葉 峰

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

當前國際和國內(nèi)相關(guān)可靠性標準中對產(chǎn)品設(shè)計可靠性提出了指標和測試要求，主要偏向目標需求，對于具體的實施和實現(xiàn)方法，并不具備完善的指導(dǎo)作用。目前信號產(chǎn)品在可靠性設(shè)計上還是普遍存在形式符合要求，但實際效果存在差距的現(xiàn)象，主要原因如下。

1）產(chǎn)品開發(fā)實現(xiàn)前缺乏完善的可靠性設(shè)計審核；

2）產(chǎn)品開發(fā)完成后缺乏準確的可靠性測試驗證；

3）產(chǎn)品應(yīng)用過程中缺乏有效的可靠性預(yù)測評估和可維護性手段措施。

產(chǎn)品實際應(yīng)用效果與產(chǎn)品開發(fā)可靠性需求預(yù)期脫節(jié)，產(chǎn)品可靠性、可用性和可維護性不高，研發(fā)投入成本高，產(chǎn)品穩(wěn)定應(yīng)用周期長。針對軌道交通信號產(chǎn)品的可靠性審核和驗證，有必要對產(chǎn)品工作功能性能特點，研究形成完善的設(shè)計實施指導(dǎo)方法和規(guī)范要求。

2 可靠性審核驗證工作內(nèi)容

2.1 可靠性審核

可靠性審核主要是針對產(chǎn)品在設(shè)計方案完成時開展，分為可靠性預(yù)計仿真和可靠性設(shè)計審核，通過可靠性審核，確保產(chǎn)品在設(shè)計階段的可靠性需求設(shè)計和架構(gòu)設(shè)計符合系統(tǒng)可靠性需求和技術(shù)標準，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.2 可靠性驗證

可靠性驗證主要是針對在產(chǎn)品完成設(shè)計和功能樣機試制后開展，驗證產(chǎn)品實現(xiàn)結(jié)果和設(shè)計需求是否一致，分為工作應(yīng)力邊界測試驗證和環(huán)境應(yīng)力邊界測試驗證，通過可靠性測試驗證，確保產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)的功能樣機滿足系統(tǒng)可靠性需求，產(chǎn)品功能和性能余量滿足可靠性指標，為后續(xù)的產(chǎn)品集成設(shè)計和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)，可靠性審核驗證內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品可靠性審核驗證工作內(nèi)容Fig.1 Product reliability audit and verification content

3 可靠性審核方法

在開展可靠性審核前，根據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)定義，確定系統(tǒng)邊界、系統(tǒng)內(nèi)部組成和具體配置，確定可靠性審核的范圍，審核內(nèi)容和方法，如圖2所示。

圖2 可靠性審核工作方法Fig.2 Reliability audit method

3.1 可靠性預(yù)計審核

可靠性預(yù)計審核主要是審核確認產(chǎn)品的可靠性設(shè)計指標、方法和模型驗證是否符合要求，包括可靠性需求定量分析、可靠性分配確認和可靠性模型建立和預(yù)計。

3.1.1 可靠性定量分析

應(yīng)根據(jù)用戶要求或可靠性指標歷史數(shù)據(jù)確定信號產(chǎn)品的可靠性定量要求，并將該要求納入系統(tǒng)定義中?？煽啃远恳笫谴_定產(chǎn)品的可靠性參數(shù)和指標，以便用量化方法評價和驗證產(chǎn)品的可靠性水平?？捎糜诙x可靠性定量要求的可靠性參數(shù)，主要有故障率（λ）、平均故障間隔時間（MTBF）、平均故障間隔距離（MDBF)和可靠度R（t）。

對于地面產(chǎn)品，應(yīng)采用MTBF作為可靠性的定量要求參數(shù)，對于車載產(chǎn)品，可采用MDBF作為可靠性的定量要求參數(shù)。MDBF和MTBF之間可通過除以或乘以平均運行速度進行轉(zhuǎn)換。若用戶提出可靠性定量要求，應(yīng)根據(jù)用戶要求來確定可靠性定量指標。

3.1.2 可靠性分配審核

確定了產(chǎn)品的可靠性指標后，需要將可靠性指標按照產(chǎn)品設(shè)計層級分配，為產(chǎn)品的各個層級提供可靠性設(shè)計目標，同時也確認產(chǎn)品的層級結(jié)構(gòu)是否符合要求，可靠性分配要求如下：

1）可靠性分配對制訂的可靠性定量指標按照系統(tǒng)層次逐步分解，分配到各系統(tǒng)、分系統(tǒng)和單元，可靠性分配可不分配到板卡級；

2）對于已有可靠性指標的產(chǎn)品或使用成熟的產(chǎn)品，不再進行可靠性分配，同時，在進行可靠性分配時，應(yīng)從總指標中剔除這些單元的可靠性值；

3）對于新研產(chǎn)品的可靠性分配，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特點選擇適當?shù)姆峙浞椒?，從而提高分配結(jié)果的合理性和可行性。可靠性分配方法和適用條件如表1所示；

