劉耀松

（公安部第三研究所，上海）

引言

近年來，隨著平安中國建設不斷走向深入，“智慧城市”、“雪亮工程”等工程項目在全國各地紛紛啟動，安全防范行業(yè)的市場規(guī)模與技術水平都在快速提升[1]。為保障安全防范行業(yè)技術水平，促進安全防范行業(yè)良性發(fā)展，一大批行業(yè)標準與規(guī)范先后制定與修訂，對安全防范產(chǎn)品的性能指標提出了更高、更明確的要求，細化了評價方法與實施細則[2]。相應地，安全防范產(chǎn)品的檢驗檢測業(yè)務量也隨之逐年增長，每單業(yè)務包含的檢測項目也更多、更細致，這對檢驗檢測機構的試驗能力形成了挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了新的發(fā)展機遇。

在安全防范產(chǎn)品的評估測試項目中，可靠性的評估與測試往往是各項目中耗時最長，測試樣品數(shù)量最多和試驗能力要求最高的，是安全防范產(chǎn)品評估測試的瓶頸項目。目前，安全防范產(chǎn)品相關標準中的主要可靠性指標為平均無間隔故障時間（MTBF），旨在考核安全防范產(chǎn)品在實際工作環(huán)境下保持長時間工作的能力，其數(shù)值大小是產(chǎn)品質(zhì)量水平的綜合體現(xiàn)[3]。其測試方法主要依據(jù)為《GB/T 5080.7-1986 設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案》、《GJB 899A-2009 可靠性鑒定和驗收試驗》、《GB/T 11463-1989 電子測量儀器可靠性試驗》等標準。標準中主要的試驗方案有序貫試驗方案、定時/定數(shù)試驗方案等。

面對安全防范產(chǎn)品的可靠性要求不斷提高的趨勢，目前普遍方法是采用標準中期望實驗時間更短的實驗方案，同時投入更多的測試樣品分攤實驗時間。然而，即使是采用標準中耗時最短的高風險實驗方案，仍然需要大量的測試樣品來保證實驗周期在可接受的范圍內(nèi)，這又產(chǎn)生了測試成本高和實驗能力的矛盾。有些種類的安全防范產(chǎn)品單價較高，安裝調(diào)試步驟復雜繁瑣，為滿足實驗要求的樣品數(shù)量需要投入很大成本。此外，這些產(chǎn)品往往體積較大，運輸費用高昂且存在風險，測試過程中也占據(jù)了許多實驗設備資源，進一步提高了測試費用。從實驗室角度，現(xiàn)有實驗能力很難滿足多臺大中型測試樣品同時進行長時間的可靠性評估測試實驗，往往需要排期，導致實際實驗周期過長。

針對以上問題，本文在前期實驗經(jīng)驗的基礎上，通過梳理總結相關安全防范產(chǎn)品的行業(yè)標準規(guī)定和歷史故障數(shù)據(jù)，進一步開展失效機理分析，確定被測試安全防范產(chǎn)品的主要失效機理和失效部位和對應的環(huán)境載荷，針對關鍵失效部位制定可靠性測試實驗方案。該實驗方案測試樣品為安全防范產(chǎn)品中具有獨立功能的關鍵部件，測試載荷為主要失效機理對應的載荷，達到了在相同試驗能力下增加同時測試樣品數(shù)，減小試驗周期的目的。最后，以某型執(zhí)法記錄儀管理平臺的平均無間隔故障時間（MTBF）可靠性實驗為例，驗證了該方法的可行性。

1 可靠性評估方法

1.1 實驗方案選取

安全防范產(chǎn)品可靠性評估測試的實驗的目的是驗證平均無間隔故障時間（MTBF），全稱“Mean Time Between Failure”。它是衡量產(chǎn)品可靠性的指標，單位為時間，反映了產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)的工作質(zhì)量[4]。在實驗方案設計中，需要考慮以下參數(shù)：

m：MTBF 的真值。然而，在可靠性實驗中，該指標的真值是無法得到，實驗結果只能給出它的置信范圍。

m0：規(guī)定可接受的MTBF。當產(chǎn)品MTBF 真值為m0時，實驗結果有一定風險會判定為不合格，該風險稱為生產(chǎn)方風險，記為α。

m1：MTBF 的下限值。當產(chǎn)品MTBF 真值為m1時，實驗結果有一定風險會判定為合格，該風險稱為使用方風險，記為β。m0與m1的比值稱為鑒別比，記作Dm。

在相關標準中，給出了具有不同生產(chǎn)方風險α，使用方風險β 和鑒別比Dm的多種實驗方案，可分為序貫實驗方案和定時定時（定數(shù)）截尾實驗方案兩種。在這些實驗方案中，生產(chǎn)方風險一般在10%～35%之間，使用方風險一般在10%～40%之間，鑒別比為1.25～5之間。

對安全防范產(chǎn)品，由于其技術相對成熟，新型號多為之前產(chǎn)品的迭代改進，宜選用高風險實驗方案來縮短總實驗時間。常用的兩種方案實驗判定如表1 所示[5]。兩方案的生產(chǎn)方風險和使用方風險均為30%，鑒別比分別為1.25 和3。

