某大型電子系統(tǒng)可靠性指標驗證方法

馬 鋮

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036）

某大型電子系統(tǒng)可靠性指標驗證方法

馬 鋮

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036）

對于大型電子系統(tǒng)而言，進行全系統(tǒng)的可靠性鑒定試驗時，存在試驗?zāi)芰Σ荒軡M足要求的困難；同時，又因為環(huán)境應(yīng)力無法人為控制、系統(tǒng)有效工作時間有限等因素，進行外場可靠性定量評估又存在欠試驗的風險。針對某大型電子系統(tǒng)，通過將部分已定型設(shè)備置于試驗箱外的方式對其進行了可靠性鑒定試驗，并運用貝葉斯方法對其外場可靠性進行了定量的評估。結(jié)果表明，其基本可靠性和任務(wù)可靠性滿足合同規(guī)定的指標要求，從而證明了該方法的有效性，對于大型電子系統(tǒng)的可靠性指標驗證具有一定的借鑒意義。

大型電子系統(tǒng)；可靠性指標驗證；任務(wù)可靠性；貝葉斯方法

0 引言

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化裝備的功能越發(fā)強大，電子系統(tǒng)的組成設(shè)備的數(shù)量越來越多，交聯(lián)關(guān)系和功能性能測試越發(fā)復(fù)雜，而用戶對其可靠性水平的要求也逐步地提高[1]，因此，如何對其可靠性指標進行驗證成為了一個愈加突出的問題。本文介紹了對某大型電子系統(tǒng)的可靠性指標進行驗證的方法，希望能夠?qū)窈蟮拇笮碗娮酉到y(tǒng)的可靠性指標驗證起到一些借鑒作用。

1 某系統(tǒng)的可靠性指標驗證難點

某大型電子系統(tǒng)由數(shù)個分系統(tǒng)組成，包含十余個設(shè)備機柜、計算機臺位和幾十臺設(shè)備（套），研制廠家眾多，接口關(guān)系和設(shè)備交聯(lián)關(guān)系極其復(fù)雜，其可靠性指標既有基本可靠性指標又有任務(wù)可靠性指標，隨著項目的進展，如何對此大型電子系統(tǒng)的可靠性指標進行考核與驗證成為了一個急需解決的問題。

一般而言，對電子產(chǎn)品進行可靠性指標的考核與驗證可以通過以下兩種方式進行。

a）內(nèi)場可靠性鑒定試驗

內(nèi)場可靠性鑒定試驗一般針對產(chǎn)品的基本可靠性指標進行，按照GJB 899A或GJB 1621.8A等國軍標的有關(guān)規(guī)定，利用綜合環(huán)境試驗箱對需要進行可靠性指標驗證的產(chǎn)品施加溫度、濕度、振動、電應(yīng)力及其綜合應(yīng)力來模擬受試設(shè)備的具體使用環(huán)境，按照預(yù)先確定的統(tǒng)計試驗方案，根據(jù)試驗時間和受試設(shè)備的責任故障數(shù)來對產(chǎn)品的基本可靠性指標進行驗證。

b）外場可靠性（定量）評估

外場可靠性（定量）評估是通過將產(chǎn)品在實際的使用環(huán)境中進行使（試）用，然后利用產(chǎn)品在實際的使用環(huán)境中出現(xiàn)的故障和實際的工作時間對產(chǎn)品的基本可靠性指標與任務(wù)可靠性指標進行評估的方法。

但是，對于本系統(tǒng)而言，進行內(nèi)場可靠性鑒定試驗或外場可靠性定量評估都存在一些困難。

a）系統(tǒng)內(nèi)場鑒定試驗的難點

本系統(tǒng)的組成設(shè)備眾多，若全系統(tǒng)均進行可靠性鑒定試驗，則大量的機柜、臺位所占的空間會超出綜合試驗箱的容積或振動臺面的面積。供該系統(tǒng)進行可靠性指標驗證試驗使用的國內(nèi)最大的綜合試驗箱的內(nèi)部容積約為10 m3，在一個試驗室內(nèi)最多可采用4箱聯(lián)合試驗，但也不足以將整個系統(tǒng)乃至是個別分系統(tǒng)的所有設(shè)備裝入試驗箱內(nèi)進行試驗。而且由于本系統(tǒng)的組成設(shè)備多，交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，各個設(shè)備的高低頻連接電纜的數(shù)量繁雜，在綜合試驗箱內(nèi)也很難模擬各個電纜的實際安裝情況。

