可靠性安全性发展

  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2019年03月23日

可靠性历史概述
  尽管产品的可靠性是客观存在的,但可靠性工程作为一门独立的学科却只有几十年的历史。现代科学发展到一定水平,产品的可靠性才凸现出来,不仅影响产品的性能,而且影响一个国家经济和安全的重大问题,成为众所瞩目需致力研究的对象。在社会需求的强大力量推动下,可靠性工程从概率统计、系统工程、质量管理、生产管理等学科中脱颖而出,成为一门新兴的工程学科。
  可靠性工程历史大致可分为4个阶段。
  1 可靠性工程的准备和萌芽阶段(20世纪30—40年代)
  可靠性工程有关的数学理论早就发展起来了。
  最主要的理论基础:概率论,早在17世纪初由伽利略、帕斯卡、费米、惠更斯、伯努利、德*摩根、高斯、拉普拉斯、泊松等人逐步确立。
  第一本概率论教程——布尼廖夫斯基(19世纪);他的学生切比雪夫发展了定律(大数定律);他的另一个学生马尔科夫创立随机过程论,这是可修复系统最重要的理论基础。
  可靠性工程另一门理论基础:数理统计学,20世纪30年代飞速发展。代表性:1939年瑞典人威布尔为了描述疲劳强度提出了威布尔分布,该分布后来成为可靠性工程中最常用的分布之一。
  最早的可靠性概念来自航空。1939年,美国航空委员会《适航性统计学注释》,首次提出飞机故障率≤0.00001次/ h,相当于一小时内飞机的可靠度Rs=0.99999,这是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。我们现在所用的“可靠性”定义(三规定)是在1953年英国的一次学术会议上提出来的。
  纳粹德国对V1火箭的研制中,提出了由N个部件组成的系统,其可靠度等于N个部件可靠度的乘积,这就是现在常用的串联系统可靠性模型。二战末期,德火箭专家R•卢瑟(Lussen)把Ⅴ1火箭诱导装置作为串联系统,求得其可靠度为75%,这是首次定量计算复杂系统的可靠度问题。因此,V-1火箭成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。
  最早作为一个专用学术名词明确提出“可靠性”的是美国麻省理工学院放射性实验室。他们在1942年11月4日向海军与军舰船员提出一份报告中说:“……由于真空管寿命短,需要一个专门小组对它的可靠性进行研究并协调各个研究所得工作。”
  1943年美国成立“电子技术委员会”并成立“电子管研究小组”,开始电子管的可靠性研究。这是有组织地研究电子管可靠性的开始。1949年,美国无线电工程学会成立了可靠性技术组,这是第一个可靠性专业学术组织。
  2 可靠性工程的兴起和独立阶段(20世纪50年代)
  20世纪50年代初,可靠性工程在美国兴起。当时美国军用电子设备由于是效率很高而面临着十分严重的局面:1949年美国海军电子设备有70%失效,一个正在使用的电子管要有九个新的电子管作为临时替换的备件;1951—1952一般的无线电设备中24%有故障,而雷达高达84%有故障;美国空军每年的设备维修费为设备购置费的两倍,需有三分之一的地勤人员维修电子设备。
  为扭转被动局面,1952年8月21日,美国国防部下令成立由军方、工业部门和学术界组成的“电子设备可靠性咨询组”(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment)即AGREE。1955年A-GREE开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划,并于1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告。该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法,确定了美国可靠性工程发展的方向,成为可靠性发展的奠基性文件,标志着可靠性已成为一门独立的学科,是可靠性工程发展的重要里程碑。此后美国制定一系列有关的可靠性军标,确立了可靠性设计方法、试验方法及程序,并建立了失效数据收集及处理系统。
  同时,其他一些国家,如苏联、日本、瑞典、意大利、联邦德国等也纷纷成立可靠性的专业组织,开展可靠性活动。
  3 可靠性工程的全面发展阶段(20世纪60年代)
