船用電子設備的可靠性設計與分析

崔國友，韓小明，曾志紅(.90廠，上海 00083；.上海埃威航空電子有限公司，上海 0033)

船用電子設備的可靠性設計與分析

崔國友1，韓小明2，曾志紅2
(1.902廠，上海 200083；2.上海埃威航空電子有限公司，上海 200233)

文章提出了可靠性設計要求的內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設備為例，介紹可靠性設計的原則以及如何滿足可靠性設計所要求的內容，最后采用了一種常用的可靠性分析的方法進行了驗證，對類似的船用電子設備的可靠性設計和分析具有較大的借鑒意義。

船用電子設備；可靠性設計；可靠性分析

隨著船舶電氣自動化程度的日益提高，船用電子設備的使用環境對設備的可靠性要求越來越高，目前，對船用電子設備的可靠性研究大多集中于理論研究，而從工程設計的角度進行可靠性設計與分析的資料尚不多，本文從電子設備可靠性設計所依據的一般性原則出發，闡述設計時應注意的事項，以及如何達到設備可靠性設計的要求。

1 可靠性設計與分析的主要內容

可靠性要求的工作內容要求一般是在產品研制過程中要求采取的可靠性設計措施，來保證和提高產品的可靠性[1]。可靠性設計的方法一般包括：簡單化的設計思想、余度設計、容錯設計、降額設計、零部件的選擇、采用成熟的技術、環境防護設計、熱設計、電磁兼容性(EMC)設計、軟件可靠性設計和設備的包裝、運輸環節等。經典的可靠性分析方法有：故障模式、影響及危害性分析(FMECA)，故障樹分析、電路容差分析和潛在通路等分析方法，為彌補經典可靠性分析方法的不足，目前已有多種基于設備結構體系的可靠性評估方法，比如基于結構可靠性的模糊綜合評估方法。

2 某型號多模式航行信息接收設備的可靠性設計

多模式航行信息接收設備能夠同時接收處理航行告警信號、船舶識別和氣象傳真信號，并通過顯示設備和熱敏打印設備完成集中顯示和圖像打印功能的船載航行信息綜合接收系統，是保障艦船航行安全的重要設備[2]。

多模式航行信息接收設備在設計時充分考慮了船用電子設備使用的特點和可靠性設計的要求，從設備的機械結構和電子線路2部分出發，依據可靠性的設計要求開展了相關的可靠性設計和分析工作。

設備的組成原理框圖如圖1所示。

圖1 多模式航行信息接收系統原理框圖

由圖1可以看出，設備內部板卡眾多，實現的功能相對復雜，在設計時必須考慮到多種因素，才能確保設備可靠、穩定的工作。在多模式航行信息接收設備設計時，著重考慮了以下幾個方面。

2.1簡單化的設計思想

通常情況下，設備的復雜程度越高，其可靠性越低，因此，減少設備的復雜度，可以提高其可靠性，可從以下2個方面著手。

1)在滿足設備功能和性能的前提下，盡可能將設備的結構和外形設計成簡單的形式。按照船用電子設備的安裝標準設計成高450 mm、寬300 mm、深278 mm的壁掛式機箱，機箱除前面板外，其它幾個面板全部使用鋁合金加工而成，為維修方便，前面板設計成一個內鉸鏈結構，四周再用螺絲固定，這樣既保證了機箱有足夠的強度，又具有簡潔實用的特點，設備內部的結構設計成插卡形式，易于安裝、維修。

2)減少零部件的數量和種類，盡可能使用較少的零部件來實現多種功能，以簡化裝配、調試、安裝等環節，減少出現差錯的概率。

設備內部板卡的形式一樣，便于加工、裝配，板卡上有“防呆”設計，以保證在安裝、現場維修時不會因插錯板卡而造成不必要的損失。

2.2余度設計

使用多種途徑實現設備的重要功能，如下所述。

1)設備的承重或減震結構件，按照一個(組)部件損壞或性能下降時，仍能由另一個(組)部件來達到承重或減震的效果。設備設計了2個獨立的安裝架，每一個安裝架上都裝有2個避震器，以確保船體在劇烈晃動時，設備的牢固性。

2)設備的供電部件，設計成可以使用2種電源類型(AC220 V和DC24 V)供電，交、直流供電可以自動進行切換，并且每一種電源都設計了2個獨立的電源模塊，當一路電源出現故障時，另外一路可以繼續供電，從而保證設備的供電功能不致喪失。

2.3容錯設計

能夠自動實時檢測并診斷出設備所出現的故障，并能采取一定的策略，以達到對故障的容忍，設備仍然可以在一段時間內實現其固有的功能，例如，在外部電源電壓超過一定的范圍時，設備可以自動啟動電源保護電路，并給出故障提示，待操作人員排除故障后，設備能自動恢復工作。