若考慮系統(tǒng)各個設(shè)備的冗余關(guān)系組成緊縮系統(tǒng)進行試驗，則又需要修改部分軟件和部分設(shè)備之間的接口關(guān)系；而全系統(tǒng)的冗余關(guān)系極其復(fù)雜，既有同類型設(shè)備之間的冗余，又有不同類型設(shè)備之間的冗余，其緊縮比難以確定，也就無法確定緊縮系統(tǒng)試驗時間與全系統(tǒng)試驗時間之間的對應(yīng)關(guān)系[2]。

系統(tǒng)組成設(shè)備的研制單位眾多，并且各個設(shè)備的成熟度不同。既有已經(jīng)在同一平臺或類似平臺定型的設(shè)備，又有已經(jīng)定型但仍然需要改進的設(shè)備，也有為本系統(tǒng)新研制的設(shè)備，還有商用貨架產(chǎn)品。對于已經(jīng)定型的設(shè)備，研制單位對其重新進行綜合應(yīng)力試驗存有顧慮。

b）系統(tǒng)外場可靠性評估的不足

在外場時，系統(tǒng)的使用環(huán)境條件特別是溫度、濕度等受自然環(huán)境的直接影響，而系統(tǒng)內(nèi)包含諸多的新研設(shè)備、研制改進設(shè)備和商用設(shè)備，在有限的使（試）用時間內(nèi)，這些成熟度較低或未經(jīng)鑒定的商用產(chǎn)品很難充分地遍歷到所有的合同規(guī)定的極端溫度、濕度甚至是電應(yīng)力環(huán)境，使其在使（試）用時承受的綜合應(yīng)力偏小，最終造成對其驗證不夠充分。同時，由于外場的使用環(huán)境幾乎不能人為地控制，所以有些環(huán)境應(yīng)力所激發(fā)的故障不易復(fù)現(xiàn)，對于故障的確認與分析有一定的困難。

外場可靠性評估工作一般需要和其他工作并行開展，易受干擾，而且受安裝平臺工作方式的限制，不能連續(xù)地進行，造成系統(tǒng)的有效工作時間有限，樣本量偏少；而系統(tǒng)可靠性指標的要求較高，在有限的評估期間內(nèi)可能無法直接得出系統(tǒng)的可靠性指標是否合格的結(jié)論。

2 某系統(tǒng)的可靠性指標驗證

通過對某大型電子系統(tǒng)的特點及其進行可靠性指標驗證的難點進行綜合分析，最終確定了該大型電子系統(tǒng)的可靠性指標驗證方法，具體的內(nèi)容如下所述。

a）對系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)分別進行可靠性鑒定試驗，對分系統(tǒng)的基本可靠性指標進行驗證。對于分系統(tǒng)中的新研設(shè)備及定型但為研制改進的設(shè)備，將其均安裝在綜合應(yīng)力試驗箱內(nèi)進行試驗；對于已設(shè)計定型的設(shè)備，則將該設(shè)備定型時的試驗剖面與本系統(tǒng)可靠性試驗的試驗剖面進行比較，若其應(yīng)力低于本次試驗所施加的應(yīng)力，則將其放入試驗箱內(nèi)進行試驗；對于成熟的商用產(chǎn)品，將每類產(chǎn)品根據(jù)一定的比例放入試驗箱內(nèi)進行試驗。除放入綜合試驗箱內(nèi)的設(shè)備外，分系統(tǒng)的其余設(shè)備將在試驗箱外進行試驗。