  20世纪60年代是世界经济发展较快的年代。可靠性工程以美国为先行,带动其他工业国家,得到全面、迅速发展。美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲,在这10年中,美国先后开发出F-111A、F-15A战斗机、MI坦克、“民兵”导弹、“水星”和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求,因此1957年AGREE报告提出的一整套可靠性设计、试验及管理方法被国防部及国家航空航天局(NASA)接受,在新研制的装备中得到广泛应用并迅速发展,形成了一套较完善的可靠性设计、试验和管理标准,如MIL-HDBK-217、MIL-STD-781和MIL-STD-785。在这些新一代装备的研制中,都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲,规定了定量的可靠性要求,进行可靠性分配及预计,开展故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA),采用余度设计,开展可靠性鉴定试验,验收试验和老练试验,进行可靠性评审等,使这些装备的可靠性有了大幅度提高。例如,50年代的“先驱者号”卫星发射11次只有3次成功,而60年代发展的阿波罗登月船,除阿波罗13以外,每次发射都成功着陆在月球上并安全返回。此外,机械可靠性的研究,维修性、人的可靠性和安全性的研究也相继展开;还建立了更有效的数据系统,开设了可靠性教育课程,
  值得提出的是日本。日本在1956年从美国引进了可靠性技术和经济管理技术,1960年日本成立了质量委员会,20世纪60年代中期,成立电子元件可靠性中心。日本将美国在航空、航天及军事工业中的可靠性研究成果应用到民用工业,特别是民用电子工业。使其民用电子产品质量大幅提高,产品在世界各国广为销售,赢得良好的质量信誉。不到十年,它的工业增长年速度就高达15%。
  4 可靠性工程的深入发展阶段(20世纪70年代以来)
  在20世界60年代全面发展的基础上,可靠性工程不但在处于领先地位的美国和工业较发达的各国得以纵深发展,而且在发展中国家,如中国和印度等国也得到迅速发展。
  美国1975年9月正式成立了直属美国三军联合后勤司令部领导的电子系统可靠性联合技术协调组,进行统一的可靠性管理。在1978年9月,美国成立了全国性的数据交换网“政府-工业部门数据交换网”。
  可靠性设计和试验方面,70年代以来,更严格、更符合实际、更有效的设计核试验方法得到了发展和应用。更严格的简化和降额设计、计算机辅助可靠性设计、复杂电子系统可靠性预计及精确的热分析和热设计、非电子设备的可靠性设计和试验。采用组合环境应力试验,如温度-湿度-振动三综合试验,更真的模拟环境;加速应力筛选试验、可靠性增长试验等等。
  此外,维修工程内以预防为主的思想转变为以可靠性为中心的维修思想。1970年英国联邦航空局颁布了以可靠性为中心的维修大纲。它包括定时维修、视情维修和状态监控等三种维修方式,在军用、民用飞机上都得到了广泛应用。1978年美国成立三军软件可靠性技术协调组来负责国防范围内的软件可靠性研究及协调工作。目前对软件可靠性的研究工作迅速发展成一个新的可靠性分支。
  印度和以色列在70年代成立了全国的可靠性学术组织,并在航空、航天及电子工业部门设有专门的可靠性机构和试验室。印度在可靠性理论研究方面,在世界权威杂志上发表的可靠性论文数量和质量都是举世瞩目的,这两个国家都从欧美引进可靠性技术并结合本国国情采用合适的设计、试验、预计和分析方法来解决本国产品可靠性问题。
  1991年初,历时仅42天的海湾战争是第二次世界大战以来军事技术现代化水平最高的战争,使用了品种精确的制导武器、巡航导弹和隐性飞机,并使用了空间侦察系统、先进的C3I系统(指挥、控制、通信、情报)和电子设备,从而揭开了高技术兵器时代的序幕。伴随着高技术兵器时期的到来,将带来新技术革命。对于从事兵器可靠性工作者来说,出现了新的挑战,也是一个机遇。热兵器时期的一些可靠性技术将要变革,并适应高技术兵器需要而提出一些新的可靠性技术。
