1、可靠性工程与测绘领域可靠性理论第 1 期2005 年 3矿山测量MINESURVEYINGNo.1Mal-.2005可靠性工程与测绘领域可靠性理论王建最,石金峰(辽宁工程技术大学测量工程系,辽宁阜新 123000)摘要:可靠性技术就是研究通过可靠性设计,试验,控制 ,预测和综合的一门工程学科.它研究的内容包括电子的和机械的,零件部件组件的和整机系统的,硬件的和软件的可靠性设计,可靠性分析,可靠性试验和可靠性验证.测绘领域也是如此,衡量观测数据的质量不仅仅用精度指标,而且还必须考虑可靠性指标.测量领域的可靠性是指一个平差系统发现模型误差的能力和不可发现粗差对平差结果的影响关键词:可靠性工程技术;
2、测绘领域;可靠性理论中图分类号:P207 文献标识码:B 文章编号:1001358X(2005)01 004003可靠性工程技术作为一门边缘的工程学科受到重视已有三十多年,它首先是在美国的国防,航空,航天,电子等工业部门应用发展起来的.各发达国家相继仿效并大力推广应用到民用工业部门,其发展速度是十分惊人的.可靠性技术不仅能带来巨大的经济效益,还直接关系到生产安全,节约资源能耗,甚至国家的声誉.有人预言:今后只有那些具有高可靠性的产品及其企业,才能在日益激烈的市场竞争中幸存下来1 可靠性的基本概念1.1 可靠性的定义在日常生活中,我们都希望产品能够尽量完好地为使用者所用.不论是在什么时候,在什么
3、条件下都有能完成它的功能.但实际上在时间和条件上都会有一定限制,不可能是无限制的.可靠性的定义是:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力.所谓产品即能够被单独考虑的任何元器件,零部件,组件,设备或系统.它可以由硬件,软件或兼有两者组成.可靠性是用时间尺度来描述的质量特性.即一个产品从使用时开始,随着时间的推移,能否稳定保持原有功能和性能.产品的这种特性和时间紧密联系在一起.如果一个产品可靠性高,意味着寿命长,故障少.所以离开了时问就无可靠性可言.可靠性定义中“规定的时间 “是可靠性区别于产品其它特性的重要特征.在可靠性的定义中,还有一个“规定“, 即“规定功能“.所谓功能是为提供
4、给定的服务,产品所必须具备的功能或组合功能.功能不仅是产品应该完成的任务,还包括完成这些任务的性能指标.如对仪表来说,常有精度,线性度,量程,分辨率,灵敏度,响应时间,动态范围等.1.2 狭义可靠性和广义可靠性上述的可靠性我们常称为狭义可靠性,它仅表示产品在某一稳定时间内发生失效的难易程度.但是事实上,除了一部分元件外,大多数的设备整机与系统都是可以维修的.所以要表示其完成功能的能力还必须考虑其维修性,即仪表失40效后是否能很快地恢复其功能而继续工作.这样,可靠性的含义对于修理产品来说就应该更广泛一些.前面定义的可靠性再加上维修性的内容称为广义可靠性,并采用产品的“可用性“ 这一术语来描述,它
5、在整机与系统分析中是常用的.对于不修理产品而言,一般仅在狭义可靠性范围内讨论.1.3 固有可靠性和使用可靠性产品的可靠性又有固有可靠性和使用可靠性之分.固有可靠性是产品早在设计阶段就确定了的可靠性指标,并在各生产阶段得以确定.这种性质是产品本身所具有的.它是由生产方在一定的工作条件下检测得到,而由可靠性设计,可靠性管理保证的.即便是一个可靠性很好的产品,如果由于包装,运输,安装,使用,维修等环节中受到各种不良因素的影响也会降低其可靠性.因此可靠性不仅和生产而且和产品所涉及的各个环节有关,我们将非设 tt-,制造环节中所存在的可靠性称为使用可靠性.而产品的实际可靠性应该是固有可靠性和使用可靠性之
