小議環(huán)境工程與可靠性工程范文

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如果提高了產品的耐環(huán)境能力，產品就具備了足夠的耐環(huán)境裕度，當然也降低了產品的故障出現(xiàn)概率，即提高了可靠性。例如航天器由于批量少，所以在研制過程中大量依賴地面的環(huán)境模擬試驗，以確保航天器的成功發(fā)射。研究可靠性首先要確定產品是否有足夠的環(huán)境適應性，環(huán)境適應性是可靠性的前提，是可靠性研究的基礎。由于現(xiàn)代可靠性工程是控制產品故障包括環(huán)境適應性故障的技術和管理活動，所以可靠性工程具備與環(huán)境工程相互融合的條件。通過討論可靠性的發(fā)展趨勢以及環(huán)境工程的發(fā)展歷程、特點，分析了環(huán)境工程與可靠性工程的互補關系，通過可靠性工程和環(huán)境工程互補和有機融合，使產品的故障得到更好的控制。

可靠性工程技術的發(fā)展歷程和趨勢

可靠性工程技術于20世紀50年代率先在美國產生，最初是為了解決軍用電子設備和復雜導彈系統(tǒng)的故障問題，隨后從電子設備擴展到軍用設備，并成為軍用產品的質量指標。進入20世紀80年代后，可靠性事業(yè)在我國得到了迅猛發(fā)展，并使我國工程型號的可靠性工作逐漸步入了規(guī)范化發(fā)展軌道。在可靠性技術發(fā)展的初期，受各方面技術和手段的限制，基于概率統(tǒng)計的可靠性工程方法（傳統(tǒng)方法）因易使用、見效快，在工程實際中得到了廣泛應用，這種方法把故障視為偶然性，通過對故障數據進行處理，獲取產品可靠性方面的信息。隨后發(fā)展了各種定性和定量的可靠性方法，如可靠性分配和預計、故障模式及影響分析（FMEA）、故障樹（FTA）分析、可靠性試驗技術，形成了一套完善的可靠性設計、試驗和管理標準。隨著科學技術的進步，人們對產品可靠性不再是僅僅通過故障數據來認識，轉而開始對造成故障的機理有所理解，因此近年來基于故障物理（PoF）方法的可靠性工程日益受到重視。故障物理方法與傳統(tǒng)的基于概率統(tǒng)計的可靠性研究方法不同，它以物理、化學分析為基礎，強調對故障物理、化學過程的定量分析和描述[4]。故障物理方法從本質上探究產品不可靠的必然性原因，它將可靠性研究從一門只能對故障數據進行處理的“黑盒藝術”發(fā)展為一門可以對故障過程進行描述的“白盒科學”，從而為研制和生產更高可靠性的產品提供科學依據。例如在電子元器件可靠性預計中采用故障物理方法將會更科學地反映現(xiàn)場實際故障和故障密度[5]。美國山地亞國家實驗室發(fā)展出了以失效物理為基礎的可靠性工程方法，被稱為21世紀以科學為基礎的可靠性工程方法[6]。隨著可靠性工程研究對象日益復雜以及技術進步，當前可靠性技術向綜合化、實用化、自動化、信息化、智能化、精細化和軍民兩用化發(fā)展[7—9]。

環(huán)境工程的發(fā)展歷程和特點

1環(huán)境工程的發(fā)展歷程

[10]由于第二次世界大戰(zhàn)期間暴露出大量裝備環(huán)境適應性問題，環(huán)境工程以“環(huán)境試驗”的理念和實踐開始出現(xiàn)。經過對環(huán)境試驗的標準化，到1985年，美軍的MIL-STD-810已成為世界上最權威的裝備環(huán)境試驗標準，廣泛地被西方主要軍事大國所接受。然而，裝備千變萬化的服役環(huán)境導致嚴格規(guī)定的試驗條件標準出現(xiàn)了大量“欠試驗”和“過試驗”案例，環(huán)境試驗達不到應有的效果。因此，從20世紀90年代開始，美國、英國等國家開始把裝備的環(huán)境適應性工作作為一項系統(tǒng)性的工作，明確了環(huán)境條件測量、環(huán)境分析、環(huán)境設計、環(huán)境試驗、環(huán)境控制與管理等多項技術和管理工作，將各種環(huán)境技術綜合應用于產品的整個研制周期中，使產品的環(huán)境適應性達到規(guī)定要求。

