工程系统可靠性的演进

秦咏红,吕乃基

(东南大学STS研究中心,江苏南京 211189)

可靠性是工程系统维持无故障工作能力的综合指标,表征元件、部件、设备等以及它们构成的工程系统在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。可靠性是人工自然、人机关系以及工程设计、建造、运行和使用中的一个基础范畴。工程系统可靠性研究肇始于20世纪30至40年代的航空和军事工程领域①有三个论据:1939年《适航性统计学注释》最早提出可靠性指标;1942年美国麻省理工学院最早提出可靠性定义;“二战”末期德国火箭专家R.Lusser最早提出系统可靠性理论。。50至60年代,在美国、前苏联和日本等国形成了可靠性技术和管理并大致确定了可靠性工程的理论基础和研究方向。70至80年代狭义可靠性工程②可靠性工程学科研究内容涵盖可靠性科学、可靠性技术、可靠性管理。成熟,可靠性研究受到国际重视,其科学的理论基础、完备的技术体系以及配套的管理和教育机构相继确立,并向广义的方向发展。研究工程系统可靠性的演进,可以丰富和深化对工程与社会、工程伦理、工程哲学等问题的理解。

一、 工程系统可靠性演进的背景

可靠性工程起源于军用电子设备失效现象并非偶然。“二战”期间,美国与德国在尖端武器研制上的竞争,以及战后美国和前苏联在军事和航空航天领域的角逐,使得大量的人才、经费和物资投入到可靠性研究领域。可靠性事关工程效能和安全,工程运行的复杂性、工业生产的经济性、工厂事故的危害性等都要求工程系统必须可靠。其一,工程系统结构的复杂性与其功能之间的相关性、涌现性、不确定性等使得工程系统的运行越发复杂,例如一个密封圈的失效就能导致“挑战者”号航天飞机失事。其二,工业生产规模化、工艺流程连续化、设备运行高速化等要求工程系统必须可靠。其三,工程系统不可靠可能带来连锁反应,从元件故障扩散到整个系统,引发严重的经济和安全问题,给社会和环境带来灾难,例如切尔诺贝利核电站事故。为此世界各国尤其是欧洲国家通过制定环境保护法、产品责任制等干预工厂的设计、建造和运行,迫使工程系统可靠性得到重视和提高。这也是日趋激烈的市场竞争的要求。

提高工程系统可靠性是传统工程向“大工程”迈进的要求。“大尺度工程系统”综合化、系统化的特点在工程的结构、功能、性能和效能等方面均有体现[1]。元素种类和数量的剧增给工程系统带来了变化。首先,新的零部件制造工艺、性能,特别是与其他零部件的关系和影响尚存在未知领域,须要对其可靠程度进行衡量,并逐步改进、提高、补充和完善。其次,工程系统的零部件数量增多、功能增强,彼此间关系变得复杂,失效状态随之增多。元件失效具有随机性,工程技术人员仅凭借个体经验或直观定性分析,难以评价工程性能、判断状态和排除故障,往往须要借助可靠的方法和工具,以较少的试验数据衡量复杂的工程系统。再次,技术设备所应用的环境、过程和条件或复杂或未知,须要在不确定的工程系统环境下,保障其在使用时功效能正常发挥。最后,复杂系统元素间时序上的相容问题、时间因素等造成的老化劣化等易隐藏的问题也促使人们想方设法缩短老炼期,提高设备等的可靠性。

可靠性工程的演进离不开工程知识综合水平的整体提升。可靠性工程集成了可靠性数学、失效物理学、运筹学、环境科学、系统工程学、价值工程学、工程材料学等知识,研究工程各阶段可靠性定性和定量的分析、预计、控制、验证、评估、优化的理论和方法。可靠性科学技术的发展使分析可靠性问题的手段和方法越来越先进,例如影响与危害度分析(FMEA)、综合环境应力可靠性试验方法等,为可靠性技术和管理在工程系统的广泛应用奠定了基础。以可靠性数学为例,上世纪30年代迅速发展起来的概率论和数理统计,为分析元器件可靠性的随机性问题创造了条件。1951年W.威布尔提出了材料疲劳寿命分布函数,为用材料疲劳与极限理论来研究材料复合问题提供了定量分析的数学工具[2]2。

