可靠性与泛可靠性

什么是可靠性？ 让我们从采购一件产品开始。

在采购一件产品[1]时，人们首先关注其功能，看看是否适合自己的需要。如一部手机的功能合不合要求？ 通话、短消息功能有没有？ 具不具备智能功能？ 操作界面方便不方便等。对于舰船而言，人们首先考虑这艘舰船航速够不够快，打击能力怎样，雷达能不能抓住目标，导弹能不能精确制导，火炮能打多远？ 我们通常把这些称为产品的功能，或者产品的性能。当产品的基本功能确定了以后，要考虑的问题是该产品功能是否“管用”。如手机通话会不会断？ 短消息能不能发布出去？ 舰船的航速会不会降下来？ 武器系统能不能抓不到目标？导弹或火炮能不能发射出去？ 等等。如果第一个选择是功能，那么，第二个选择是产品功能发挥的稳定性。这种产品功能发挥的稳定性就是产品的可靠性。通俗地说，可靠性是关于产品质量稳定性的学科，是对产品核心质量量化描述的手段。经过长期的发展，这种质朴的对产品“管用”能力的追求演化成一条公认的关于可靠性的科学定义，即产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力。

这条定义明确了可靠性的四大要素。首先，定义明确了可靠性是产品的内在能力。这种能力和船舶的装载量、航速等一样，是产品的固有属性。这种能力仅仅从定性上理解是不够的，还必须有定量的刻画。由于产品故障带有随机性，不能仅以一个产品的工作情况来评价这一批产品可靠性的高低，而应在观察了大量同类产品的工作情况后方能确定这种能力的高低。所以，可靠性定义中的“能力”带有统计学的意义。在工作中失效的产品数占产品总数的比例越小，则这种能力就越大。这样，可靠性的度量要用概率术语。或者说，只有用概率的方法才能进行可靠性度量。常用的可靠性术语（或参数）有可靠度、不可靠度、平均无故障间隔时间等。

其次，这条定义明确产品的可靠性和产品的规定功能密切相关。功能的确定明确了能力是否具备的判据。简单地说，达到规定功能的标准就是具备能力，反之则是不具备能力。在此，中间没有灰色地带。这是把握产品失效尺度的关键。以一艘双轴双桨的舰船为例，该船双轴工作时航速为12kn，单轴工作时航速是8kn。若将预定功能规定成全速航行（12kn），则当一套轴系统发生故障时，舰船就不能全速航行了。从可靠性的角度上看，该舰船失效了。若将这种预定功能规定成能进行8kn以上航速航行，则在一套轴系统发生故障时，舰船仍然能够完成其预定功能，舰船并没有失效。因此，规定“预定功能”是进行可靠性分析的前提。

再次，这条定义明确产品可靠性对应的规定功能的实现有明确的条件限制，这种条件主要指环境条件，如环境温度、湿度、振动等。就像足球运动员在高温烈日下和在阴凉舒适的环境下表现完全不同一样，在不同的环境条件下，产品所表现出来的功能是完全不一样的。如一台16VPA6型柴油机，在普通的水面舰船上使用时可产生5000马力以上的功率，而在潜艇上使用时，由于背压环境影响，只能产生2600马力的功率。若笼统地对该型柴油机提出产生5000马力功率的要求，则在潜艇条件下根本办不到，即可靠度等于0。同样，舰船用雷达等电子设备在空气湿度大、盐分含量多的海域使用时，比在空气相对来说比较干燥的海域使用时出故障的次数多。舰船用钢板的腐蚀情况也是如此。此外，实验室条件下的可靠性和现场使用条件下的可靠性也是不一样的。

最后，这条定义明确了产品可靠性对应的规定功能有持续时间的要求。这条规定可以简单地理解为要求任何运动员以跑100m比赛的平均速度去跑马拉松是不可能的。时间，也就是耐久性是产品满足其功能的能力的重要度量。离开了时间就无可靠性而言。从一般常识来看，产品使用的时间越长，就越容易出故障，可靠性就越差。时间是研究可靠性问题的关键。这种“规定时间”的长短随着产品的不同以及使用目的的不同而异。如导弹系统只求在几分钟甚至是几秒钟之内可靠即可，而海底电缆则要求在几十年之内可靠。

如何理解泛可靠性呢？ 让我们把话语回到“管用”。通过“管用”两字，人们首先想到的是产品不出故障。于是，人们会想到如何使产品强壮，包括使用最好的材料，采用最精细的加工等。结果是产品故障少了，但负担越来越大，成本越来越高。更关键的是，杜绝产品故障似乎是一件不可能的事。于是，人们对“管用”的认识有了第一次的拓展：出了故障能尽快修复照样“管用”。对产品质量的期待也变为“产品能够尽量少出故障，出了故障能够尽快修复”。修复越快，产品可以投入使用的时间就越多，系统就越好用。此时，可靠性这个大的概念拓展出了可维修性和可用性这两个概念。

