裝備可靠性指標鑒定內涵研究

李大偉， 潘殿省， 趙志敏

(91550部隊)

裝備可靠性指標鑒定內涵研究

李大偉， 潘殿省， 趙志敏

(91550部隊)

針對可靠性鑒定過程中存在指標考核對象和考核時機不統一的爭議，通過分析指標基礎定義，提出了工程背景和統計理論相結合的解決思路。論述了國內外可靠性指標發展歷程，利用對比分析的方法，說明了產生爭議的工程原因；對可靠性指標鑒定方法進行了分析，結合區間估計方法，說明了假設檢驗代表的統計內涵和工程內涵，明確了將最低可接受值作為指標考核對象；結合裝備可靠性增長過程，采取定性分析的方法，提出了最低可接受值在定型階段、規定值在作戰試驗階段分階段考核的建議。

可靠性指標；鑒定方法；鑒定時機；發展歷程

可靠性是裝備重要的質量屬性，其指標高低決定了裝備完成任務的能力[1]。近年來，裝備可靠性要求越來越高，直接給可靠性設計和鑒定工作帶來了挑戰。這就要求生產方和使用方需準確掌握指標的鑒定內涵，否則不利于裝備頂層設計，更不利于指標檢驗與評價[2-3]。因此，開展可靠性指標鑒定內涵的探討具有十分重要的工程意義。為了準確掌握可靠性指標代表的工程意義，20世紀90年代，國內學者展開了激烈的討論：文獻[4]重點從統計理論角度解釋了可靠性指標之間的關系，認為最低可接受值和規定值是由統計方法產生的；文獻[5]深入分析統計方法，認為為了適應方法要求，不同階段均應提出2個指標。上述文獻有助于可靠性指標關系的理解，但是相關文獻較少從鑒定角度對可靠性指標進行分析，造成不同學者在鑒定過程中對指標的理解存在一定的爭議，如裝備只有一個可靠性指標的情況下，該指標是最低可接受值還是規定值，且在哪個階段進行考核均存在不同的理解[6]。在上述研究基礎上，學者繼續深入研究，從工程角度分析可靠性指標，普遍認為最低可接受值應作為裝備定型的依據[7]，但是仍有部分學者認為既然規定值是可以預計和驗證的[8]，且作為用戶期望達到的目標，應該將規定值作為裝備定型的依據。顯然，上述認識是互相矛盾的，需進一步研究，以準確把握裝備可靠性指標的鑒定內涵。

為了明確可靠性鑒定過程中指標考核對象和考核時機，消除爭議，本文采取工程分析和統計理論相結合的方法，對可靠性指標發展歷程、鑒定方法和鑒定時機進行了分析，研究結果有助于掌握可靠性指標的工程背景，并深入理解指標鑒定方法，以便從源頭上做好裝備可靠性鑒定工作。

1 定義及分析

1.1 基礎定義

在合同和研制任務書中，對于可靠性定量要求而言，無論是壽命型指標(如平均故障間隔時間θ)，還是成敗型指標(如可靠度R)，根據指標數值，一般將較高的指標稱為“檢驗上限”或者“規定值”，較低的指標稱為“檢驗下限”或者“最低可接受值”。檢驗上限和檢驗下限主要從統計角度進行描述，即具有統計意義的名詞；而規定值和最低可接受值主要從鑒定角度進行描述，即具有工程意義的名詞。為了便于論述，結合行業習慣，本文將可靠性指標統一分為規定值和最低可接受值[9]。

根據GJB1909A—2009《裝備可靠性維修性保障性要求論證》，可靠性指標定義如下：

1) 規定值：用戶期望裝備達到的合同指標。

2) 最低可接受值：要求裝備應達到的合同指標，是裝備定型考核或驗證的依據。

根據GJB899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》，可靠性指標定義如下：

1) 規定值：若產品的平均故障間隔時間或可靠度真值不小于規定值，則產品被接收的概率至少為100(1-α)%。其中，α為研制方風險，是指可靠性指標超過規定值時，裝備被拒收的概率。