二、 工程系统可靠性的分布

工程系统按照特定目标及技术要求,由人、物料、设备、能源、信息、技术、资金、土地、管理等要素构成[3],是“全要素”和“全过程”的交叉和结合[4],是具有寿命周期的动态系统[5]。工程要素在一定的时空结构中排列组合、生成演化、更替消亡等的流程、关系和活动,须要在工程目标引导下可靠地进行。采用可靠性技术和管理能够控制工程系统在一定时期和条件下,维持动态的平衡性、稳定性和持续性,使工程系统效能、性能和功能等保持在工程目标设定的正常状态,即使工程失效,也能保障重要设备、人员和环境的安全。可靠性技术在工程领域分布广泛,从航天飞机到家用电器,从大型建筑到单个电子元件,涉及宇航、电子、核能、电力、化工、冶金、机械、建筑、通信和交通等诸多工程领域。可靠性管理贯穿工程系统规划、设计、建造、运行、维护和保障等各个阶段。

实体性的工程系统可靠性可分为三个层次:微观层次如集成电路的可靠性;中观如机械设备的可靠性;宏观如国家电网的可靠性。概念性的工程系统可靠性涵盖各个时期可靠性理念、方法、标准和建制等各种知识体系。学科性的工程系统可靠性包括多个可靠性工程知识体系的概念性子系统,例如人因工程和维修性、测试性、保障性工程等(参见图1)。

图1 可靠性工程的内涵

可靠性工程学科的演进是实体性与概念性工程系统可靠性二者的交织、集成和协同演进。随着可靠性应用范围的拓展,二者都在发展之中。实体系统可靠性在演进时,概念系统各种可靠性的理论、方法、标准和建制也在演进。实体系统可靠性研究一旦有了突破,其变化也会在概念系统上表现出来,而概念系统反过来也会影响实体系统可靠性演进。

三、工程系统可靠性演进的阶段和模式

1. 可靠性工程演进的各个阶段

狭义可靠性工程的生成是可靠性工程演进的初始阶段。“二战”期间,美国60%的机载电子设备运到远东后不能使用,50%的电子设备在存储期间失效[6]2。大量军用电子设备频繁失效现象,迫使人们思考失效现象背后的本质问题。为此美国1943年成立电子管研究委员会,1952年成立国防部电子设备可靠性顾问团(AGREE),并于1957年发表了奠基性的《军用电子设备可靠性》研究报告,提出一整套可靠性设计、试验和管理方法,确立了可靠性工程发展方向[6]2。此后,它不断向工业和民用产品领域渗透,20世纪60年代推广到核工业,70年代在化学工业普及,并陆续扩散到其他工程领域。

(1) 分蘖出维修性工程的阶段。维修性研究起源于上世纪50年代中期美国武器装备维修费骤增现象。当时每250个电子管就需要一个维修人员,每天武器维修费需2500万美元[6]4。美国空军5年的电子设备维修费超过其购置费10倍[2]2。罗姆实验室由此设计了维修性改进方案,奠定了维修性工程雏形。1966年美国颁发《维修性大纲要求》、《维修性验证、演示和评估》和《维修性预计》,标志着维修性演变成为一门独立的工程学科[6]6。

(2) 分蘖出测试性、保障性工程等XX性工程的阶段。测试性研究肇始于上世纪70年代。随着半导体集成电路和数字电路复杂性的增长,出现了故障检测和隔离所需时间大增的现象,维修重点由拆卸、更换等转向故障检测隔离。机内测试和故障诊断成为改善维修性的重要途径。1975年F.Ligour等人提出了测试性概念并用于设计诊断电路,受到军方重视[6]6,1978年美国设立测试性研究机构。1993年美国颁发《系统和设备测试性大纲》,测试性脱离维修性,成为一门与可靠性、维修性并列的工程学科[6]7-8。保障性研究源自上世纪70年代中期大型武器装备复杂性增长导致的战备完好性低而保障费用居高不下的现象。它与测试性同期分蘖出来,执行《系统和设备综合后勤保障的采办和管理》等标准。