表1 可靠性分配方法Tab.1 Reliability allocation methods

4)可靠性分配是一個迭代的過程。在設(shè)計實現(xiàn)階段，當通過可靠性預(yù)計等分析手段發(fā)現(xiàn)原可靠性分配值不合理時，應(yīng)根據(jù)實際情況對可靠性分配值進行適當調(diào)整；

5)可靠性分配過程和結(jié)果應(yīng)納入產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

3.1.3 可靠性建模預(yù)計

在完成產(chǎn)品的可靠性定量分析和可靠性分配設(shè)計確認后，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計架構(gòu)建立產(chǎn)品可靠性模型，從而預(yù)先評價和計算產(chǎn)品的可靠性?？煽啃越７椒☉?yīng)從表2中選取，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點選擇適當?shù)姆椒ㄟM行建模，如表2所示。

表2 可靠性建模方法Tab.2 Reliability modeling methods

對于信號產(chǎn)品，優(yōu)先采用可靠性框圖（RBD）方法對系統(tǒng)進行建模，可靠性模型為可靠性預(yù)計的基礎(chǔ)，應(yīng)納入到產(chǎn)品的RAM分析報告中。

可靠性預(yù)計是根據(jù)產(chǎn)品可靠性模型對可靠性指標進行定量估計，從而評價是否能夠達到要求的可靠性指標，可靠性預(yù)計分為板級預(yù)計和系統(tǒng)級預(yù)計。

1)對于板級的預(yù)計，應(yīng)采用全串聯(lián)模型計算，所有元器件的故障率相加之和即為板級的故障率?？煽啃灶A(yù)計標準應(yīng)從表3中選取；

表3 可靠性預(yù)計標準Tab.3 Reliability prediction standards

2)對于系統(tǒng)級的預(yù)計，需根據(jù)系統(tǒng)可靠性模型及相應(yīng)的計算方法獲得；

3)對于整機類的產(chǎn)品，若其組成的單元或模塊已有可靠性預(yù)計值，可采用單元或模塊的已知值對系統(tǒng)進行預(yù)計。

可靠性預(yù)計的結(jié)果在一定程度上反映了產(chǎn)品在設(shè)計過程中是否能滿足要求的可靠性指標，若可靠性預(yù)計結(jié)果不符合可靠性定量要求，則應(yīng)評估是否需要修改系統(tǒng)設(shè)計，可靠性預(yù)計的過程和計算結(jié)果應(yīng)納入到產(chǎn)品RAM分析報告中。

3.2 可靠性設(shè)計審核

產(chǎn)品可靠性設(shè)計審核，主要是從產(chǎn)品具體設(shè)計實現(xiàn)措施上開展可靠性審核，主要包括原理設(shè)計審核、設(shè)計仿真審核和故障失效分析審核。

3.2.1 原理設(shè)計審核

信號產(chǎn)品的原理設(shè)計可靠性應(yīng)從器件可靠選型、器件可靠應(yīng)用、EMC設(shè)計、信號完整性、安規(guī)設(shè)計、熱設(shè)計、可生產(chǎn)性設(shè)計、電源可靠性等幾種可靠性技術(shù)維度開展審核。

1)盡量采用標準化設(shè)計，采用成熟的技術(shù)、物料和部件模塊；

2)簡化設(shè)計、降額設(shè)計、熱設(shè)計和物料可靠性設(shè)計；

3)余度/容錯設(shè)計、環(huán)境防護設(shè)計、人機工程設(shè)計等；

4)產(chǎn)品可用性、可維護性設(shè)計和產(chǎn)品故障診斷預(yù)計設(shè)計。

3.2.2 設(shè)計仿真審核

在產(chǎn)品試制生產(chǎn)制造前，還應(yīng)進行可靠性設(shè)計仿真分析，采用各種工程分析軟件，建立相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計仿真模型，分析其在模擬載荷（如熱、電、振動等）下的響應(yīng)和應(yīng)力分布，并通過故障物理等分析方法，確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并進行故障預(yù)計。

可靠性仿真分析項目如表4所示。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點和使用環(huán)境要求選取適當?shù)姆抡娣治鲰椖窟M行分析。

表4 可靠性仿真分析項目Tab.4 Reliability simulation analysis projects

針對可靠性仿真分析得到的系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對其進行評估，若該薄弱環(huán)節(jié)不滿足系統(tǒng)可靠性設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)評估結(jié)果更改系統(tǒng)設(shè)計，可靠性仿真應(yīng)根據(jù)所分析的具體仿真項目編寫仿真分析報告。

3.2.3 故障失效分析審核

故障失效分析是通過系統(tǒng)分析，確定元器件、零部件在設(shè)計和制造過程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影響，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進措施。

1）對于模塊類和單元類產(chǎn)品，F(xiàn)MEA應(yīng)從產(chǎn)品最底層的元器件開始，逐層向上分析，考慮所有元器件可能的故障模式，并確定它們對板級以及最終對系統(tǒng)級的影響；

