可靠性預計是一種常用的可靠性指標定量評估方法，可以預估產品可靠性指標的達成程度，一般用可靠度或MTBF表示。可靠性預計在各個領域應用都比較廣泛，預計的方法也多種多樣。前幾天，一位朋友讓我寫一下可靠性預計的內容，坦白講，可靠性我不是很懂，詳細的理論和計算搞不明白，今天就從“使用”的角度說一下自己對可靠性預計的看法，希望對各位朋友有所裨益。
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引言
眾所周知，軍工行業(yè)對武器裝備的可靠性非常重視，在裝備的研制合同中，基本上都會提出可靠性的要求，比如：MTBF ≥ 10000h，使用壽命不低于15年等等。針對這些可靠性指標，研制單位不能等產品研制生產出來后再進行可靠性驗證，無論周期、經費方面都不允許，怎么辦呢？
這就要求企業(yè)運用以往的工程經驗、故障數(shù)據(jù)等，結合當前的技術水平，根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)可靠性，這就是可靠性預計?？煽啃灶A計是一個由局部到整體，從小到大、由下向上的綜合過程，在裝備壽命周期的前幾個階段（包括方案論證、工程研制階段）要反復進行多次（敲黑板，這和很多企業(yè)只進行一次預計是不同的）。
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可靠性預計的目的和參數(shù)
如前所述，可靠性預計不是為了了解產品什么時候將發(fā)生什么樣的失效，而是在于從設計開始就用定量的方法粗略評價可靠性設計是否滿足要求，當然，這只是一個方面，在不同的研制階段，可靠性預計的目的和作用是不同的：
1）在論證階段，評估系統(tǒng)可靠性，審查是否能達到要求的可靠性指標；
2）在方案階段，對不同設計方案的可靠性水平進行比較，為設計決策提供依據(jù)；
3）在設計中，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，為設計改進或生產過程控制提供依據(jù)；
4）為可靠性試驗方案設計、驗證及費用核算等方面的研究提供依據(jù)；
5）可靠性預計還可為不能直接進行可靠性驗證的大型產品進行系統(tǒng)的可靠性估計；
6）對可靠性分配、維護使用提供有益信息。
從可靠性預計的目的出發(fā)，預計工作應在研制階段的早期進行，以便于設計評審，并為產品可靠性分配及擬定改進措施提供依據(jù)。當產品設計條件、環(huán)境要求、應力數(shù)據(jù)、失效率數(shù)據(jù)、工作模式發(fā)生重要變更時，應當及時修正可靠性模型和重做可靠性預計。
可靠性預計的內容是什么呢？各類可靠性參數(shù)，所以，在進入正式的可靠性預計工作之前，還需要了解一下可靠性參數(shù)。
通常來說，可靠性參數(shù)可分為三類：使用參數(shù)、合同參數(shù)和設計參數(shù)。在裝備立項論證時，提出可靠性的使用參數(shù)（目標值和門限值），并納入《裝備立項綜合論證報告》；在裝備研制總要求綜合論證時，確定可靠性的合同參數(shù)（規(guī)定值和最低可接受值），并作為裝備定型考核或驗證的依據(jù)；在裝備研制生產過程中，確定可靠性的設計參數(shù)（預計值和評估值），并明確要求：評估值>最低可接受值>門限值，預計值>規(guī)定值>目標值。
從使用角度出發(fā)，很多企業(yè)是依據(jù)合同開展可靠性預計的，所以更關注的是合同參數(shù)和設計參數(shù)，合同參數(shù)主要包括平均故障間隔時間（MTBF）、首次大修期限（TTO）和平均嚴重故障間隔時間（MTBCF）（需要詳細了解可靠性參數(shù)內容的朋友，請參照本公眾號《學習 | 可靠性要求及驗證》）。多說一點個人理解，通常而言，規(guī)定值是企業(yè)進行可靠性設計的依據(jù)，可用可靠性預計應對；最低可接受值是進行鑒定試驗的依據(jù)，可用可靠性鑒定試驗來驗證。
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可靠性預計的分類和方法
從研制階段維度，GJB 813-90《可靠性模型的建立和可靠性預計》把可靠性預計分為三類：
1）I類，可行性預計：用于產品的方案論證階段，在這個階段，信息的詳細程序一般只限于描述產品的總體情況。結構信息一般還限于從具有類似于所研制產品的功能和工作要求的現(xiàn)成產品類推出來的信息。
