设计要求开展了相关的可靠性设计和分析工作。

设备的组成原理框图如图1所示。

图1 多模式航行信息接收系统原理框图

由图1可以看出，设备内部板卡众多，实现的功能相对复杂，在设计时必须考虑到多种因素，才能确保设备可靠、稳定的工作。在多模式航行信息接收设备设计时，着重考虑了以下几个方面。

2.1简单化的设计思想

通常情况下，设备的复杂程度越高，其可靠性越低，因此，减少设备的复杂度，可以提高其可靠性，可从以下2个方面着手。

1)在满足设备功能和性能的前提下，尽可能将设备的结构和外形设计成简单的形式。按照船用电子设备的安装标准设计成高450 mm、宽300 mm、深278 mm的壁挂式机箱，机箱除前面板外，其它几个面板全部使用铝合金加工而成，为维修方便，前面板设计成一个内铰链结构，四周再用螺丝固定，这样既保证了机箱有足够的强度，又具有简洁实用的特点，设备内部的结构设计成插卡形式，易于安装、维修。

2)减少零部件的数量和种类，尽可能使用较少的零部件来实现多种功能，以简化装配、调试、安装等环节，减少出现差错的概率。

设备内部板卡的形式一样，便于加工、装配，板卡上有“防呆”设计，以保证在安装、现场维修时不会因插错板卡而造成不必要的损失。

2.2余度设计

使用多种途径实现设备的重要功能，如下所述。

1)设备的承重或减震结构件，按照一个(组)部件损坏或性能下降时，仍能由另一个(组)部件来达到承重或减震的效果。设备设计了2个独立的安装架，每一个安装架上都装有2个避震器，以确保船体在剧烈晃动时，设备的牢固性。

2)设备的供电部件，设计成可以使用2种电源类型(AC220 V和DC24 V)供电，交、直流供电可以自动进行切换，并且每一种电源都设计了2个独立的电源模块，当一路电源出现故障时，另外一路可以继续供电，从而保证设备的供电功能不致丧失。

2.3容错设计

能够自动实时检测并诊断出设备所出现的故障，并能采取一定的策略，以达到对故障的容忍，设备仍然可以在一段时间内实现其固有的功能，例如，在外部电源电压超过一定的范围时，设备可以自动启动电源保护电路，并给出故障提示，待操作人员排除故障后，设备能自动恢复工作。

2.4降额设计

对使用的零部件采用降低其额定值来使用，目的是降低其故障率，提高设备的可靠性。

1)对使用的电子元器件、零部件、结构件，采用了降低其额定值的设计，来提高其工作时的可靠性能，特别是电子元器件的降额使用，半导体集成电路选用宽温度范围、高可靠性器件，其它分立元件性能指标采用降额80%来选用，尤其考虑设备在极端环境下的工作情况，比如在高温环境下，电容的容值会变小，电阻的功耗会增大，还有一些晶体会有频偏增大的现象，这些因素都会降低设备的可靠性，并且在设备出现问题时，很难进行故障定位。

2)机械、电气、机电等设备零部件遵循了减少其承受载荷的应力原则，从而增加其可靠性。

2.5零部件的选择

对使用的零部件、原材料进行控制和管理，注意选择合格的供应商，对采购、仓储、装配等环节进行控制，对影响设备重要功能和性能的元器件和原材料进行筛选，降低原材料的不良率，提高设备的可靠性。

2.6采用了成熟的技术

成熟的技术意味着设备在技术上的缺陷和风险经过了充分的市场检验，其技术上的可靠性、稳定性可从以下2方面得到保证。

1)在满足功能、性能要求的前提下，尽量采用经过工程实践考验、具有高可靠性的技术进行设计。

2)对要采用的新技术，必须经过前期的技术验证，证明其能满足设备的可靠性要求，而不仅仅是能满足设备的更多功能、更高性能的要求。

2.7环境防护设计

1)采用了防腐的金属材料，对设备的零部件进行防腐、防霉处理，提高其防腐蚀性能。

2)在电子线路板上作了三防处理，对电子元器件和电路板作防腐、防霉和防霉处理，降低船上高温、高湿和盐雾等恶劣环境对设备的影响。

2.8热设计

为设备内部发热的电子元器件增加散热片，或把其紧贴在板卡的金属外壳上，减小其热阻，把发热量大的电源模块放在机箱的一侧，并且和金属机箱形成良好接触，增大其散热面积，提高其工作可靠性。