(3) 广义可靠性工程趋于成熟,各种XX性围绕可靠性综合的阶段。随着可靠性工程的演进,新的XX性陆续分出,而已经分出的XX性围绕可靠性又重新集成起来。20世纪80年代末以来,美国可靠性、维修性、保障性工程无论是指标还是工程技术体系都呈现综合化发展趋势,同期欧洲将可靠性、维修性、维修保障性等技术综合为可信性技术[7]。广义可靠性工程提供的各种衡量、控制、预测、评估、管理工程系统可靠性的有效方法受到国际认可。

(4) 各种可靠性知识的专门化、协同化演进阶段。可靠性工程的演进促进了新材料、新工艺、质量控制技术和检验统计技术的发展。半导体物理学、失效物理学的发展曾受益于可靠性研究。维修保障性研究促进了物流学发展。研究人、系统的可靠性促进了人因工程学和安全工程学的发展(见图1)。这些专门化的工程研究取得突破后,又促进了可靠性工程进一步发展。可靠性一方面促使原来发散的认识收敛聚焦,围绕可靠性在横向和纵向形成新的分支和学科;另一方面引导组织各种物质资源预置或投入工程之中,以提高工程的性能和功效。其演进在这两个方面的相互促进和协同中进行。

2. 可靠性工程演进阶梯的层级跃升模式

工程系统可靠性演进呈阶梯状层级逐级跃升模式。在工程系统较简单的区间,可靠性呈线性增长(参见图2中的[1]),此时工程知识较充裕、系统复杂性较低。随着工程系统规模扩大,可靠性知识得到积累,认识水平得以提升,有关可靠性的科学、技术、管理等研究和实践反过来又进一步补充和发展了工程知识,可靠性研究成果在积累中逐渐增长。

图2 工程系统可靠性的演进

随着工程的发展,原有工程知识集成水平难以应对复杂性的持续增加,须要升华可靠性认识。每一个XX性工程的生成均对应一个可靠性层级的跃升(参见图2中的[3]、[5]),产生新的关于可靠性的知识体系。新体系没有摒弃旧体系,而是以旧体系为基础,在原有基础上增加新层级。这些层级进一步提升了工程主体认识和运用工程知识的能力,并相对降低工程系统复杂性,提升工程系统操控水平,在新的工程知识平台上(参见图2中的[2]、[4]、[6]),在新的材料、工艺或组织管理方式支撑下,工程系统迎来新一轮发展,随之而来的是工程系统复杂性新一轮持续增长。当现有阶梯层级的平台无法容纳更高的工程系统复杂性时,工程的有效性降低,出现新的失效现象,现有的工程知识组织方式再次失灵,工程系统的预设功能将难以充分发挥,可靠性难以与相应的工程性能或造价匹配。此时,需要认知能力再次跃升,需要科学知识、技术工具和管理手段等集成出新的可靠性工程模式对复杂性加以约束。工程系统积聚并整合系统内外新的知识增长点,酝酿下一次跃升,即更高水平的工程知识集成。在这一次次工程知识组织层次的阶段性分蘖中,人类对工程的控制水平稳步提高。

在工程主体对工程的所有需求中,可靠性位居基础层次,经济和审美等需求都必须以它为基础。在可靠性演进阶梯上,狭义可靠性层级同样处于基础地位,先分蘖出的层级是后分蘖者的基础。维修性建立在可靠性基础上,二者综合可以有效降低工程系统长期运行费用。测试性从维修性发展而来,它通过衡量工程状态、检测隔离故障、缩短诊断时间降低了维修难度。保障性表征外部资源与工程系统匹配程度,它需要较高的管理能力处理工程系统外围条件、环境的随机性和不确定性,因而其在演进阶梯上分蘖得较晚。

可靠性层级出现的顺序与传统工程项目各环节展开的顺序相一致。传统工程采取“序贯式”顺序(参见图1方框实线箭头所示顺序),先研制能满足工程功能要求的主要设备,后研究和实施维修保障等所需的方案和资源配置,先解决有无的问题,再解决好坏的问题。广义可靠性工程诞生之后,工程系统可靠性向上推广(参见图1虚线单箭头所示顺序),由原先的只能被动接受的运行失效阶段的质量特性,转变为设计和管理特性,可以人为地提前注入、建构、评估、预测和分配其建造运行后的可靠性、维修性等XX性。工程展开的历史顺序得以改变,串行变为并行。

