1、可靠性技術可靠性技術一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念 n具有優良的技術性能指標是否是高質量的產品？n僅僅用產品技術性能指標不能反映產品質量的全貌。產品的質量指標是產品技術性能指標和產品可靠性指標的綜合。n可靠性指標和技術性能指標的區別？ 一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念 n可靠性：指產品（包括零件和元器件、整機設備、系統）在規定的條件下和規定的時間內，完成規定的能力。 三個規定n對于可靠性的理解應注意：明確產品可靠性研究的對象 必須明確產品可靠性所規定的條件 必須明確所規定的時間 必須明確產品所需完成規定的功能 一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念 n 對于可修復產品來說，

2、可靠性可靠性的含義應指產品在其整個壽命周期內完成規定功能的能力。n故障故障：產品或產品的一部分不能或將不能完成規定功能的事件或狀態叫出故障，對某些產品如電子元器件等亦稱失效。分為：n致命性故障：致命性故障：產品不能完成規定任務或可能導致重大損失n系統性故障：系統性故障：由某一固有因素引起，以特定形式出現的n偶然故障：偶然故障：由于偶然因素引起得故障一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念n可靠性需要滿足：n1）不發生故障n2）發生故障后能方便地、及時地修復，以保持良好功能狀態能力，即要有良好的維修性。n維修性維修性是指在規定條件下使用的產品在規定的時間內，按規定的程序和方法進行維修時，保持和恢

3、復到能完成規定功能的能力。 一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念 n可靠度函數可靠度函數 可靠度可靠度是指產品在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的概率。它是時間的函數，以R(t)表示。若用T表示在規定條件下的壽命（產品首次發生失效的時間），則則“產品在時產品在時間間t內完成規定功能內完成規定功能”等價于等價于“產品壽命產品壽命T大于大于t”。 所以可靠度函數可靠度函數R(t)可以看作事件“Tt”概率，即 其中f(t)為概率密度函數)()(tTPtRtdttf)(一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念 n可靠度函數可靠度函數 產品的失效分布函數： 顯然： 可靠度R(t)可以用統計方法

4、來估計。設有N個產品在規定的條件下開始使用。 令開始工作的時刻 t取為0，到指定時刻t時已發生失效數n(t), 亦即在此時刻尚能繼續工作的產品數為N-n(t)， 則可靠度的估計值（又稱經驗可靠度）為 tdttftTPtF0)()()(1)()(tFtRNtnNtR)()(一、產品可靠性的概念一、產品可靠性的概念n例17.1某電子器件110只的失效時間經分組整理后如表171所示，試估計他的可靠度函數。n見書P209二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n 產品的失效率產品的失效率 一般定義：失效率是工作到某時刻尚未失效的產品，在該時刻后單位時間內發生失效的概率。一般記為, 它也是時間t的

5、函數, 故也記為(t), 稱為失效率函數, 有時也稱為故障率函數或風險函數。 設在t=0時有N個產品投試，到時刻t已有n(t)個產品失效，尚有N-n(t) 個產品在工作。再過t時間，即到t+t時刻， 有n(t)=n(t+t)-n(t) 個產品失效。 產品在時刻t前未失效而在時間（t, tt）內失效率為 ，單位時間失效頻率 1)()(tFtR)()(tnNtn)(1)()(tnNttnt二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n 產品的失效率產品的失效率 失效率是在時刻t尚未失效產品在t+t的單位時間內發生失效的條件概率，即 由條件概率公式的性質和時間的包含關系，可知 ttTttTtPtt

6、)/(lim)(0)()()()()()/(tRtFttFtTPttTtPtTttTtP)()()()()(1)()(lim)(0tRtftRtFtRttFttFtt二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n 產品的失效率產品的失效率 失效率的單位： 國際上還采用“菲特“（FIT）作為高可靠性產品的失效率單位，為10-9/h 失效率越小，可靠性越高。失效率越小，可靠性越高。 httnNn/%*)(/(hh5461010( 1101000( 11（個）個）（個）個）菲特二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n失效率曲線與失效類型失效率曲線與失效類型 失效率曲線浴盆曲線 ： （1）早

7、期失效期為遞減型。產品使用的早期，失效率較高而下降很快。主要由于設計、制造、貯存、運輸等形成的缺陷，以及調試、跑合、起動不當等人為因素所造成的。 使產品失效率達到偶然失效期的時間使產品失效率達到偶然失效期的時間t t0 0稱為交付使用點。稱為交付使用點。 （2）偶然失效期為恒定型，主要由非預期的過載、誤操作、意外的天災以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多屬偶然，故稱為偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的時期，這段時間稱為有效壽命。為降低偶然失效期的失效率而增長有效壽命，應注意提高產品的質量，精心使用維護。 （3）耗損失效期，失效率是遞增型。失效率上升較快，這是由于產品已經老化、疲勞