2環(huán)境工程的特點

從環(huán)境工程的發(fā)展歷程看，環(huán)境工程有下列特點。1）以裝備實際服役環(huán)境作為環(huán)境工程工作的出發(fā)點，開展環(huán)境試驗的剪裁、環(huán)境適應性設計等技術和管理工作，確保武器裝備在實際使用過程中不發(fā)生環(huán)境適應性問題。盡管環(huán)境工程中也大量采用實驗室環(huán)境試驗，但是實驗室環(huán)境試驗應根據實際服役環(huán)境條件而制定，并盡量能模擬實際環(huán)境的效應。可靠性工程則在典型環(huán)境條件下開展設計、試驗和分析工作。2）故障的機理分析是環(huán)境工程的重要基礎。早期的環(huán)境工程以環(huán)境試驗為中心，但是隨著環(huán)境工程成為一項系統(tǒng)工程，環(huán)境條件分析、環(huán)境適應性設計、環(huán)境試驗的剪裁等技術都需要了解環(huán)境對裝備造成的種種影響，特別是造成故障的機理。因此分析環(huán)境在微觀上對產品的物理、化學和生物的作用機理是環(huán)境工程的重要基礎。3）強調專家經驗的作用以及技術基礎的支撐作用。作為一項基礎性和共性的工作，環(huán)境工程中基礎環(huán)境數據的搜集分析、環(huán)境試驗的設計與剪裁、環(huán)境損傷機理及其控制等技術需要大量的技術基礎研究和專業(yè)知識，因此環(huán)境工程中強調要組織來自不同專業(yè)的專家（如材料專家、試驗技術專家、元器件專家等）形成環(huán)境工程專家組，支撐型號的環(huán)境工程技術工作，避免粗放式設計。例如，如果沒有環(huán)境工程專家積累和分析基礎環(huán)境數據，型號設計人員只能通過“過設計”來保證成功，有時甚至是憑著感覺設計，毫無疑問這種設計的質量很難保證。4）保證環(huán)境適應性設計是環(huán)境工程活動的目的。環(huán)境工程的最初目的主要是為了可靠地進行環(huán)境試驗。隨著環(huán)境試驗的積累，環(huán)境試驗人員、設計人員以及相關領域的專家積累了豐富的環(huán)境適應性設計素材，總結這些實用的工程經驗，就為指導裝備的設計提供了條件。例如波音公司在其設計手冊中涉及到不少環(huán)境控制、材料選擇和結構設計的內容，這都是多年環(huán)境工程活動的工程經驗總結，確保波音飛機滿足適航性的規(guī)定，并成為企業(yè)的核心技術。環(huán)境適應性設計技術是在環(huán)境工程活動基礎上形成的工程經驗結晶，是環(huán)境工程活動最終的成果。

可靠性工程和環(huán)境工程的區(qū)別

可靠性工程以可靠度為主要指標，而環(huán)境工程則以環(huán)境適應性為關注焦點，可靠性和環(huán)境適應性在描述和技術上都有很大區(qū)別。1）產品的環(huán)境適應性以定性判斷為主，而傳統(tǒng)的可靠性強調定量。例如，為了確保裝備在實際服役條件下的可靠服役，必須通過環(huán)境適應性工作定性判斷產品的環(huán)境適應性，而很多可靠性指標則以定量描述為主。2）環(huán)境適應性以機理分析為主，而可靠性則以概率等宏觀表現(xiàn)分析為主。研究各種環(huán)境因素在機理上的作用，特別是從微觀上分析產品的物理、化學、生物反應過程，以便從結構、材料、工藝等設計方面采取控制故障的措施，并評估環(huán)境適應性；傳統(tǒng)的可靠性工程主要采用概率統(tǒng)計等數學方法從宏觀上來把握故障的整體特性。3）可靠性以簡化的方法（還原論）為主，而環(huán)境適應性則以綜合性為特征。由于造成產品故障的原因極為復雜，進行可靠性研究時必須規(guī)定條件和時間，否則難以開展研究，這是一種典型的簡化和還原方法，但是這種方法忽略了造成產品故障的一些關鍵細節(jié)，特別是忽視了實際環(huán)境的細節(jié)；環(huán)境適應性研究需要全面考慮環(huán)境和裝備的相互關系，特別需要綜合考慮實際環(huán)境。4）可靠性研究需要大量利用各種數學工具，而環(huán)境適應性更注重利用不同專業(yè)領域專家的工程經驗。環(huán)境適應性工作主要針對實際的復雜環(huán)境條件開展工作，環(huán)境適應性問題的解決，依賴于不同專業(yè)領域專家的工程經驗，所以在環(huán)境工程工作中，要求充分利用環(huán)境工程專家的經驗來展開工作。環(huán)境工程和可靠性工程之間的區(qū)別見表1。