四、工程系统可靠性演进的特点以及对工程主客体的影响

工程系统可靠性的演进受所处社会环境的型塑,其演进具有工程的实践性、有效性特点。层级演进具有两个维度,其一,以维修性等XX性工程形式,横向整合概念和实体系统,增进实体系统整体行为的可靠性;其二,将概念系统形成的标准,向序贯的两端推进,纵向贯穿工程系统全部要素和过程。可靠性的演进以提高可靠性为目标,对影响工程系统功能发挥的各种因素进行评估、筛选、监控、反馈、强化、限制和防范,通过试验和现场使用数据的反馈,选择并放大有利于实现工程目标的因素,抑制不利因素,不断修正工程系统的行为,将其限定在可操控的范围内,使工程客体沿着主体目标不断生成和逼近,使主体不断提高并优化操控工程客体的能力和效果。

工程系统可靠性演进过程具有完整性和一致性的特点。可靠性的演进旨在消除工程系统在协调性、兼容性、适应性、稳定性、持续性、重复性和可用性等方面的障碍[8],使工程系统内外、人机之间协同一致。其演进不仅强化了主体对客体的控制能力,还将人的操作习惯、生理和心理等因素作为工程系统的组成元素加以考虑,人机界面更加完整。其演进拉近了工程主体间的距离,工程多方主体各个环节的在场者或是不在场者,对完成工程功能的任务要求在可靠性上得到统一,工程主体之间的相互依赖关系通过可靠性得以加深。在深化可靠性认识的过程中,工程知识趋于完整,主客体在可靠性三个“规定”基础上达成一致。

工程系统可靠性演进模式具有相似性和可移植性特点。维修性等XX性工程与狭义可靠性工程的生成和演化模式有较高的相似度。它们都在军事领域生成,均因电子装备复杂化导致失效率攀升、可用性大幅下降或费用骤增[9]。经过失效现象→工程问题→可靠性理论→可靠性技术→可靠性标准→可靠性建制的演进之后,以“标准”强化实体工程系统可靠性管理。可靠性标准是概念系统形式存在的可靠性指标体系,是隐性知识向嵌入编码知识再向非嵌入编码知识的发展[10]。作为工程领域一种特殊的非嵌入式知识体系,它具有更大的适用范围,更易移植到相似模式中。因而,工程系统生成狭义可靠性用时较长,而生成维修性、测试性用时短得多。在电子设备研制中形成的可靠性评估、考量方法,可以应用到机械、建筑等其他工程领域;在军用装备生产中形成的可靠性管理认证等手段,同样可用于提高工业设备和民用产品的可靠性。相似性和可移植性减少了演进难度,使客体不断有序化、层级化和系统化,不断创生新的层级,增加工程系统新的客体。

工程系统可靠性演进方向具有规定性、权衡性的特点。其演进随着新的可靠性分蘖曲折地上升,在系统复杂程度与工程知识匹配能力两者张力间游走,它与工程需求层次的提高相一致,是众多因素综合作用的结果。在可靠性演进初期,由于工程知识未知领域很多,对工艺等控制程度有限,设计人员无法充分预见工程系统面临的全部复杂性,工程系统建立在已证实了的人工自然基础上,序贯后一环节必须符合前一环节的规定性,不容许偏离,否则偏差经“序贯”放大易引发事故。工程系统的一致性和完整性须要由预设的规定性来保障。这种规定以完成工程功能的需要为中心,起点是机器,是人对机器的俯就[11]。可靠性演进之后,预设的规定性以主体的适用性为终点。序贯松动,工程各个环节围绕终点目标,采取倒逼方式,通过权衡选择与主体利益更相符合的设计,容许双方在一定程度上偏离,例如环境的变化和人的误操作。规定性和权衡性结合,增加了工程系统刚性和柔性。通过可靠性演进,人机双方共同弥合二者之间的缝隙,确立了工程主客体人机友好的基础。工程客体在偏离主体所预期的规定性时,不断被明晰和纠偏,工程的主体对客体的可控性和有效性在可靠性演进中不断提升。

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