舰船电子设备可靠性增长方法研究*

（中国舰船研究院 北京 100192）

1 引言

20世纪以来，舰船等电子设备的高速发展使人们对其质量及可靠性指标的要求越来越高。通过对设备质量、可靠性等内容的研究，发现对设备的可靠性增长问题的研究显得尤为重要，尤其是在航空航天、船舶、军工产品等领域内，可靠性增长是设备研制过程中重要的一环。

可靠性增长工作贯穿于产品整个寿命周期［1］。电子设备从研发到生产的各个阶段都伴随着产品的可靠性增长，但相应地在各个阶段其可靠性增长的目的及经济性各不相同；一般来说，对于舰船等重要的电子设备，应当在其设备研制的早期阶段，制定详细的可靠性增长计划，并依此开展可靠性工作。

美国最早始了对产品可靠性增长问题的研究［2］。1956 年，学者 Weiss H.K.［3］创造性地首先提出了可靠性增长模型，1962年，美国学者Duane提出了Duane模型［4］，该模型的出现使得全世界的可靠性增长技术往前进了一大步。1972年，美国学者 L.H.Crow［5～7］参考了Duane模型的构成，并对其适用性进行了完善，创新性地发布了AMSAA增长模型。直到20世纪80年代左右，我国才在研究国外理论的基础上，首先在航天航空等对电子设备有超高要求的领域，展开可靠性增长工作的研究。其中，周源泉、翁朝曦两位教授［8］率先开始对可靠性增长方法进行研究。近年来，我国的可靠性增长工作主要在航天、航空、发动机等领域开展［9～11］，取得了不错的成绩。

鉴于我国的舰船电子设备的可靠性增长研究工作起步较晚，且相关资料较少，同时舰船电子设备的研制周期较短，样机往往是大型整机设备，样本数较少，且试验时间长，传统的航空、航天的可靠性增长方法在船舶电子设备领域不太适用，如何合理利用船舶电子设备的试验时间长，试验数据多，且繁杂的特点，来提高设备的可靠性是目前研究的重要课题。

本文通过对舰船通用电子设备的可靠性增长管理工作，可靠性增长模型阐述，可靠性增长规划、计划的制定工作［12］，电子设备的加速可靠性增长试验工作，可靠性增长的跟踪、控制等内容的研究，有望对舰船领域的电子设备提出一种可靠性增长的工程实现方法，进而能应用到工程实际产品中，使设备的故障减少，可靠性提高，带来直观的经济性和效益性。

2 可靠性增长管理

可靠性增长管理，是有计划性地安排分配研制时间和资源，以达到预定的可靠性目标，并通过资源的整合和重新分配，在预计值与计划值比较的基础上控制产品的增长速度，从而提高设备的固有可靠性，缩短设备的研制周期。

2.1 可靠性增长基本过程

可靠性增长的基本过程包含了“设计、纠正、检测”等过程，增长全阶段是一个反复迭代的过程。在电子产品通过早期技术设计之后，通过仿真、分析、试验验证等方式对其故障源进行检测，并将其找出，进而纠正这些故障源，同时在后期的设计更改过程中应将重点放在该些故障源之上。可靠性增长的基本过程，见图1，主要包括如下三个要素：1）故障源的检测；2）故障源的反馈；3）故障源的再设计、纠正。

图1 可靠性增长的基本过程图

2.2 可靠性增长管理基本内容

可靠性增长管理的基本内容主要由三部分构成［12］：1）增长的规划和计划。2）加速增长试验。3）增长的过程跟踪与控制。

1）可靠性增长规划和计划

可靠性增长规划和计划工作，是可靠性增长管理工作的基础，是整项工作的脉络；该项工作通常会伴随着可靠性增长模型的选用。

2）实施加速可靠性增长试验，进行可靠性增长评估

为加快对电子设备的可靠性增长进行评估，使电子设备处在极限的环境应力下，充分暴露设备的故障等信息，将其找出，并采取有效措施进行设计改进。

3）对增长过程进行跟踪和控制

根据试验的结果，将设备产生试验数据在双对数坐标轴上标绘，可绘制成可靠性增长跟踪曲线。通过与制定好的计划图进行比对，有计划地对增长工作进行调整，确保研制的设备能在规定的时间内达到规定的可靠性增长目标。

