小议环境工程与可靠性工程范文

如果提高了产品的耐环境能力，产品就具备了足够的耐环境裕度，当然也降低了产品的故障出现概率，即提高了可靠性。例如航天器由于批量少，所以在研制过程中大量依赖地面的环境模拟试验，以确保航天器的成功发射。研究可靠性首先要确定产品是否有足够的环境适应性，环境适应性是可靠性的前提，是可靠性研究的基础。由于现代可靠性工程是控制产品故障包括环境适应性故障的技术和管理活动，所以可靠性工程具备与环境工程相互融合的条件。通过讨论可靠性的发展趋势以及环境工程的发展历程、特点，分析了环境工程与可靠性工程的互补关系，通过可靠性工程和环境工程互补和有机融合，使产品的故障得到更好的控制。

可靠性工程技术的发展历程和趋势

可靠性工程技术于20世纪50年代率先在美国产生，最初是为了解决军用电子设备和复杂导弹系统的故障问题，随后从电子设备扩展到军用设备，并成为军用产品的质量指标。进入20世纪80年代后，可靠性事业在我国得到了迅猛发展，并使我国工程型号的可靠性工作逐渐步入了规范化发展轨道。在可靠性技术发展的初期，受各方面技术和手段的限制，基于概率统计的可靠性工程方法（传统方法）因易使用、见效快，在工程实际中得到了广泛应用，这种方法把故障视为偶然性，通过对故障数据进行处理，获取产品可靠性方面的信息。随后发展了各种定性和定量的可靠性方法，如可靠性分配和预计、故障模式及影响分析（FMEA）、故障树（FTA）分析、可靠性试验技术，形成了一套完善的可靠性设计、试验和管理标准。随着科学技术的进步，人们对产品可靠性不再是仅仅通过故障数据来认识，转而开始对造成故障的机理有所理解，因此近年来基于故障物理（PoF）方法的可靠性工程日益受到重视。故障物理方法与传统的基于概率统计的可靠性研究方法不同，它以物理、化学分析为基础，强调对故障物理、化学过程的定量分析和描述[4]。故障物理方法从本质上探究产品不可靠的必然性原因，它将可靠性研究从一门只能对故障数据进行处理的“黑盒艺术”发展为一门可以对故障过程进行描述的“白盒科学”，从而为研制和生产更高可靠性的产品提供科学依据。例如在电子元器件可靠性预计中采用故障物理方法将会更科学地反映现场实际故障和故障密度[5]。美国山地亚国家实验室发展出了以失效物理为基础的可靠性工程方法，被称为21世纪以科学为基础的可靠性工程方法[6]。随着可靠性工程研究对象日益复杂以及技术进步，当前可靠性技术向综合化、实用化、自动化、信息化、智能化、精细化和军民两用化发展[7—9]。

环境工程的发展历程和特点

1环境工程的发展历程

[10]由于第二次世界大战期间暴露出大量装备环境适应性问题，环境工程以“环境试验”的理念和实践开始出现。经过对环境试验的标准化，到1985年，美军的MIL-STD-810已成为世界上最权威的装备环境试验标准，广泛地被西方主要军事大国所接受。然而，装备千变万化的服役环境导致严格规定的试验条件标准出现了大量“欠试验”和“过试验”案例，环境试验达不到应有的效果。因此，从20世纪90年代开始，美国、英国等国家开始把装备的环境适应性工作作为一项系统性的工作，明确了环境条件测量、环境分析、环境设计、环境试验、环境控制与管理等多项技术和管理工作，将各种环境技术综合应用于产品的整个研制周期中，使产品的环境适应性达到规定要求。

2环境工程的特点

从环境工程的发展历程看，环境工程有下列特点。1）以装备实际服役环境作为环境工程工作的出发点，开展环境试验的剪裁、环境适应性设计等技术和管理工作，确保武器装备在实际使用过程中不发生环境适应性问题。尽管环境工程中也大量采用实验室环境试验，但是实验室环境试验应根据实际服役环境条件而制定，并尽量能模拟实际环境的效应。可靠性工程则在典型环境条件下开展设计、试验和分析工作。2）故障的机理分析是环境工程的重要基础。早期的环境工程以环境试验为中心，但是随着环境工程成为一项系统工程，环境条件分析、环境适应性设计、环境试验的剪裁等技术都需要了解环境对装备造成的种种影响，特别是造成故障的机理。因此分析环境在微观上对产品的物理、化学和生物的作用机理是环境工程的重要基础。3）强调专家经验的作用以及技术基础的支撑作用。作为一项基础性和共性的工作，环境工程中基础环境数据的搜集分析、环境试验的设计与剪裁、环境损伤机理及其控制等技术需要大量的技术基础研究和专业知识，因此环境工程中强调要组织来自不同专业的专家（如材料专家、试验技术专家、元器件专家等）形成环境工程专家组，支撑型号的环境工程技术工作，避免粗放式设计。例如，如果没有环境工程专家积累和分析基础环境数据，型号设计人员只能通过“过设计”来保证成功，有时甚至是凭着感觉设计，毫无疑问这种设计的质量很难保证。4）保证环境适应性设计是环境工程活动的目的。环境工程的最初目的主要是为了可靠地进行环境试验。随着环境试验的积累，环境试验人员、设计人员以及相关领域的专家积累了丰富的环境适应性设计素材，总结这些实用的工程经验，就为指导装备的设计提供了条件。例如波音公司在其设计手册中涉及到不少环境控制、材料选择和结构设计的内容，这都是多年环境工程活动的工程经验总结，确保波音飞机满足适航性的规定，并成为企业的核心技术。环境适应性设计技术是在环境工程活动基础上形成的工程经验结晶，是环境工程活动最终的成果。

