艦船電子設備可靠性增長方法研究*

（中國艦船研究院 北京 100192）

1 引言

20世紀以來，艦船等電子設備的高速發展使人們對其質量及可靠性指標的要求越來越高。通過對設備質量、可靠性等內容的研究，發現對設備的可靠性增長問題的研究顯得尤為重要，尤其是在航空航天、船舶、軍工產品等領域內，可靠性增長是設備研制過程中重要的一環。

可靠性增長工作貫穿于產品整個壽命周期［1］。電子設備從研發到生產的各個階段都伴隨著產品的可靠性增長，但相應地在各個階段其可靠性增長的目的及經濟性各不相同；一般來說，對于艦船等重要的電子設備，應當在其設備研制的早期階段，制定詳細的可靠性增長計劃，并依此開展可靠性工作。

美國最早始了對產品可靠性增長問題的研究［2］。1956 年，學者 Weiss H.K.［3］創造性地首先提出了可靠性增長模型，1962年，美國學者Duane提出了Duane模型［4］，該模型的出現使得全世界的可靠性增長技術往前進了一大步。1972年，美國學者 L.H.Crow［5～7］參考了Duane模型的構成，并對其適用性進行了完善，創新性地發布了AMSAA增長模型。直到20世紀80年代左右，我國才在研究國外理論的基礎上，首先在航天航空等對電子設備有超高要求的領域，展開可靠性增長工作的研究。其中，周源泉、翁朝曦兩位教授［8］率先開始對可靠性增長方法進行研究。近年來，我國的可靠性增長工作主要在航天、航空、發動機等領域開展［9～11］，取得了不錯的成績。

鑒于我國的艦船電子設備的可靠性增長研究工作起步較晚，且相關資料較少，同時艦船電子設備的研制周期較短，樣機往往是大型整機設備，樣本數較少，且試驗時間長，傳統的航空、航天的可靠性增長方法在船舶電子設備領域不太適用，如何合理利用船舶電子設備的試驗時間長，試驗數據多，且繁雜的特點，來提高設備的可靠性是目前研究的重要課題。

本文通過對艦船通用電子設備的可靠性增長管理工作，可靠性增長模型闡述，可靠性增長規劃、計劃的制定工作［12］，電子設備的加速可靠性增長試驗工作，可靠性增長的跟蹤、控制等內容的研究，有望對艦船領域的電子設備提出一種可靠性增長的工程實現方法，進而能應用到工程實際產品中，使設備的故障減少，可靠性提高，帶來直觀的經濟性和效益性。

2 可靠性增長管理

可靠性增長管理，是有計劃性地安排分配研制時間和資源，以達到預定的可靠性目標，并通過資源的整合和重新分配，在預計值與計劃值比較的基礎上控制產品的增長速度，從而提高設備的固有可靠性，縮短設備的研制周期。

2.1 可靠性增長基本過程

可靠性增長的基本過程包含了“設計、糾正、檢測”等過程，增長全階段是一個反復迭代的過程。在電子產品通過早期技術設計之后，通過仿真、分析、試驗驗證等方式對其故障源進行檢測，并將其找出，進而糾正這些故障源，同時在后期的設計更改過程中應將重點放在該些故障源之上。可靠性增長的基本過程，見圖1，主要包括如下三個要素：1）故障源的檢測；2）故障源的反饋；3）故障源的再設計、糾正。

圖1 可靠性增長的基本過程圖

2.2 可靠性增長管理基本內容

可靠性增長管理的基本內容主要由三部分構成［12］：1）增長的規劃和計劃。2）加速增長試驗。3）增長的過程跟蹤與控制。

1）可靠性增長規劃和計劃

可靠性增長規劃和計劃工作，是可靠性增長管理工作的基礎，是整項工作的脈絡；該項工作通常會伴隨著可靠性增長模型的選用。

2）實施加速可靠性增長試驗，進行可靠性增長評估

為加快對電子設備的可靠性增長進行評估，使電子設備處在極限的環境應力下，充分暴露設備的故障等信息，將其找出，并采取有效措施進行設計改進。

3）對增長過程進行跟蹤和控制

根據試驗的結果，將設備產生試驗數據在雙對數坐標軸上標繪，可繪制成可靠性增長跟蹤曲線。通過與制定好的計劃圖進行比對，有計劃地對增長工作進行調整，確保研制的設備能在規定的時間內達到規定的可靠性增長目標。

