曹國震，彭寒，徐繼偉

（1.西安航空學(xué)院，西安710077；2.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710072；3.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072）

高可靠計(jì)算機(jī)MFOP的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

曹國震1，彭寒2，徐繼偉3

（1.西安航空學(xué)院，西安710077；2.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710072；3.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072）

針對傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中所受質(zhì)疑，提出了用MFOP進(jìn)行計(jì)算機(jī)高可靠設(shè)計(jì)的思路。首先，論述了計(jì)算機(jī)提高M(jìn)FOP的通用和專用設(shè)計(jì)方法，其次，在加速系數(shù)不明確的情況下，針對高可靠計(jì)算機(jī)提出了基于加速驗(yàn)證試驗(yàn)方案的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。再次，在加速系數(shù)明確的情況下，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)將MFOP驗(yàn)證過程轉(zhuǎn)化為二項(xiàng)分布的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證過程。最后，通過兩個算例對驗(yàn)證方法進(jìn)行了說明。

無維修使用，可靠性設(shè)計(jì)，加速試驗(yàn)

0 引言

計(jì)算機(jī)是信息社會的重要載體和工具，計(jì)算機(jī)可靠性與信息處理和交互密切相關(guān)，是計(jì)算機(jī)研究的一個重要分支。傳統(tǒng)可靠性工程定義計(jì)算機(jī)的可靠性指標(biāo)是MTBF，即平均故障間隔時間），例如戴爾全新一代Vostro臺式機(jī)的MTBF達(dá)500 000 h。但MTBF意味著在設(shè)計(jì)過程中對故障與失效難以建立確切的關(guān)系，難以規(guī)避故障導(dǎo)致的失效；在驗(yàn)證過程只關(guān)注計(jì)算機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下和規(guī)定時間內(nèi)的故障數(shù)，認(rèn)為計(jì)算機(jī)的故障具有隨機(jī)性且不可避免，只要故障數(shù)未超出范圍，就可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造原因引起的故障不會被追溯到最終根源。顯然，在需要高可靠計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域，例如航天工業(yè)等領(lǐng)域的部分計(jì)算機(jī)，僅僅按MTBF進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證并非最優(yōu)方式。

在國際上，鑒于對傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)的質(zhì)疑，在歐洲開始用無維修使用期（MFOP）取代原先的MTBF。MFOP是產(chǎn)品能夠完成規(guī)定任務(wù)的使用周期。在該周期內(nèi)，除少量必要的計(jì)劃維修，無需任何多余的維修活動，也沒有因系統(tǒng)故障或性能降級導(dǎo)致對用戶的使用限制，將產(chǎn)品的維修需求保持在最低限度。因此，本文研究MFOP在高可靠計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，包括MFOP的設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證方法兩方面。

1 高可靠計(jì)算機(jī)MFOP的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)通用的可靠性設(shè)計(jì)方法包括來料的選控、降額使用、PCB的布局設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、參數(shù)容差等，這些設(shè)計(jì)方法原理簡單，應(yīng)用成熟廣泛，都能提升計(jì)算機(jī)的可靠性水平。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對計(jì)算機(jī)的MFOP提升，可采用以下專用設(shè)計(jì)方法。

1.1 采用狀態(tài)監(jiān)控，故障診斷和故障預(yù)測設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)影響計(jì)算機(jī)MFOP的主要方式是對于計(jì)算機(jī)運(yùn)行中的故障監(jiān)控、識別和判斷，對不影響使用的故障可免維修，對某些故障采取自動修復(fù)措施，從而提高計(jì)算機(jī)的MFOP。故障預(yù)測設(shè)計(jì)通過對計(jì)算機(jī)參數(shù)或狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、綜合分析的基礎(chǔ)上預(yù)測計(jì)算機(jī)即將發(fā)生故障或失效進(jìn)行健康管理，讓計(jì)算機(jī)保持安全狀態(tài)。例如對CPU的溫度進(jìn)行監(jiān)測并在溫度接近安全限制時自動啟動降溫措施。