8、、磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起的，故稱為耗損失效期。針對耗損失效的原因，應該注意檢查、監控、預測耗損開始的時間，提前維修，使失效率仍不上升。當然，修復若需花很大費用而延長壽命不多，則不如報廢更為經濟。 二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n 常用的失效分布常用的失效分布 * 指數分布* 威布爾分布 二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線n我們知道 F(t)=1-R(t), 微分后可得。再由（17.1）式可得：n解此微分方程， 可得可靠度函數： n于是得)()()(tRtRttdxxtR0)(exp)(tdxxttf0)(

9、exp).()(二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線n當 時，產品壽命的密度函數 n其分布函數F(t)與可靠度R(t)分布為 n n這個分布函數為指數分布，它的數學期望（即均值）為：)(ttetf.)(tetF1)(tetR)(1)()(00dttedtttfTEt三、系統可靠性三、系統可靠性 n 根據不同對象分成單元可靠性與系統可靠性兩個方面。前者把產品作為整體考慮，后者則注重于產品內部的功能關系。n 系統的可靠性在很大程度上取決于零部件的可靠性。n 可靠性預測：可靠性預測：是一種根據所得的有效率數據計算器件或系統可能達到的可靠性指標或對于實際應用的產品計算出它在特定條件下完成規定功

10、能的概率的預報方法。目的：1）協調設計參數及指標，提高產品的可靠性 2）進行方案比較，選擇最佳方案 3）發現薄弱環節，提出改進措施 方法：1）數學模型法。 2）布爾真值表法，又稱狀態枚舉法。系統中每個單元都有“成功”和“失效”兩個狀態，將系統中所有的組合列出，然后列出系統“成功”和“失敗”的狀態，最后進行系統可靠度的計算。若系統有n個單元，而每個單元又有兩個狀態， 則n 個單元所構成的系統共有2n個 狀態。 三、系統可靠性三、系統可靠性 n 可靠性分配可靠性分配 把系統的可靠性指標對系統中的子系統或部件進行合理分配的過程。 分配原則： 技術水平。 復雜程度。 重要程度。 任務情況。 一般還要受

11、費用、重量、尺寸等條件的約束。總之，最終都是力求以最小的代價來達到系統可靠性的要求。 三、系統可靠性三、系統可靠性 n 可靠性分配可靠性分配 等分配方法：本方法用于設計初期，對各單元可靠性資料掌握很少，故假定各單元條件相同。串聯系統 并聯系統 混聯系統 niRRnsi., 2, 11niRFFnsni,.,2 , 1)1 (11三、系統可靠性三、系統可靠性n例1 設系統由n個相互獨立的元器件串連而成，假如每個元器件的失效率皆為常數，且分別為 ，求此串聯系統的可靠度、失效率與平均壽命。n解：因為失效率為常數的失效分布為指數分布，故每個元器件的壽命都服從指數分布，其可靠度為： 由獨立性，可求得此系

12、統的可靠度為n若記 可見此串聯系統的壽命仍服從指數分布，平均壽命為n,21tiietR)()(exp)()(211nniisttRtRns21s1三、系統可靠性三、系統可靠性n例2 設系統由n個相互獨立的元器件并聯而成，假如每個元器件的失效率皆為同 一常數， 求此并聯系統的可靠度與平均壽命。三、系統可靠性三、系統可靠性 n 故障樹分析故障樹分析 概念：在系統設計過程中通過對可能造成系統失效的各種因素（包括硬件、軟件、環境、人為因素）進行分析，畫出邏輯框圖，從而確定系統失效原因的各種可能組合方式或其發生概率，以計算系統失效概率，采取相應的糾正措施，以提高系統可靠性的一種設計分析方法。 英文全名為

13、Fault Tree Analysis,簡稱FTA。 最不希望發生的故障狀態作為邏輯分析的目標，在故障樹中稱為頂事件 ；繼而找出導致這一故障狀態發生的所有可能直接原因，在故障樹中稱為中間事件；追尋到引起中間事件發生的全部部件狀態，在故障樹中稱為底事件。 三、系統可靠性三、系統可靠性 n 故障樹分析故障樹分析 故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，它用事件符號、邏輯門符號和轉移符號描述系統中各種事件之間的因果關系。 “底事件”是導致其事件的原因事件，位于所討論故障樹底端。 “結果事件”是由其它事件或事件組合所導致的事件。它總是位于某個邏輯門的輸出端。 故障樹的建立步驟故障樹的建立步驟 ：1）

