可靠性工程中自然環境條件量化分析數據庫構想

胡冬，呂衛民，謝勁松

（北京航空航天大學，北京 100191）

基于失效物理的可靠性分析，要求在給定的工作負載與工作環境下對產品進行建模仿真，從而進行壽命評價，這就需要引入產品實際所經受的自然環境條件。由于產品所經歷的環境應力描述形式、所受載荷的計算方法以及要求的載荷輸出形式往往各具特點[1－2]，使得原來針對不同的研究對象都需要一套在可靠性工程應用中的環境特征量數據分析工具。此外，在項目研發過程中由于部分產品設計方與使用方沒有原始自然環境數據的積累，或者設計方無法保證此數據的科學性，或者出于其他涉密限制造成無法得到設計方的原始數據，因此給可靠性工程師在開展工程實踐時帶來了諸多不便。基于上述實際應用需求，筆者在自行研制的RelSIMTM 仿真軟件平臺上逐步開發可用于自然環境條件量化分析的自然環境數據庫模塊。該數據庫目前已具備一定的通用分析能力和工程應用價值。

1 應用需求與特點

典型的可靠性工程主要包括可靠性設計（Design for Reliability，DfR）、故障預測和健康監控系統（Prognostics and Health Management，PHM）以及裝備延壽。在這些工程應用中，自然環境數據庫的應用需求如下。

1）DfR。在產品需求分析時，需提供所受環境應力的量化描述，有時還需給予用戶已有的環境數據支持，以得出產品未來可能的使用環境。同時，在進行可靠性試驗或環境試驗之前，要綜合產品未來可能經受的實際環境應力進行仿真分析和試驗設計，以便找出薄弱環節以及相應的敏感應力[3]。

2）PHM。在基于失效物理的PHM系統中，設計傳感器硬件系統需要結合產品失效機理，定位監測部位，具體提出傳感器的相應技術指標，如溫度測試范圍、振動測試頻率等[4]。

3）裝備延壽。在裝備延壽能力評估中，需要通過逆向工程推導出迄今為止產品實際服役的環境描述，如溫度剖面、功率載荷譜、沖擊響應譜等，以得出待考察的不利差量[5]。

目前，現有的自然環境類型數據庫主要有3類，包括各類氣象組織發布的數據集、基于綜合環境數據表示與交換規范（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS）的綜合自然環境（Synthetic Natural Environment，SNE）、國外環境試驗三大標準所對應氣候數據值。在此將這3類作比較（見表1）。

表1 現有自然環境數據庫Table 1 The existing databases of natural environment

由表1 可知，定位用于可靠性典型工程應用的自然環境數據庫應該具備如下特點：

1）覆蓋典型工程應用的環境數據或參考標準，如有關大氣溫度、大氣相對濕度、大氣硫化物、路面譜、海浪譜等；

2）引進權威且共享的數據源，并可對其進行標準化數據導入、保存、修改、計算、傳輸等處理；

3）需要不同的數據計算模型（包括物理計算、統計計算）來進一步計算時，可重復編寫程序模塊，同時達到算法可優化、可拓展；

4）在整個軟件平臺中，與可靠性仿真評價（如壽命評價和預測）相配套，實現數據自動調用計算。

2 數據庫關鍵技術

在進行自然環境量化分析以及數據庫的開發中發現，由于其開發過程存在多學科交叉，且失效物理學科本身處于不斷豐富發展的過程，因而研發所面臨的技術問題不僅僅在于軟件技術層面，還在于軟件的開發管理層面，后者在某種意義上說難度比前者更甚。以下著重總結這2個層面的問題。