6、和.2 可靠性工程的发展历史可靠性概念的产生,可以追溯到 1939 年.当时美国航空委员会提出飞机事故率的概念和要求,这可能是最早的可靠性指标.1944 年纳粹德国试制 V 一 2 火箭袭击伦敦 ,有 80 枚火箭还没有起飞就在起飞台上爆炸.经过研究,人们提出了火箭可靠度是所有元器件可靠度乘积的结论,这是最早的系统可靠性概念.到了 50 年代可靠性工程才作为一门学科开始兴起.在第二次世界大战中,美国的军用电子设备及航空设备由于巨大的失效和故障面临着越来越严重的局面.在整个战争中美国由于飞行事故损失飞机为 21000 架,比被击落的飞机还要多 1.5 倍.在 1949 年美国海军电子设备有 70
7、%失效,每一个使用中的电子管要有 9 个新电子管作为备件,空军轰炸用电子装置很少能 20 小时无故障工作.1955 年国防开支的 30%用于维修和使用,以后又增加到了 70%.这样巨大的失效,成为不堪忍受的负担.在这种严重的形势下,1950 年美国成立了国防部电子设备可靠性调查委员会.19501952 年这个委员会十分活跃,海军委托维托公司,贝尔研究所研究电子第 1 期王建敏等:可靠性工程与测绘领域可靠性理论 2005 年 3 月零件的故障分析,陆军与康奈尔(Conel1)大学签订了电子管故障分析长期合同,此外空军请朗特(RAND)公司对军用电子装置的可靠性问题进行全面调查.在此基础上于 19
8、52 年提出了一份报告,并于同年把该委员会升格为电子装置可靠性咨询委员会(AGREE),提出 l7 项建议,并相继成立了元器件的可靠性咨询委员会,1956 年又设置了 9 个专业分会,并于 1957 年 6 月发布了有名的“电子装置可靠性咨询委员会报告“(即“AGREE 报告“),后来此报告成为可靠性工程的奠基文献.从此以后以可靠性为标志的军用规范和 MILMILSTD 标准相继出现,成为今日可靠性体系的基础.美国共用了十多年时间形成和发展了可靠性工程和技术.我国 50 年代建立了温热带环境暴露试验机构.1972 在此基础上组建了我国唯一的电子产品可靠性与环境试验研究所,着手可靠性与环境试验,
9、失效分析,数据处理等研究工作.60 至 70 年代,电子,机械,仪表,航天,航空,电力及三军系统陆续开展了可靠性工作,尤以航空,航天,电子为较早从调查研究,可靠性教育人手,接着建立可靠性管理研究试验,数据,情报等工作机构,制订可靠性标准,对产品提出指令性可靠性指标,进行可靠性考核与可靠性试验,对失效进行失效模式机理分析研究,并取得了很大的成就.3 可靠性工程技术在国民经济中的作用3.1 可靠性是产品质量的一项重要标志过去看产品质量,往往以传统的技术性能指标来衡,以出厂合格为标志.例如功能强,性能好就认为它的质量好,不考虑售后的使用开机率及可靠性.随着现代科学技术的发展和市场竞争的日趋激烈,人们
10、对质量概念的认识也开始深化,不仅要求产品的技术指标高,符合一定的技术标准和技术要求,而且要根据使用者的需要,能长期可靠使用,也就是说产品的可靠性成为使用者关心的一种质量指标,特别是对技术水平比较高,规模比较大的复杂产品及系统尤为重要.此外还有产品产生故障后的易修理性及日常的易维护性.可见,可靠性是一个以时间尺度来描述的质量问题.3.2 可靠性工程的经济效益提高产品的可靠性必须从设计,制造等方面开始,会使产品的设计费用,元件成本,制造成本增加,但因产品减少了维修,提高了使用寿命,就总的经济效益来说得到大幅度提高,提高可靠性对国家,对社会,对企业带来的经济效益和社会效益都是巨大的.因改善产品可靠性
