基于定時截尾試驗的森林防火機器人MTBF 驗證方法研究

鞏瀟 梁學修* 王磊 關永瀚 余嫻

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

0 引言

機器人產品的可靠性是非常關鍵的一個產品指標，主要是指機器人按照規定的條件在約定的時間內，實現約定功能和性能的能力水平[1-3]。關于產品可靠性的研究，最早從武器裝備系統開始，經過多年的發展，其涉及的范圍已從最初的電子產品系統、硬件系統延伸到機器人等機械電氣設備、軟件系統等[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鍵綜合穩定性參數，MTBF 指標越高，某個時期的平均故障時間越短，這也就說明了系統的綜合穩定性、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濟效益。所以在軍工、通信、宇航以及機器人等領域，可靠性始終是最被關注的重要關鍵因素之一[6-7]。

1 選擇統計方案

本文設計的森林防火機器人原理樣機如圖1 所示，其結構包括艙體、外殼保護罩、轉盤、底座等。

圖1 森林防火機器人三維模型圖

根據國家軍用標準《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境中，受環境溫度、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品大多放置于高海拔的森林環境中，受雷擊、地區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發生離子轉移、化學物質移動等，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 試驗環境容差

溫度、相對濕度、電壓應力容差需分別符合以下規定：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，出現下列任何一種事件即應判為故障：

1）被試產品或商品中的部分已喪失了一項或幾項基本功能；

2）商品或產品的部分性能參數超過商品技術要求中規定的范圍；

3）被試產品出現零部件、結構件松動、破碎或損傷等情況。

優先依據森林防火機器人技術的《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語》（GJB 451A—2005）[9]劃分為關聯故障與非關聯故障。非關聯故障指已經證實是未按規定的條件使用而引起的故障；或已經證實僅屬某項將不采用的設計所引起的故障。否則為關聯故障。非責任故障是指非關聯故障或事先已經規定不屬某個特定組織提供的產品的關聯故障。否則為責任故障。

4 故障處理

試驗發生故障時，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境狀態后，拔出故障產品；

2）產品研發機構與承試機構共同對事故項目進行事故統計分析，按照有關規定，填報事故統計分析報表；

3）在要求對事故進行重現或調查前，承試機構和項目研制機構應當聯合開展事故重現或故障調查；

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，經使用方批準，可暫時替換單元或組件；

5）經維修后恢復至可工作狀態的產品，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故障的試驗段的零時起記錄。

5 故障統計

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。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時，也應當與曾經報告過的相同故障，合計為一個故障；

5）多次出現于同一地點、同樣性質、一樣起因的故障，如經研究證實采用改進方法后將不再出現，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計；

7）試驗時間統計，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，提供了以環境溫度和電應力為基礎檢驗內部應力的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節，對于企業選擇合適的技術措施提升產品設計可靠性水平，以及進行對相應產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。