2.1 數據庫系統構成

自然環境數據庫是一個工作在RelSIMTM軟件平臺之上的環境條件量化分析計算的功能模塊[14－15]，即包括圖1 中系統管理和用戶操作兩部分，其主要功能包括：

1）從數據庫中獲取由數據源導入的原始自然環境數據，且可對其進行有效篩查、標準化批量處理；

2）可調用、管理模型庫中的自然物理常數、物理模型與統計模型以及相應的計算內核；

3）將模型計算內核的輸出結果在不同的模型間共享，且可傳遞到pofANTM，pofPWATM的失效物理模型中進行可靠性分析；

4）整個自然環境數據計算過程中，管理輸入輸出結果的處理和圖形顯示，且可以提供下載；

5）為用戶提供后臺在線服務，系統數據管理與用戶操作使用分隔開，同時對用戶設定不同的使用權限。

圖1 系統構成Fig.1 System architecture

2.2 數據源的獲取與篩選

為保證在進行失效物理模型計算前加載實際的自然環境應力，原始自然環境數據往往來源于各類氣象組織發布的數據集，比如國家氣象信息中心、國家海洋信息中心、英國Hadley 中心以及世界氣象組織，而國外環境試驗三大標準所對應氣候數據值僅供諸如溫度極值等部分環境數據參考時使用。其中，不同的數據集規定各自的使用權限或付費標準，給項目研究帶來了一定的成本要求。此外，自然氣候數據一般存在海陸區分，這在研究產品可靠性時能較好地統一起來。按照生成的時間順序來劃分，數據可分為歷史數據、現時數據、預報數據和標準數據，通過不同的數據需求論證，可采納不同種類數據。由于原始數據的采集能力限制等原因，數據集中可能包含缺省項或無效項，對此就需對數據進行有效篩選。篩選的過程可以選擇在平臺外或平臺內進行，這需要針對具體的數據集而定。

2.3 數據處理

在數據處理方面，主要需要考慮以下4 個技術關鍵點。

1）自然環境數據在時間與空間上存在分辨率技術指標要求。分辨率提高，則數據量會成倍增長。由于數據庫需要提供在線服務，因此可能需要考慮數據庫的硬件配置。分辨率指標決定于待考察產品的貯存和使用基本狀況。例如，在長期貯存過程中，不需要在時間與空間上有較大的分辨率，環境數據主要以載荷譜的形式描述即可；但是對于短時間飛行的產品，由于使用時間較短，可能會考慮在空間上應力隨時間的持續變化。

2）與失效物理模型所需的應力相對應，自然環境數據的計算包括物理模型數據與統計模型數據。統一于整個軟件平臺的技術構架，上述兩類模型分別歸于標準化的數據計算模塊以備調用。

3）受原始數據源所限，往往需要對其來源數據進行插值計算，其容差范圍需要與用戶協商，同時與實際的應用環境相比對，以驗證插值算法計算結果的合理性與精確性。

4）一般而言，數據源已設定為普遍通用的數據格式輸出，如.txt，.xls 格式等，則數據的導入能夠以此進行自動鏈接。數據的保存與傳遞統一于整個軟件平臺的技術構架，同樣采取模塊化管理。計算結果的顯示、輸出以普遍通用的數據格式輸出，以便用戶導出后進行查閱、驗證。

2.4 數據庫與平臺兼容

該數據庫作為軟件平臺的一個計算模塊，其操作與其他計算模塊具有統一性，在此對該軟件平臺的使用不作贅述?？偟膩碚f，數據庫與平臺應達到以下兼容性：

1）數據庫后臺人員可實時維護與拓展系統原始自然環境數據、自然物理常數、模型庫；

2）將不同環境因素的量化要求劃分出若干計算模塊，再靈活組合模塊；

3）用戶按照數據需求進行人機交互，如可加載自然環境想定信息、輸入輸出所需要的數據格式；

4）與整個軟件平臺的操作使用一樣，實現用戶權限管理與在線升級。

2.5 數據庫開發團隊運行

整個自然環境數據開發的過程是在一個學科交叉運用的完全工程環境中進行的，因此高效的團隊合作成為必要保證，其運行模式如圖2所示。

圖2 團隊運行模式Fig.2 Mode of team work

尤其要強調的是需要有一個在環境工程專業方面能夠滿足用戶了解自然環境科學知識及其背景的系統，為用戶提供有關使用和構建所需要物理模型的科學文獻和依據，這就需要軟件平臺有相應的專家知識庫faprlKBTM作為技術支撐。

3 數據庫應用算例

筆者在此僅給出前期開發的一個實際算例，大致演示RelSIMTM仿真軟件平臺中自然環境數據庫的應用情況。同時，結合數據庫的實際需求，簡要剖析研發過程中的關鍵技術。

溫度對電子產品可靠性的影響主要有穩態溫度、溫度循環、溫度梯度、溫度隨時間變化率[18]。例如，Arrhenius 模型中，需要輸入工作溫度t 來計算器件的壽命[19]；Engelmaier-Wild模型中，需要輸入器件與基板的溫度循環ΔθC，ΔθS來計算焊點疲勞壽命[20]。那么，某個時間段內的工作溫度與溫度循環對應實際情況可認為，其環境特征量是該時間段內產品每天所歷經的平均氣溫與溫差，將其代入相應的失效物理模型，且運用Miner法則把每天的累積損傷進行線性累加[19]，即可算出產品的實際耗損壽命。以計算1998年5月4日海南省三亞鹿回頭地點的日平均氣溫與氣溫日較差為例，計算過程依照如下順序進行：