可维修性（maintainability），是产品在规定维修条件下、规定时间内完成维修工作的能力。可维修性虽然不是产品的独立特性，但它是其设计和装配的一种特性，它赋予产品一种便于维修的特有品质，从而减少维修工时，降低维修工作所要求的技能水平，节约时间、备件及维修费用，使得产品能够在较短时间内以及较少花费下得到其功能的恢复。该概念描述系统故障后能够快速恢复功能的能力。

可用性（availability），产品在规定时间内、规定条件下处于可工作状态的能力。这种概念是一种从实用角度出发的综合评价概念，可以简单理解为产品可工作时间与总需求时间之比。它从宏观评价可修复系统在整个时间段中处于可以发挥其功能的状态能力。

显然，与单纯“不发生故障”相比，可维修性和可用性这两种能力的出现使得“管用”的概念得到了合理的细分，也丰富了可靠性的内涵。

“管用”这个概念的第二次扩展来自对产品维修策略的深入研究。可维修性和许多因素有关，如固有简单性、维修方便性、备品备件、维修技术水平、维修工具（器材）保障等。如舰船在故障维修时，要对故障部位进行初步判断，对故障部位进行拆卸。如果零部件损坏，则需要更换，最后要将拆卸部位还原。在这一系列过程中，技术人员的技术水平、支撑拆卸的工具无不限制拆卸和回装的时间。同时，当需要备件时能不能马上获得，也决定了产品功能恢复的时间。如此，备品备件备多少，技术支撑到什么程度，专用的技术装备要准备哪些？引起了产品研发人员的高度重视。围绕这两个重要因素，可靠性概念迎来了第二次拓展，即保障性。

保障性（supportability），是装备的设计特性和计划的保障资源满足平时战备和战时使用要求的能力。这里，保障性有两方面的内容，其中“装备的设计特性”是指装备本身与任务能力有关的各种特性，概括起来就是产品的核心功能的发挥能力。这些特性是由设计赋予的，因此必须在产品设计时加以考虑。另一方面是“计划的保障资源”，指为保证装备的使用和保障而规划的各种资源和条件，主要包括人员、备件、技术资料、训练、保障设备与设施，以及包装、贮存、运输等。这些虽然看起来全是外部条件，但是，却是装备发挥其预定功能不可或缺的条件。从装备发挥其作用的大体系来看，可以把执行任务的核心装备看作主装备，而把另一类辅助装备看作保障装备。目前，在许多场合，特别是超越原有装备体系发展新装备时，如建设航母战斗群，其保障装备是主装备正常发挥其功能不可缺少的部分。如舰艇码头、航空煤油供应链、舰艇维修的专用场所和设备等。

保障性的直接研究对象是产品维修过程中所需要的各种保障条件，通过合理配置维修保障条件以及备品备件，保证在最小的代价下，用最快时间恢复产品的功能，实现故障产品的修复。

“管用”这个概念的第三次拓展来自对产品维修过程的再度细分。从复杂系统的维修活动来说，产品的故障定位往往是最费时，也是最困难的一个环节。就像本书后面要介绍的可靠性计算量将随系统规模呈指数增长一样，依靠经验为主的故障检测将花费大量的故障定位时间，从而阻碍维修时间的进一步缩短。为此，在20世纪后半叶，随着电子技术的不断提高，以快速故障定位为主要目标的测试性技术不断发展及完善，在有效缩减故障检测时间，并及时发现故障，避免系统故障进一步发展的同时，测试性技术也得到了完善。

测试性（testability），是产品（系统、子系统、设备或组件）能够及时而准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降），并隔离其内部故障的一种设计特性。简言之，测试性是产品能够及时、准确地进行测试的设计特性。它既包括对主装备（任务系统）自身的要求，又包含测试装备（设备）的性能要求。一般而言，在产品使用阶段的测试是属于维修范畴内的，包括预防性维修中的检测和修复性维修中的故障检测、隔离（合称故障诊断）及检验等活动。所以，测试性最早也是作为维修性的一部分，而且至今在多数领域内仍然这样对待。随着电子技术的发展和广泛应用，各种装备、设备的复杂化，测试性的地位更加突出，鉴于其理论、技术的特殊性，最初在电子设备，随后在其他装备中开始把测试性作为一种独立的系统特性。

可以看到，随着相关技术的进步以及人类认识的发展，围绕着“产品在一定时间内、规定条件下完成规定功能的能力”这么一个命题，可靠性的概念发生了多次拓展。可靠性（狭义）、可维修性、可用性、保障性、测试性等，是在这一个命题下对研究问题的细分。所有这些特性的核心就是装备完成规定功能的能力。它们的目标是一致的，它们的研究基础是一致的，所依托的数据基础也是一致的。它们在一起汇成泛可靠性。随着认识的深入，泛可靠性概念还可能进一步发展。

泛可靠性工程概念如图1-1所示。

图1-1 泛可靠性工程概念