可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）--理解可靠性

一、理解與可靠性定義

我們總是會(huì)說(shuō)：某某公司的東西“好用”；某某公司的產(chǎn)品“質(zhì)量好”；我也會(huì)經(jīng)常抱怨某某系統(tǒng)“不穩(wěn)定”；某某公司的產(chǎn)品“不可靠”；某產(chǎn)品或者部件 “容易壞” ；某某品牌的東西“保養(yǎng)麻煩”。這些問(wèn)題用戶或者管理人員一般都會(huì)把他們簡(jiǎn)單歸集為“質(zhì)量問(wèn)題”、 “可靠性問(wèn)題”或者“隱含需求”。但是嚴(yán)格追溯起來(lái)，這些問(wèn)題其實(shí)往往屬于好幾個(gè)不同類型的問(wèn)題。技術(shù)人員有必須先科學(xué)的對(duì)問(wèn)題分類，才能在問(wèn)題發(fā)生的階段去專題解決問(wèn)題。

與可靠性相關(guān)的概念有以下幾個(gè)：

01可靠性

可靠性只指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成功能的能力。這是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出的定義。標(biāo)準(zhǔn)的作用是用來(lái)衡量一個(gè)產(chǎn)品的好壞。那么怎么如何評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品可靠性的好壞呢？這就需要對(duì)這個(gè)定義進(jìn)行度量。

一般來(lái)說(shuō)“規(guī)定條件下”是恒定不變且長(zhǎng)期保持的，是不具備度量條件的。首先一個(gè)產(chǎn)品的“功能”基本完整才可能被視為可用的產(chǎn)品，也不具備度量條件。因此可度量的就只剩下“時(shí)間”和“能力“。而能力是個(gè)很寬泛的概念，比較通行的度量的能力的辦法就是”概率“。因此這個(gè)定義可以近似等效為：“在固定條件下和規(guī)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)保持功能完好的概率”或者”在固定條件下所有產(chǎn)品平均保持功能完好所持續(xù)的時(shí)間 （失效概率為50%）“。

這就引出了衡量可靠性的兩個(gè)參數(shù)：失效概率“和”平均無(wú)故障時(shí)間“。且這兩個(gè)參數(shù)是互為相反數(shù)。值得注意的是，如果“規(guī)定條件”發(fā)生變化，是允許可靠性下降的，但下降的趨勢(shì)也是可靠性設(shè)計(jì)的需要關(guān)注指標(biāo)。

本文主要講可靠性，這些概念后面還會(huì)被多次用到。

02可用性

我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到客戶抱怨你的設(shè)備不穩(wěn)定、不好用、不方便等等。用戶最終會(huì)抱怨是設(shè)備不可靠，不穩(wěn)定。其實(shí)準(zhǔn)確的說(shuō)這些都是可用性問(wèn)題。

可用性的定義是：在要求的外部資源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)刻或時(shí)間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。它是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。因此可用性是包含了可靠性的。

可用性與可靠性的關(guān)聯(lián)在于都必須考慮設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境。但是可靠性更關(guān)注的是在這個(gè)環(huán)境中能用多久（用概率表現(xiàn)的時(shí)間），而可用性則反應(yīng)的是能不能用？能不能用好？以及能不能達(dá)到用戶的期望？可用性需要考慮客戶在合理的使用條件下能完全正常的工作。比如筆記本電腦，顯然是可能被用戶帶出國(guó)，那么筆記本電腦在不同國(guó)家的電網(wǎng)的額定電壓條件下能否正常工作就是一個(gè)重要的可用性指標(biāo)；臺(tái)式電腦基本就不需要考慮這種問(wèn)題。埋在地下的電纜，顯然有必要考慮被老鼠啃食的問(wèn)題。這些都是可用性問(wèn)題。而可靠性一般只用考慮額定條件下的使用時(shí)間，兼顧非正常條件下的降效指標(biāo)即可。

比如說(shuō)某個(gè)設(shè)備的操作員突然由一個(gè)男士變成一個(gè)女士，設(shè)備由于沒(méi)有考慮到操作員的身高和力量的差異，導(dǎo)致女士操作的頻次比男士低很多，而引起系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降，我們可以據(jù)此就認(rèn)為設(shè)備的可用性不好。但是由于女士操作的頻次下降卻很可能使設(shè)備的可靠性提高了。