3 可靠性增长模型

可靠性增长模型作为可靠性增长工作的关键性因素，按照使用方式，工程中主要由Duane（杜安）模型、AMSAA（Crow）模型、Gompertz模型等构成。

1）Duane模型

Duane模型是工程中制定增长计划所用的最普遍的模型，对于舰船等电子设备的可靠性增长工作具有很好的适用性。模型的表达形式如下：

上式中：t代表电子设备试验累积的时间；λ∑（t）代表电子设备的累积失效率；我们一般在模型中将a之称为尺度参数；将m称为增长率。

则电子设备的累积MTBF水平，可表示为

在工程实际应用中，我们往往会关注设备的瞬时失效率λ（t）和瞬时MTBF，通过对上式的变换，可表示为

2）AMSAA模型

AMSAA模型对Duane模型进行了补充和完善，计算过程中将随机过程的情况考虑在内，更加贴近了工程实际。

模型的表达形式如下：

上式中：t代表电子设备试验累积的时间；在模型中将a称为尺度参数，且一般a＞0；在模型中将b称为形状参数，且一般b＞0。

则产品在时刻t能达到的瞬时MTBF为

3）Gompertz模型

1968年，著名学者E.P.Virene在分析大量失效数据的基础上，发现其服从某种特定的规律，提出了Gompertz模型。Gompertz模型的表示形式如下：

在模型中参数a，在工程中一般表示设备的可靠性增长提升的上限率，一般0＜a≤1；参数b，在工程中一般表示设备的初始可靠性与最大能提升上限可靠性之比，且0＜b＜1；参数c在工程中表示设备的可靠性增长的速率，且0＜c＜1。

4 可靠性增长规划和计划的制定

可靠性增长规划和计划是可靠性增长工作整个阶段的脉络。在规划和计划工作过程中，需要结合设备所有阶段的信息，并将这些信息进行整合分析，从而以措施类的形式在各阶段体现。增长规划和计划制定的主要工作包括：增长目标等参数的确定和增长曲线的绘制。

4.1 可靠性增长参数的确定

可靠性增长参数一般包括：1）增长目标；2）增长初始水平；3）初步增长目标；4）增长累积总试验时间；5）增长的第一试验阶段的试验时间；6）增长率。

具体各参数的确定方法如下。

1）增长目标

一般来说，工程中电子设备的可靠性增长目标往往取自于其合同或任务书。而当该设备的合同或任务书中没有明确可靠性增长目标时，就需查阅相关资料分析估算出，国内外同类设备的可靠性水平或相应的可靠性增长水平等。综合同类产品的相应可靠性数据，并邀请行业内的专家，对研制的电子设备的可靠性增长目标进行确定。

2）初始可靠性水平

工程实际操作过程中，该值的确定，通常采取下面的三种方案。

（1）基于可靠性仿真试验的计算结果进行估计；

（2）查阅相关资料，依据同类电子设备的历史经验数据，对其进行估计；

（3）大量工程实际中，设备的初始可靠性水平，与该设备生产交付的最终可靠性之比约为0.15～0.45，可依据此进行大致预估。

3）初步增长目标

初步增长目标是为了缩短试验时间，对设备的试验条件施加加速应力，加快设备故障的产生，提早进行设计改进，使产品可靠性加速达到增长的目标。该值的确定要结合设备的试验情况、研制周期等因素综合确定。

4）增长累积总试验时间

工程实际操作过程中，总试验时间的选取，通常是增长目标值的5倍～25倍，对于高可靠性的产品，通常采用加速试验的形式，使总试验时间降低。

5）增长第一试验段的试验时间

工程实际中对该值的确定，一般用观测到一次失效的概率P来确定tI。假定失效发生服从其次泊松分布，则tI可由下式来求得：tI=［（（1-Kλd）θGP）/Kλ］ln（1-p）-1。

6）增长率

可靠性增长率在工程中和设备的研制周期、研制资源等有关。实际应用过程中，对于舰船等重要的新研电子设备，增长率根据工作经验往往会在0.3～0.6之间取值。若实际值小于0.3，说明可靠性增长工作不够彻底；当该值大于0.6时，说明该设备的可靠性增长工作取得了极有力的效果。

4.2 计划增长曲线的绘制

工程应用中，由于Duane模型便于计算与绘制曲线，可靠性增长计划曲线一般都基于该模型的原理来进行绘制。

如图2，可靠性增长计划曲线的绘制，由两段线构成，第一段水平线代表，在试验时间tI之前，设备的可靠性未发生变化，是设备的可靠性增长初始水平。第二段斜线表示的是在时间tI之后，设备进行有效的稳定增长；这阶段是通过对设备故障源的发现，并进行改进，是的其固有可靠性得以增长。

图2 计划增长曲线图

当已知第一试验段的MTBFθI，试验时间tI后，将（tI，θI）作为计划增长曲线的起点，有如下计算关系：

其中，m，a分别为Duane模型中的增长率和尺度参数。

故基于Duane模型的计划增长曲线的的数学公式为

式（8）表示设备在时刻t下的累积MTBF；式（9）表示在设备时刻t下的瞬时MTBF。

以Duane模型为基底，工程应用中，计划增长曲线的绘制一般如下：

1）在变化过的坐标纸上（双对数），规定横坐标为试验累积时间，纵坐标为设备的可靠性值，在纵坐标上标出规定的增长目标值和初步增长目标值，用虚线将上述两个重要的值画成一段水平线；