2）II類，初步預計：用于產品工程研制階段的早期，在這個階段中，書面形式的設計結構信息是工程圖和初步草圖，可利用的信息詳細程度可以達到產品的組成單元，但沒有可利用的應力分析信息。
3）III類，詳細預計：用于產品工程研制階段中期和后期，這個階段的特點是產品的各個組成單元都具有工作環(huán)境信息和盈利信息。
從元器件使用狀態(tài)維度，可靠性預計可分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。目前國內的標準主要是GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》和GJB/Z 108A-2006《電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計手冊》。國外的標準主要有MIL-HDBK-217F《電子設備可靠性預計》、Telcordia SR-332《電子設備可靠性預計程序》、以及汽車行業(yè)的PERL《電子設備可靠性預計方法》等。
從可靠性類型維度，可靠性預計可分為基本可靠性預計和任務可靠性預計，基本可靠性預計和任務可靠性預計通常結合進行，任務可靠性預計表明產品成功地實現(xiàn)任務目標的設計能力，而基本可靠性預計表明，由于產品不可靠給預期的維修和后勤保障增加的負擔。
考慮不同類型的產品特點和研制階段，可靠性預計的方法多種多樣，每一種都有一定的適用范圍，表1列出了常用的幾種，供大家參考。
表1 常用可靠性預計的方法
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可靠性預計的程序和實施
4.1 可靠性預計程序
根據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》，電子設備可靠性預計的一般程序包括：
1）根據(jù)產品的功能原理，將產品劃分為功能相對獨立、內部為串聯(lián)結構的可靠性預計單元，然后建立可靠性模型（可靠性模型的方法另做介紹，本文不再展開）；
2）確定各預計單元所用元器件的種類、數(shù)量、質量等級、工作環(huán)境類別、工作溫度、降額等詳細設計資料；
3）根據(jù)不同的元器件類型，查閱GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F預計手冊，得到各元器件的工作故障率計算模型及各種修正系數(shù)；
4) 根據(jù)預計手冊提供的計算模型計算元器件的工作故障率（可根據(jù)具體情況，采用不同的可靠性預計方法）；
5）將預計單元內各種類元器件的工作失效率相加，由此得出預計單元的失效率；
6）按設備、系統(tǒng)的可靠性模型逐級預計設備、系統(tǒng)的平均故障間隔時間等可靠性指標。
4.2 可靠性建模
從可靠性預計程序可知，可靠性建模是可靠性預計的前提和基礎，和可靠性預計一樣，可靠性建模分為基本可靠性建模和任務可靠性建模。
基本可靠性建模包括一個可靠性框圖和一個相應的可靠性數(shù)學模型，基本可靠性模型是一個串聯(lián)模型，包括那些冗余和代替工作模式的單元都按串聯(lián)處理，用于估計產品及其組成單元引起的維修及后勤保障要求。
任務可靠性模型包括一個可靠性框圖和一個相應的數(shù)學模型。任務可靠性模型應該能描述在完成任務過程中產品各單元的預定用途。預定用于冗余或代替工作模式的單元應該在模型中反映為并聯(lián)結構，或適用于特定任務階段及任務范圍的類似結構。任務可靠性模型的機構比較復雜，用于估計產品在執(zhí)行任務過程中完成規(guī)定功能的概率。
4.3 應用環(huán)境分類
某些電子設備可能會在不同的應用環(huán)境中應用，所以實際的可靠性預計要根據(jù)不同的應用環(huán)境來計算，表2給出了電子設備的應用環(huán)境分類列表，供參考。
表2 環(huán)境分類
4.4 質量等級和質量系數(shù)
在元器件的標準中一般都規(guī)定了元器件在制造、檢驗及篩選過程中的質量控制水準，按此不同控制水準組織生產和管理的產品，具有不同的質量檔次，代表著不同的質量等級。元器件質量等級直接影響其失效率，不同質量等級對元器件失效率的影響程度以質量系數(shù)πQ 來表示。
4.5 國產元器件與進口元器件
