基于定時截尾試驗的森林防火機器人MTBF 驗證方法研究

鞏瀟 梁學(xué)修* 王磊 關(guān)永瀚 余嫻

（中國軟件評測中心（工業(yè)和信息化部軟件與集成電路促進中心），北京，100048）

0 引言

機器人產(chǎn)品的可靠性是非常關(guān)鍵的一個產(chǎn)品指標(biāo)，主要是指機器人按照規(guī)定的條件在約定的時間內(nèi)，實現(xiàn)約定功能和性能的能力水平[1-3]。關(guān)于產(chǎn)品可靠性的研究，最早從武器裝備系統(tǒng)開始，經(jīng)過多年的發(fā)展，其涉及的范圍已從最初的電子產(chǎn)品系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)延伸到機器人等機械電氣設(shè)備、軟件系統(tǒng)等[4-5]。平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）是可維修設(shè)備的一項關(guān)鍵綜合穩(wěn)定性參數(shù)，MTBF 指標(biāo)越高，某個時期的平均故障時間越短，這也就說明了系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性、可靠性就越好。而對用戶而言，如果選擇較高可靠性的產(chǎn)品，則其所象征的停機時間和維修費用就相對較低，也能夠獲得不錯的經(jīng)濟效益。所以在軍工、通信、宇航以及機器人等領(lǐng)域，可靠性始終是最被關(guān)注的重要關(guān)鍵因素之一[6-7]。

1 選擇統(tǒng)計方案

本文設(shè)計的森林防火機器人原理樣機如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)包括艙體、外殼保護罩、轉(zhuǎn)盤、底座等。

圖1 森林防火機器人三維模型圖

根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《可靠性鑒定和驗收試驗》（GJB 899A—2009）[8]表A.6 中的標(biāo)準(zhǔn)型定時試驗統(tǒng)計方案簡表（圖2），中國森林防火機器人可靠性評價測試選用了無替換的標(biāo)準(zhǔn)型定時測試方法方案17。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)型定時試驗統(tǒng)計方案簡表

2 設(shè)定加速試驗條件

2.1 溫濕度加速試驗

由于森林防火機器人樣品主要安裝在不同緯度森林環(huán)境中，受環(huán)境溫度、濕度影響較大，因此進行溫濕度加速應(yīng)力試驗。試驗參考Hallberg-Peck 模型。其中，溫度加速因子和濕度加速因子的表達式如下：

2.2 電應(yīng)力加速試驗

由于森林防火機器人產(chǎn)品大多放置于高海拔的森林環(huán)境中，受雷擊、地區(qū)偏遠電力不平衡等因素干擾影響很大，高電應(yīng)力還可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)發(fā)生離子轉(zhuǎn)移、化學(xué)物質(zhì)移動等，從而引起短路、絕緣擊穿短路損壞等。設(shè)備在壓力、流量或頻率等的電應(yīng)力影響下，應(yīng)力值越大、失效速度越快，則設(shè)備壽命也越短，因此可以考慮開展電應(yīng)力加速試驗。電應(yīng)力加速模型使用Eyring 模型，電應(yīng)力加速因子的表達式如下：

2.3 試驗環(huán)境容差

溫度、相對濕度、電壓應(yīng)力容差需分別符合以下規(guī)定：溫度±2℃，濕度±5%RH（相對濕度），電壓±1V。

3 故障判定和分類

在試驗過程中，出現(xiàn)下列任何一種事件即應(yīng)判為故障：

1）被試產(chǎn)品或商品中的部分已喪失了一項或幾項基本功能；

2）商品或產(chǎn)品的部分性能參數(shù)超過商品技術(shù)要求中規(guī)定的范圍；

3）被試產(chǎn)品出現(xiàn)零部件、結(jié)構(gòu)件松動、破碎或損傷等情況。

優(yōu)先依據(jù)森林防火機器人技術(shù)的《故障名錄及分類》判定故障類別，其次按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《可靠性維修性保障性術(shù)語》（GJB 451A—2005）[9]劃分為關(guān)聯(lián)故障與非關(guān)聯(lián)故障。非關(guān)聯(lián)故障指已經(jīng)證實是未按規(guī)定的條件使用而引起的故障；或已經(jīng)證實僅屬某項將不采用的設(shè)計所引起的故障。否則為關(guān)聯(lián)故障。非責(zé)任故障是指非關(guān)聯(lián)故障或事先已經(jīng)規(guī)定不屬某個特定組織提供的產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)故障。否則為責(zé)任故障。