3 可靠性增長模型

可靠性增長模型作為可靠性增長工作的關鍵性因素，按照使用方式，工程中主要由Duane（杜安）模型、AMSAA（Crow）模型、Gompertz模型等構成。

1）Duane模型

Duane模型是工程中制定增長計劃所用的最普遍的模型，對于艦船等電子設備的可靠性增長工作具有很好的適用性。模型的表達形式如下：

上式中：t代表電子設備試驗累積的時間；λ∑（t）代表電子設備的累積失效率；我們一般在模型中將a之稱為尺度參數；將m稱為增長率。

則電子設備的累積MTBF水平，可表示為

在工程實際應用中，我們往往會關注設備的瞬時失效率λ（t）和瞬時MTBF，通過對上式的變換，可表示為

2）AMSAA模型

AMSAA模型對Duane模型進行了補充和完善，計算過程中將隨機過程的情況考慮在內，更加貼近了工程實際。

模型的表達形式如下：

上式中：t代表電子設備試驗累積的時間；在模型中將a稱為尺度參數，且一般a＞0；在模型中將b稱為形狀參數，且一般b＞0。

則產品在時刻t能達到的瞬時MTBF為

3）Gompertz模型

1968年，著名學者E.P.Virene在分析大量失效數據的基礎上，發現其服從某種特定的規律，提出了Gompertz模型。Gompertz模型的表示形式如下：

在模型中參數a，在工程中一般表示設備的可靠性增長提升的上限率，一般0＜a≤1；參數b，在工程中一般表示設備的初始可靠性與最大能提升上限可靠性之比，且0＜b＜1；參數c在工程中表示設備的可靠性增長的速率，且0＜c＜1。

4 可靠性增長規劃和計劃的制定

可靠性增長規劃和計劃是可靠性增長工作整個階段的脈絡。在規劃和計劃工作過程中，需要結合設備所有階段的信息，并將這些信息進行整合分析，從而以措施類的形式在各階段體現。增長規劃和計劃制定的主要工作包括：增長目標等參數的確定和增長曲線的繪制。

4.1 可靠性增長參數的確定

可靠性增長參數一般包括：1）增長目標；2）增長初始水平；3）初步增長目標；4）增長累積總試驗時間；5）增長的第一試驗階段的試驗時間；6）增長率。

具體各參數的確定方法如下。

1）增長目標

一般來說，工程中電子設備的可靠性增長目標往往取自于其合同或任務書。而當該設備的合同或任務書中沒有明確可靠性增長目標時，就需查閱相關資料分析估算出，國內外同類設備的可靠性水平或相應的可靠性增長水平等。綜合同類產品的相應可靠性數據，并邀請行業內的專家，對研制的電子設備的可靠性增長目標進行確定。

2）初始可靠性水平

工程實際操作過程中，該值的確定，通常采取下面的三種方案。

（1）基于可靠性仿真試驗的計算結果進行估計；

（2）查閱相關資料，依據同類電子設備的歷史經驗數據，對其進行估計；

（3）大量工程實際中，設備的初始可靠性水平，與該設備生產交付的最終可靠性之比約為0.15～0.45，可依據此進行大致預估。

3）初步增長目標

初步增長目標是為了縮短試驗時間，對設備的試驗條件施加加速應力，加快設備故障的產生，提早進行設計改進，使產品可靠性加速達到增長的目標。該值的確定要結合設備的試驗情況、研制周期等因素綜合確定。

4）增長累積總試驗時間

工程實際操作過程中，總試驗時間的選取，通常是增長目標值的5倍～25倍，對于高可靠性的產品，通常采用加速試驗的形式，使總試驗時間降低。

5）增長第一試驗段的試驗時間

工程實際中對該值的確定，一般用觀測到一次失效的概率P來確定tI。假定失效發生服從其次泊松分布，則tI可由下式來求得：tI=［（（1-Kλd）θGP）/Kλ］ln（1-p）-1。

6）增長率

可靠性增長率在工程中和設備的研制周期、研制資源等有關。實際應用過程中，對于艦船等重要的新研電子設備，增長率根據工作經驗往往會在0.3～0.6之間取值。若實際值小于0.3，說明可靠性增長工作不夠徹底；當該值大于0.6時，說明該設備的可靠性增長工作取得了極有力的效果。

4.2 計劃增長曲線的繪制

工程應用中，由于Duane模型便于計算與繪制曲線，可靠性增長計劃曲線一般都基于該模型的原理來進行繪制。

如圖2，可靠性增長計劃曲線的繪制，由兩段線構成，第一段水平線代表，在試驗時間tI之前，設備的可靠性未發生變化，是設備的可靠性增長初始水平。第二段斜線表示的是在時間tI之后，設備進行有效的穩定增長；這階段是通過對設備故障源的發現，并進行改進，是的其固有可靠性得以增長。

圖2 計劃增長曲線圖

當已知第一試驗段的MTBFθI，試驗時間tI后，將（tI，θI）作為計劃增長曲線的起點，有如下計算關系：

其中，m，a分別為Duane模型中的增長率和尺度參數。

故基于Duane模型的計劃增長曲線的的數學公式為

式（8）表示設備在時刻t下的累積MTBF；式（9）表示在設備時刻t下的瞬時MTBF。

以Duane模型為基底，工程應用中，計劃增長曲線的繪制一般如下：

1）在變化過的坐標紙上（雙對數），規定橫坐標為試驗累積時間，縱坐標為設備的可靠性值，在縱坐標上標出規定的增長目標值和初步增長目標值，用虛線將上述兩個重要的值畫成一段水平線；