1.2 引入余度和容錯設(shè)計(jì)

余度設(shè)計(jì)應(yīng)用不止一個單元完成相關(guān)功能，也使得計(jì)算機(jī)在所有余度單元失效之前，不必進(jìn)行維修工作。容錯設(shè)計(jì)是指允許操作人員發(fā)生錯誤操作或計(jì)算機(jī)本身具有吸收或容忍故障的設(shè)計(jì)方法。

1.3 可重構(gòu)性設(shè)計(jì)

可重構(gòu)性設(shè)計(jì)指在計(jì)算機(jī)中通過模塊化和可移植性實(shí)現(xiàn)模塊的重復(fù)利用，以降低維修工作量或免除維修。

1.4 故障軟化設(shè)計(jì)

軟化設(shè)計(jì)故障能使計(jì)算機(jī)的故障不影響功能或性能的實(shí)現(xiàn)或者能讓故障消除，例如利用“看門狗”電路將進(jìn)入死循環(huán)的單片機(jī)復(fù)位，從而軟化了故障造成的失效。

1.5 可接受的任務(wù)降級設(shè)計(jì)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)往往并非實(shí)現(xiàn)單一功能，如果能夠在設(shè)計(jì)時使各種功能相對獨(dú)立、互不干擾，在某些場合，部分功能的失效并影響該計(jì)算機(jī)當(dāng)前時段的使命，則可以進(jìn)行降級使用，從而也可以免除部分維修工作。

2 高可靠計(jì)算機(jī)MFOP的可靠性驗(yàn)證

傳統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)只要發(fā)生故障則進(jìn)行記錄且維修整改。而MFOP的驗(yàn)證試驗(yàn)中，產(chǎn)品的故障只要不影響功能和性能，或者功能和性能沒達(dá)到必須采用維修措施的地步，則不記為失效且不進(jìn)行維修，如計(jì)算機(jī)的電源故障，只要有備份電源可使用則不進(jìn)行維修，且認(rèn)為尚未達(dá)到無維修使用期。

MTBF的試驗(yàn)室可靠性驗(yàn)證將計(jì)算機(jī)置于模擬使用環(huán)境下進(jìn)行周期性的觀測，通過預(yù)設(shè)的試驗(yàn)方案判定計(jì)算機(jī)的MTBF是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于MTBF的驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)J(rèn)了計(jì)算機(jī)的故障發(fā)生的隨機(jī)性，可以用多臺計(jì)算機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時間代替一臺計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時間，能夠節(jié)省大量試驗(yàn)時間和試驗(yàn)費(fèi)用。而MFOP指標(biāo)不認(rèn)可計(jì)算機(jī)故障發(fā)生的隨機(jī)性，則計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)時間不能進(jìn)行累計(jì)，那么高可靠計(jì)算機(jī)用模擬使用環(huán)境試驗(yàn)必然導(dǎo)致漫長的試驗(yàn)周期和昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用。因此，有必要利用加速應(yīng)力驗(yàn)證試驗(yàn)代替模擬使用環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)。

對所有計(jì)算機(jī)來說，MFOP不認(rèn)可故障發(fā)生的隨機(jī)性，而內(nèi)部每個失效原因并不完全一致，因而又無法找出通用的失效統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即無法對所有計(jì)算機(jī)找到一個完全準(zhǔn)確的壽命分布類。因此，對試驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)處理只能采取非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法。

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)1

在加速系數(shù)不明確時，則通過加速壽命試驗(yàn)方法，通過多組加速應(yīng)力條件下樣機(jī)的失效數(shù)據(jù)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)，對樣機(jī)的MFOP進(jìn)行保守估計(jì)，具體方法如下。