2）對于整機類的產(chǎn)品，F(xiàn)MEA應(yīng)從單元或模塊級開始，逐層向上分析，考慮所有單元或模塊可能的故障模式，并確定它們對子系統(tǒng)以及最終對系統(tǒng)級的影響；

3）FMEA為定性分析，針對安全相關(guān)產(chǎn)品，需編寫FMEDA分析報告，F(xiàn)MEDA為定量分析，計算系統(tǒng)單點故障的故障率是否滿足系統(tǒng)要求。

4 可靠性驗證方法

可靠性驗證主要驗證產(chǎn)品的設(shè)計實現(xiàn)是否符合產(chǎn)品設(shè)計需求，重點在產(chǎn)品完成設(shè)計和功能樣機試制后開展，驗證產(chǎn)品實現(xiàn)結(jié)果和設(shè)計需求是否一致，確認產(chǎn)品的可靠性余量是否符合使用要求，可靠性驗證工作分為工作應(yīng)力邊界測試驗證和環(huán)境應(yīng)力邊界測試驗證，如圖3所示。

圖3 可靠性驗證工作方法Fig.3 Reliability simulation analysis projects

4.1 工作應(yīng)力邊界測試驗證

針對產(chǎn)品主動表現(xiàn)出來的功能和性能應(yīng)力邊界，進行測試驗證，從而確定產(chǎn)品功能可靠性余量，應(yīng)包含以下幾個維度的測試驗證：

1）電源接口：包含電源瞬態(tài)響應(yīng)（反映在接口參數(shù)），接口輸入電參數(shù)，所處供電環(huán)境對電源影響，設(shè)備組件（器件）短路故障等應(yīng)力條件進行確定；

2）數(shù)字信號接口：包含接口驅(qū)動采集電壓閾值，驅(qū)動輸出功率，驅(qū)動，采集瞬態(tài)響應(yīng)，驅(qū)動采集電路以及配線、負載出現(xiàn)單點故障情況等應(yīng)力條件進行確定；

3）模擬信號接口：包含接口驅(qū)動采集模擬量輸出、輸入范圍，驅(qū)動輸出功率，驅(qū)動輸出模擬信號質(zhì)量，采集接口模擬量輸入分辨閾值，驅(qū)動采集電路以及配線、負載出現(xiàn)單點故障情況等應(yīng)力條件進行確定；

4）通信接口：包含通信接口通信質(zhì)量，通信能力，通信接口電路、配線、對端單點故障等應(yīng)力條件進行確定；

5）人機交互接口：包含指示燈亮度范圍等應(yīng)力條件進行確定。

4.2 環(huán)境應(yīng)力邊界測試驗證

針對產(chǎn)品被動工作環(huán)境應(yīng)力邊界，測試驗證產(chǎn)品在工作環(huán)境上的最大適應(yīng)能力。環(huán)境應(yīng)力確定包含以下幾個維度：

1）氣候環(huán)境：包含溫度、濕度、氣壓、防水防塵、抗腐蝕、太陽輻射等環(huán)境應(yīng)力條件；

2）電磁環(huán)境：包含抗擾度（靜電、射頻場傳導(dǎo)騷擾、電快速脈沖群、浪涌、工頻磁場、脈沖磁場）以及傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射等環(huán)境應(yīng)力條件；

3）機械環(huán)境：包含沖擊振動等環(huán)境應(yīng)力條件；

4）電氣環(huán)境：包含絕緣、雷擊、電壓暫降、短時中斷等環(huán)境應(yīng)力條件；

5）其他環(huán)境需求：應(yīng)用戶提出的特殊需求。

5 可靠性審核驗證工作流程

產(chǎn)品的可靠性審核和驗證工作主要在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段完成，確保產(chǎn)品在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)可靠性問題，修正可靠性問題，減少和避免產(chǎn)品在集成實現(xiàn)階段和產(chǎn)業(yè)化階段出現(xiàn)可靠性缺陷，產(chǎn)品可靠性審核和驗證工作流程和產(chǎn)品開發(fā)流程融合如圖4所示。

產(chǎn)品開發(fā)過程中越往前期的設(shè)計迭代，成本越低效率越高，越往后期的設(shè)計迭代，成本越高效率越低。通過可靠性審核和驗證模式的導(dǎo)入，可以改變產(chǎn)品開發(fā)模式，實現(xiàn)產(chǎn)品快速、高質(zhì)和低成本開發(fā)的先進開發(fā)模式轉(zhuǎn)變，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品開發(fā)模式優(yōu)化Fig.5 Product development mode optimization

6 總結(jié)

為保證產(chǎn)品可靠性設(shè)計和測試驗證工作及時、正確開展，有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，對信號產(chǎn)品開展可靠性審核和驗證工作的研究和實施是非常必要的。通過對產(chǎn)品可靠性審核和驗證的工作規(guī)范化，實現(xiàn)在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段的流程融合，建立先進的產(chǎn)品研發(fā)模式，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量和效率，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。