2) 最低可接受值：可接收的最低平均故障間隔時間或可靠度。若產品的平均故障間隔時間或可靠度的真值不大于最低可接受值，則產品被接收的概率至多為100β%。β為使用方風險，是指可靠性指標沒有達到最低可接受值時，裝備被接收的風險。

根據可靠性相關書籍，整理獲得可靠性指標定義如下：

1) 規定值：可接收的平均故障間隔時間或可靠度，統計試驗方案以高概率接收其真值接近規定值的裝備。

2) 最低可接受值：拒收的平均故障間隔時間或可靠度，統計試驗方案以高概率拒收其真值接近最低可接受值的裝備。

針對上述可靠性指標定義，能夠發現目前主要從2個不同的角度進行了描述。(1) 工程角度，如GJB1909A—2009；(2) 統計角度，如GJB899A—2009。這種現狀解釋了可靠性指標有2種名詞定義的原因。

1.2 對比分析

在可靠性定量要求中，一般存在2個可靠性指標(即規定值和最低可接受值)。為了對裝備的可靠性指標進行鑒定，需要明確指標考核對象。因此，結合上述定義，從工程和統計角度，說明認識上存在的問題，并開展綜合分析，提出解決思路。

1) 工程定義。可靠性指標的工程定義描述最低可接受值作為定型考核或驗證的依據，描述規定值為用戶期望達到的指標。根據該定義解釋，在指標考核過程中，有2個截然不同的認識。部分學者認為定義中強調最低可接受值為考核依據，應將其作為考核對象。而部分學者認為規定值作為用戶期望達到的指標，本著滿足用戶要求的原則，應將其作為考核對象。

2) 統計定義。可靠性指標的統計定義解釋規定值為可接收值，最低可接收值為拒收值。部分學者從字面理解，將規定值作為指標考核對象，認為可靠性指標達到規定值，裝備才可以接收。而部分人員認為GJB899A—2009中強調最低可接受值為可接收的指標，應將其作為考核對象。顯然，上述認識是互相矛盾的。

3) 綜合分析。通過上述分析可知，對于指標考核對象，無論從工程定義理解，還是從統計定義理解，均存在一定的分歧。實際上，即使將定義統一理解，仍存在一定的分歧。部分學者認為規定值作為用戶期望達到的指標，且作為可接收值，理應作為考核對象。而部分學者認為最低可接受值作為考核依據，且標準中強調可接收，理應作為考核對象。

上述問題源于理解基礎不同而產生，可靠性指標工程定義的理解需要學者對裝備鑒定背景較為熟悉，而統計定義的理解又需要學者具備一定的統計知識。為了解決上述分歧，準確理解可靠性指標的鑒定內涵，在了解其基礎定義的同時，一方面需要掌握可靠性指標發展歷程，清楚問題產生的根本原因；另一方面需要分析可靠性指標鑒定的統計方法，清楚指標代表的理論意義和工程意義。

2 發展歷程

2.1 美軍可靠性指標發展歷程

早期，在進行可靠性試驗過程中，可靠性指標只規定一個值[10]。隨著對裝備可靠性指標和試驗鑒定的認識逐漸深入，美軍1963年頒布《MIL-STD-781B可靠性設計鑒定試驗和驗收試驗：指數分布》后開始普遍提2個值，即規定值和最低可接受值。由于該標準對最低可接受值的定義不夠嚴謹，導致其數值受試驗方案的選取而不斷變化。比如，假設裝備平均故障間隔時間的規定值為400h，選取標準中試驗方案Ⅲ，則試驗考核的最低可接受值為200h；選取標準中試驗方案Ⅳ，則試驗考核的最低可接受值為133h。顯然，這給裝備可靠性指標鑒定帶來了很多人為干擾因素，無法明確最低可接受值的具體數值。此時，最低可接受值定義是無效的，無法作為考核依據。鑒于上述情況，美軍1977年頒布了該標準的升級版《MIL-STD-781C可靠性設計鑒定試驗和驗收試驗：指數分布》，并對其進行了取代。在升級版的前言中，明確該版重要的修訂之一便是重新定義最低可接受值，要求其必須是一個固定的常數，不應受試驗方案選取而變化。至此，最低可接受值被明確作為指標考核對象。

