# 可靠性工程

| 可靠度 |
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| 技术科学 |
| 上级分类 | 系统工程  |
| 话题方面 | 可信任性  |
| 研究對象 | 可靠度  |

**可靠性工程**（英語：reliability engineering）是系统工程的一个分支学科，强调设备应能无故障运行，即产品、系统或服务在特定环境下、在规定时间内充分发挥其预期功能的概率（可靠度）。可靠性密切关联于可用性（availability），后者通常描述组件或系统在指定时刻或时间段内正常工作的能力。可测试性（testability）、可维护性（maintainability）和维修（maintenance）也常常被纳入可靠性工程的范畴。

可靠性工程处理产品全寿命周期内的工程不确定性和失效风险的预测、预防和管理。虽然随机参数定义并影响可靠性，但可靠性不仅仅靠数学和统计来实现——影响可靠性的不确定范围之大，在很大程度使定量预测方法失效。可靠性工程与质量工程、安全工程和系统安全密切相关，它们使用共同的分析方法并相互提供输入。

## 定义与目标

可靠性的标准定义为：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定功能的概率，其数学表达式为：

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_0
其中 WIKINIUM\_MATH\_PH\_2 为失效率（failure rate）， WIKINIUM\_MATH\_PH\_4 为时间。对于恒定失效率的情况，平均无故障时间（MTBF）等于 WIKINIUM\_MATH\_PH\_6 。

可靠性工程的目标按优先级排列如下：

1. 运用工程知识和专业技术预防或减少失效的可能性和频率；
2. 识别并纠正确实发生的失效的根本原因；
3. 确定在原因未能纠正时应对失效的方法；
4. 估算新设计的预期可靠性并分析可靠性数据。

可靠性工程的范围涵盖系统可用性和任务准备度分析、功能系统失效分析、故障容限设计（例如冗余）、预测性与预防性维护（如以可靠性为中心的维护）、人因工程、制造与装配诱导失效分析、失效/可靠性试验以及现场失效监测与纠正措施等。常用的可靠性评估技术包括可靠性方块图（reliability block diagram）、失效模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）、以可靠性为中心的维护（RCM）以及概率性载荷与材料应力分析等。

## 历史

“可靠性”（reliability）一词最早可追溯到1816年，首次见于诗人塞缪尔·泰勒·柯勒律治（Samuel Taylor Coleridge）的作品。在第二次世界大战之前，该词主要与可重复性（repeatability）相关联。1920年代，贝尔实验室的沃尔特·休哈特（Walter A. Shewhart）推动了统计过程控制在产品改进中的应用；同一时期，威布尔分布的提出者威布尔（Waloddi Weibull）正在研究疲劳的统计模型。

二战期间，电子设备（尤其是雷达系统中的真空管）的固有不可靠性引发了严重问题。1948年，IEEE成立了可靠性学会（Reliability Society）。1950年，美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询组”（AGREE），探讨军用设备的可靠性方法。AGREE提出了三条主要工作方向：提高元件可靠性、建立供应商质量和可靠性要求、收集现场数据并查找失效根本原因。1960年代，著名的军用标准MIL-STD-781诞生，RCA公司发布了用于预测电子元件失效率的军用手册MIL-HDBK-217的前身。

1980年代，半导体器件和微计算机的普及使可靠性工程重心从元件级转向系统级，贝尔通信研究所发布了首个面向电信行业的消费电子产品预测方法。1990年代后，失效物理学（physics of failure）方法日益受到重视，人们认识到单纯依赖历史数据的统计预测具有很大局限性。软件的可靠性成为系统可靠性的关键因素；能力成熟度模型（CMM）为软件开发提供了定性化的可靠性管理方法。

## 设计与预测方法

### 基于统计的方法

基于统计的可靠性设计首先建立系统模型（如可靠性方块图和故障树分析），利用历史数据中的失效率进行预测。尽管绝对值往往不精确，但相对比较对设计方案的评估仍有价值。故障率随时间的典型变化可用浴盆曲线（bathtub curve）描述，分为早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。对于耗损失效，威布尔分布是常用的建模工具。