可靠性工程和环境工程的区别

可靠性工程以可靠度为主要指标，而环境工程则以环境适应性为关注焦点，可靠性和环境适应性在描述和技术上都有很大区别。1）产品的环境适应性以定性判断为主，而传统的可靠性强调定量。例如，为了确保装备在实际服役条件下的可靠服役，必须通过环境适应性工作定性判断产品的环境适应性，而很多可靠性指标则以定量描述为主。2）环境适应性以机理分析为主，而可靠性则以概率等宏观表现分析为主。研究各种环境因素在机理上的作用，特别是从微观上分析产品的物理、化学、生物反应过程，以便从结构、材料、工艺等设计方面采取控制故障的措施，并评估环境适应性；传统的可靠性工程主要采用概率统计等数学方法从宏观上来把握故障的整体特性。3）可靠性以简化的方法（还原论）为主，而环境适应性则以综合性为特征。由于造成产品故障的原因极为复杂，进行可靠性研究时必须规定条件和时间，否则难以开展研究，这是一种典型的简化和还原方法，但是这种方法忽略了造成产品故障的一些关键细节，特别是忽视了实际环境的细节；环境适应性研究需要全面考虑环境和装备的相互关系，特别需要综合考虑实际环境。4）可靠性研究需要大量利用各种数学工具，而环境适应性更注重利用不同专业领域专家的工程经验。环境适应性工作主要针对实际的复杂环境条件开展工作，环境适应性问题的解决，依赖于不同专业领域专家的工程经验，所以在环境工程工作中，要求充分利用环境工程专家的经验来展开工作。环境工程和可靠性工程之间的区别见表1。

环境工程与可靠性工程的联系及有机融合

现代可靠性工程是控制产品故障包括环境适应性故障的技术和管理活动，这就导致可靠性工程必然在技术方法上同环境工程相互融合[11]。1）环境试验和可靠性试验的融合。从某种程度上说，可靠性试验都是环境试验，而合理的环境试验都能帮助减少故障，而且环境试验和可靠性试验的环境条件都是环境工程的研究内容，环境和可靠性试验目前都从单一环境试验走向统一的综合环境试验。例如航天产品价格昂贵、小批量生产，所以无法进行统计试验，其可靠性是通过环境试验来保证的。2）环境效应及失效机理研究的融合。不论是环境工程还是可靠性工程，对环境效应及失效机理分析的研究都很注重，其研究的角度、处理问题的方法也基本相同，着重于研究各环境应力引起失效的物理、化学和生化变化过程及其失效规律与失效影响。环境效应及失效机理分析的研究为环境防护及环境控制提供了依据，以便从结构、材料、工艺等方面采取相应的措施，提高产品耐环境应力的能力。3）环境适应性设计与可靠性设计的融合。环境适应性设计是产品研制和生产过程中环境工程应用的重要内容，它的许多内容与可靠性设计相互重合。当可靠性设计中采用一般设计技术无法满足要求时，必须通过特殊的结构设计和工艺措施来提高产品耐环境能力，这恰恰是环境工程中的重要工作内容。4）环境工程和可靠性工程可以统一管理。环境工程工作和可靠性工作贯穿于产品研制、生产的整个过程，所以在制定环境管理大纲、可靠性大纲以及安排环境工作、可靠性工作时，要注意二者之间的协调。通过有效管理大纲，才能使产品的设计、试验等工作在协调、有序、规范的状况下进行，从而保证研制的进度和质量。同时，环境管理大纲和可靠性大纲都是在产品研制、生产甚至使用过程中分别对环境工程工作和可靠性工程工作进行规划，并进行监督和检查。它们可以相互借鉴，根据需要制定出统一的工程工作计划及管理大纲，有利于保证产品在研制、生产全过程其环境适应性和可靠性达到合同的要求。

结语

由于装备及其研制活动系统复杂，导致在型号研制过程中形成了可靠性工程和环境工程两套工程体系。为了研究和控制的方便，可靠性在概念上采用了还原论的方法，选取典型环境来简化环境条件，“把模糊性约化为清晰性，把非线性关系约化为线性，把混沌运动约化为周期运动”[13]，这就忽视了实际服役环境条件的细节特征。为了解决实际恶劣环境导致的各种故障，环境工程应运而生，在方法上和技术上对可靠性工程形成了较大程度的互补。由于人们“偏爱无益的精确性、眼光短浅与方法的局限性而非普遍存在而又处处可见的新颖和优美”[13]，环境工程缺少所谓“数学性”、“定量化”等科学性特征，以工程经验积累为主，并且需要大量艰苦细致的基础工作，所以环境工程在实际工作和技术研究工作中未得到充分的重视。要使现代可靠性工程成为与产品实际发生的各种故障作斗争的一门科学技术，就需要将环境工程和可靠性工程融合起来。应该指出的是，这种融合需要在方法论上首先进行突破。可靠性工程和环境工程是型号研制过程中的两套工程体系，两者在概念和方法上有较大区别，但在确保产品可靠使用上，可靠性工程和环境工程具有互补的关系。由于二者都是为预防产品故障发生、消减故障后果而产生的，这就使其具备了有机融合的基础。环境工程和可靠性工程的有机融合是现代可靠性工程发展的需要。（本文作者：蔡健平单位：中国航天标准化与产品保证研究院）