文 | 空軍裝備研究院雷達(dá)所 馬志宏 李金國 李 靜 李 慧

內(nèi)外場綜合可靠性試驗(yàn)方法分析與探討

文 | 空軍裝備研究院雷達(dá)所 馬志宏 李金國 李 靜 李 慧

介紹了常規(guī)內(nèi)場試驗(yàn)采用的一些可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，概括總結(jié)了內(nèi)場與外場可靠性分析與評(píng)價(jià)中運(yùn)用的數(shù)據(jù)處理方法，提出了利用內(nèi)場數(shù)據(jù)，收集和分析外場數(shù)據(jù)的信息融合技術(shù)，即內(nèi)外場可靠性綜合分析法，闡述了該技術(shù)方法的相關(guān)研究內(nèi)容，最后通過實(shí)際應(yīng)用指出了計(jì)算的有關(guān)方法和步驟。

內(nèi)外場；可靠性評(píng)價(jià)；信息融合；先驗(yàn)分布；后驗(yàn)分布

引言

目前裝備的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)分為內(nèi)場和外場試驗(yàn)兩部分，但具體運(yùn)用中，內(nèi)場試驗(yàn)和外場試驗(yàn)相互分離，內(nèi)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少利用，外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)大量丟失，數(shù)據(jù)和信息不能共享，同時(shí)目前常規(guī)的方法靠一次性試驗(yàn)驗(yàn)證，受統(tǒng)計(jì)樣本量影響大，內(nèi)場試驗(yàn)時(shí)間短，看不到長期的故障模式，長期故障到外場觀察才能發(fā)現(xiàn)，更改時(shí)又受技術(shù)狀態(tài)控制規(guī)則制約，造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)[1]。

針對(duì)軍用裝備，特別是系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、可靠性高的裝備，對(duì)其可靠性指標(biāo)驗(yàn)證所需周期較長、經(jīng)費(fèi)耗費(fèi)多，開展內(nèi)外場綜合驗(yàn)證方法研究，不僅可縮短評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)可減少評(píng)價(jià)可靠性的試驗(yàn)費(fèi)用，可在短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)可靠性和壽命，但如何充分利用數(shù)據(jù)，完善收集外場數(shù)據(jù)并建立一套相互利用，相互補(bǔ)充的高效的內(nèi)外場綜合可靠性驗(yàn)證方法是目前國內(nèi)研究比較熱的一個(gè)問題。

1.規(guī)內(nèi)場試驗(yàn)方法

常規(guī)內(nèi)場試驗(yàn)方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，美軍標(biāo)主要有MILHDBK-781A(1996)工程研制、鑒定與生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)方法、方案和環(huán)境，MIL-STD-2164A電子設(shè)備的環(huán)境應(yīng)力篩選程序。我國已發(fā)布的有關(guān)可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有GJB 899可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)，GJB 1407可靠性增長試驗(yàn)和GJB/Z 34電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南，GJB/Z 77可靠性增長管理手冊(cè)。按試驗(yàn)任務(wù)不同，上述標(biāo)準(zhǔn)將可靠性試驗(yàn)分為四類，分別推薦了試驗(yàn)方法和技術(shù)，見表1。

可靠性試驗(yàn)方案從研發(fā)時(shí)起，一直把用最短的試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到最大的試驗(yàn)效果（以高置信水平判斷可靠性是否達(dá)標(biāo)）作為制定準(zhǔn)則。將定時(shí)和序貫試驗(yàn)方案進(jìn)行比較，可知定時(shí)試驗(yàn)除第21號(hào)r = 0判決以外，其余定時(shí)方案在相同風(fēng)險(xiǎn)和鑒別比下，期望試驗(yàn)時(shí)間都遠(yuǎn)大于序

表1.靠性試驗(yàn)任務(wù)和試驗(yàn)方法

貫試驗(yàn)方案，所以，條件允許時(shí)應(yīng)盡可能利用序貫試驗(yàn)。美軍國防部指令5000.40曾指定零故障為優(yōu)選驗(yàn)收試驗(yàn)方案。詹姆士等人設(shè)計(jì)了一組完整的零故障試驗(yàn)方案，可供用戶按不同的鑒別比和風(fēng)險(xiǎn)率選用[2]。

2.場可靠性分析與評(píng)價(jià)方法

在內(nèi)場除進(jìn)行常規(guī)的可靠性試驗(yàn)以外，還開展一系列可靠性分析，檢驗(yàn)和應(yīng)力試驗(yàn)等分析與評(píng)價(jià)活動(dòng)，目的是綜合利用各種與產(chǎn)品可靠性有關(guān)的定量、定性信息，評(píng)價(jià)產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的可靠性（固有）要求。