美軍裝備試驗鑒定的發展主要經歷3個階段：獨立試驗階段、聯合試驗階段和試驗與訓練一體化階段[11]8。對于可靠性而言，獨立試驗階段和聯合試驗階段早期主要以最低可接受值作為指標考核對象，將規定值作為研制方的設計值[12]，認為研制方只有按照規定值設計裝備，才能使裝備以較高的概率通過鑒定試驗。從該角度來看，規定值在早期并沒有作為指標的考核對象。隨著美軍裝備發展策略的轉變，試驗思路發生了根本變化，美軍認為“裝備試驗必須建立在戰場需求上，必須經得起戰場的最終檢驗[11]9”。顯然，這對裝備的可靠性指標提出了更高的要求。為了滿足戰場需求，美軍開始考慮將規定值作為指標考核對象，如美軍用手冊MIL-HDBK-781AReliabilitytestmethods,plan,andenvironmentsforengineering,developmentqualification,andproduction要求規定值利用工程經驗和歷史信息必須是可達到的。此時，美軍開始將規定值作為指標考核對象。目前，美軍大力推進“邏輯靶場”，在武器試驗場進行基于近似實戰環境下的試驗和訓練以及裝備聯合試驗，將裝備定型分為兩部分：性能試驗和作戰(或使用)試驗[13]。前者以驗證裝備工程設計和試制過程是否完備為目的，試驗類型包括可靠性鑒定試驗和驗收試驗，通常以最低可接受值為考核對象。后者以檢驗裝備在作戰環境和平時使用中的效能和適用性為目的，試驗類型包括適用性試驗，通常以規定值為考核對象[14]。

綜上所述，美軍對可靠性指標的鑒定認識是一個逐步完善的過程，經歷了一定的曲折。因為美軍裝備目前采取分階段考核的方式，所以最低可接受值和規定值均作為考核對象，只是考核階段不同。

2.2 國內可靠性指標發展歷程

我國可靠性標準早期轉化了美軍相關標準，并積極組織宣貫[15]。受美軍早期認識影響，國內一直延續到20世紀80年代初仍只規定一個值，并且對其認識存在爭議。部分學者認為該值是最低可接受值，而部分學者則認為該值是規定值。圍繞著指標認識的問題，20世紀90年代國內學者開展了大量的討論，主要從統計角度分析了2個指標之間的關系，較少涉及指標鑒定內涵分析。隨著國內對裝備可靠性鑒定認識的逐漸深入，2009年頒布的GJB 1909A—2009中規定可靠性可以提出2個指標，也可以只提出一個指標。如果只提一個指標，那么該指標為最低可接受值。至此，國內明確將最低可接受值作為考核對象。

對于裝備定型而言，國內主要以最低可接受值為依據，規定值通常采取驗證的方式，并沒有明確給出規定值的考核時機。同時，受美軍將規定值作為裝備合格最終標準的影響，部分學者仍認為應將規定值作為考核對象。由此可見，關于規定值是否作為考核對象仍存在一定的爭議。

綜上所述，隨著對裝備試驗鑒定認識的逐漸深入，最低可接受值作為考核對象形成了統一的認識，但是對于規定值，受美軍試驗鑒定體制的影響，工程上仍存在一定的爭議。

3 鑒定統計方法分析

3.1 假設檢驗方法

可靠性指標考核方案的制定在統計理論中屬于假設檢驗范疇。在掌握指標發展歷程的基礎上，為了深入分析其鑒定內涵，需要對統計方法進行進一步分析。根據假設檢驗的定義[16]，需要給出原假設和備擇假設。以可靠度為例進行說明，一般規定原假設為裝備可靠度不小于規定值，備擇假設為小于最低可接受值，稱為雙邊假設檢驗，表達式如下：

H0:R≥R0，H1:R

式中：R0為規定值；R1為最低可接受值。

針對雙邊假設檢驗，結合工程背景確定決策規則：當原假設為真時，接受原假設，以1-α概率接收裝備；當原假設不真時，拒絕原假設，以1-β概率拒收裝備。

根據雙邊假設檢驗形式和決策規則，不能簡單地認為原假設的規定值為考核對象，而應進一步分析其統計內涵和工程內涵，以明確原假設和備擇假設的深層內涵。

3.2 統計內涵

為了明確雙邊假設檢驗所考核的指標，需要深入了解其決策規則的統計意義。假設檢驗和區間估計在經典統計學上有著密切的聯系，為了便于說明，利用區間估計進行對比分析[17]。