預(yù)設(shè)加速應(yīng)力為S1，S2，…，Sk，且所有應(yīng)力均未超出樣機(jī)的工作極限，使用環(huán)境應(yīng)力為S0，在每組加速應(yīng)力下投入n1，n2，…，nk臺樣機(jī)進(jìn)行可靠性測試，每個應(yīng)力下測試時間預(yù)定為T1，T2，…，Tk，每個加速應(yīng)力下的失效臺數(shù)為r1，r2，…，rk，失效樣機(jī)的失效時間為ti，ti，2，…，ti，k，i=1,2，…，k。該加速應(yīng)力試驗(yàn)可表述為圖1所示。

圖1 加速應(yīng)力試驗(yàn)

下面通過非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行可靠性預(yù)測。

根據(jù)加速模型

其中a和b是待估參數(shù)，那么，根據(jù)最小二乘估計(jì)，可得參數(shù)

即求得MFOP0的保守點(diǎn)估計(jì)值。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2

在加速應(yīng)力的加速系數(shù)μ明確的情況下?？蓪㈩A(yù)定的n個試驗(yàn)樣機(jī)置于相應(yīng)加速應(yīng)力條件下進(jìn)行試驗(yàn)觀測。試驗(yàn)時間為

通過加速因子將加速應(yīng)力和使用應(yīng)力換算，將試驗(yàn)時間Ts等效為使用應(yīng)力下的FFOP0，試驗(yàn)結(jié)束統(tǒng)計(jì)失效樣機(jī)數(shù)r?？梢?，該試驗(yàn)方法可將計(jì)算機(jī)樣機(jī)是否達(dá)到FFOP0轉(zhuǎn)化為二項(xiàng)分布的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)過程。具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程可參考文獻(xiàn)［1］定數(shù)截尾試驗(yàn)表。根據(jù)該表，由客戶提出置信度要求、供應(yīng)方風(fēng)險和客戶方風(fēng)險，在相應(yīng)的鑒別比D下，尋求對應(yīng)的試驗(yàn)方案，方案內(nèi)含有試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量和判決FFOP0達(dá)標(biāo)對應(yīng)的失效樣機(jī)量上限。

若試驗(yàn)樣機(jī)過少或非標(biāo)準(zhǔn)，不滿足定數(shù)截尾試驗(yàn)表的要求，則仍然可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將MFOP是否達(dá)標(biāo)的問題轉(zhuǎn)化為二項(xiàng)分布的參數(shù)P（即MFOP達(dá)標(biāo)的置信度）是否達(dá)標(biāo)的假設(shè)檢驗(yàn)。為簡化該問題的過程，僅考慮客戶方風(fēng)險即可。即對試驗(yàn)樣機(jī)n和失效樣機(jī)r。若訂購方要求風(fēng)險率為q,即需滿足MFOP≥MFOP0的概率不低于P，即

根據(jù)二項(xiàng)分布的定義，即可轉(zhuǎn)化為下式

根據(jù)觀測值

依次就用數(shù)值方法計(jì)算出客戶風(fēng)險q時MFOP≥MFOP0的概率不低于P的失效樣機(jī)判決數(shù)r0。

3 試驗(yàn)仿真及分析

某型車載計(jì)算機(jī)在定型階段要開展的驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，要求MFOP＞40 000 h?，F(xiàn)對該車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)仿真與分析。

3.1 方案1仿真

若在試驗(yàn)前尚不知道樣機(jī)的加速系數(shù)，但已知該計(jì)算機(jī)在溫控室內(nèi)的工作溫度為298 K。根據(jù)計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品的失效與溫度的關(guān)系可得加速模型為阿侖尼斯模型：

其中K0＝0.861 3×10-4ev/°C為波爾茲曼常數(shù)。因此，預(yù)設(shè)加速應(yīng)力條件為溫度，4個溫度加速應(yīng)力條件313 K、323 K、333 K、343 K，分別在這4個溫度條件下放置10臺、10臺、5臺、5臺樣機(jī)進(jìn)行10 000 h、8 000 h、6 000 h、4 000 h的加速試驗(yàn)。預(yù)設(shè)加速方程系數(shù)為