許多產(chǎn)品，諸如導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航空電子等軍用產(chǎn)品，系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴，可靠性要求高，生產(chǎn)量少，難以依靠專門的可靠性試驗(yàn)完成裝備可靠性評(píng)估。通過綜合各種相關(guān)信息，定性、定量結(jié)合，可以更快更好地對(duì)裝備可靠性做出評(píng)價(jià)。

定量評(píng)價(jià)主要是綜合利用各種相關(guān)信息，據(jù)以擴(kuò)大、補(bǔ)充樣本量，作出是否滿足可靠性要求的定量評(píng)價(jià)，主要方法有：

1）借助本系統(tǒng)或相似產(chǎn)品零部件、設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這里相似主要指結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件、功能、任務(wù)剖面、試驗(yàn)條件等方面。

2）盡量采用計(jì)量型試驗(yàn)代替成敗型試驗(yàn)。

3）充分利用中斷試驗(yàn)和無失效試驗(yàn)信息。

當(dāng)某種產(chǎn)品可靠性很高，若等到全部抽試樣件都失效才截止試驗(yàn)，時(shí)間上等不及。這時(shí)，可根據(jù)工程需要，規(guī)定只要試驗(yàn)到規(guī)定任務(wù)時(shí)間的若干倍（如1.5～2倍）即可停止試驗(yàn)，稱這種試驗(yàn)為中斷試驗(yàn)，如全部試件無一失效稱無失效試驗(yàn)，這樣可以利用的信息就大大增加了[3]。

極小樣本無失效數(shù)據(jù)在給定置信水平C = 1-α情況下的置信下限 計(jì)算公式為：

（4）充分利用研制各階段的可靠性分析與試驗(yàn)信息。

3.場可靠性試驗(yàn)方法

對(duì)外場任務(wù)和系統(tǒng)級(jí)可靠性試驗(yàn)在納入裝備內(nèi)外場試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的總體方案（TEMP）后，主要關(guān)注的是設(shè)備級(jí)以上的可靠性數(shù)據(jù)處理方法。因?yàn)樵O(shè)備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)大都是可修復(fù)的，所以這里主要介紹可修系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)處理方法[4]。

可修系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)一般有3種情況，見圖1所示：

1）故障間隔時(shí)間隨著時(shí)間呈加寬趨勢(shì)即可靠性增長狀態(tài)，簡稱“喜型”，用?或R ?表示；

2）故障間隔時(shí)間隨時(shí)間呈縮短趨勢(shì)，即可靠性退化狀態(tài)，簡稱“悲型”，用?或R?表示；

3）故障間隔時(shí)間呈不增不減的常數(shù)故障狀態(tài)，或R-表示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)先辨明是何種狀態(tài)，再用適合該狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具去處理，否則將會(huì)出錯(cuò)。

為防止錯(cuò)用數(shù)據(jù)處理方法，可以將故障修復(fù)過程(F-R)分為兩大類：一類是完全修復(fù)，即壽命獨(dú)立系統(tǒng)(A-I)；另一類是不完全修復(fù)，即壽命持續(xù)系統(tǒng)(A-P)。對(duì)(A-I)系統(tǒng)用時(shí)齊泊松過程(HPP)數(shù)學(xué)模型，對(duì)(A-P)系統(tǒng)用非時(shí)齊泊松過程(NHPP)[5]。處理流程圖見圖2所示：

圖1.障間隔趨勢(shì)目視檢驗(yàn)圖

圖2.障數(shù)據(jù)處理流程圖

4.外場可靠性綜合評(píng)價(jià)方法

內(nèi)外場可靠性綜合評(píng)估法就是根據(jù)產(chǎn)品的可靠性結(jié)構(gòu)即系統(tǒng)與單元間的可靠性關(guān)系、產(chǎn)品的壽命分布模型以及現(xiàn)有的與產(chǎn)品可靠性有關(guān)的所有信息包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)前信息, 利用概率統(tǒng)計(jì)方法針對(duì)產(chǎn)品可靠性的特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷和決策, 包括點(diǎn)估計(jì)、區(qū)間估計(jì)等[6]。它可以在產(chǎn)品研制的任一階段進(jìn)行, 既可以是設(shè)計(jì)階段的可靠性預(yù)計(jì), 也可以是定型階段的可靠性評(píng)估。

目前常用的內(nèi)外場綜合評(píng)價(jià)法是采用Bayes方法，Bayes可靠性評(píng)估方法的特點(diǎn)在于能充分利用各種信息，包括先驗(yàn)信息和試驗(yàn)信息、精確信息和模糊信息，同時(shí)Bayes分析方法程式化, 便于工程人員把握。Bayes方法是一種有效地綜合主觀經(jīng)驗(yàn)信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)定的工具, 在航空領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用?？煽啃栽u(píng)估方法通常將專家經(jīng)驗(yàn)等主觀信息視為先驗(yàn)信息, 通過演繹性的推理過程, 用樣本信息修正先驗(yàn)信息, 然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷[7]。

