可靠性工程

衡量系統可靠性有三個重要指標。①保險期：系統建成后能有效地完成規定任務的期限，超過這一期限系統可靠性就會逐漸降低。②有效性：系統在規定時間內能正常工作的概率。概率的大小取決於系統故障率的高低、發現故障部分的快慢和故障修復時間的長短。③狹義可靠性：由結構可靠性和性能可靠性兩部分組成。前者指系統在工作時不出故障的概率，後者指系統性能滿足原定要求的概率。

系統可靠性不能僅僅依靠對系統的檢驗和試驗來獲得，還必須從設計、製造和管理等方面加以保證。首先，設計是決定系統固有可靠性的重要環節，製造部門力求使系統達到固有的可靠性，而管理則是保證系統的規劃、設計、試驗、製造、使用等階段都按科學的程序和規律進行，即對整個系統研製實行嚴格的可靠性控制。

用來定量描述系統可靠性的數學工具。常用的度量指標主要有可靠度、故障率、平均無故障工作時間和平均故障修復時間等。①可靠度R()：系統在規定工作時間內無故障的概率。如數字電壓表工作 24小時的可靠度為0.9,即意味著多次抽取一定數量的該產品樣品，在規定條件下工作24小時，平均有90%能保持全部產品性能處於有效的工作狀態。相應地，系統在時間內發生故障的概率用F()表示，稱為不可靠度，與可靠度R()的關係為R()=1-F()。②故障率λ：系統工作到 時刻時單位時間內發生故障的概率。系統在正常工作狀況下，其故障率趨於穩定，可靠度與故障率的關係為R()=。③平均無故障工作時間：系統在相鄰兩次故障間隔內有效工作時的平均時間。④平均故障修復時間：系統出現故障後到恢復正常工作時的平均時間。

可靠性工程的具體工作步驟為：①通過試驗或使用，發現系統在可靠性上的薄弱環節；②研究分析導致這些薄弱環節的主要內外因素；③研究影響系統可靠性的物理、化學、人為的機理及其規律；④針對分析得到的問題原因，在技術上、組織上採取相應的改進措施，並定量地評定和驗證其效果；⑤完善系統的製造工藝和生產組織。

在影響系統可靠性的主要問題得到解決后，再採用上述步驟解決一些次要的薄弱環節。可靠性工程實質上是對影響系統可靠性的薄弱環節的不斷發現和不斷改進的過程。為了提高系統的可靠性，從而延長系統的使用壽命，降低維修費用，提高經濟效益，在系統規劃、設計、製造和使用的各個階段都要貫徹以可靠性為主的質量管理。

可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。產品的可靠性與外界環境的應力狀態和對產品功能的需求密切相關。理解產品的可靠性需要從兩個角度出發，其一是按照產品的層次結構理解可靠性，其二是按照產品的全壽命周期理解可靠性。按照產品的層次結構理解可靠性是指需要根據產品各層次特點開展相應的可靠性工作；按照產品的全壽命周期理解可靠性是指在需求分析、總體設計、分項設計和生產、試驗、使用、維修維護等過程都需開展相應的可靠性工作。

產品的可靠性是設計出來的，生產出來的，管理出來的。可靠性工程是為了達到系統可靠性要求而進行的有關設計、管理、試驗和生產一系列工作的總和，它與系統整個壽命周期內的全部可靠性活動有關。可靠性工程是產品工程化的重要組成部分，同時也是實現產品工程化的有力工具。利用可靠性的工程技術手段能夠快速、準確地確定產品的薄弱環節，並給出改進措施和改進后對系統可靠性的影響。可靠性工程具體如下圖1所示。產品在需求分析階段、設計階段、工程研製階段和生產製造階段都需開展一定的可靠性設計分析、管理、試驗工作。開展的時機和推薦開展的項目如下表所示：

按照產品的層次結構，產品的系統層次、裝置層次、部件層次和零件層次都分別有相應的可靠性工作內容，即產品不同層次的可靠性影響因素和薄弱環節各有特點，需要分別開展相應的可靠性設計、管理、試驗工作項目解決。總師和項目管理者需要在產品的工程化角度把握可靠性工程的開展和實施。影響器件可靠性的主要因素包括器件的種類和數量、器件的額定工作電參數和電應力、額定工作溫度和環境溫度、元器件的質量等級和品質保證等級，器件的降額特性和熱敏感特性，器件的儲存可靠性；影響部件可靠性的主要因素包括器件本身的可靠性與器件相互影響，主要需要考慮的因素為熱分析、電磁兼容、耐環境、信號完整性、潛通路和工藝工裝；影響裝置可靠性的主要因素包括部件之間的相互影響和結構、工藝、連接；影響系統可靠性的主要因素包括冗餘設計、人機工程和系統可靠性設計。

