刘耀松
（公安部第三研究所，上海）
近年来，随着平安中国建设不断走向深入，“智慧城市”、“雪亮工程”等工程项目在全国各地纷纷启动，安全防范行业的市场规模与技术水平都在快速提升[1]。为保障安全防范行业技术水平，促进安全防范行业良性发展，一大批行业标准与规范先后制定与修订，对安全防范产品的性能指标提出了更高、更明确的要求，细化了评价方法与实施细则[2]。相应地，安全防范产品的检验检测业务量也随之逐年增长，每单业务包含的检测项目也更多、更细致，这对检验检测机构的试验能力形成了挑战，也创造了新的发展机遇。
在安全防范产品的评估测试项目中，可靠性的评估与测试往往是各项目中耗时最长，测试样品数量最多和试验能力要求最高的，是安全防范产品评估测试的瓶颈项目。目前，安全防范产品相关标准中的主要可靠性指标为平均无间隔故障时间（MTBF），旨在考核安全防范产品在实际工作环境下保持长时间工作的能力，其数值大小是产品质量水平的综合体现[3]。其测试方法主要依据为《GB/T 5080.7-1986 设备可靠性试验 恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》、《GJB 899A-2009 可靠性鉴定和验收试验》、《GB/T 11463-1989 电子测量仪器可靠性试验》等标准。标准中主要的试验方案有序贯试验方案、定时/定数试验方案等。
面对安全防范产品的可靠性要求不断提高的趋势，目前普遍方法是采用标准中期望实验时间更短的实验方案，同时投入更多的测试样品分摊实验时间。然而，即使是采用标准中耗时最短的高风险实验方案，仍然需要大量的测试样品来保证实验周期在可接受的范围内，这又产生了测试成本高和实验能力的矛盾。有些种类的安全防范产品单价较高，安装调试步骤复杂繁琐，为满足实验要求的样品数量需要投入很大成本。此外，这些产品往往体积较大，运输费用高昂且存在风险，测试过程中也占据了许多实验设备资源，进一步提高了测试费用。从实验室角度，现有实验能力很难满足多台大中型测试样品同时进行长时间的可靠性评估测试实验，往往需要排期，导致实际实验周期过长。
针对以上问题，本文在前期实验经验的基础上，通过梳理总结相关安全防范产品的行业标准规定和历史故障数据，进一步开展失效机理分析，确定被测试安全防范产品的主要失效机理和失效部位和对应的环境载荷，针对关键失效部位制定可靠性测试实验方案。该实验方案测试样品为安全防范产品中具有独立功能的关键部件，测试载荷为主要失效机理对应的载荷，达到了在相同试验能力下增加同时测试样品数，减小试验周期的目的。最后，以某型执法记录仪管理平台的平均无间隔故障时间（MTBF）可靠性实验为例，验证了该方法的可行性。
1.1 实验方案选取
安全防范产品可靠性评估测试的实验的目的是验证平均无间隔故障时间（MTBF），全称“Mean Time Between Failure”。它是衡量产品可靠性的指标，单位为时间，反映了产品在全寿命周期内的工作质量[4]。在实验方案设计中，需要考虑以下参数：
m：MTBF 的真值。然而，在可靠性实验中，该指标的真值是无法得到，实验结果只能给出它的置信范围。
m0：规定可接受的MTBF。当产品MTBF 真值为m0时，实验结果有一定风险会判定为不合格，该风险称为生产方风险，记为α。
m1：MTBF 的下限值。当产品MTBF 真值为m1时，实验结果有一定风险会判定为合格，该风险称为使用方风险，记为β。m0与m1的比值称为鉴别比，记作Dm。
在相关标准中，给出了具有不同生产方风险α，使用方风险β 和鉴别比Dm的多种实验方案，可分为序贯实验方案和定时定时（定数）截尾实验方案两种。在这些实验方案中，生产方风险一般在10%～35%之间，使用方风险一般在10%～40%之间，鉴别比为1.25～5之间。
对安全防范产品，由于其技术相对成熟，新型号多为之前产品的迭代改进，宜选用高风险实验方案来缩短总实验时间。常用的两种方案实验判定如表1 所示[5]。两方案的生产方风险和使用方风险均为30%，鉴别比分别为1.25 和3。