再舉個(gè)例子，某個(gè)產(chǎn)品標(biāo)稱值為額定電壓12，輸入電壓范圍為10V～15V，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）為3000小時(shí)。那么它隱含的意義是期望在12V條件下工作3000小時(shí)，其失效概率低于50%（估算值）。并沒(méi)有保證客戶在輸入15V條件下也能持續(xù)工作3000小時(shí)。當(dāng)然這個(gè)參數(shù)在實(shí)際中也不會(huì)差距太大（主要與產(chǎn)品壽命分布有關(guān)）。但如果產(chǎn)品提供者和使用者沒(méi)有就這個(gè)問(wèn)題溝通清楚的話，會(huì)給雙方都帶來(lái)很大的困擾。這就不再是可靠性問(wèn)題而變成一個(gè)可用性的問(wèn)題了：“用戶實(shí)際需要的供電模式是什么？”

03安全性

很顯然，在相同條件下更可靠的設(shè)備也更安全。但是安全性與可靠性依然是兩個(gè)不同的概念，有時(shí)候甚至是矛盾的。舉例來(lái)說(shuō)：核電站的要求的失效概率達(dá)到10^-8～10^-9以上（SIL5級(jí)）。這樣的標(biāo)準(zhǔn)要求如果換算成MTBF，沒(méi)有任何一個(gè)電子設(shè)備有可能達(dá)到這樣的指標(biāo)。但通過(guò)多個(gè)電子設(shè)備的并聯(lián)、冗余、監(jiān)視、保護(hù)等措施達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)卻是可能的。而新增加的這些保護(hù)、冗余等設(shè)備事實(shí)上會(huì)降低整個(gè)核電站的平均無(wú)故障時(shí)間。

為了解決安全性與可靠性的矛盾，許多應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)定義不同等級(jí)條件下的可靠性指標(biāo)。比如地鐵車輛的規(guī)定：發(fā)生A類故障（人身安全事故）的MTBF大于1百萬(wàn)小時(shí)、發(fā)生B類故障（停止運(yùn)營(yíng)）的MTBF大于10萬(wàn)小時(shí)；發(fā)生C類故障（更換維修）的MTBF大于1萬(wàn)小時(shí)。

04可維護(hù)性

從“1.1可靠性指標(biāo)的定義”節(jié)內(nèi)容可以看到，通過(guò)合理設(shè)計(jì)“可維修的部件”可以有效提高系統(tǒng)壽命（注意與MTBF的區(qū)別）。但是對(duì)于用戶而言任何更換維護(hù)都意味著成本，即使是免費(fèi)更換也要占用用戶的時(shí)間成本。維護(hù)成本是設(shè)備全生命周期成本（LCC）的重要組成部分。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能少的設(shè)計(jì)“可維修的部件”，迫不得已必須設(shè)計(jì)的也要盡可能的方便維護(hù)，使維護(hù)的時(shí)間和花費(fèi)降低到最小。

二、理解可靠性指標(biāo)

在可靠性設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)涉及兩個(gè)關(guān)鍵性的概念，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）和壽命。

設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是指“可修復(fù)產(chǎn)品“在相鄰兩次故障之間工作時(shí)間的數(shù)學(xué)期望值。對(duì)于這個(gè)定義有幾點(diǎn)值得推敲：

a、雖然這個(gè)指標(biāo)定義是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，是衡量整個(gè)設(shè)備總體性能的，理論上說(shuō)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)設(shè)備的各個(gè)部分進(jìn)行可靠性指標(biāo)分解，即所有的單個(gè)部件的失效概率應(yīng)該比整機(jī)的失效概率低很多才能保證整機(jī)的失效概率大于需求的指標(biāo)。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中由于“短板效應(yīng)”的存在，絕大多數(shù)電子設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）都是由于設(shè)備中壽命最短的那幾個(gè)部件所決定的。

b、對(duì)于不修復(fù)產(chǎn)品，其產(chǎn)品壽命就等于設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間。

c、對(duì)于“可修復(fù)產(chǎn)品”，其產(chǎn)品壽命由其不可修復(fù)的部件的最短壽命決定其設(shè)備壽命。

再進(jìn)一步引申：改善一個(gè)產(chǎn)品MTBF指標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于提高設(shè)備部件壽命的瓶頸。而改善一個(gè)產(chǎn)品壽命指標(biāo)的關(guān)鍵是將某些壽命瓶頸部件變成“可維修的部件”。舉例來(lái)說(shuō)：對(duì)于一輛汽車而言，如果以整車來(lái)看其平均無(wú)故障時(shí)間（無(wú)故障里程）是超過(guò)15000公里或者12個(gè)月，這顯然是由機(jī)油這個(gè)部件的壽命來(lái)決定的。但是因?yàn)檫\(yùn)行更換機(jī)油、更換剎車、皮帶等保養(yǎng)措施的存在，一輛車的設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)到20年；電腦的顯示屏和硬盤的MTBF顯然是低于其他部件的，因此電腦銷售時(shí)這兩個(gè)部件的質(zhì)保期也經(jīng)常會(huì)單列。

