主题：【分享】可靠性指标考核方案与常见问题介绍

高军 总经理  原创来源：科鉴可靠性微信公众号

当前，大仪专项推行的技术就绪度评估和可靠性与工程化两项工作成为整个十三五重点研发计划的亮点，两项工作的顺利开展可较好地解决我国当前普遍存在的科研成果转化和落地的难题。

重要的事情反复说：大仪专项要求中期达到技术就绪度6级、验收达到技术就绪度8或9级！

技术就绪度的本质是要求按照产品研发流程开展大仪专项的研发工作，要达到技术就绪度级别要求需要做到以下亮点：

①形成一套设计、工程化、产业化成果文件，使科研成果物更加产品化（包括产品技术规格书、设计方案、工程化图纸、生产制造评估分析、成套工艺文件、实物照片视频及重大应用场景、销售证据）；

②在研发过程中重视质量与可靠性工作（包括功能性能测试、环境适应性验证、可靠性设计分析、可靠性摸底增长、可靠性指标验证等）。

做好以上工作，技术就绪度就自然达到了。关于技术就绪度，后续我们将专门安排文章讲解，下面我们回到可靠性指标考核的主题。

图1 中期检查和项目验收第三方测试总部署

1 为什么要尽早考虑可靠性指标考核？

大仪专项指南提出的可靠性指标要求（MTBF≥X000小时）比较高，根据可靠性相关标准，完成指标考核至少需要累积1.2倍以上可靠性指标值要求的时间。如果只有1～2台样机用于可靠性指标考核，大部分的大仪项目可靠性指标考核至少需要几个月的时间。

我们通过分析大仪专项指南中提出的可靠性指标要求，可知2017和2018年度各个专题可靠性指标考核所需的时间如下表1和表2所示。

表1  2017年大仪专项指南各专题可靠性指标考核所需时间及周期

表2  2018年大仪专项指南各专题可靠性指标考核所需时间及周期

尽管2016年度指南中没有明确给出可靠性指标要求，但绝大多数项目在任务书签订和编制项目实施方案环节，补充了可靠性考核指标。

值得说明的是：①部分项目牵头单位在项目申报时为了竞争项目成功，突出项目指标优势，可能在申报书和任务书中调高了可靠性指标值。对应的考核时间应根据任务书中自身承诺的可靠性指标值进行考核，考核所需时间将会更长。②部分项目牵头单位在任务书指标表中，中期指标一列便提出了MTBF指标要求，因此在项目中期检查前就需要完成样机研制并开展可靠性指标考核，使得研制进度更加紧张，更应加快研制进度，并提前考虑可靠性测试工作。

除了提醒大家重视和提前考虑，下面我们来说说可靠性指标考核的注意事项。

2 以往项目可靠性测试存在的问题

      根据以往项目检查和验收经验，通常存在以下问题：

        1）缺乏测试大纲、测试大纲错误。典型常见的错误是测试方没有掌握可靠性测试的标准方法，完全没有按照可靠性指标考核的原则制定大纲，如没有统计方案，考核时间错误（MTBF≥1000h，结果考核就做了1000h，而即便是0故障的统计方案通常要求至少1.2倍指标时间）。

        2）可靠性考核报告不规范甚至错误。①如果测试大纲不规范，同时不清楚可靠性指标考核的原则，那么出具的报告一定不规范。②没有时间记录表或时间记录不详细，根本无法说明做了充足时间的考核。③整个试验没有几次测试记录，根本无法说明在长时间的考核周期内不断让样机运行起来并做了测试。

        3）并非第三方进行的可靠性指标考核。与部分新研仪器和部件的功能性能测试缺乏相关依据标准不同，可靠性指标考核是一项有相关国家标准可依的测试项目。除了采用标准的测试方法，还需委托具有可靠性测试能力与资质的第三方检测机构组织进行可靠性考核。国内能够规范开展可靠性测试的检测机构不多，在选择检测机构时需要注意选择正规有资质的机构进行测试，否则出具的不规范报告将导致验收时出现一些不必要的麻烦。

      可靠性报告真实程度不高，一方面源于项目方自行开展可靠性测试，但不熟悉可靠性测试业务，导致大纲和报告不规范；另一方面源于研制方委托第三方测试机构本身不具备可靠性测试业务能力，同样导致大纲和报告不规范。
3 可靠性指标考核方式方法简介

4 可靠性指标考核大纲制定要素

      在开展可靠性指标考核前，应制定可靠性指标考核大纲（或可靠性指标验证试验大纲），通常现场运行用考核一词较多，实验室试验用验证一词较多。大纲应明确可靠性指标考核的要素主要包括以下14个方面。
4.1 明确验证指标要求
      大仪专项任务书中规定的可靠性指标（如平均故障间隔时间的最低可接受值MTBF≥X000小时，使用寿命X年，连续运行XXX小时）。
      【实际上，建议仪器研制厂商们，在一个新品立项论证阶段，应同步提出研发新仪器的环境条件要求和可靠性指标要求，为研发过程可靠性管理控制、验证试验提供要求依据。】
4.2 明确受试样机要求

