鞏瀟 梁學修* 王磊 關(guān)永瀚 余嫻

（中國軟件評測中心（工業(yè)和信息化部軟件與集成電路促進中心），北京，100048）

0 引言

機器人產(chǎn)品的可靠性是非常關(guān)鍵的一個產(chǎn)品指標，主要是指機器人按照規(guī)定的條件在約定的時間內(nèi)，實現(xiàn)約定功能和性能的能力水平[1-3]。關(guān)于產(chǎn)品可靠性的研究，最早從武器裝備系統(tǒng)開始，經(jīng)過多年的發(fā)展，其涉及的范圍已從最初的電子產(chǎn)品系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)延伸到機器人等機械電氣設備、軟件系統(tǒng)等[4-5]。平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）是可維修設備的一項關(guān)鍵綜合穩(wěn)定性參數(shù)，MTBF 指標越高，某個時期的平均故障時間越短，這也就說明了系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性、可靠性就越好。而對用戶而言，如果選擇較高可靠性的產(chǎn)品，則其所象征的停機時間和維修費用就相對較低，也能夠獲得不錯的經(jīng)濟效益。所以在軍工、通信、宇航以及機器人等領(lǐng)域，可靠性始終是最被關(guān)注的重要關(guān)鍵因素之一[6-7]。

1 選擇統(tǒng)計方案

本文設計的森林防火機器人原理樣機如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)包括艙體、外殼保護罩、轉(zhuǎn)盤、底座等。

圖1 森林防火機器人三維模型圖

根據(jù)國家軍用標準《可靠性鑒定和驗收試驗》（GJB 899A—2009）[8]表A.6 中的標準型定時試驗統(tǒng)計方案簡表（圖2），中國森林防火機器人可靠性評價測試選用了無替換的標準型定時測試方法方案17。

圖2 標準型定時試驗統(tǒng)計方案簡表

2 設定加速試驗條件

2.1 溫濕度加速試驗

由于森林防火機器人樣品主要安裝在不同緯度森林環(huán)境中，受環(huán)境溫度、濕度影響較大，因此進行溫濕度加速應力試驗。試驗參考Hallberg-Peck 模型。其中，溫度加速因子和濕度加速因子的表達式如下：

2.2 電應力加速試驗

由于森林防火機器人產(chǎn)品大多放置于高海拔的森林環(huán)境中，受雷擊、地區(qū)偏遠電力不平衡等因素干擾影響很大，高電應力還可能導致設備內(nèi)發(fā)生離子轉(zhuǎn)移、化學物質(zhì)移動等，從而引起短路、絕緣擊穿短路損壞等。設備在壓力、流量或頻率等的電應力影響下，應力值越大、失效速度越快，則設備壽命也越短，因此可以考慮開展電應力加速試驗。電應力加速模型使用Eyring 模型，電應力加速因子的表達式如下：

2.3 試驗環(huán)境容差

溫度、相對濕度、電壓應力容差需分別符合以下規(guī)定：溫度±2℃，濕度±5%RH（相對濕度），電壓±1V。

3 故障判定和分類

在試驗過程中，出現(xiàn)下列任何一種事件即應判為故障：

1）被試產(chǎn)品或商品中的部分已喪失了一項或幾項基本功能；

2）商品或產(chǎn)品的部分性能參數(shù)超過商品技術(shù)要求中規(guī)定的范圍；

3）被試產(chǎn)品出現(xiàn)零部件、結(jié)構(gòu)件松動、破碎或損傷等情況。

優(yōu)先依據(jù)森林防火機器人技術(shù)的《故障名錄及分類》判定故障類別，其次按照國家軍用標準《可靠性維修性保障性術(shù)語》（GJB 451A—2005）[9]劃分為關(guān)聯(lián)故障與非關(guān)聯(lián)故障。非關(guān)聯(lián)故障指已經(jīng)證實是未按規(guī)定的條件使用而引起的故障；或已經(jīng)證實僅屬某項將不采用的設計所引起的故障。否則為關(guān)聯(lián)故障。非責任故障是指非關(guān)聯(lián)故障或事先已經(jīng)規(guī)定不屬某個特定組織提供的產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)故障。否則為責任故障。

4 故障處理

試驗發(fā)生故障時，應填寫可靠性測試故障記錄表及故障分析報告。故障確認后，按下面的程序進行故障處理：

1）停止測試，在試驗盒中還原至正常環(huán)境狀態(tài)后，拔出故障產(chǎn)品；

2）產(chǎn)品研發(fā)機構(gòu)與承試機構(gòu)共同對事故項目進行事故統(tǒng)計分析，按照有關(guān)規(guī)定，填報事故統(tǒng)計分析報表；

3）在要求對事故進行重現(xiàn)或調(diào)查前，承試機構(gòu)和項目研制機構(gòu)應當聯(lián)合開展事故重現(xiàn)或故障調(diào)查；

4）在事故原因明確后，對失效的予以維修，修復后，可替換因其它元器件損壞造成應力超過容許最大額定值的元器件，但不得替換能力雖已下降而不超過最大容限的元器件；在替換元器件確有困難后，為保持試驗的可靠性，經(jīng)使用方批準，可暫時替換單元或組件；

5）經(jīng)維修后恢復至可工作狀態(tài)的產(chǎn)品，當證明其維修措施有效后，再次投入測試，且將其累計測試日期從出現(xiàn)故障的試驗段的零時起記錄。

5 故障統(tǒng)計

測試流程中，只有責任故障可以成為判斷被測試商品合格與否的重要依據(jù)。責任故障應當按照以下的準則加以計算：

1）已確認是因一個問題造成的，間歇故障則只計為一次故障；

2）當可證實多個事故模式由一個因素造成時，該事故計為一個事故；

3）當有許多元器件在測試過程中一起失效時，當無法證實是某個元器件的失效導致了另一部分失效時，則各個元器件的失效合計為一個單獨的故障；當可證實是某個元器件的失效導致的另一部分失效時，則全部元器件的失效合計為一個故障；

4）當曾經(jīng)報告過的、由相同因素所造成的故障，因為還沒有真正消除而再次出現(xiàn)時，也應當與曾經(jīng)報告過的相同故障，合計為一個故障；

5）多次出現(xiàn)于同一地點、同樣性質(zhì)、一樣起因的故障，如經(jīng)研究證實采用改進方法后將不再出現(xiàn)，將多次故障合計為一次故障；

6）在故障檢查和維修階段，如果在被試過程中又出現(xiàn)其它故障且無法判斷其是由原有故障造成的，則可將其作為單一的責任事件加以統(tǒng)計；

7）試驗時間統(tǒng)計，各個試驗樣品的有效試驗時間之和為總累計試驗時間。

6 MTBF 評估

7 結(jié)束語

本文以森林消防自動化機器人為實驗樣本，通過基于定時截尾的試驗方法，提供了以環(huán)境溫度和電應力為基礎檢驗內(nèi)部應力的MTBF 標準檢驗方式，并研究了相應的故障診斷、故障處理、故障統(tǒng)計方的設計可靠性水平，進一步明確了其設計可靠性薄弱環(huán)節(jié)，對于企業(yè)選擇合適的技術(shù)措施提升產(chǎn)品設計可靠性水平，以及進行對相應產(chǎn)品的設計安全性指標檢驗，有著很大的理論實用價值和借鑒意義。