对可靠性试验参数和置信区间的探讨

牛鑫，宋清山，陈鸣，王宾，刘冰洋

（总参信息化部驻新乡地区军事代表室，河南 新乡 453000）

0 引言

可靠性验证试验是装备研制阶段和生产阶段的重要试验，试验参数的选取对试验周期和保障费用有较大的影响。由于对可靠性标准的学习理解和试验方法研究不足，装备承制单位在通信装备可靠性试验方案和试验参数的选取上仍存在一些疑惑和误解。本文结合对相关标准的理解，谈谈选取可靠性试验参数、试验应力以及试验结果计算方法的看法。

1 试验方案的选取

GJB 899A-2009[1]推荐了21种可靠性统计试验方案，这些试验方案以产品故障前工作时间符合指数分布（即失效率为常数）的假设为基础。因此，选取试验方案前，应进行产品失效率分析。对于大多数通信和电子产品而言，在剔除了早期失效后，其故障分布是符合指数分布的，因此，在完成了环境应力筛选后，可以应用GJB 899A-2009推荐的试验方案。在选取试验方案时，通常要考虑订购方风险、承制方风险和试验时间3个因素，GJB 899A-2009的第17号方案，订购方风险、承制方风险和试验时间较为适中，是较为常用的方案。对于新品而言，由于样机的数量较少、研制周期紧等因素，可选的可靠性鉴定试验方案受到很大的制约，需要在试验风险和可操作性之间做出平衡。由于可靠性鉴定试验的目的是为了检验样品的MTBF验证值，依据GJB 899A-2009附录A.3的规定，应采用定时截尾试验方案。考虑到样品数量和试验时间受限等因素，一般会采取短时高风险方案，如GJB 899A-2009中第21号方案。对于MTBF规定值较高、采用高风险方案仍然无法满足研制进度要求的情况，承制单位应当早做准备，适当地增加样机数量。

2 试验周期数、试验周期时间的选取

在设计通信装备可靠性试验方案时，要考虑试验周期数和试验周期时间这两个制约条件。GJB 367A-2001[2]附录B规定：“试验周期时间一般按24小时或24小时的可约小时数”；“大型设备的试验周期数一般不少于3个，机载设备一般不少于8个，其他设备一般不少于5个”。试验周期时间不能过短，以避免试验过程中环境应力切换过快，施加在受试设备上的试验应力无法达到稳定状态；试验周期时间也不宜过长，以确保试验周期数不少于规定值。在可靠性鉴定试验中，由于样机数量少、单设备试验时间较长，可以按24 h或24 h的整倍数来设计试验周期时间，如48 h、72 h等。通信整机的试验周期数应大于5，一般不会是整数（不应当取整），以保证在试验进行到规定的总试验时间时立即终止试验，而不将试验时间延续到该周期结束（否则，延长期内出现的故障将导致试验结果无法判决）。需要强调的是，地面固定设备不进行循环试验，不采用周期循环的应力。在编写可靠性试验方案时，应避免出现将试验周期数取整和固定设备采用循环应力这两种错误。

3 试验应力的选取

GJB 899A-2009对试验应力提出了如下要求：若研制合同无明确的规定，可靠性验证试验应在电压输入、温度、振动、湿度和其他有关试验条件综合作用下进行，并优先使用实测应力（特别是温度和振动）；在无实测应力时，也可采用估计应力和参考应力。GJB 899A-2009的附录B和GJB 367A-2001的B.3给出了各类装备的参考应力。由于对军标要求有不同的理解，在振动应力和电应力的选取上容易出现分歧。

3.1 振动应力的选取问题

振动应力的分歧主要体现在振动量值和振动时间两个参数的选取上。

在振动量值上容易出现的分歧是使用环境适应性应力还是军标中给出的可靠性试验参考应力。对比GJB 367A-2001表2和附录B.3可以看出，环境适应性应力和可靠性试验应力并非同一量值，因此，笔者认为：在无合同规定和实测应力时，可靠性试验应选取GJB899A-2009附录B和GJB 367A-2001中B.3给定的参考应力，而非环境适应性应力。从实测应力的定义上也可以得到相同的结论。GJB 899A-2009对实测应力的定义为 “根据装备在实际使用中执行典型任务剖面时，在受试产品安装位置附近测量的数据，经过分析处理后确定的应力”，其强调的是执行典型任务剖面时的应力，而非极端条件下的应力。在温度应力、电应力等其他应力的选取上也可以按此方法办理。