環(huán)境工程與可靠性工程的聯(lián)系及有機融合

現(xiàn)代可靠性工程是控制產品故障包括環(huán)境適應性故障的技術和管理活動，這就導致可靠性工程必然在技術方法上同環(huán)境工程相互融合[11]。1）環(huán)境試驗和可靠性試驗的融合。從某種程度上說，可靠性試驗都是環(huán)境試驗，而合理的環(huán)境試驗都能幫助減少故障，而且環(huán)境試驗和可靠性試驗的環(huán)境條件都是環(huán)境工程的研究內容，環(huán)境和可靠性試驗目前都從單一環(huán)境試驗走向統(tǒng)一的綜合環(huán)境試驗。例如航天產品價格昂貴、小批量生產，所以無法進行統(tǒng)計試驗，其可靠性是通過環(huán)境試驗來保證的。2）環(huán)境效應及失效機理研究的融合。不論是環(huán)境工程還是可靠性工程，對環(huán)境效應及失效機理分析的研究都很注重，其研究的角度、處理問題的方法也基本相同，著重于研究各環(huán)境應力引起失效的物理、化學和生化變化過程及其失效規(guī)律與失效影響。環(huán)境效應及失效機理分析的研究為環(huán)境防護及環(huán)境控制提供了依據，以便從結構、材料、工藝等方面采取相應的措施，提高產品耐環(huán)境應力的能力。3）環(huán)境適應性設計與可靠性設計的融合。環(huán)境適應性設計是產品研制和生產過程中環(huán)境工程應用的重要內容，它的許多內容與可靠性設計相互重合。當可靠性設計中采用一般設計技術無法滿足要求時，必須通過特殊的結構設計和工藝措施來提高產品耐環(huán)境能力，這恰恰是環(huán)境工程中的重要工作內容。4）環(huán)境工程和可靠性工程可以統(tǒng)一管理。環(huán)境工程工作和可靠性工作貫穿于產品研制、生產的整個過程，所以在制定環(huán)境管理大綱、可靠性大綱以及安排環(huán)境工作、可靠性工作時，要注意二者之間的協(xié)調。通過有效管理大綱，才能使產品的設計、試驗等工作在協(xié)調、有序、規(guī)范的狀況下進行，從而保證研制的進度和質量。同時，環(huán)境管理大綱和可靠性大綱都是在產品研制、生產甚至使用過程中分別對環(huán)境工程工作和可靠性工程工作進行規(guī)劃，并進行監(jiān)督和檢查。它們可以相互借鑒，根據需要制定出統(tǒng)一的工程工作計劃及管理大綱，有利于保證產品在研制、生產全過程其環(huán)境適應性和可靠性達到合同的要求。

結語

由于裝備及其研制活動系統(tǒng)復雜，導致在型號研制過程中形成了可靠性工程和環(huán)境工程兩套工程體系。為了研究和控制的方便，可靠性在概念上采用了還原論的方法，選取典型環(huán)境來簡化環(huán)境條件，“把模糊性約化為清晰性，把非線性關系約化為線性，把混沌運動約化為周期運動”[13]，這就忽視了實際服役環(huán)境條件的細節(jié)特征。為了解決實際惡劣環(huán)境導致的各種故障，環(huán)境工程應運而生，在方法上和技術上對可靠性工程形成了較大程度的互補。由于人們“偏愛無益的精確性、眼光短淺與方法的局限性而非普遍存在而又處處可見的新穎和優(yōu)美”[13]，環(huán)境工程缺少所謂“數學性”、“定量化”等科學性特征，以工程經驗積累為主，并且需要大量艱苦細致的基礎工作，所以環(huán)境工程在實際工作和技術研究工作中未得到充分的重視。要使現(xiàn)代可靠性工程成為與產品實際發(fā)生的各種故障作斗爭的一門科學技術，就需要將環(huán)境工程和可靠性工程融合起來。應該指出的是，這種融合需要在方法論上首先進行突破。可靠性工程和環(huán)境工程是型號研制過程中的兩套工程體系，兩者在概念和方法上有較大區(qū)別，但在確保產品可靠使用上，可靠性工程和環(huán)境工程具有互補的關系。由于二者都是為預防產品故障發(fā)生、消減故障后果而產生的，這就使其具備了有機融合的基礎。環(huán)境工程和可靠性工程的有機融合是現(xiàn)代可靠性工程發(fā)展的需要。（本文作者：蔡健平單位：中國航天標準化與產品保證研究院）