航空電子產(chǎn)品的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往比較缺乏, 此時(shí),專家意見是一類非常重要的可靠性信息, 需要好好加以利用。本文提出了一種新的Bayes可靠性評(píng)估方法, 該方法回避了從模糊先驗(yàn)信息構(gòu)造先驗(yàn)分布的困難, 有效綜合了模糊先驗(yàn)信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了可信的評(píng)估結(jié)果。

新的貝葉斯方法認(rèn)為可靠性參數(shù)（MTBF或θ，1 /λ）是隨機(jī)變量，它服從某一已知的分布，稱之為先驗(yàn)分布，這個(gè)分布的確定是基于人們的經(jīng)驗(yàn)或感性認(rèn)識(shí)，帶有主觀的信息。然后按照貝葉斯法則，將先驗(yàn)分布與樣本觀察相結(jié)合，形成一個(gè)參數(shù)的新分布，稱為后驗(yàn)分布，后驗(yàn)分布的均值可作為參數(shù)的點(diǎn)估計(jì)[8]。貝葉斯方法的特點(diǎn)就在于有個(gè)先驗(yàn)分布，由于有了這個(gè)先驗(yàn)分布，不需要很大的子樣也可以得到較好的參數(shù)估計(jì)值，這是貝葉斯的優(yōu)點(diǎn)。正是貝葉斯方法的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，吸引了一些可靠性專家，研發(fā)出一些實(shí)用貝葉斯方法評(píng)估現(xiàn)場可更換單元（LRU）的失效率（或MTBF）使之更符合實(shí)際，從而提高部件需求量預(yù)計(jì)精度。

適合泊松分布MTBF的貝葉斯估計(jì)方法見表2所示。

該貝葉斯可靠性綜合估計(jì)法使分析者能利用過去的信息/圖形去“擬合”試驗(yàn)結(jié)果，以獲得當(dāng)前的估計(jì)值。其計(jì)算過程有如下假設(shè)[9]：

1）設(shè)MTBF (θ)為隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)為f (θ)即表 2 中 g (θ)；

2）設(shè)f (θ)為一反T分布；

3）設(shè)θ的先驗(yàn)分布有參數(shù)T (表2中α)和r (表2中β )(其中T為累積試驗(yàn)時(shí)間，r為故障數(shù)。通常以上次試驗(yàn)為根據(jù))。該分布的均值為T / (r -1)；

4）設(shè)追加試驗(yàn)t (表2中T)小時(shí)，有k(表2中f )個(gè)故障，θ的后驗(yàn)分布為又一個(gè)反T分布，有參數(shù)T+t和r+k，該分布的均值為( T+t ) / ( r+k-1)。

5.外場可靠性綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

設(shè)具有參數(shù)MTBF (θ)的某硬件，先驗(yàn)分布為反Γ分布，參數(shù)為T為500，r值為2。繼續(xù)追加試驗(yàn)t到1330h，出現(xiàn)失效數(shù)k=2，后驗(yàn)分布仍為反Γ分布，參數(shù)T與t之和為1830，r與k之和為4。

可直觀看出，采用貝葉斯方法修正后對(duì)MTBF計(jì)算較合理。

6.束語

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)本身, 往往由于價(jià)格昂貴、可靠性高,如導(dǎo)彈、衛(wèi)星和載人飛船等, 因此系統(tǒng)級(jí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少甚至沒有。要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估就必須充分利用內(nèi)外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，通過內(nèi)外場綜合可靠性評(píng)估方法來獲得可靠性數(shù)據(jù)。

貝也斯方法就是充分利用內(nèi)場數(shù)據(jù)，完善收集和分析外場數(shù)據(jù)，利用內(nèi)外場數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，獲得準(zhǔn)確的可靠性數(shù)據(jù)，從而對(duì)裝備的可靠性水平作出正確的評(píng)價(jià)。這種新方法不僅可以縮短評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)時(shí)間，而且還可減少評(píng)價(jià)可靠性的試驗(yàn)費(fèi)用，可在短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)可靠性和壽命，提高武器裝備質(zhì)量，為我國的國防事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

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Analysis and Discussion of Integrated Reliability Evaluation Method of The Internal and External Field Test

This report introduces some reliability evaluation standards in the internal field test and generalizes the method to handle data and to analyze reliability characteristic value in internal and external field test. It puts forward the information fusion technique to collect and analyze external field by means of internal data, namely the integrated evaluation method of the internal and external field test.It elaborates related research review of this integrated evaluation method and finally pointed out the method and steps in practice.

internal and external field；reliability evaluation；information fusion；prophet distribution；posterior distribution

馬志宏（1975～），男，山西朔州人，空軍裝備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)中心，工程師，從事裝備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)與研究工作。