建立可靠性工程體系，開展和實施可靠性工程是產品高可靠性的必要條件，可靠性設計分析是可靠性工程的基礎，可靠性設計水平差的產品可靠性必然低；可靠性的設計需要可靠性管理，可靠性管理是開展可靠性設計的技術管理保證和組織結構保證；設計出的產品在生產階段難免引入“瑕疵”，需要可靠性試驗“暴露”。

在需求開發階段，要明確用戶的可靠性需求，將用戶的可靠性需求轉化為明確的可靠性設計指標要求值；通過繪製可靠性框圖和建立可靠性模型，對系統可靠性進行評估，並確定系統失效判定準則，明確返修的依據，並根據返修率調整售後服務策略。

在總體設計階段，需利用可靠性分配，將總體的可靠性指標值逐層分解，轉化為各裝置、的可靠性設計指標要求值，同時通過每個裝置選用器件的大致種類、數量和使用條件進行可靠性預計，得出每個裝置的基本可靠性設計值大致範圍。可靠性分配結合可靠性預計確定每個裝置的可靠性設計要求值。同時，在總體設計階段需要建立可靠性工作組織和明確後續構建階段、實現階段和產品交付用戶后，需要開展的可靠性設計分析、管理和試驗工作項目，保證各裝置的可靠性設計指標能夠達到設計指標要求值。

在構建階段，需將裝置的可靠性設計指標要求值分配到各部件，形成各部件可靠性設計指標要求值。分配需要結合預計的結果，最終得到相對合理的各部件可靠性指標設計要求值。

詳細設計階段是分別開展器件級別、部件級別、整件級別、裝置級別和系統級別的可靠性設計分析、可靠性試驗和管理活動，確保產品各級設計可靠性指標達到可靠性指標要求值。元器件級的可靠性設計方法包括器件的選擇與使用、降額設計、器件面向使用電應力設計和失效機理分析；電路的可靠性設計方法包括簡化方案，避免片面追求高性能指標和過多的功能，合理劃分軟硬體功能和合理的元器件使用，綜合熱設計、容差與漂移設計、電氣互連的可靠性設計、機械防振設計、氣候環境防護設計、電磁兼容設計、工藝工裝設計和對外協的要求。裝置和系統的可靠性設計包括簡化設計、冗餘設計、熱設計、環境防護設計、抗衝擊、振動、嗓聲設計、健壯設計、安裝設計、原材料、零部件、元器件選用設計、包裝、存儲、裝卸和運輸設計、系統可靠性評估。各級系統除開展可靠性設計外，還需進行可靠性統計分析，確定各級系統的薄弱部位和關重件，外界條件敏感環節，設計改進措施/建議和改進后的效果。

產品定型后可靠性的提升將非常有限。根據產品研發的過程，可靠性工程的總體流程圖如下：

產品可靠性工程的基礎是用於開展可靠性具體設計分析工作的基礎資料庫，基礎資料庫是設計經驗的匯總，需要導入專家的意見和設計經驗。基礎資料庫的完備與否直接決定了開展可靠性設計分析工作的水平。產品的高可靠性不是一次達到的，是漸次逼近的過程。需要注意，開展可靠性工程並不能直接使產品具有高可靠性，可靠性工程是產品高可靠性的思路、手段、途徑和制度保證。可靠性工程，是採購、研發、倉儲、運輸、質量、管理多個職能部門共同工作的結果，在任一個環節措施不當，都可能引入產品失效的隨機過程。例如，研發人員應對產品採購提供技術支持，對器件的生產年限、採購渠道、工藝特性、包裝要求和驗收準則提出明確具體的要求；研發人員根據器件在儲存條件下的失效過程提出器件的存儲要求。

可靠性是產品質量諸多特性中的專門特性之一，產品的專門特性還包括維修性，可靠性工程的開展需要與維修性相互協調，協調的標準是總費用與可用度的權衡。

目前，無論國內外和軍品、民品，可靠性工程都有了一定程度的積累，並形成了很多標準，企業需要根據自己產品的特點結合打造精益研發流程和管理流程的目標要求，結合現有公司的資源和成果物系統布局，從中吸取有價值的工具、方法、流程和模板，打造適合本企業業務特點的可靠性工程體系。

