徐征捷

（湖南中車(chē)時(shí)代通信信號(hào)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。產(chǎn)品的可靠性一般包括定性和定量要求，可靠性預(yù)計(jì)的目的是給出可靠性的量化值，它是衡量可靠性定量要求是否達(dá)到指標(biāo)要求的重要手段［1］。在過(guò)往研究中，可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空等領(lǐng)域。

軌道交通信號(hào)產(chǎn)品作為保障列車(chē)行車(chē)安全的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，必須具有高可靠性和高安全性［2］。安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于軌道交通信號(hào)產(chǎn)品中，其中倒機(jī)單元作為安全計(jì)算平臺(tái)的核心單元，能夠有效提高安全計(jì)算機(jī)的可靠性。倒機(jī)單元中的各個(gè)功能模塊由元器件組成，功能模塊失效通常是因?yàn)槟K內(nèi)一個(gè)或多個(gè)元器件失效造成的。因此，開(kāi)展軌道交通領(lǐng)域信號(hào)產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)的研究在工程中有現(xiàn)實(shí)意義［3］。

本文以安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)中的倒機(jī)單元為研究對(duì)象，采用元器件應(yīng)力法對(duì)其進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，定量估計(jì)產(chǎn)品的可靠性，綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，鑒別研發(fā)方案和設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題，合理分配可靠性指標(biāo)，為優(yōu)選及使用元器件提供數(shù)據(jù)支撐。

1 可靠性預(yù)計(jì)方法

目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的可靠性預(yù)計(jì)方法主要有元器件計(jì)數(shù)法和元器件應(yīng)力法。

1.1 元器件計(jì)數(shù)法

元器件計(jì)數(shù)法一般應(yīng)用于產(chǎn)品方案初步設(shè)計(jì)階段的可靠性預(yù)計(jì)中，在列出系統(tǒng)中所有元器件的種類(lèi)、數(shù)量和質(zhì)量等級(jí)以及系統(tǒng)工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各種類(lèi)型元器件的通用故障率及相應(yīng)類(lèi)型元器件的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，最終得到系統(tǒng)的總失效率［4］。這種方法的特點(diǎn)是不需要詳細(xì)地了解每個(gè)元器件的應(yīng)力和環(huán)境條件，能夠快速估算出系統(tǒng)的失效率。

1.2 元器件應(yīng)力法

元器件應(yīng)力法一般應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的可靠性預(yù)計(jì)中。確定系統(tǒng)中各種元器件的種類(lèi)以及所承受的各種應(yīng)力后，以元器件基本失效率為基礎(chǔ)，根據(jù)使用環(huán)境、生產(chǎn)制造工藝、質(zhì)量等級(jí)、工作方式和工作應(yīng)力的不同，做出相應(yīng)的修正，從而預(yù)計(jì)元器件的失效率，進(jìn)而求出模塊的失效率，最后得到產(chǎn)品的失效率。國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口元器件的失效率，可以分別參考標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和MIL-HDBK-217F Reliability prediction of electronic equipment所提供的數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行預(yù)計(jì)［5-6］。

2 可靠性預(yù)計(jì)步驟

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 813-90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》提供的方法［7］，可靠性預(yù)計(jì)可以概括為以下3個(gè)步驟：

（1）明確系統(tǒng)定義、工作條件、環(huán)境條件以及故障模式；

（2）對(duì)產(chǎn)品各個(gè)模塊進(jìn)行梳理，明確各個(gè)模塊之間的關(guān)系，繪制產(chǎn)品可靠性框圖，建立可靠性模型；

（3）預(yù)計(jì)各個(gè)模塊的可靠性，根據(jù)可靠性模型預(yù)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

其中，在進(jìn)行元器件可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，涉及的質(zhì)量等級(jí)定義為在元器件制造、檢驗(yàn)和篩選過(guò)程中的質(zhì)量控制水準(zhǔn)。不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)元器件失效率的影響程度用質(zhì)量系數(shù)πQ表示。設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境類(lèi)別用環(huán)境系數(shù)πE表示［8］。平均故障間隔時(shí)間（mean time between failure，MTBF）、平均修復(fù)時(shí)間（mean time to repair，MTTR）常被用于作為產(chǎn)品的可靠性量化指標(biāo)［9］。下面以安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)中的倒機(jī)單元為例，詳細(xì)介紹基于元器件應(yīng)力法的產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)過(guò)程。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 倒機(jī)單元概況

倒機(jī)單元是二乘二取二安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵單元，二乘指的是兩系構(gòu)成熱備冗余結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)在其中一系故障的情況下能夠倒向備機(jī)工作。雙系熱備是基于主/備方式，主機(jī)和備機(jī)同步運(yùn)行，都進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入/輸出、邏輯運(yùn)算；但在同一時(shí)刻，只有主機(jī)才有系統(tǒng)的最終控制權(quán)。當(dāng)主機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)倒機(jī)單元實(shí)現(xiàn)兩系的主備切換，以保證在盡量短的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，達(dá)到無(wú)縫切換的效果［10］。圖1為安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)與倒機(jī)單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖。

圖1 安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)與倒機(jī)單元關(guān)聯(lián)關(guān)系圖Fig.1 Association diagram of safety computer platform and switching unit

3.2 倒機(jī)單元可靠性預(yù)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)定義及環(huán)境條件

倒機(jī)單元的工作環(huán)境為室內(nèi)機(jī)柜，因此可將其定義為地面設(shè)備。倒機(jī)單元工作時(shí)，環(huán)境溫度為50℃；對(duì)于在計(jì)算失效率時(shí)需要利用結(jié)溫參數(shù)的元器件，結(jié)溫選擇為60℃。