表1 安全防范产品常用可靠性实验方案对比
1.2 失效机理分析
失效分析是指根据产品发生失效的现象，通过理论分析和验证，确定主要失效机理、失效部位和对应的环境载荷。常见的失效机理有高温老化、低温脆断、元器件虚焊空焊等，常见的环境载荷有温度、湿度、振动、气压等[6]。
对安全防范产品，首先可以根据相关的行业标准中的型式检验项目，确定其主要功能和敏感的环境载荷；
进一步，标准还规定了在环境实验项目中对产品特定功能的验证，可将这些功能项目视为潜在的主要失效模式；
在“检验规则”章节，还会将不同的功能项目检测分组，项目检测的频繁程度也可以说明其重要性和失效的可能性。
安全防范产品的历史故障数据可以对定位具体失效零部件具有一定价值。根据不同种类安全防范产品的历史故障数据可以发现，长期正常使用后发生的失效往往集中在电气部分，结构部分失效多为偶发的高载荷及初始缺陷。在电气部分，以电池老化、线缆老化，屏幕显示异常最为突出，失效多发生在温度变化较大的地区或使用场景，可归纳出对应的环境载荷为温度。
通过以上分析，可以发现安全防范产品的失效机理具有一定共性，故可有针对性设计开展可靠性评估测试。在实验设计时，可将环境载荷设为温度，实验对象设为样品的电气部分，在保证电器结构一致性的情况下，其结果也应具有较高的一致性。此外，在实验条件有限的情况下，可将电气部分进行拆分，分别进行可靠性评估测试，并对测试结果按照电器结构进行串并联计算得到最终结果。这种实验方法减少了对实验场地空间的要求，也可以更方便的进行测试的布线连接，在最大保证结果一致性的情况下提高了测试效率。
2.1 测试产品介绍
测试产品为执法记录仪管理平台，是一种用于公安部门的安全防范产品，如图1 所示。其主要功能为所在部门的多台执法记录仪提供存储执法数据、生成使用记录、上传云平台、充电等服务，是一种集成化智能安防设备。
图1 执法记录仪管理平台
根据行业标准，其型式检验主要内容如表2[7]。
表2 执法记录仪管理平台型式检验项目
从气候环境实验可以看出，管理平台的主要环境载荷为温度，其次为湿度；
从稳定性实验可以看出，在长期使用状态下，管理平台的潜在失效模式为数据采集异常；
从可靠性实验可以看出，管理平台的可靠性要求较高。
测试的管理平台体积较大，且成本较高，难以大批量进行实验。故考虑拆分出其包括电源模块、显示及操作模块、接口模块在内的电气部分进行可靠性实验，同步开展整机的可靠性实验，最终对比实验结果。
2.2 实验过程
实验目的为验证管理平台的m0值是否大于10 000 h。实验方案选用《GJB 899A-2009》中的定时(定数)方案21，分两组进行，一组样品为三台完整的管理平台，二组为八台完整的管理平台的电气部分，包括电源模块、显示及操作模块、接口模块。二组样品实验专用测试主机如图2 所示。主机由管理平台的电源模块供电，连接接口通信测试设备测试管理平台的接口模块，连接点按器测试管理平台的显示及操作模块。
图2 实验专用测试主机示意
实验环境载荷为温度，每6 h 为一个循环，如图3所示。每个循环包含55 ℃高温工和-10 ℃低温工作各2 h，每两个循环检查一次管理平台的数据采集功能。
图3 实验温度载荷循环
可计算出第一组的判定时间为50.92 d，经历204个循环；
第二组判定时间为19.09 d，经历76 个循环。根据判定规则，当判定时间前出现相关失效时，拒收；
到达判定时间时未出现相关失效，接收。
实验结果显示，两组测试样品均顺利通过接收，且在各检查点其数据传输速率基本一致，可见通过失效分析拆出的样品电气部分具有较好的代表性，且缩短了实验时间。
为解决安全防范产品可靠性评估测试时间长，实验能力有限的问题，本文通过梳理行业标准规定、历史故障数据分析、失效分析等方法，针对安全防范产品中具有独立功能的关键部件和主要失效机理对应的载荷制定可靠性测试实验方案，达到了增加同时测试样品数、减小试验周期的目的，并通过案例验证了该方法的可行性和应用价值。
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