4.2.1 受试样机状态

      受试样机的技术状态应已基本固化。当具有多个样机可供选择时，受试样机应从中随机抽取，技术状态保持一致且具有代表性。

4.2.2  受试样机数量

      若无具体规定时，至少1台以上样机接受可靠性指标验证。为缩短验证时间和节约验证成本，可适当增加受试样机数量。

4.2.3  明确样机的信息

      在试验前，应明确提供样机的组成、主要功能、尺寸、重量、安装要求、供电要求、运行条件和要求等信息。
4.3 选取验证统计方案
      验证统计方案推荐采用GJB 899A标准中规定的部分定时结尾验证统计方案，见表3。可综合产品质量状况、风险承受能力、验证成本代价等因素，选取统计验证方案。

表3 可靠性指标考核统计方案

      根据统计方案，可知该方案规定研制方风险α、使用方风险β、鉴别比D，还可得知该方案要求的验证截尾时间（θ₁倍数m）、试验拒收的判据故障数和试验接收的判据故障数。
      【希望验证时间短时，推荐在1、2、4、5、8号统计方案中选取验证的统计方案。】
4.4  计算验证时间
      如选择定时截尾验证统计方案，可对有效验证时间T及单台验证持续时间t做出预计。
4.4.1  总验证时间T
      依据选取的统计方案，查表2可得到验证时间是可靠性指标θ₁的m倍，由式（1）求得总验证时间（总验证台时数）：

4.4.2  单台验证时间t

      确定受试样机数量（n）后，平均每台验证时间t可从式（2）求得：

      在保证达到验证总时间的前提下，实际单台受试样机的验证时间可因试验中样机的故障情况作出一定的调整。
      【样机越多考核时间越短，可考虑采用多台样机进行考核。当然，样机数量太多，考核结果也将会失真，如果样机数量非常多，则考核时间非常短，建议适当拉长考核周期，最终也将得出更高的可靠性指标考核结果。】
4.5  选取指标验证方式
      可选取的受试样机可靠性指标验证方式包括：
      （1）实验室可靠性指标验证试验（进行环境条件控制）；
      （2）现场运行可靠性指标考核（不进行环境条件控制）；
      （3）实验室试验和现场运行相结合的可靠性指标考核；
      （4）定量加速试验与可靠性指标预测评估；
      （5）基于研制过程测试信息进行综合评价。
      【无论采取哪种可靠性指标验证方式，可靠性指标验证都应对试验时间、样机测试、故障报告、故障分析、样机维护等进行及时、准确、全面的记录。】

图2 可靠性指标考核5种方式

4.6 确定指标验证条件
      现场运行考核和实验室试验是最常采用的两种可靠性指标考核方式。现场运行考核通常不控制环境条件，实验室试验通常要控制环境条件（施加极限非工作低温和高温、极限工作低温和高温、典型低温和高温应力，甚至控制湿度，施加振动）。
4.6.1  现场运行考核条件
      在现场运行可靠性指标考核过程中，仪器工况应尽可能模拟产品实际运行工况，推荐一天为一个循环周期进行考核。每天进行样机测试，包括任务书中的典型功能性能指标和用户使用时关心的/所需的功能操作。每天应记录样机工作时间、样机测试结果及进行判定，定期汇总统计累积考核时间。
4.6.2 实验室试验验证条件
      应根据仪器整机受试样机现场使用和任务环境特征确定实验室试验考核用的试验剖面。若无其他要求，实验室试验考核应在温度、湿度、电压和其他相关试验条件的综合作用下进行，针对车载、船载、机载等仪器还需要考虑施加振动应力。

图3 实验室可靠性指标考核试验剖面示例

4.7 明确样机运行工况
      在可靠性指标验证试验过程中，应结合受试样机实际使用工况和场景，同步模拟受试样机各类典型使用操作和工作模式，当具有多种工况时，应考虑各种工况与施加应力的组合与匹配。

表4 受试样机考核中运行工况要求

表5 受试样机考核中运行工况分配

4.8  明确监测和测试要求
      在编制试验大纲时，应充分考虑仪器整机的使用模式和场景，安排充分的检测项目，明确合格判据和检测条件，制定合理的检测方法，大纲中应明确每个测试项目的测试方法，确保可靠性指标验证试验暴露的故障能够及时检测到。
      在考核前和考核后，应尽可能进行完整的外观检查、功能和性能测试；在考核中，样机通电工作期间均应对样机的功能进行监测，测试项目至少应包括主要的功能和性能，应对考核中被剪裁测试的项目进行原因说明。