GJB 150A-2009[3]、 GJB 367A-2001和GJB 899A-2009等标准中关于振动时间的模糊说法是引起振动时间分歧的主要原因。以GJB 899A-2009中B3.3.3 a)规定的轮式车载设备扫频振动为例，“扫描一次时间为12 min，每个轴向累计振动时间按移动里程1600 km试验时间为30 min计算，但最长时间为5.5 h”。有些承制单位在可靠性试验方案规定，一次振动时间36 min（扫频3次），有的采用30 min的。GJB 150.16A-2009规定的随机振动方法也存在这个问题，如 A.2.2.2.5a) 中 “高速公路上的卡车运输：普通货车/卡车的振动暴露持续时间每1600 km的公路运输为60 min（每个轴向）”，某些产品规范于是按每轴向60 min来做环境适应性振动试验和可靠性试验。通过分析上述3个标准中的相关描述，笔者认为，振动时间应按任务剖面来确定。例如，GJB 150.16A-2009的A2.2.2.2 规定高速公路卡车运输 “里程一般在 3200～6400 km”。因此，选用GJB 150.16A-2009中图C.1的振动量级时，振动时间至少应为：3200 km÷1600 km×60 min=120 min（每轴向）。

在随机振动量级、试验测试项目的设置上也容易出现分歧，比如车载移动设备随机振动应力是选取 GJB 150.16A-2009 中图 C.1 还是图 C.2 的问题。由于 “尚无适合这种环境的通用分析模型”等原因，不再多述。

3.2 电应力的选取问题

GJB 367A-2001 的 B3.1.1 规定 “车载式和便携式设备输入电压一般按额定值的±10%或±10%～±15%变动”。 GJB 899A-2009 的 B3.3.2 规定地面移动设备 “若无其他规定，则输入电压的变动范围应为标称电压的±10%。对于便携式设备，上限电压为标称值电压的133%，下限电压为标称电压的84%”。笔者认为，对于大多数车载通信设备而言，无论电压范围是±10%还是±10%～±15%都能够满足；对于便携设备而言，无论是上限133%和下限84%的要求还是±10%或±10%～±15%的变动范围都不恰当。以采用14.4 V蓄电池供电的设备为例，蓄电池实际供电范围为 10.8～16.8 V，与GJB 899A-2009和GJB 367A-2001中规定的供电电压的差别较大（详见表1），因此，应按蓄电池的实际供电范围来施加电压力。

表1 蓄电池供电电压及军标规定的电压范围

4 试验结果的判定

GJB 899A-2009中第21号方案采用了1/0判决，试验以零故障获得通过时，只能计算出MTBF置信下限，文献[4]还给出了计算置信下限的经典公式，如公式（1）所示。

式（1）中：θL——MTBF置信区间下限值；

T——总的试验时间；

α——承制方风险。

在使用公式（1）计算MTBF置信区间时常常会遇到这样的困惑：试验结果为合格，而计算出的MTBF置信下限却低于MTBF检验下限（合同值）。出现这种情况，首先是因为公式（1）混淆了试验风险，可靠性试验下限对应着订购方的风险，对于可靠性水平接近下限值的产品，应当高概率地拒收，因此应将公式中的承制方风险改为订货方风险；其次是没有考虑试验方案中风险名义值和实际值的差异。 在 GJB 899A-2009 表A.4～A.7 的 21 种方案中，不仅提供了风险的名义值，还提供了风险的实际值。在计算MTBF置信下限时，应采用订购方风险的实际值；计算MTBF置信上限时，应采用承制方风险的实际值。以下举例说明。

例如：MTBF检验下限（θ1）为1000 h，采用可靠性方案21，总试验时间T=1100 h。可靠性试验以零故障通过时，MTBF置信下限如下：

a）按风险名义值 α=β=0.3 计算时，MTBF 置信下限为：

b）按订购方风险实际值 β=0.333计算时，MTBF置信下限为：

由公式（2）、（3）的计算结果可以看出，采用实际值计算出的MTBF置信下限与检验下限基本一致。使用GJB 899A-2009公式（A.11）计算时，得到的是相同的结果。

在计算MTBF置信区间时，使用试验风险名义值，虽然能够利用GJB 899A-2009中的附表快速地查得试验结果，但也容易出现概念混淆和试验结果不合格的情况。由此可见，无论是采用哪种可靠性试验方案，在计算MTBF置信区间时，都应当使用风险的实际值，而非名义值。

5 结束语

可靠性试验参数的选取与试验费用和试验时间密切相关，有时还会影响到对试验结果的判别，因此，必须合理地确定可靠性试验参数。微软Excel办公软件中有提供分布函数，计算可靠性置信区间已非常方便。

[1]GJB 899A-2009，可靠性鉴定和验收试验[S].

[2]GJB 367A-2001，军用通信设备通用规范[S].

[3]GJB 150.16A-2009，军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验[S].

[4]总参谋部通信部.通指装备检验验收通用要求[S].2005.