2）繪制出計劃增長曲線的起始點（tI，θI）；

3）以起始點（tI，θI）為出發點，斜率為增長率m，作一條線段，該線段即代表設備的累積MTBF曲線；若需繪制瞬時MTBF曲線，就以該線段為基準，向上平移-ln（1-m），即可繪制。

5 加速可靠性增長試驗

為了快速找出設備的故障源，通過對設備施加加速應力條件，開展加速可靠性增長試驗，試驗的流程如圖3所示，主要包括：試驗開展前的準備工作、試驗增長計劃的制定、試驗初始環境條件的確立（包括加速因子、剖面的確定）、試驗的實施以及試驗過程中故障處理及分析等。

圖3 可靠性加速增長試驗的基本流程

具體可進一步分為故障模式及影響分析（FMEA）、敏感應力分析、試驗剖面設計、加速試驗條件及時間確定、加速因子的確定、試驗結果評估等方面（具體詳見文獻［13］）。

6 可靠性增長過程跟蹤和控制

6.1 可靠性增長過程跟蹤

1）試驗階段內的跟蹤

在階段內實施可靠性加速試驗過程中，得到失效數據后，可以利用如下的方法進行轉化成正常應力下的時間。

設某電子設備在可靠性增長階段累積開展了T時間的試驗，其中發生故障時間為時刻t，為縮短試驗時間，在時刻t1～t2之間對設備開展了加速試驗，其他試驗時間下設備處于常規的正常應力條件，則這些故障折合時間均可折算成基準環境下的故障時間tZ，具體折合計算過程如表1。

表1 試驗數據折算過程

其中k代表加速時間的加速因子。

將得到的故障時間可以在雙對數坐標紙上進行繪制跟蹤，具體步驟如下。

（1）在試驗發生故障過程后，在事先準備好的故障記錄表中詳細的記錄故障的發生時間，發生次數等信息，待試驗結束后，匯總故障累計發生次數N（t）和計算外推后的累計故障時間t；

（2）計算t時刻的累積MTBF=t/N（t）（注意當此時t過大不能再坐標系中繪制時，可按照一定的比例進行折合繪制）；

（3）將計算出來的值（t，t/N（t））依次在坐標紙上繪制點；

（4）將計算出來的值通過電腦工具進行擬合，按照軟件擬合出了信息，在坐標紙上繪制出一條直線，即為可靠性增長跟蹤曲線；

（5）依據軟件工具，我們還可以對后續的時刻點的MTBF值進行預測。

2）試驗結束后的統計分析

全部的試驗數據在試驗結束和進行整理和分析，在分析中考慮隨機過程，本文建議可利用AMSAA增長模型對增長試驗的試驗數據進行統計分析，并利用試驗數據對產品的增長進行檢驗。

6.2 可靠性增長過程控制

1）提高糾正比

設備的糾正比，體現了在可靠性增長工作中設備的可糾正性。當設備的可靠性不能按規定的增長率進行提高時，這時就需要我們采取一定的措施來提高設備的糾正比，從而促進設備的可靠性增長。

2）提高糾正有效性系數

設備的糾正有效性系數是指，通過糾正措施使得設備的故障得以糾正的效果。在可靠性增長階段，我們在提高糾正比的同時，需一并提高糾正有效性系數，這樣會使得設備的可靠性增長幅度變大，增加設備的可靠性增長潛力。

3）加快FRACAS的運轉速度

在可靠性增長工作中，故障報告、分析及糾正措施系統（FRACAS）的地位舉足輕重。只有加快FRACAS的運轉速度，才能使得設備的可靠性得以加速增長，縮短試驗試驗，快速達到增長目標值。

4）調整計劃增長曲線

在產品的可靠性增長管理中，必須釆取一切措施，努力實現計劃曲線中所規定的既定目標。但當計劃增長曲線在實施中遇到了嚴重問題時，也可以反過來考慮計劃曲線的正確性及可行性，對計劃增長曲線進行合理的調整。

7 結語

本文通過對艦船電子設備的可靠性增長管理、可靠性增長模型、加速可靠性增長試驗、可靠性增長評估等內容進行了研究，通過結合已有標準中的可靠性增長管理方法，提出了加速試驗的觀點，包括加速試驗的條件制定，增長因子的確定等，通過將加速試驗下的失效數據轉換成正常條件下的增長失效數據，依據杜安模型，繪制增長計劃曲線，同時結合已知數據，通過加速可靠性增長模型，對產品進行可靠性評估，進而對產品在增長過程進行合理的跟蹤和控制。有望將該方法應用到工程實際產品中，使設備的故障減少，可靠性提高，帶來直觀的經濟效益和社會價值。