表1 安全防范產(chǎn)品常用可靠性實驗方案對比

1.2 失效機理分析

失效分析是指根據(jù)產(chǎn)品發(fā)生失效的現(xiàn)象，通過理論分析和驗證，確定主要失效機理、失效部位和對應的環(huán)境載荷。常見的失效機理有高溫老化、低溫脆斷、元器件虛焊空焊等，常見的環(huán)境載荷有溫度、濕度、振動、氣壓等[6]。

對安全防范產(chǎn)品，首先可以根據(jù)相關的行業(yè)標準中的型式檢驗項目，確定其主要功能和敏感的環(huán)境載荷；進一步，標準還規(guī)定了在環(huán)境實驗項目中對產(chǎn)品特定功能的驗證，可將這些功能項目視為潛在的主要失效模式；在“檢驗規(guī)則”章節(jié)，還會將不同的功能項目檢測分組，項目檢測的頻繁程度也可以說明其重要性和失效的可能性。

安全防范產(chǎn)品的歷史故障數(shù)據(jù)可以對定位具體失效零部件具有一定價值。根據(jù)不同種類安全防范產(chǎn)品的歷史故障數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，長期正常使用后發(fā)生的失效往往集中在電氣部分，結構部分失效多為偶發(fā)的高載荷及初始缺陷。在電氣部分，以電池老化、線纜老化，屏幕顯示異常最為突出，失效多發(fā)生在溫度變化較大的地區(qū)或使用場景，可歸納出對應的環(huán)境載荷為溫度。

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)安全防范產(chǎn)品的失效機理具有一定共性，故可有針對性設計開展可靠性評估測試。在實驗設計時，可將環(huán)境載荷設為溫度，實驗對象設為樣品的電氣部分，在保證電器結構一致性的情況下，其結果也應具有較高的一致性。此外，在實驗條件有限的情況下，可將電氣部分進行拆分，分別進行可靠性評估測試，并對測試結果按照電器結構進行串并聯(lián)計算得到最終結果。這種實驗方法減少了對實驗場地空間的要求，也可以更方便的進行測試的布線連接，在最大保證結果一致性的情況下提高了測試效率。

2 案例分析

2.1 測試產(chǎn)品介紹

測試產(chǎn)品為執(zhí)法記錄儀管理平臺，是一種用于公安部門的安全防范產(chǎn)品，如圖1 所示。其主要功能為所在部門的多臺執(zhí)法記錄儀提供存儲執(zhí)法數(shù)據(jù)、生成使用記錄、上傳云平臺、充電等服務，是一種集成化智能安防設備。

圖1 執(zhí)法記錄儀管理平臺

根據(jù)行業(yè)標準，其型式檢驗主要內(nèi)容如表2[7]。

表2 執(zhí)法記錄儀管理平臺型式檢驗項目

從氣候環(huán)境實驗可以看出，管理平臺的主要環(huán)境載荷為溫度，其次為濕度；從穩(wěn)定性實驗可以看出，在長期使用狀態(tài)下，管理平臺的潛在失效模式為數(shù)據(jù)采集異常；從可靠性實驗可以看出，管理平臺的可靠性要求較高。

測試的管理平臺體積較大，且成本較高，難以大批量進行實驗。故考慮拆分出其包括電源模塊、顯示及操作模塊、接口模塊在內(nèi)的電氣部分進行可靠性實驗，同步開展整機的可靠性實驗，最終對比實驗結果。

2.2 實驗過程

實驗目的為驗證管理平臺的m0值是否大于10 000 h。實驗方案選用《GJB 899A-2009》中的定時(定數(shù))方案21，分兩組進行，一組樣品為三臺完整的管理平臺，二組為八臺完整的管理平臺的電氣部分，包括電源模塊、顯示及操作模塊、接口模塊。二組樣品實驗專用測試主機如圖2 所示。主機由管理平臺的電源模塊供電，連接接口通信測試設備測試管理平臺的接口模塊，連接點按器測試管理平臺的顯示及操作模塊。

圖2 實驗專用測試主機示意

實驗環(huán)境載荷為溫度，每6 h 為一個循環(huán)，如圖3所示。每個循環(huán)包含55 ℃高溫工和-10 ℃低溫工作各2 h，每兩個循環(huán)檢查一次管理平臺的數(shù)據(jù)采集功能。

圖3 實驗溫度載荷循環(huán)

可計算出第一組的判定時間為50.92 d，經(jīng)歷204個循環(huán)；第二組判定時間為19.09 d，經(jīng)歷76 個循環(huán)。根據(jù)判定規(guī)則，當判定時間前出現(xiàn)相關失效時，拒收；到達判定時間時未出現(xiàn)相關失效，接收。

實驗結果顯示，兩組測試樣品均順利通過接收，且在各檢查點其數(shù)據(jù)傳輸速率基本一致，可見通過失效分析拆出的樣品電氣部分具有較好的代表性，且縮短了實驗時間。

結束語

為解決安全防范產(chǎn)品可靠性評估測試時間長，實驗能力有限的問題，本文通過梳理行業(yè)標準規(guī)定、歷史故障數(shù)據(jù)分析、失效分析等方法，針對安全防范產(chǎn)品中具有獨立功能的關鍵部件和主要失效機理對應的載荷制定可靠性測試實驗方案，達到了增加同時測試樣品數(shù)、減小試驗周期的目的，并通過案例驗證了該方法的可行性和應用價值。