3.2.1 原假設為真

檢驗值R為隨機變量，給定置信水平1-β或1-α，結合試驗結果，能夠獲得其置信下限RL和置信上限RU。當原假設為真，接收裝備，檢驗值與可靠性指標的關系如圖1所示。

圖1 接收裝備準則

3.2.2 原假設不真

當原假設不真，拒收裝備，檢驗值與可靠性指標的關系如圖2所示。

圖2 拒收裝備準則

將接收準則和拒收準則進行對比，從數值來看，接收裝備要求可靠度置信下限必須達到最低可接受值，規定值僅是包含即可。正如美軍標準中描述：“原假設成立并不代表可靠性已達到規定值，而是以很高的概率超過最低可接受值”。因此，從假設檢驗方法來看，應以最低可接受值為考核對象。

假設檢驗決策規則的制定實際是基于反證法的思想。在數學上，難以用一個樣本證明一個檢驗(或命題)成立，卻易用一個樣本推翻一個檢驗(或命題)。通過上文分析，接受原假設，說明規定值得到了驗證，但更說明備擇假設沒有被推翻，以一定的概率成立，最低可接受值得到了檢驗。這也是為什么會出現原假設成立，看似可靠性指標高于規定值，但結論卻是最低可接受值得到檢驗的根本原因。

綜上所述，從判決準則數值變化關系和數學思想來看，雙邊假設檢驗實質考核對象為最低接受值。

3.3 工程內涵

由于裝備樣本的隨機性，假設檢驗不能給出一個完全肯定的結論，即不可能出現裝備100%合格(或不合格)的結論，因此，假設檢驗存在2類錯誤：納偽和拒真。這2類錯誤分別對應著工程中使用方和生產方的風險。使用方風險(即納偽)是指裝備沒有達到要求而被接收的概率，生產方風險(即拒真)是指裝備達到要求而被拒收的概率。

為了控制雙方風險，提出了雙邊假設檢驗。原假設反映了生產方的利益，如果裝備可靠性達到規定值，那么其被拒收的概率就要盡可能的小，即生產方以1-α接收裝備。備擇假設反映了使用方的利益，如果裝備可靠性沒有達到最低可接受值，那么其被拒收的概率就要盡可能的大，即使用方以1-β拒收裝備。因此，雙邊假設檢驗決策原則有著較強的工程背景，分別代表了生產方和使用方的利益。

在上述工程背景下，結合雙邊假設檢驗的統計內涵，在研制與定型階段，使用方更加關心裝備可靠性指標的下限，要求其能夠滿足基本使用性能要求，對于規定值該階段并不關心。因此，為了控制使用方風險，并縮短試驗周期，GJB899A—2009提供了一種備選的試驗方案(即LQ方案)。該方案確定的假設檢驗稱為單邊假設檢驗，表達式如下：

H0:R≥R1，H1:R

該假設檢驗決策準則為：當原假設為真時，接受原假設，使用方以1-β概率接收裝備；當原假設不真時，拒絕原假設，使用方以1-β概率拒收裝備。顯然，單邊假設檢驗確定的裝備決策準則僅需利用最低可接受值，這是國軍標規定合同和研制任務書可以僅提最低可接受值的根本原因。

綜上所述，從原假設和備擇假設的工程含義來看，可靠性指標應滿足使用方要求，而使用方十分關心裝備能否達到最低接受值，因此，假設檢驗方法所考核對象應為最低可接受值。

4 鑒定時機分析

4.1 壽命周期階段劃分

根據GJB450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》，裝備全壽命周期通常包括論證、方案、工程研制與定型、生產與使用等階段。上述階段，裝備可靠性水平應始終處于一個不斷增長的過程。為了檢驗裝備可靠性增長效果，使用方需要在不同階段對其可靠性進行考核。