14、熟悉并分析對象；2）選定頂事件；3）故障樹的構造與簡化；4）計算分析；5）評價改進。 三、系統可靠性三、系統可靠性n故障樹分析故障樹分析一、軟件可靠性的背景一、軟件可靠性的背景 n隨著計算機技術的普及和發展，硬件可靠性技術日趨成熟，軟件可靠性問題變得日益突出。美國軍用裝備中軟件成本在總成本中的比重已從1955年的不到20%增加到1985年的90%以上。在軟件開發的早期階段，軟件產品像是在手工業個體作坊中制造出來的工藝品，不是現代化嚴格科學管理下生產出來的工業品，因此，軟件可靠性是當今可靠性工程研究領域中的新課題。 軟件可靠性一、軟件可靠性的概念一、軟件可靠性的概念 n定義：軟件按規定的條件，在

15、規定的時間內運行而不發生故障的能力。 n所謂按規定的條件主要是指軟件的運行（使用）環境，它涉及軟件運行所需要的一切支持系統及有關的因素，如支持硬件、操作系統及其他支持軟件、輸入數據的規定格式和范圍、操作規程等。 一、軟件可靠性的概念一、軟件可靠性的概念 n故障率也是度量軟件可靠性的直觀指標。和硬件可靠性相似，在軟件的壽命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。早期故障率也高于偶然故障期的故障率，但軟件不存在故障率呈增長趨勢的耗損故障期，軟件的缺陷糾正一個就減少一個，不會重復出現。 二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n為了保證軟件的可靠性，應在軟件壽命周期的為了保證軟件的可靠

16、性，應在軟件壽命周期的各個階段千方百計地減少缺陷。軟件開發周期各個階段千方百計地減少缺陷。軟件開發周期錯誤和軟件故障分類的百分數分別如表錯誤和軟件故障分類的百分數分別如表1和表和表2所示。所示。 二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n由表1、表2的統計數據表明，在軟件壽命周期的各個階段都可能發生軟件錯誤或故障。而需求分析和軟件設計階段發生錯誤或故障的比重占多數。n 同時，統計數據同樣表明，軟件錯誤的改正所需費用也是越晚越高。ttTttTtPtt)/(lim)(0二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n為保證軟件可靠性，在其壽命周期各個階段需要采取如下的

17、措施： n（1）需求分析階段 本階段主要措施是，全面理解用戶的使用要求、使用條件和軟件功能，在全面分析和與用戶充分交換意見的基礎上，制訂出軟件的技術規格書。該規格書要說明測試軟件的方法，有完整的軟件技術要求，用語要準確和規范。 二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n（2）設計階段 在軟件設計階段，要把軟件的技術要求轉換成設計方案。此時，可采取如下的方法。自頂向下設計；采用結構化程序設計；容錯設計；設計評審；標準）模塊化設計；制訂和貫徹軟件可靠性設計準則。 二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n（3）編碼階段 編碼就是把設計方案變成計算機語言，也就是所

18、謂的編程序。編碼產生的缺陷也是軟件缺陷的一個主要來源。常見的編碼缺陷有：鍵入錯代碼、原始數據輸入錯誤（含單位不一致等）、用了被零除這類不正確表達式等。n 應在編碼過程中盡可能早地查出缺陷并予以改正。二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n（4）檢驗階段 檢驗階段主要任務是發現軟件中的缺陷，并加以清除。這個階段對于保證軟件的可靠性是很關鍵的。n 為了查找缺陷，首先要對軟件進行靜、動態調試。此時，需檢查源程序的結構、方法和過程間的接口是否有誤，運行時是否存在不必要的功能，檢查“要求”、“數據”、“結果”和“內部程序工作狀態”對應關系是否正確。n 軟件的測試按模塊測試、整體測試和

19、系統測試的次序依次進行，最終確認軟件的全部功能能否正確而完全地實現。二、保證軟件可靠性的工程方二、保證軟件可靠性的工程方法法 n（5）維護階段 軟件交付使用后，要對使用中發現的殘存缺陷進行糾正。同時，由于軟件的運行環境和調試時不盡相同，也需對軟件進行必要的修改、補充和完善。此時用戶也可能提出一些新的要求。此外，還應經常研究出錯的記錄，前后對照和分析，弄清楚軟件是否存在某種隱患。 二、失效率和失效率曲線二、失效率和失效率曲線 n失效率曲線與失效類型失效率曲線與失效類型 失效率曲線浴盆曲線 ： （1）早期失效期為遞減型。產品使用的早期，失效率較高而下降很快。主要由于設計、制造、貯存、運輸等形成的缺陷，以及調試、跑合、起動不當等人為因素所造成的。 使產品失效率達到偶然失效期的時間t0稱為交付使用點