1）輸入想定點信息；

2）人工尋找想定點所處溫度類型，確認在經度上符合無差別要求的備選臺站，即與想定點處于相鄰的同種溫度類型；

3）備選臺站在空間與時間維度上與想定點進行比對，明確是否有現成數據，若有，則直接輸出，若沒有，需繼續補充計算；

4）在空間維度上，首先對備選臺站的氣溫數據進行海拔高度同一化處理，再在緯度上按照氣溫變化規律進行模型計算或依據關聯數據進行回歸分析；

5）輸出計算結果。

計算過程中的具體操作如下。

1）數據源選用與導入。根據該算例自然環境的數據要求，選用中國氣象科學數據共享服務網提供的《中國地面國際交換站氣候資料日值數據集》。數據集為中國194個國際交換站1951年以來地面日值數據集，包括每天的平均氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速、最大風速及風向、日照時數、降水量等。按照原始數據的導入方式，添加 1991 年—1998 年 5 月 4 日海南省?？?、東方、瓊海3 個臺站的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫數據至數據庫中，如圖3 所示。這里需要強調以下3點。

（1）由于數據庫使用權所限以及算例中的特征數據需求，最佳方案是從中國氣象科學數據共享服務網選取《中國地面國際交換站氣候資料日值數據集》。

圖3 原始數據加載Fig.3 Loading the raw data

（2）空間維度處理。該數據集沒有三亞臺站的原始數據，因此需要人工處理：設定對于氣溫而言，已知海南島的?？?、東方、瓊海臺站與三亞處于同種溫度類型B2[14]。依據文獻[21—22]可知，具有同種溫度類型的相鄰區域，其溫度在經度上無太大差異，在海拔高度上按照每上升100 m 氣溫下降0.65 ℃，在緯度上具有從北到南氣溫升高的規律。這里，筆者對氣溫在緯度上作一元線性回歸處理。當然，如此處理后的氣溫數據的準確度需要與用戶或環境工程專家確認其可否接受。

（3）時間維度處理。輸入1991 年—1998 年5 月4日海南省海口、東方、瓊海3個臺站的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫數據?；跀祿臉藴驶嬎阋?，倘若沒有某年某月某日當天的數據（這與原始數據源有關），需要根據以往數據進行一元線性回歸處理。本算例不需要該時間維度處理。

2）用戶想定信息輸入。將以下想定信息輸入，如圖4 所示。想定點名稱：三亞鹿回頭；時間：1998年5 月4 日；地點：北緯18.23°，東經109.50°，海拔高度275.1 m。

圖4 想定點信息輸入Fig.4 Inputting the specific information

3）結果計算。按照算例中的自然環境數據計算流程（如圖5 所示），結合數據源所提供的原始數據進行計算，結果得到日平均氣溫為26.75 ℃，氣溫日較差為6.32 ℃，如圖6所示。

圖5 計算流程Fig.5 Flow diagram of calculation

圖6 計算結果Fig.6 Calculation result

如此得出具體的某日日平均氣溫與氣溫日較差，那么自然環境數據庫模塊可照此對其若干天的數據進行批處理，這樣就獲得了某一時間段內產品每天所經歷的平均氣溫與溫差，同時也具備了進入失效物理模型計算的基本數據形式。此外，從上述整個計算過程可以注意到，具體操作層面上所獲取的原始數據源形式及其后續計算方法較大地影響了后續計算結果的認同度。

4 結語

前期的工作僅僅提供了一定的自然環境數據計算能力，目前尚未覆蓋所有環境特征量的計算和達到整個RelSIMTM仿真軟件平臺通用化、模塊化、開放性的應用研發要求。下一步工作主要在以下4個方面開展：

1）針對具體項目，進一步定義計算模塊、優化算法，尤其是根據環境特征量拓展統計計算模塊，同時改善人機交互界面；

2）根據后續數據源需求，遵照共享數據源使用規定，履行后續使用協議，以便可持續擴充原始數據；

3）自然環境數據計算輸出結果即環境特征量，需要廣泛滿足失效物理模型的輸入且力求標準化計算，這樣自然環境數據才能與可靠性評價完全鏈接，同時減少針對不同的環境特征量重復開發計算程序的工作量；

4）制訂并固化自然環境數據庫拓展與使用流程，形成典型可靠性工程應用中自然環境數據需求的解決方案。

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