  (1)由于高技术兵器的综合化、系统化,未来的战争将是系统对系统、体系对体系的对抗,因而描述可靠性与维修性不能像单一兵器那样简单用平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)来描述,而是应考虑综合作战效能来描述,即战备完好性和任务成功性,减少维修人力和保障费用。因此,应建立新的可靠性指标体系和评价及考核办法。
  (2)由于高技术兵器的综合化和系统化,系统可靠性与维修性设计更为突出,新的系统可靠性设计技术将要出现,其建模技术和建模方法将要有新的突破,这样才能科学有效地进行可靠性预计、分配与分析。
  (3)由于高技术兵器系统越来越复杂,而可靠性要求越来越高。按目前的设计方法和控制方法难以保证,因而将出现3C革命,即计算机辅助设计(CAD),计算机辅助生产(CAM),计算机辅助工程(CAE)。传统的人工设计、装配、测试和老一套管理模式不但效率低,质量与可靠性不能保证,成本高,可以说没有3C就无法进行设计和生产。
  (4)由于系统的多功能及复杂性,为了保证系统的战备完好和任务成功性,减少维修人力和保障费用,必须进行故障自动检测设计(BIT)和切换。为此,必须进行模块化设计。未来的军事电子产品将不再由成千上万个元器件所构成,而是由若干功能模块所组成。
  (5)为了减少复杂的综合武器系统的体积、重量及提高可靠性,发展大规模集成和高密度组装技术是必然的趋势。美国空军1985年提出了“可靠性和维修性计划”(R&M2000),要求达到“可靠性增倍、维修减半”的目标,也就是说武器装备可靠性提高一倍,维修时间、维修人员、维修费用全部减半。达到这一目标的首要措施就是提高集成度。日本NEC全固体化的微波中继设备的MTBF可达5万小时,野战电台的MTBF已达2万~5万小时。
  (6)由于高技术兵器的智能化,大量计算机被采用,计算机的可靠性就面临严重问题。关于计算机可靠性有两方面问题,一是硬件的可靠性,二是软件的可靠性。关于硬件可靠性问题,目前一般的计算机的可靠性及其环境适用性不能满足兵器系统要求,因而必须推出军用计算机,如美国各计算机公司纷纷推出“加固”机和“MIL-SPEC”机器。美国的加固计算机是按军用标准(MIL-STP-810CCD)设计的,能承受战争环境对冲击、振动、湿度、温度、加速度、泥水烟雾和碎屑等的苛刻要求。星载计算机运行期间无法直接维护,可靠性要求极高。卫星在空间环境运行时又无法避免宇宙射线、捕获辐照、日耀及核爆炸辐射等,这就需要进行环境防护设计。为了适应各种恶劣环境,保证其可靠性,必须进行容错设计,如冗余与重构等技术手段。随着计算机被大量采用,硬件可靠性不断提高,软件的可靠性问题显得比较重要。目前软件可靠性遇到一些难题,其中有软件可靠性模型、软件可靠性设计、软件故障检测及软件可靠性评估方法等。
  (7)由于高技术兵器的复杂性,如何可靠地操作使用及维护将是一个严重的问题。随着高技术兵器的自动化程度越来越高,人类工程学、人机工程将是人们最为关注的课题之一,可使用性设计将得到很大重视。
  (8)由于高技术兵器的综合化和系统化,使得兵器系统相当庞大和复杂,且可靠性指标又很高,用目前的可靠性鉴定和验收试验方法试验时间长,试验费用高,实施技术难度大,进行一次完整的试验已不可能。因而可靠性试验与评价技术和方法将有新的突破和革新,这也是可靠性工作者面临的一个新的课题。
  (9)由于高技术兵器的综合化和系统化,一个兵器系统将由众多兵器厂家联合研制而成,因而传统的质量与可靠性管理已不相适应,必须突破目前管理模式,如实施全方位和立体矩阵式管理,要有一个很强的信息传递和故障报告、分析与纠错措施系统(FRACAS)。
  (10)伴随着高技术兵器时期的到来,必须制订与其相适应的高技术标准,而且标准的制订应有超前意识。应该看到,目前我国的标准整体比较混乱,而且与技术的发展不相适应。为了适应高技术兵器的需要,应给予投资,大力开展标准化工作,以促进技术进步和提高武器装备的技术性能、质量及可靠性水平。
  为了适应高技术兵器的发展,应树立当代质量观,把产品质量的内涵,从狭义的概念扩展到包括性能、经济性、安全性、寿命及可靠性、维修性保障性等在内的广义质量观念。质量管理应前伸后延,从研制早期抓起,直到生产、用户使用全过程。质量管理的发展,从事后把关,加强检验,到预防为主,再到一次成功。要作到一次成功,首先要对产品研制的全过程进行可靠性、维修性及保障性的严密监控。

 

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