11、而引起的制造成本,设计成本上升,维修成本下降和总成本之间的关系可以从图 1 看出?铬图 1 成本一可靠性曲线图4 可靠性技术研究的基本内容可靠性技术是为适应产品的可靠性要求而发展起来的新兴学科.它研究产品或系统的故障发生原因,消除和预防故障的措施.可靠性技术研究的基本内容可分为可靠性基础理论和可靠性专业技术两部分.4.1 可靠性基础理论(1)可靠性数学:这是可靠性的数学理论基础 .可靠性工程是以范围广泛的数学为基础的,在数学领域已形成了一个独立的学科分支.可靠性工程是建立在众多的数学基础上的.其中,概率论和数理统计是可靠性工程最为重要的数学基础.可靠性工程中最基本的特征量如:可靠度,失效率 ,
12、平均寿命等都是在概率论和数理统计的基础上建立起来的.(2)可靠性物理:可靠性物理是 60 年代发展起来的.60年代前后.半导体元器件发展很快,未知的失效原因很多;并且和物理学关系甚为密切,于是就产生了“失效物理学“. 由于失效机理分析要涉及到材料学,物理学,化学等专业,并要广泛地应用理化分析仪器,故町靠性物理已成为一门新兴的学科.(3)可靠性管理:可靠性管理是对可靠性工作的各个环节以及产品的全寿命周期的各项技术活动进行组织,协调和控制,以实现既定的可靠性指标的一种方法.它在整个可靠性工作中处于领导和保证地位,离开了可靠性管理,各项可靠性技术活动将无法进行,它包括宏观管理和微观管理两个方面.可靠
13、性宏观管理包括政策,法规,条例,标准,规划,体制等的制定,各个部门的基础研究,计量,检查监督,质量跟踪,情报部门的数据和情报交换,产品可靠性的认证,生产许可,创优评优,安全认可,技术交流和教育培训等方面的工作.可靠性的微观管理包括方针目标,规章制度,企业标准,组织机构,计划,指标制定和考核,设计评审,工序控制,质量检查和监督,质量跟踪和反馈,维修和售后服务,费用分析和核算,岗位培训等多方面的工作.4.2 可靠性专业技术(1)可靠性设计:这项工作包括建立可靠性模型 ,对产品进行可靠性预计和分配,进行故障或失效机理分析,在此基础上进行可靠性设计.可靠性设计是产品可靠性的保证.(2)可靠性试验:目的
14、是了解产品 ,验证产品的可靠性水平,试验一改进一再试验,反复提高产品可靠性水平.(3)维修性设计:大多数的产品均为可修理产品 .维修性设计的目的是为了缩短平均停机时问.维修性设计是从可测性,可达性,可更换性等方面来保障维修的准确,迅速,安全,可靠.(4)系统可靠性:现代系统的结构日趋复杂 ,功能日臻完善,对可靠性的要求越来越高,故系统可靠性分析,设计和保障措施.成为不可忽视的问题.(5)软件可靠性:软件的可靠性使可靠性的内容得到了41第 1 期矿山测量 2005 年 3 月发展,因软件的特殊性,软件的可靠性问题在软件工程实践中极为重要,对生产和社会活动会产生显着影响,软件失效可能造成灾难性后果
15、.5 测绘领域可靠性理论5.1 测绘领域可靠性概念一般而言,工程施工的基础是设计,一切设计资料都来源于测量,任何测量数据都要产生误差.因此,测量数据的好坏(误差的大小)直接影响工程的施工和生产.以往,衡量观测成果的好坏,一般从精度,成本等方面来考虑.但是,在观测数据中不但存在偶然误差,系统误差,有时也会出现粗差.实践表明,对含有粗差的观测值只用精度去衡量其质量就不全面了.因此,目前从国外到国内,衡量观测成果的质量不仅仅用精度指标,而且还要加入可靠性指标.这就是说,好的观测成果不但要精度高,成本低,而且可靠性要好.因此测量领域的可靠性是指一个平差系统发现模型误差(粗差,系统误差)的能力和不可发现