表6 测试项目及测试时机

      【可靠性指标考核中，测试的问题很多，建议处理方式如下：

      ①针对样机数量多、测试工作量大、测试时间不足的情况，可安排轮循测试，保证每个样机测试的完整性。
      ②可靠性指标考核中，通常每天或每个应力条件下都要进行测试，共计需要几十上百甚至近千次测试，考虑到一些仪器的部分指标每次测试都需要专业计量检测机构的特殊设施和测量仪器，给可靠性指标考核进行带来困难，可在考核中不对此类指标进行测试，但尽可能安排在考核前和考核后送专业机构进行测试确认。
      ③任务书中往往还提出了一些极限指标，也通常放在考核前和考核后测试，考核过程中不对此类指标进行测试。
      ④另外，项目任务书中对仪器及部件提出的指标往往满足指南的要求，而不是完全面向用户使用产品制定的，可能没有涵盖用户使用的部分典型和关键指标。建议研制方在进行可靠性考核时列入这些典型和关键指标的测试，避免综合验收时被行业内专家和用户质疑。
      ⑤在以往的中期检查和综合验收中，不少单位提供的可靠性测试报告，没有几次样机测试的记录，实际上很多仪器只有在每次测试时才真正在运行，几千小时的考核没有大量测试结果记录，怎么让人相信这个测试真的做了呢？可靠性指标考核一定要——进行适当强度的测试并提供详细测试记录！】
4.9  明确维护保养要求
      在考核前应明确试验过程中的维护保养要求。应严格按照产品使用维护技术文件、易损件清单及寿命件的剩余寿命清单等，列出维护保养对象、周期及工作要求。在试验中不允许进行任何规定之外的维护保养工作。

表7 维护工作清单

4.10  故障判据与分类
      首先，应明确故障判据。当发生故障后，应判定故障性质，故障性质分类如下：
——在可靠性指标验证期间出现的所有故障，分为关联故障和非关联故障。关联故障又分为责任故障与非责任故障。
——责任故障：在试验过程中，因受试样机本身缺陷而引发的关联独立故障以及由此引起的从属故障计为一个责任故障，责任故障通常要求采取故障归零和改进措施。
责任故障数是纳入试验通过与否的判定故障数，还应明确责任故障的统计原则，以准确地确定是否通过与否。
      在验证过程中，出现的故障应尽快完成故障定位、分析、处理，明确故障后果分类和故障性质分类，避免应终止的验证而仍在继续进行的情况。
4.11 有效考核时间统计
      判定可靠性通过的一个重要标识就是考核时间达到了，责任故障数未超出允许判定故障数，因此，有效考核时间的统计十分重要，应明确其统计原则，特别是故障期间的运行时间通常不计入有效运行时间。
    【在以往项目的中期检查和综合验收环节，通常发现一些单位做的可靠性测试，连时间记录表都没有，如果连测试时间记录表都没有，怎么能够说真正做了测试。详细的时间记录表——是可靠性指标考核验证必需的！】
4.12  确定试验中断、终止和结束条件
      试验中断：在考核过程中，样机发生故障后，应中断考核，进行故障定位和处理，完成故障处理后，继续进行考核（实验室考核应从试验剖面中断点继续进行试验）。
      试验终止：在考核过程中，样机发生故障，经分析其故障后果为安全故障，或折算的判定故障数超出统计方案允许的故障数，则应终止考核。
      试验结束：在试验未被终止的前提下，样机总累积有效考核时间达到统计方案规定的考核时间，则正常结束考核。
4.13  明确考核指标评估方法
      单边置信下限通常可取C=1-β。
      当按照定时截尾验证统计方案试验通过时，平均故障间隔时间的最低可接受值置信下限为：

                 

      当按照定时截尾验证统计方案试验不通过时，平均故障间隔时间的最低可接受值置信下限为：

      其中：
      θL——MTBF的单侧置信下限；
      β——使用方风险；
      C——推荐的单边置信度，C=1-β；
      T——累计有效试验时间；
        r——验证中判定故障数。
4.14  明确考核结论
4.14.1  接收
      当满足以下条件时，结束考核，考核结果为接收：
      a) 完成考核工作（积累有效考核时间达到统计方案规定的时间），样机判定责任故障数未超出统计方案允许接收允许故障数。
4.14.2  拒收
      当发生以下任一种情况时，终止试验，试验结果为拒收：
      a)  在考核期间，样机折算后的判定责任故障数超出统计方案接收允许故障数，提前终止试验；
      b)完成考核工作，样机折算后的判定责任故障数超出统计方案接收允许故障数。
      （考核后测试是考核的一个重要组成部分，有可能发生考核后测试不合格的情况，如果判定为责任故障，且加上该责任故障后责任故障数超过统计方案允许的责任故障数，则试验同样判定为拒收）。
      考核被拒收后，研制方应完成故障归零整改，重新投入整改后的样机进行考核试验。
5 结束语
      大仪项目可靠性指标要求较高，样机数量不多，普遍存在可靠性指标考核时间周期长的问题，早点着手完成可靠性指标考核前的准备工作（包括委外商务流程、大纲编写与评审、考核前样机与测试条件准备等），在样机功能性能符合要求后即开展可靠性指标考核，充分利用样机日常运行和测试的时间，能够帮助我们减少样机运行时间的浪费，节约人力、动力、资源成本，更早完成可靠性指标考核工作。

图4  科鉴可靠性服务优势