比如在激光加工設(shè)備中，光源顯然是屬于整機(jī)的壽命瓶頸，設(shè)計(jì)時(shí)就需要將其設(shè)計(jì)為“可修復(fù)單元”。因此需要為其設(shè)計(jì)為方便的維修方式，如果更換一個(gè)光源需要把整個(gè)激光加工生產(chǎn)線都拆了，這樣造成的長(zhǎng)時(shí)間停工是很難讓用戶接受的。對(duì)于公司售后維護(hù)來(lái)說(shuō)也將是沉重的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)然也有反向的例子，手機(jī)電池是手機(jī)的壽命瓶頸，因此手機(jī)發(fā)明之初都是將其設(shè)計(jì)為“可修復(fù)單元”。但是隨著電池壽命的提高，同時(shí)很多廠家為了提高手機(jī)更換頻次的商業(yè)目的，現(xiàn)在更換手機(jī)電池已經(jīng)非專業(yè)人士不可了，基本可以被認(rèn)定為“不可修復(fù)單元”了。這其實(shí)是降低了手機(jī)的整機(jī)壽命。

本文以電子設(shè)計(jì)為主要對(duì)象，而電子器件很多都是焊接在板卡上，一般很難更換，這里就不再考慮更換和維修這一條件，因此本文后續(xù)的壽命就等同于平均故障時(shí)間，不再仔細(xì)區(qū)分這兩個(gè)概念了。

三、可靠性指標(biāo)的運(yùn)用

絕大多數(shù)設(shè)備銷售都有質(zhì)保期的規(guī)定的，質(zhì)保期怎么定往往由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)策略、銷售模式、銷售價(jià)格、成本利潤(rùn)控制等多方面因素共同決定的。但是不管怎么定質(zhì)保期是絕對(duì)不能超過(guò)設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間的。超過(guò)這個(gè)時(shí)間就意味著很多設(shè)備沒(méi)有過(guò)質(zhì)保期就已經(jīng)不能正常工作了，這時(shí)用戶如果要求退換、維修、甚至賠償?shù)脑捲O(shè)備供應(yīng)商就不可能盈利。

標(biāo)稱MTBF時(shí)間一般以小時(shí)計(jì)算。而質(zhì)保期一般按年計(jì)算。這就存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。這個(gè)關(guān)系不是簡(jiǎn)單的365*24的關(guān)系。因?yàn)橹挥泻軜O端的設(shè)備才會(huì)完全工作在這種全年無(wú)休的情況。而且即使是這樣的設(shè)備，也不會(huì)處在滿功率、滿負(fù)荷并且極惡劣的工況下工作。因此其計(jì)算也不必如此保守。一般而言可以分為以下幾個(gè)種類：

一般來(lái)說(shuō)醫(yī)療設(shè)備，參照高頻民用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)即可。

軍品一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有明確的使用時(shí)間要求。但是要求在標(biāo)稱的使用時(shí)間內(nèi)超低故障率。因此一般而言軍品會(huì)提高一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。比如說(shuō)需求為3000小時(shí)的，一般會(huì)非硬約束（比如材料特性約束）部分的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)至少都要達(dá)到5000小時(shí)以上。因此我們一般會(huì)感覺(jué)軍品的質(zhì)量更高。

但是我確實(shí)曾經(jīng)見(jiàn)到過(guò)銷售的設(shè)備標(biāo)稱MTBF是3000小時(shí)，但是銷售商承諾的免費(fèi)質(zhì)保期確是三年的情況。這種情況很多時(shí)候是銷售人員基于市場(chǎng)壓力做出來(lái)了一種商業(yè)策略。這是一種很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，是很難人信服的。

你可能會(huì)有疑問(wèn)，家里的電器標(biāo)準(zhǔn)只有1年，但是我家里卻用了很多年了也沒(méi)有壞啊？怎么感覺(jué)這個(gè)值和理論值差異這么大呢？這有以下幾個(gè)原因：