16、粗差对平差结果的影响.观测数据不可靠,既使精度再高,平差成果也是不可信的,用这样的数据施工必然产生错误,影响施工的质量,造成重大的经济损失.因此,研究测绘领域可靠性理论是有其现实意义的.5.2 国内外研究概况,水平和发展趋势在测绘领域,可靠性是由荷兰的巴尔达(baarda)教授于60 年代末提出来的.在数理统计的假设检验基础上,从单个一维备选假设下研究可靠性理论,用经典的假设检验理论研究平差系统发现单个模型误差的能力,提出了着名的数据探测法.80 年代由德国的斯图加特大学与 Forstner 合作,研究了具有附加参数的外部可靠性,并提出了两个多维备选假设下的可靠性理论.从此,可靠性理论在大地测
17、量,摄影测量,精密工程测量以及变形测量中得到应用,其中在摄影测量领域的研究及应用颇为深入,从模型到平差建立了一整套可靠性分析系统.我国关于这一理论的研究及应用也有了一定的发展,李德仁院士提出了平差系统的可区分性和可靠性理论,为模型误差的区分和定位提供了理论基础.目前随着测绘科技的发展,特别是全球卫星定位系统(GPS)在更多领域的广泛应用,关于 GPS 控制网的可靠性的研究方面已做了大量的工作.此外,测量平差系统中单个模型误差的可靠性研究理论已在大地测量,摄影测量,工程测量以及变形测量中得到广泛应用;而从单个模型误差到多个模型误差的发展, 从单一备选假设到两个备选假设的发展,目前尚未得到广泛的应
18、用.但它讨论的问题更合乎现实情况,研究也更深入,可以深信,测量平差系统的可靠性理论将随着实践不断地向前发展,日趋完善.425.3 测绘领域可靠性研究的任务及主要内容测绘领域可靠性研究有两大主要任务.第一,从理论上研究平差系统发现,区分模型误差的能力以及不可发现,不可区分的模型误差对平差结果的影响.第二,从实际上寻求在平差过程中自动发现和区分模型误差以及确定模型误差位置的方法.前者应用于系统的可靠性分析和最优化设计,集精确性,可靠性,经济性三要素于一体,设计出符合所需要求的最佳测区图形.后者可完善现有的各种平差程序,使平差计算达到更高的自动化程度.一般来说,测量平差系统的可靠性理论研究应该提出可
19、靠性基本理论的数学模型,这些模型包括残差理论模型,多余观测分量的计算方法,影响粗差探测能力的因素,以及内部可靠性和外部可靠性模型;提出完整的顾及可靠性的控制网优化设计模型与方法,包括控制网可靠性分布模型和提高控制网可靠性的方法;建立控制网数据处理模型,开发控制网数据处理与优化设计软件,从而使提供的观测数据精度高,可靠性好,费用最低.测绘领域的可靠性理论作为可靠性工程这门学科的一个分支,它所研究的内容和方法与可靠性工程在许多方面有相同之处.例如:二者最重要的数学理论基础都是概率论和数理统计;此外,可靠性工程技术作为一门工程学科已经非常系统和成熟.因此,它对测绘领域的可靠性研究在许多方面都有值得借
20、鉴的地方,要系统研究测绘领域的可靠性问题,就应该深入了解和掌握可靠性工程技术.参考文献:1居滋培.可靠性工程 M.北京:原子能出版社,2000.2石金峰等. 工程测量可靠性分析及应用.辽宁工程技术大学研究报告,1999.3李德仁着. 误差处理和可靠性理论M.北京:测绘出版社,1988.石金峰.近代误差理论与数据处理M.北京:煤炭工业出版社,2000.5吴俐明.GPS 网数据的质量控制J.测绘通报,2000(9).6史文中.空间数据误差处理的理论与方法M.科学出版社.20o0.作者简介:王建敏(1973 一),男,甘肃酒泉人,讲师,2003 年硕士研究生毕业于辽宁工程技术大学测量工程系,主要从事现代测量误差理论研究和管理工作.(收稿日期:20040907)