徠在科學實驗、生產實踐及日常生活各個方面，可靠性理論都具有重大意義。可靠性理論又分成了三個重要領域或三個獨立學科。

(1)可靠性數學。可靠性數學是研究可靠性的理論基礎。它著重研究解決各種可靠性問題的數學方法及數學模型，研究可靠性的定量問題。主要數學手段有概率論、數理統計、隨機過程、運籌學、拓撲學等數學分支，應用於數據收集、數據分析、系統設計及壽命實驗中。

(2)可靠性物理。可靠性物理又稱為失效物理。它從機理方面、失效本質方面研究產品的不可靠因素，研究失效的物理原因與數學物理模型、檢測方法及糾正措施等，如研究機械零件的疲勞損傷、裂紋的形成和擴展規律等，從而為研製、生產高可靠性產品提供理論依據。

(3)可靠性工程。可靠性工程是指為了達到產品可靠性要求而進行的有關設計、試驗和生產等一系列工作。可靠性工程包括對零件、部件、裝備和系統等產品的可靠性數據的收集、分析，可靠性設計、預測、試驗、管理、控制和評價，是系統工程的重要分支。

可靠性工程的基本任務概括起來就是：確定產品可靠性和獲得產品可靠性。在時間上，這兩個基本任務是相互穿插在一起的。確定產品可靠性就是通過各種途徑，如各種預計、試驗、系統分析等來確定產品的失效機理、失效模式以及各種可靠性特徵量的數值或範圍等。獲得產品的可靠性就是通過產品的壽命循環期(包括僅存在於意識、圖紙、計劃、公式中的“虛”的產品時期和從產品生產、出廠到報費為止的“實”的產品時期)，即從構思、審查、研製、生產、使用、維修等一系列活動中的各種獲得並提高可靠性的各項措施，得到最優化的可靠性。

可靠性是衡量產品保持其功能的能力。喪失了功能就是發生了故障。研究可靠性實際上是從研究故障著手的。一切可靠性活動都是圍繞故障展開的，都是為了防止、消除和控制故障的發生。一切可靠性投資都是為了提高產品可靠性，降低可靠性方面的風險。所以，對在研製、試驗和使用過程中出現的故障，一定要抓住不放，充分利用故障信息去分析，評價和改進產品的可靠性。

產品可靠性工程可分為以下三部分：

(1)可靠性管理。它包括制訂可靠計劃和其他可靠性文件，如可靠性標準等，對供應廠的可靠性監督，計劃評審，建立失效報告、分析和改進系統，建立失效評審委員會，收集可靠性數據和進行可靠性教育等。

(2)可靠性設計。它包括建立可靠性模型，進行可靠性分配、可靠性預計和各種分析(失效模式、影響及後果分析、失效樹分析、潛在通路分析、容差分析、貯備分析、功能試驗、儲存、裝卸、包裝、運輸及維修的影響分析，並提出必要的對策)，以及部件選擇和控制，確定可靠性關鍵部件等。

(3)可靠性試驗。包括環境應力篩選試驗，可靠性增長試驗，可靠性鑒定試驗，可靠性驗收試驗等。

事實上，還有許多內容可作為可靠性工程的分支或與可靠性工程有關的邊緣學科。例如由組成系統的單元可靠性出發研究系統可靠性問題的系統可靠性；專門研究可靠性工程數學基礎的可靠性數學；專門研究機械結構可靠性問題的機械工程概率設計；研究在人一機系統中，人為因素造成的系統失效及對策的人機工程也與可靠性工程有關；還有研究軟體故障及對策的軟體可靠性等。

可靠性工作應該貫穿於產品壽命的全過程，它與產品的設計、製造、使用、維護、管理、人員因素和環境狀況密切相關。設計、製造決定了產品的“固有可靠性”，使用、維護則能保持“使用可靠性”。因此，為提高產品的可靠性，需採取綜合性措施。

可靠性工作主要包括可靠性工程技術與可靠性管理兩個方面。一切可靠性工程技術活動都應在可靠性管理之下去規劃、組織、協調、控制與監督。因此，可靠性管理在可靠性活動中應處於領導與核心地位。