3.2.2 可靠性框圖和模型

倒機(jī)單元共由6個(gè)模塊組成，功能模塊劃分以及各個(gè)模塊的組成部分如表1所示。

表1 倒機(jī)單元各功能模塊及組成部分Tab.1 Function modules and components of switching unit

每個(gè)功能模塊在電路功能上相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)可靠性模型為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其可靠性框圖如圖2所示。

圖2 倒機(jī)單元可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of switching unit

對(duì)倒機(jī)單元進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，先計(jì)算各個(gè)功能模塊內(nèi)元器件的工作失效率；再將模塊內(nèi)各類(lèi)元器件的工作失效率相加，得出各個(gè)模塊的失效率；最后將各個(gè)模塊的失效率相加，得到倒機(jī)單元的總失效率。

倒機(jī)單元的可靠性預(yù)計(jì)模型如式（1）所示，模塊的失效率由模塊內(nèi)所有元器件的失效率累加得到。

式中：λp_倒機(jī)單元——倒機(jī)單元的工作失效率；λp_切換模塊——切換模塊的工作失效率；λp_主用確認(rèn)——主用確認(rèn)模塊的工作失效率；λp_接口模塊——接口模塊的工作失效率；λp_端子——端子的工作失效率；λp_線(xiàn)纜——線(xiàn)纜的工作失效率。

3.2.3 倒機(jī)單元可靠性預(yù)計(jì)

按照標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006中第4.3節(jié)提供的定義，將倒機(jī)單元的環(huán)境類(lèi)別定義為“一般地面固定”，用GF1表示。系統(tǒng)在正常工作條件（沒(méi)有超過(guò)規(guī)定溫度范圍、電應(yīng)力比在0～1之間）下運(yùn)行，且倒機(jī)單元采用的元器件等級(jí)均為工業(yè)級(jí)。

由于大多數(shù)元器件手冊(cè)或者官方網(wǎng)站均沒(méi)有提及元器件的質(zhì)量等級(jí)，因此，在進(jìn)行元器件的可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，各元器件的質(zhì)量系數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006進(jìn)行選取，具體如表2所示。

表2 倒機(jī)單元各元器件質(zhì)量等級(jí)及系數(shù)Tab.2 Quality grades and coefficients of switching unit components

根據(jù)元器件所述類(lèi)別，結(jié)合倒機(jī)單元的環(huán)境類(lèi)別、工作環(huán)境溫度以及是否為國(guó)產(chǎn)元器件等條件，計(jì)算各類(lèi)元器件的工作失效率。倒機(jī)單元的繼電器、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)和指示燈為進(jìn)口元器件，采用應(yīng)力分析法時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006中附錄A.2提供的工作失效率模型計(jì)算元器件的工作失效率。

除國(guó)產(chǎn)電纜的失效率按標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006第5章表5.22-1中電纜的工作失效率直接換算之外，其他元器件的失效率按λb與環(huán)境系數(shù)πE、質(zhì)量系數(shù)πQ等一系列π系數(shù)相連乘的方式進(jìn)行計(jì)算。不同元器件的計(jì)算公式不同，式（2）為通用繼電器的可靠性預(yù)計(jì)模型。

式中：λp——元器件的工作失效率；λb——元器件基本失效率；πT——溫度系數(shù)；πS——應(yīng)力系數(shù)。

其他元器件的計(jì)算公式可以在標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006中進(jìn)行查找，這里不再贅述。倒機(jī)單元的元器件具體系數(shù)取值如表3所示。

表3 倒機(jī)單元各元器件系數(shù)取值Tab.3 Specific coefficient values of switching unit components

按照上述計(jì)算方法和參數(shù)計(jì)算得到倒機(jī)單元各個(gè)模塊及總失效率數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 倒機(jī)單元各模塊失效率及總失效率Tab.4 Failure rate of each module and the total failure rate of switching unit

通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)可得，倒機(jī)單元總失效率λp_倒機(jī)單元=9.9501×10-7/h；平 均 故 障 間 隔 時(shí) 間MTBF倒機(jī)單元=1/λp_倒機(jī)單元=1 005 015 h。根據(jù)倒機(jī)單元需求規(guī)范規(guī)定的倒機(jī)單元MTTR不超過(guò)30 min的要求，得到倒機(jī)單元的可用性A倒機(jī)單元=［MTBF倒機(jī)單元/（MTBF倒機(jī)單元+MTTR倒機(jī)單元）］=99.999 9%。由可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果可知，該倒機(jī)單元的可靠性指標(biāo)能滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范要求（設(shè)計(jì)需求規(guī)定模塊MTBF不小于1×106h，可用性不低于99.999%），不需要進(jìn)行重新分配可靠性指標(biāo)或者優(yōu)選元器件等操作。

4 結(jié)語(yǔ)

可靠性預(yù)計(jì)能夠定量評(píng)估產(chǎn)品的可靠性，為優(yōu)選及使用元器件提供數(shù)據(jù)支撐。本文以軌道交通信號(hào)產(chǎn)品中倒機(jī)單元為例，通過(guò)建立可靠性框圖和模型，在元器件通用失效率的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際工況下的各種應(yīng)力水平，通過(guò)元器件應(yīng)力法將元器件工作失效率轉(zhuǎn)換為元器件實(shí)際工況下的失效率，并對(duì)其模塊及系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。計(jì)算得到倒機(jī)單元的MTBF指標(biāo)為1 005 015 h，可用性達(dá)99.999 9%，可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

該方法同樣可以推廣應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域其他電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)中。根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果與產(chǎn)品可靠性要求進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方法是否滿(mǎn)足要求，從而針對(duì)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)提前采取措施，提高整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。