提高系统可靠性的一个重要设计手段是冗余（redundancy），即当系统的某个部分失效时，存在备用的成功路径。常见的冗余架构包括：

* **1oo2**（一取二）：两个通道中任一正常工作即可保证系统可用，主要用于提高可用性。
* **2oo2**（二取二）：两个通道均正常工作系统才运行，用于安全关键系统，防止误触发。
* **2oo3**（三取二）：三个通道中至少两个正常，兼顾可用性与安全性，常用于航空和核电领域。

使用不同设计或制造工艺（如不同供应商）的异构冗余可以进一步降低系统性失效的风险，在全寿命周期内实现极高的可靠性水平。

### 基于失效物理学的方法

基于失效物理学的方法关注材料在应力作用下失效的微观机制，包括疲劳（fatigue）、断裂力学、腐蚀、磨损、蠕变和过应力等。这一方法通过对物理失效过程的深入理解，在设计中主动预防失效，而不是仅仅依靠统计数据的推测。该方法在现代电子组装件的可靠性设计中越来越普遍，因为集成电路的失效率已降至极低水平，传统的统计预测方法难以有效区分不同设计方案的优劣。

### 常用工具与技术

可靠性工程中常用的分析工具包括：

* **失效模式与影响分析（FMEA）**：系统化识别潜在的失效模式及其影响。
* **故障树分析（FTA）**：自上而下的演绎方法，分析导致顶事件的各种组合路径。
* **可靠性方块图（RBD）**：以图形方式表示系统各部分的串联/并联/旁联关系。
* **高加速寿命试验（HALT）**：通过逐步提高应力暴露设计缺陷。
* **高加速应力筛选（HASS）**：在生产阶段剔除早期失效的产品。
* **失效报告分析与纠正措施系统（FRACAS）**：记录和分析失效数据并跟踪纠正措施。

### 可靠性试验

可靠性试验的目的是尽早发现设计问题，并验证系统是否满足可靠性要求。加速寿命试验（accelerated life testing, ALT）通过在实验室施加高于正常水平的应力（如高温、高压、振动），在短时间内激发现场可能出现的失效模式，从而推断产品在正常使用条件下的寿命特征。

## 软件可靠性与结构可靠性

随着软件在各类系统中的比重不断增加，软件可靠性成为系统工程的关键环节。软件失效通常是系统性的设计缺陷，而非随机物理退化，其分析方法包括CMM模型、缺陷密度追踪和可靠性增长模型等。

结构可靠性（structural reliability）将可靠性理论应用于建筑物、桥梁等土木和机械结构的性能评估，通过概率方法处理材料强度、载荷和环境不确定性的影响。

## 可靠性与安全工程和质量管理的区别

可靠性工程与安全工程的目标存在差异：面向可用性的可靠性关注失效造成的经济损失（停机成本、备件、维修人力等），而面向安全的可靠性关注失效导致的人员伤亡。因此，系统设计需要在可用性和安全性之间取得平衡——过于强调可用性可能导致安全风险，而过度保守的安全裕度可能降低系统的可用性。

可靠性也不同于质量（六西格玛）。质量关注制造缺陷和保修期内的表现，而可靠性关注产品在整个寿命周期内的失效率随时间的变化。一个出厂时“质量合格”的产品可能在投入使用后不久即因设计缺陷而失效，这正是可靠性工程所要解决的问题。

## 教育与专业组织

可靠性工程作为一门学科，在全球多所大学设有研究生课程。从业者通常具有工程学、统计学、数学或物理学背景。主要的专业组织包括IEEE可靠性学会（IEEE Reliability Society）和美国质量学会（ASQ）的可靠性分会。在国际标准方面，国际电工委员会第56技术委员会（IEC TC 56）负责制定可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）方面的标准，美国的MIL-STD-785和美国国防部的各类可靠性与可维护性军用手册仍在全球范围内广泛引用。

* 失效模式与影响分析
* 故障树分析
* 系统冗余
* 可用性
* 可维护性
* 安全工程
* 浴盆曲线
* 威布尔分布

## 标准文献

* MIL-STD-785：可靠性与可维护性项目标准
* MIL-HDBK-217：电子设备可靠性预测
* IEC 60300系列：可信性管理
* IEC 61508：功能安全