而MFOP的變化范圍為每個應(yīng)力水平下的算數(shù)平均值±30%的均勻分布（對于其余情況的，可按相應(yīng)分布進(jìn)行仿真處理，此處只為仿真過程方便將試驗(yàn)所達(dá)MFOP的數(shù)據(jù)簡化為均勻分布）。在以上情形，用蒙特卡羅方法進(jìn)行1 000次加速試驗(yàn)仿真，根據(jù)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算a和b的算術(shù)平均值。仿真試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 a、b和MFOP的估計(jì)

由仿真結(jié)果可見該計(jì)算機(jī)MFOP的統(tǒng)計(jì)值不低于客戶要求指標(biāo)，但要略低于真值。其原因在于試驗(yàn)時間稍短導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分。這符合工程現(xiàn)狀，即在經(jīng)費(fèi)充足情況下，可進(jìn)行徹底地試驗(yàn)，在和試驗(yàn)周期和經(jīng)費(fèi)有限時，試驗(yàn)結(jié)果帶來的風(fēng)險由計(jì)算機(jī)研制方承擔(dān)。

3.2 方案2示例

若在開始試驗(yàn)時已知加速系數(shù)為10，根據(jù)加速系數(shù)構(gòu)造第2種設(shè)計(jì)方案：試驗(yàn)時間為4 000 h,在擁有30臺受試樣機(jī)情況下，可根據(jù)客戶的需求，參閱文獻(xiàn)［1］中二項(xiàng)分布的定數(shù)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方案，在此不再贅述。

4 結(jié)束語

針對高可靠計(jì)算機(jī)研究的背景，本文在對傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)和MFOP所起的不同作用和影響進(jìn)行比較論述的基礎(chǔ)上，研究了MFOP在高可靠計(jì)算機(jī)研制過程中的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。在設(shè)計(jì)方法的選取上，遵循了通用和專用設(shè)計(jì)方法并舉的思路。而在驗(yàn)證方法上，基于高可靠性這一概念，提出了兩類不同的加速驗(yàn)證方法，并以仿真實(shí)例說明了方法的有效性。本文研究內(nèi)容可為航空航天等領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)高可靠地實(shí)現(xiàn)提供一種優(yōu)選方法。

［1］姜同敏.可靠性與壽命試驗(yàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［2］高憲軍，李德鑫.基于MFOP的軍機(jī)維護(hù)方案研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2008，38（4），29-31.

［3］吳海橋，劉毅.航空維修的新概念：無維修使用期［J］.航空維修，2004（1）：19-20.

［4］茆詩松，王玲玲.加速壽命試驗(yàn)［M］.北京：科學(xué)出版社, 1997.

［5］曹晉華，程侃.可靠性數(shù)學(xué)引論［M］.北京：高等教育出版社,2006.

MFOP Design and Verification of High Reliability Computer

CAO Guo-zhen1,PENG Han2,XU Ji-wei3
（1.Xi’an Aviation Academy，Xi’an 710077，China；2.Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；3.Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

The traditional reliability index is often questioned in the computer design,so this paper put forword a idea of using MFOP for high reliability computer design.First of all，general and special design methods are discussed to improve the MFOP of the computer,secondly,in the case of acceleration coefficient is not clear，this paper presents a non parametric statistical method based on accelerated verification test scheme for high reliability computer.thirdly,in the case of acceleration coefficient isclear，the MFOP verification is conversed to a reliability verification test of binomial distribution through experimental design.Finally，simulation example is illustrated to validate the methods.

MFOP，reliability design，accelerated verification test

TP302.1 TB114.3

A

1002-0640（2015）12-0149-03

2014-12-04

2015-02-07

國家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61201321）

曹國震（1980-），男，陜西榆林人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，信息安全。