1、絕大多數(shù)人的使用頻次其實(shí)沒(méi)有理論那么高。以電視為例，計(jì)算時(shí)是以3000小時(shí)為1年計(jì)算的，但實(shí)際上你需要每天看8個(gè)小時(shí)以上的電視才能達(dá)到一年3000小時(shí)，很多人連一半的時(shí)間都達(dá)不到。

2、即使是讓電器設(shè)備運(yùn)行著，很多時(shí)候電器也并沒(méi)有全功率運(yùn)行。例如很多人的手機(jī)會(huì)24小時(shí)開(kāi)機(jī)，但是絕對(duì)不會(huì)有人24小時(shí)都在連續(xù)打電話。

3、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境更優(yōu)。隨著生活條件的改善，現(xiàn)在的人已經(jīng)很難想象誰(shuí)會(huì)在35度以上的高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間看電視了。即使看也很有可能開(kāi)著空調(diào)、開(kāi)著風(fēng)扇。同時(shí)國(guó)家電網(wǎng)的改進(jìn)、防雷措施的升級(jí)等，都會(huì)大大提高設(shè)備的使用壽命（環(huán)境因素對(duì)設(shè)備壽命的影響詳細(xì)見(jiàn)本文后半部分的內(nèi)容）。

4、公司采用了更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工廠而言每年1%的故障率并不算太高，但是對(duì)于客戶而言就是100%了，1%的故障率同時(shí)意味著每售出10萬(wàn)臺(tái)的設(shè)備就要面對(duì)上千人次投訴，當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的更有的性能進(jìn)行對(duì)比后，就會(huì)發(fā)酵為非常惡劣質(zhì)量事故。因此為了降低客戶投訴和與對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)的需要，很多廠家不得不提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5、多數(shù)的家用電器設(shè)計(jì)使用在廣大的范圍內(nèi)銷售的，因此設(shè)計(jì)人員會(huì)按最為惡劣的方式進(jìn)行計(jì)算（也有可能是多年教訓(xùn)的積累）。比如你不可能讓一臺(tái)冰箱在東北能用一年而到了廣東就只能用三個(gè)月，也不可能讓電視機(jī)在室內(nèi)能用三年在室外就只能用一個(gè)月。因此設(shè)計(jì)人員只能按照最惡劣的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這無(wú)形中又提高了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6、設(shè)備的局部性能的改進(jìn)。一個(gè)新設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的推出后不久往往很快就會(huì)在用戶反映出很多設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題。由于“二八效應(yīng)”和“短板效應(yīng)”的存在，設(shè)備的問(wèn)題經(jīng)常會(huì)集中在兩三個(gè)點(diǎn)上，因此廠家往往會(huì)針對(duì)性的對(duì)其做出改進(jìn)并應(yīng)用于后續(xù)機(jī)型上。同時(shí)由于技術(shù)的進(jìn)步很多部件的質(zhì)量也是再緩慢提高的，因此后續(xù)機(jī)型的質(zhì)量往往會(huì)優(yōu)于前面的機(jī)型。但是再?zèng)]有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者市場(chǎng)因素推動(dòng)時(shí)，廠家一般也不會(huì)再重新投入成本做可靠性檢測(cè)和認(rèn)證，所以指標(biāo)還是沿用以前的。

7、銷售策略。很多廠家提供一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的最低質(zhì)保期限，客戶如果要求延長(zhǎng)質(zhì)保期就要額外收費(fèi)了，但是從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)廠家很少會(huì)為延長(zhǎng)質(zhì)保的客戶提供差異化的機(jī)型。

當(dāng)然設(shè)備壽命也不是越長(zhǎng)越好，除了更高的設(shè)計(jì)指標(biāo)意味著更高的成本外，更高的壽命會(huì)降低用戶更新?lián)Q代的頻次，甚至?xí)档陀脩舻氖褂皿w驗(yàn)。以手機(jī)為例，由于“安迪-比爾定律”的存在軟件技術(shù)會(huì)不斷升級(jí)換代，因此手機(jī)的硬件存儲(chǔ)資源和處理能力很快就會(huì)顯得不足。因此用戶一般都會(huì)在兩三年內(nèi)更換手機(jī)，否則新的軟件應(yīng)用就會(huì)體驗(yàn)很差。這就意味著如果手機(jī)廠家把硬件的壽命設(shè)計(jì)的很長(zhǎng)，除了增加自己的成本外還會(huì)莫名其妙的背上性能差的惡名。所以現(xiàn)在手機(jī)的設(shè)計(jì)壽命都不超過(guò)2年。