4 故障處理

試驗發(fā)生故障時，應(yīng)填寫可靠性測試故障記錄表及故障分析報告。故障確認(rèn)后，按下面的程序進行故障處理：

1）停止測試，在試驗盒中還原至正常環(huán)境狀態(tài)后，拔出故障產(chǎn)品；

2）產(chǎn)品研發(fā)機構(gòu)與承試機構(gòu)共同對事故項目進行事故統(tǒng)計分析，按照有關(guān)規(guī)定，填報事故統(tǒng)計分析報表；

3）在要求對事故進行重現(xiàn)或調(diào)查前，承試機構(gòu)和項目研制機構(gòu)應(yīng)當(dāng)聯(lián)合開展事故重現(xiàn)或故障調(diào)查；

4）在事故原因明確后，對失效的予以維修，修復(fù)后，可替換因其它元器件損壞造成應(yīng)力超過容許最大額定值的元器件，但不得替換能力雖已下降而不超過最大容限的元器件；在替換元器件確有困難后，為保持試驗的可靠性，經(jīng)使用方批準(zhǔn)，可暫時替換單元或組件；

5）經(jīng)維修后恢復(fù)至可工作狀態(tài)的產(chǎn)品，當(dāng)證明其維修措施有效后，再次投入測試，且將其累計測試日期從出現(xiàn)故障的試驗段的零時起記錄。

5 故障統(tǒng)計

測試流程中，只有責(zé)任故障可以成為判斷被測試商品合格與否的重要依據(jù)。責(zé)任故障應(yīng)當(dāng)按照以下的準(zhǔn)則加以計算：

1）已確認(rèn)是因一個問題造成的，間歇故障則只計為一次故障；

2）當(dāng)可證實多個事故模式由一個因素造成時，該事故計為一個事故；

3）當(dāng)有許多元器件在測試過程中一起失效時，當(dāng)無法證實是某個元器件的失效導(dǎo)致了另一部分失效時，則各個元器件的失效合計為一個單獨的故障；當(dāng)可證實是某個元器件的失效導(dǎo)致的另一部分失效時，則全部元器件的失效合計為一個故障；

4）當(dāng)曾經(jīng)報告過的、由相同因素所造成的故障，因為還沒有真正消除而再次出現(xiàn)時，也應(yīng)當(dāng)與曾經(jīng)報告過的相同故障，合計為一個故障；

5）多次出現(xiàn)于同一地點、同樣性質(zhì)、一樣起因的故障，如經(jīng)研究證實采用改進方法后將不再出現(xiàn)，將多次故障合計為一次故障；

6）在故障檢查和維修階段，如果在被試過程中又出現(xiàn)其它故障且無法判斷其是由原有故障造成的，則可將其作為單一的責(zé)任事件加以統(tǒng)計；

7）試驗時間統(tǒng)計，各個試驗樣品的有效試驗時間之和為總累計試驗時間。

6 MTBF 評估

7 結(jié)束語

本文以森林消防自動化機器人為實驗樣本，通過基于定時截尾的試驗方法，提供了以環(huán)境溫度和電應(yīng)力為基礎(chǔ)檢驗內(nèi)部應(yīng)力的MTBF 標(biāo)準(zhǔn)檢驗方式，并研究了相應(yīng)的故障診斷、故障處理、故障統(tǒng)計方的設(shè)計可靠性水平，進一步明確了其設(shè)計可靠性薄弱環(huán)節(jié)，對于企業(yè)選擇合適的技術(shù)措施提升產(chǎn)品設(shè)計可靠性水平，以及進行對相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計安全性指標(biāo)檢驗，有著很大的理論實用價值和借鑒意義。