4.2 各階段鑒定分析建議

裝備可靠性水平是一個不斷增長的過程，其可靠性指標考核應采取分階段的形式。

對于最低可接受值，通過上文分析，主要在定型和生產階段作為考核對象，符合工程實際。對于規定值，20世紀90年代學者從工程角度提出裝備可靠性水平應在成熟期達到規定值。由于成熟期[18]是指裝備部署使用一段時間后，其設計、工藝缺陷得到充分暴露與改進，可靠性水平已穩定，而不同裝備成熟期顯然不同；因此，無法明確考核具體時刻，給考核組織實施帶來了一定的困難。

為了充分考核規定值，在上文分析美軍裝備鑒定體系基礎上，應根據貼近實戰考核的思想，進一步完善試驗鑒定體制，大力推進作戰試驗鑒定。如文獻[19]所述，應與國際接軌，將目前的“使用試驗”“部隊試驗”和“部隊試用”等試驗類型統一稱為“作戰試驗與鑒定”。通過開展作戰試驗鑒定，可以將規定值作為該階段考核對象，在最低可接受值基礎上，試驗條件盡可能貼近實戰[20]，進一步考核裝備的可靠性指標，使其可靠性水平不斷增長，真正實現國軍標規定的“用戶期望裝備達到的合同目標”。

根據上述分析，建議進一步完善試驗鑒定體系，開展作戰試驗鑒定，并采取分階段鑒定的方式，使最低可接受值和規定值在不同階段得到考核，如圖3所示。

圖3 可靠性指標階段考核示意圖

圖3中定型階段和批生產階段均以最低可接受值作為考核對象，分別利用可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗進行考核。區別在于批生產階段，在考核最低可接受值的同時，應對裝備進行評估，判斷其可靠性是否穩步增長。作戰使用階段則以規定值作為考核對象，利用作戰試驗進行考核。

綜上所述，通過分階段考核，能夠明確可靠性指標考核對象，消除規定值是否作為考核對象的爭議，符合可靠性增長過程，有利于可靠性指標的鑒定工作，進而切實提高裝備可靠性水平，充分滿足作戰使用要求。

5 結 論

針對裝備可靠性鑒定工作，本文從工程背景和統計理論的角度，分析了產生爭議的原因，明確了指標考核對象，并對考核時機提出了建議，有助于深入理解可靠性指標鑒定內涵。相關結論如下：

1) 造成可靠性指標鑒定工作存在爭議的原因有2個：(1) 受美軍早期標準影響，國內對可靠性指標鑒定理解經歷了一定的曲折；(2) 對可靠性指標鑒定方法的理解缺乏一定的統計知識。

2) 通過分析可靠性指標鑒定統計方法，說明了假設檢驗決策準則對應的可靠性檢驗值變化情況，并說明了原假設和備擇假設分別代表的工程含義，進而從統計方法上明確最低可接受值應作為指標考核對象。

3) 結合裝備可靠性增長過程和美軍成熟的試驗鑒定經驗，建議對可靠性指標采取分階段考核的方式，并開展作戰試驗鑒定。將最低可接受值作為裝備設計定型階段的考核依據，規定值作為裝備作戰使用階段的考核依據，進而明確考核時機，使可靠性指標得到充分考核。

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(編輯：李江濤)

Research on Equipment Reliability Index Qualification Connotation

LI Dawei, PAN Diansheng, ZHAO Zhimin

(91550 Troops, China)

For disputes on index assessment object and time in the reliability qualification process, based on analyzing the index definition, the solution by means of combining engineering background and statistical theory is provided. Firstly, it expounds the development history of reliability index home and abroad, and explains the causes that arouse the controversy from the aspect of engineering by making contrasts and comparisons. Secondly, it analyzes the reliability index qualification methods, demonstrates the statistical connotation and engineering connotation with interval estimation, and makes it clear that minimum acceptable values are used as index assessment objects. Finally, in combination with the equipment reliability growth process, the suggestion of multi-stage assessment is proposed that minimum acceptable values be assessed in approval stage and the specified values be assessed in operational test stage.

reliability index; qualification method; qualification timing; development history

2017-03-02

李大偉(1985—)，男，工程師，博士，主要研究方向為可靠性試驗與評價、性能可靠性建模與維修決策。law1198@126.com

TB114.35

2095-3828(2017)03-0099-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.03.017