b）各個分系統(tǒng)完成可靠性鑒定試驗后進行全系統(tǒng)的外場可靠性評估，對全系統(tǒng)在實際使用環(huán)境下的基本可靠性指標和任務(wù)可靠性指標進行評價。若外場評估的時間/樣本足夠，則可以通過可靠性鑒定試驗評估方法[3]進行評估；若外場評估的時間/樣本不足，則可以通過Bayes方法[4]進行評估，具體的做法為:將分系統(tǒng)的可靠性鑒定試驗數(shù)據(jù)作為驗前信息，評估期間的數(shù)據(jù)作為現(xiàn)場試驗信息，將兩者進行相容性分析，若相容則將其進行擬合之后得出等效試驗信息，最終推算出該系統(tǒng)的可靠性指標的置信下限值。

c）根據(jù)分系統(tǒng)可靠性鑒定試驗得出分系統(tǒng)的MTBF置信下限值，利用系統(tǒng)的基本可靠性模型估算系統(tǒng)計算基本可靠性指標，將全系統(tǒng)的外場可靠性定量評估所得到的基本可靠性和任務(wù)可靠性置信下限值與系統(tǒng)的可靠性指標要求進行比較，得出系統(tǒng)可靠性指標實際是否達到合同要求的結(jié)論。

按照以上方法，既對新研及研制改進等未經(jīng)實際使用或驗證的設(shè)備通過分系統(tǒng)可靠性鑒定試驗來施加極限的綜合應(yīng)力，進行了較為充分的試驗；又通過全系統(tǒng)的外場可靠性評估對裝機電纜、接口等在分系統(tǒng)可靠性鑒定試驗中無法充分驗證的要素進行了驗證，可以較為全面地對系統(tǒng)的可靠性指標進行驗證。

經(jīng)過幾個月的時間，各個分系統(tǒng)均通過了可靠性鑒定試驗，各個分系統(tǒng)除已經(jīng)在相同的平臺上進行定型的設(shè)備外，基本上都經(jīng)受了極限綜合應(yīng)力的考驗，對于其中出現(xiàn)故障的設(shè)備，也進行了閉環(huán)處理，進一步地提高了其可靠性水平。而在數(shù)月外場使（試）用結(jié)束后，通過可靠性鑒定試驗評估方法對系統(tǒng)的基本可靠性進行定量評估，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的基本可靠性達到了合同指標要求。

在使（試）用期間，該系統(tǒng)雖然未出現(xiàn)嚴重及致命性故障，但因系統(tǒng)的總有效工作時間較短，外場可靠性評估無法按照可靠性鑒定試驗評估方法進行，因此，采用Bayes方法對任務(wù)可靠性進行了定量評估。

在系統(tǒng)層面的任務(wù)可靠性模型中，各個分系統(tǒng)的功能相互獨立，為串聯(lián)模型，雖然在可靠性鑒定試驗中未能驗證分系統(tǒng)之間的接口和連接電纜的可靠性，但在后續(xù)的外場可靠性評估過程中，分系統(tǒng)之間的設(shè)備接口的可靠性得到了驗證，雖然出現(xiàn)了與電纜有關(guān)的故障，但不是嚴重及致命性故障，因此，可以運用分系統(tǒng)試驗的驗證值并通過系統(tǒng)可靠性模型和試驗中的故障嚴酷度來擬合出全系統(tǒng)的驗前信息（t驗前信息，r驗前信息），具體的方法如下所述。

首先，將外場可靠性（定量）評估中得到的系統(tǒng)有效工作時間和嚴重及致命性故障數(shù)作為試驗信息現(xiàn)場試驗信息（t試驗信息，r試驗信息），對驗前信息（t驗前信息，r驗前信息）與現(xiàn)場試驗信息（t試驗信息，r試驗信息）進行相容性分析，即根據(jù)雙邊區(qū)間估計計算公式進行統(tǒng)計顯著性檢驗，即:

式（1）中:α——顯著性水平，取值為0.1。

其次，運用GB/T 4086.2[5]計算出公式（1）所示的區(qū)間，若驗前信息的比值r驗前信息/t驗前信息落入該區(qū)間內(nèi)，則接受相容性假設(shè)，可以用驗前信息進行計算；若不在該區(qū)間內(nèi)，則拒絕相容性假設(shè)，舍棄驗前信息。

然后，系統(tǒng)通過相容性檢驗后，按照下式來綜合現(xiàn)場試驗信息（t試驗信息，r試驗信息）和驗前信息（t驗前信息，r驗前信息），得到等效的試驗信息:

最后，得出系統(tǒng)的可靠度（單邊置信下限值）:

式（3）中:α——單邊置信下限；

t——任務(wù)時長。

評估結(jié)果表明，其任務(wù)可靠度遠遠地超過了合同規(guī)定的要求，證明了該系統(tǒng)達到了合同規(guī)定的任務(wù)可靠性指標要求。

3 結(jié)束語

目前，該大型電子系統(tǒng)已通過了設(shè)計定型并投入使用，且系統(tǒng)在使用過程中可靠性表現(xiàn)良好，達到了合同規(guī)定的指標要求，也從側(cè)面證明了該可靠性指標驗證方法的有效性，但該方法也有一些局限性，主要包括以下幾點。

a）當還需要進行外場使（試）用時，對于因設(shè)備的體積或數(shù)量等原因而難以將全數(shù)設(shè)備投入試驗的系統(tǒng)，可按照其各個設(shè)備是否已經(jīng)在同一或類似平臺定型及失效危害度大小等原則來綜合地考慮將部分設(shè)備放置在綜合試驗箱外參與試驗。但是，如果后續(xù)不進行外場使（試）用，那么將部分設(shè)備放置在綜合試驗箱外參與試驗勢必會造成欠試驗。

b）任務(wù)可靠性指標的驗證一般依靠外場可靠性評估進行，但是，由于外場可靠性評估需要和其他工作并行開展，因而很難保證試驗時間/樣本達到進行任務(wù)可靠性指標驗證需要達到的有效試驗時間/樣本，此時可以采用Bayes方法利用驗前信息對其任務(wù)可靠性進行定量的評估，但必須進行相容性分析，有舍棄先驗信息的可能性。

[1]時鐘，何宗科，李勁，等.緊縮系統(tǒng)可靠性試驗方案仿真設(shè)計論證[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2013，30（3）:53-56.

[2]丁定浩.對緊縮系統(tǒng)可靠性試驗的商榷[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2013，31（6）:1-4.

[3]桑毅，隆萍，劉興莉.工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性評估方法探討[J].自動化與儀器儀表，2011（1）:122-123.

[4]李寧.航天器產(chǎn)品可靠性指標驗證方法探究[J].可靠性工程管理，2011，29（6）:1922.

[5]全國統(tǒng)計方法應(yīng)用標準化技術(shù)委員會.統(tǒng)計分布數(shù)值表分布:GB/T 4086.2-1983[S].北京:中國標準出版社，1983.

Reliability Index Verification Method of a Large-scale Electronic System

MA Cheng
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For large-scale electronic systems，it is difficult to make the test capability meet the requirements when conducting the reliability qualification test for the whole system.At the same time，due to the factors that the environmental stresses can not be artificially controlled and the effective working time of the system is limited，there is a risk of under test in the external field reliability quantitative assessment.Aiming at a large-scale electronic system，its reliability qualification test is carried out by placing some confirmed devices outside the test chamberand its external field reliability assessment is conducted with Bayesian method，the results show that the basic reliability and mission reliability meet the contract requirements.Therefore，the effectiveness of the method is proved，which has certain reference significance for the reliability index verification of large-scale electronic systems.，

large-scale electronic system；reliability index verification；mission reliability；Bayesian method

TB 114.3

A

：1672-5468（2017）02-0015-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.004

2016-09-12

馬鋮（1978-），男，新疆烏魯木齊人，中國西南電子技術(shù)研究所工程師，主要從事電子產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性方面的研究工作。