2.9EMC设计

1)采用了金属材料的封闭机箱，切断了设备内、外的电磁辐射通道，提高了设备的抗干扰能力，同时减小了对其他电子设备的干扰。

2)在设备的电源端口上，选用了高品质的电源滤波器，大大减弱了电源线上的传导干扰。

3)设备内部每一块板上都设计了密封的金属壳体，除了必要的引线接触件外，所有器件都放置在金属壳体内，彻底杜绝板卡间的相互干扰。

4)机箱上设计了良好的接地装置，从而可以保证上述措施有良好的效果。

2.10软件的可靠性设计

1)采用了软件模块化的方法，对各功能模块采用低耦合、高内聚的设计原则，提高软件代码的健壮性。

2)采用软件故障恢复措施，因为软件的功能越强大，则软件的构架复杂度越高，越容易出故障，为此设计了软件监控线程，此监控线程功能非常简单，用来监控软件主线程的运行情况，记录出现的错误信息(这些信息供后期开发人员改进时参考)，必要时可以重新启动软件主线程，从而提高了软件运行的稳定性。

2.11设备的包装、运输环节

1)采用了防腐的金属材料，对设备的零部件进行防腐、防霉处理，提高其防腐蚀性能。

2)在电子线路板上作了三防处理，对电子元器件和电路板作防腐、防霉和防霉处理，降低船上高温、高湿和盐雾对设备的影响。

3 设备的可靠性分析

多模式航行信息接收设备的可靠性分析采用模糊综合评估方法，进行简单的可靠性分析。多模式航行信息接收设备的工作可靠性框图如图2所示。

图2 多模式航行信息接收设备的工作可靠性框图

模糊综合评判的模型为：

(b1,b2,…,bn)=

为简单起见，假定图2中的每一个环节均代表了一种失效模式，总共有11种失效模式，每种模式的权重比(由专家判定)如表1所示。

表1 各个因素的权重比

将这些因素的表现程度分为3个等级Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，各级的得分如表2所示。

表2 各因素的等级得分

失效模式对备择元集中第j个元素(j=1，2，3)的影响系数构成的向量分别假设(由专家判定)如下。

[r1]=(0.543，0.587，0.560，0.502，0.080，0.414，0.549，0.613，0.664，0.301，0.498)T,

[r2]=(0.123，0.304，0.318，0.509，0.103，0.401，0.489，0.334，0.315，0.501，0.498)T,

[r3]=(0.234，0.231，0.114，0.123，0.076，0.245，0.253，0.132，0.149，0.087，0.189)T。

代入上面的综合评判模型，结果如下：

B=(0.560 0 0.562 7 0.203 5)，

取k=1(k可以为1或2，通常取1)，则

由表2可以看出设备的达标情况非常好。

按研制要求，该设备在长沙国防科技大学做了可靠性试验，试验情况良好，同时，实际使用情况也表明设备也具备有非常高的可靠性工作状态。

4 结束语

从工程设计人员的角度来看，可靠性设计和分析不应仅仅停留在理论阶段，而应该贯彻到实际的设计工作中，只要充分认识到可靠性的重要性并遵循可靠性的设计原则，同时考虑到船用电子设备的使用特点，就可以设计出满足设计要求的产品。

[1] 曾声奎. 可靠性设计与分析[M]. 北京：国防工业出版社. 2011.

[2] 崔国友，韩小明. 基于嵌入式服务器的多模航行信息接收系统设计[J].中国修船，2014(5)：13-15.

In this paper,a general method is presented for reliability analysis to contents and requirements of reliability design.A new multi-mode navigational information receiving device is developed as an example,introducing the principle of reliability design and how to meet the requirements of design content.Finally,the commonly used method for analysis is adopted to verify the reliabitity,which can be great reference to the similar reliability design and analysis of marine electronic equipment.

marine electronic equipment;reliability design;reliability analysis

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.005

崔国友(1962-)，男，河南信阳人，高级工程师，硕士，主要从事航海水文气象工作。

2015-04-17