當同一設備中同時采用進口元器件和國產元器件時，對國產元器件采用GJB/Z 299C第5章或第6章的方法進行預計，獲得其失效率λ國產；然后用GJB/Z 299C附錄A或MIL-HDBK-217F標準對進口元器件進行預計，獲得其失效率λ進口；再依據(jù)設備的可靠性模型計算其總的失效率。
4.6 可靠性預計范例
例如：某電子設備由4個調整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產的，質量等級都是 B1；設備的工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機座艙；用元件技術法（應力分析法等其他方法步驟類似）計算該設備的基本可靠性MTBF。
1）設備結構相對簡單，可作為一個可靠性預計單元處理，因為計算的是基本可靠性，所以所有元器件是一個串聯(lián)模型；
2）設備中共用到3種元器件（調整二極管、合成電阻器、云母電容器），數(shù)量分別為4、2、4，質量等級均為B1、工作環(huán)境類別為AIF（設備工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機座艙，查表2可知）；
3）器件均為國產器件，使用GJB/Z 299C-2006，查各元器件的失效率和修正系數(shù)；
查 GJB/Z 299C-2006的表6-19，確定調整二極管的通用失效率：λ1 = 1.3×10-6/h；同樣的方法（表6-21、表6-22）得到合成電阻器的通用失效率：λ2 = 0.0351×10-6/h，云母電容器的通用失效率：λ3 = 0.0802×10-6/h。
查 GJB/Z 299C-2006中的表6.3，確定調整二極管的質量系數(shù)：πQ1 = 0.5；同樣的方法（查表6-4），確定合成電阻器的質量系數(shù)：πQ2 = 0.6；云母電容器的質量系數(shù)：πQ3= 0.5。
4）用元件計數(shù)法計算元器件的工作失效率：
調整二極管：λGS1 = N1×λ1×πQ1 = 4×1.3×0.5 = 2.6×10-6/h
合成電阻器：λGS2 = N2×λ2×πQ2 = 2×0.0351×0.6 = 0.04212×10-6/h
云母電容器：λGS3 = N3×λ3×πQ3 = 4×0.0802×0.5 = 0.1604×10-6/h
5）計算預計單元的失效率
λGS3 = λGS1+ λGS2 + λGS3 = 2.6 + 0.04212 + 0.1604 ≈ 2.803×10-6/h
6）因設備相對簡單，預計單元的失效率就是設備的失效率，對于復雜設備/系統(tǒng)而言，按可靠性模型逐級預計即可。
7）計算MTBF值：我們知道，當產品的壽命服從指數(shù)分布時，其失效率的倒數(shù)就是MTBF，所以：MTBF = 1/λ = 356760.6（h）≈ 41年。
4.7 注意事項
1）產品定義、故障定義、產品的工作環(huán)境、工作時間等均必須予以明確，它們是可靠性預計的基礎；
2）根據(jù)預計的不同要求，正確選擇可靠性模型、數(shù)據(jù)及預計方法；
3）要及早進行預計以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，在整個研制過程中，預計要反復迭代多次；
4）可靠性預計的相對值比絕對值更重要，因為它可以提供設計決策的依據(jù)，但不能作為確定產品是否達到可靠性要求的依據(jù)。
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最后的話
可靠性預計是根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)可靠性的過程，一般在研制階段的早期進行，以便于設計評審，并為可靠性分配及擬定改進措施提供依據(jù)，可靠性預計在研制過程中需要多次迭代。
最重要的，可靠性預計是為了評估設計可靠性能否滿足規(guī)定要求，確定設計的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化設計方案提供依據(jù)，絕對不是為了應付檢查，那種為預計而預計的形式沒有任何意義。
參考文獻：
1）楊為民、阮鐮等《可靠性.維修性.保障性總論》
2）市場部 TILVA丨STIEE檢測認證《電子產品可靠性預計技術》
2）徐步陌上行 永恒之地《可靠性預計及元器件計數(shù)法案例》
轉自：西安融軍通用標準化研究院