2）绘制出计划增长曲线的起始点（tI，θI）；

3）以起始点（tI，θI）为出发点，斜率为增长率m，作一条线段，该线段即代表设备的累积MTBF曲线；若需绘制瞬时MTBF曲线，就以该线段为基准，向上平移-ln（1-m），即可绘制。

5 加速可靠性增长试验

为了快速找出设备的故障源，通过对设备施加加速应力条件，开展加速可靠性增长试验，试验的流程如图3所示，主要包括：试验开展前的准备工作、试验增长计划的制定、试验初始环境条件的确立（包括加速因子、剖面的确定）、试验的实施以及试验过程中故障处理及分析等。

图3 可靠性加速增长试验的基本流程

具体可进一步分为故障模式及影响分析（FMEA）、敏感应力分析、试验剖面设计、加速试验条件及时间确定、加速因子的确定、试验结果评估等方面（具体详见文献［13］）。

6 可靠性增长过程跟踪和控制

6.1 可靠性增长过程跟踪

1）试验阶段内的跟踪

在阶段内实施可靠性加速试验过程中，得到失效数据后，可以利用如下的方法进行转化成正常应力下的时间。

设某电子设备在可靠性增长阶段累积开展了T时间的试验，其中发生故障时间为时刻t，为缩短试验时间，在时刻t1～t2之间对设备开展了加速试验，其他试验时间下设备处于常规的正常应力条件，则这些故障折合时间均可折算成基准环境下的故障时间tZ，具体折合计算过程如表1。

表1 试验数据折算过程

其中k代表加速时间的加速因子。

将得到的故障时间可以在双对数坐标纸上进行绘制跟踪，具体步骤如下。

（1）在试验发生故障过程后，在事先准备好的故障记录表中详细的记录故障的发生时间，发生次数等信息，待试验结束后，汇总故障累计发生次数N（t）和计算外推后的累计故障时间t；

（2）计算t时刻的累积MTBF=t/N（t）（注意当此时t过大不能再坐标系中绘制时，可按照一定的比例进行折合绘制）；

（3）将计算出来的值（t，t/N（t））依次在坐标纸上绘制点；

（4）将计算出来的值通过电脑工具进行拟合，按照软件拟合出了信息，在坐标纸上绘制出一条直线，即为可靠性增长跟踪曲线；

（5）依据软件工具，我们还可以对后续的时刻点的MTBF值进行预测。

2）试验结束后的统计分析

全部的试验数据在试验结束和进行整理和分析，在分析中考虑随机过程，本文建议可利用AMSAA增长模型对增长试验的试验数据进行统计分析，并利用试验数据对产品的增长进行检验。

6.2 可靠性增长过程控制

1）提高纠正比

设备的纠正比，体现了在可靠性增长工作中设备的可纠正性。当设备的可靠性不能按规定的增长率进行提高时，这时就需要我们采取一定的措施来提高设备的纠正比，从而促进设备的可靠性增长。

2）提高纠正有效性系数

设备的纠正有效性系数是指，通过纠正措施使得设备的故障得以纠正的效果。在可靠性增长阶段，我们在提高纠正比的同时，需一并提高纠正有效性系数，这样会使得设备的可靠性增长幅度变大，增加设备的可靠性增长潜力。

3）加快FRACAS的运转速度

在可靠性增长工作中，故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS）的地位举足轻重。只有加快FRACAS的运转速度，才能使得设备的可靠性得以加速增长，缩短试验试验，快速达到增长目标值。

4）调整计划增长曲线

在产品的可靠性增长管理中，必须釆取一切措施，努力实现计划曲线中所规定的既定目标。但当计划增长曲线在实施中遇到了严重问题时，也可以反过来考虑计划曲线的正确性及可行性，对计划增长曲线进行合理的调整。

7 结语

本文通过对舰船电子设备的可靠性增长管理、可靠性增长模型、加速可靠性增长试验、可靠性增长评估等内容进行了研究，通过结合已有标准中的可靠性增长管理方法，提出了加速试验的观点，包括加速试验的条件制定，增长因子的确定等，通过将加速试验下的失效数据转换成正常条件下的增长失效数据，依据杜安模型，绘制增长计划曲线，同时结合已知数据，通过加速可靠性增长模型，对产品进行可靠性评估，进而对产品在增长过程进行合理的跟踪和控制。有望将该方法应用到工程实际产品中，使设备的故障减少，可靠性提高，带来直观的经济效益和社会价值。