2.4降額設計

對使用的零部件采用降低其額定值來使用，目的是降低其故障率，提高設備的可靠性。

1)對使用的電子元器件、零部件、結構件，采用了降低其額定值的設計，來提高其工作時的可靠性能，特別是電子元器件的降額使用，半導體集成電路選用寬溫度范圍、高可靠性器件，其它分立元件性能指標采用降額80%來選用，尤其考慮設備在極端環境下的工作情況，比如在高溫環境下，電容的容值會變小，電阻的功耗會增大，還有一些晶體會有頻偏增大的現象，這些因素都會降低設備的可靠性，并且在設備出現問題時，很難進行故障定位。

2)機械、電氣、機電等設備零部件遵循了減少其承受載荷的應力原則，從而增加其可靠性。

2.5零部件的選擇

對使用的零部件、原材料進行控制和管理，注意選擇合格的供應商，對采購、倉儲、裝配等環節進行控制，對影響設備重要功能和性能的元器件和原材料進行篩選，降低原材料的不良率，提高設備的可靠性。

2.6采用了成熟的技術

成熟的技術意味著設備在技術上的缺陷和風險經過了充分的市場檢驗，其技術上的可靠性、穩定性可從以下2方面得到保證。

1)在滿足功能、性能要求的前提下，盡量采用經過工程實踐考驗、具有高可靠性的技術進行設計。

2)對要采用的新技術，必須經過前期的技術驗證，證明其能滿足設備的可靠性要求，而不僅僅是能滿足設備的更多功能、更高性能的要求。

2.7環境防護設計

1)采用了防腐的金屬材料，對設備的零部件進行防腐、防霉處理，提高其防腐蝕性能。

2)在電子線路板上作了三防處理，對電子元器件和電路板作防腐、防霉和防霉處理，降低船上高溫、高濕和鹽霧等惡劣環境對設備的影響。

2.8熱設計

為設備內部發熱的電子元器件增加散熱片，或把其緊貼在板卡的金屬外殼上，減小其熱阻，把發熱量大的電源模塊放在機箱的一側，并且和金屬機箱形成良好接觸，增大其散熱面積，提高其工作可靠性。

2.9EMC設計

1)采用了金屬材料的封閉機箱，切斷了設備內、外的電磁輻射通道，提高了設備的抗干擾能力，同時減小了對其他電子設備的干擾。

2)在設備的電源端口上，選用了高品質的電源濾波器，大大減弱了電源線上的傳導干擾。

3)設備內部每一塊板上都設計了密封的金屬殼體，除了必要的引線接觸件外，所有器件都放置在金屬殼體內，徹底杜絕板卡間的相互干擾。

4)機箱上設計了良好的接地裝置，從而可以保證上述措施有良好的效果。

2.10軟件的可靠性設計

1)采用了軟件模塊化的方法，對各功能模塊采用低耦合、高內聚的設計原則，提高軟件代碼的健壯性。

2)采用軟件故障恢復措施，因為軟件的功能越強大，則軟件的構架復雜度越高，越容易出故障，為此設計了軟件監控線程，此監控線程功能非常簡單，用來監控軟件主線程的運行情況，記錄出現的錯誤信息(這些信息供后期開發人員改進時參考)，必要時可以重新啟動軟件主線程，從而提高了軟件運行的穩定性。

2.11設備的包裝、運輸環節

1)采用了防腐的金屬材料，對設備的零部件進行防腐、防霉處理，提高其防腐蝕性能。

2)在電子線路板上作了三防處理，對電子元器件和電路板作防腐、防霉和防霉處理，降低船上高溫、高濕和鹽霧對設備的影響。

3 設備的可靠性分析

多模式航行信息接收設備的可靠性分析采用模糊綜合評估方法，進行簡單的可靠性分析。多模式航行信息接收設備的工作可靠性框圖如圖2所示。

圖2 多模式航行信息接收設備的工作可靠性框圖

模糊綜合評判的模型為：

(b1,b2,…,bn)=

為簡單起見，假定圖2中的每一個環節均代表了一種失效模式，總共有11種失效模式，每種模式的權重比(由專家判定)如表1所示。

表1 各個因素的權重比

將這些因素的表現程度分為3個等級Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，各級的得分如表2所示。

表2 各因素的等級得分

失效模式對備擇元集中第j個元素(j=1，2，3)的影響系數構成的向量分別假設(由專家判定)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。

代入上面的綜合評判模型，結果如下：

B=(0.560 0 0.562 7 0.203 5)，

取k=1(k可以為1或2，通常取1)，則

由表2可以看出設備的達標情況非常好。

按研制要求，該設備在長沙國防科技大學做了可靠性試驗，試驗情況良好，同時，實際使用情況也表明設備也具備有非常高的可靠性工作狀態。

4 結束語

從工程設計人員的角度來看，可靠性設計和分析不應僅僅停留在理論階段，而應該貫徹到實際的設計工作中，只要充分認識到可靠性的重要性并遵循可靠性的設計原則，同時考慮到船用電子設備的使用特點，就可以設計出滿足設計要求的產品。

[1] 曾聲奎. 可靠性設計與分析[M]. 北京：國防工業出版社. 2011.

[2] 崔國友，韓小明. 基于嵌入式服務器的多模航行信息接收系統設計[J].中國修船，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

崔國友(1962-)，男，河南信陽人，高級工程師，碩士，主要從事航海水文氣象工作。

2015-04-17