一、前言
气象仪器产品可靠性是决定产品质量优劣的关键性指标。随着我国气象事业的迅速发展和科学技术的不断进步，自动化综合仪器设备及大型自动观测系统被相继开发、研制并批量生产，其可靠性的认定水平的高低就显得格外重要。这是因为产品可靠性认定水平的高低不仅反映出国内外同类产品的质量差异，而且直接反映出我国气象事业的发展水平，同时决定着所获取的气象数据资料的准确性、及时性、完整性以及所积累的气象数据资料的连续性与统一性，也直接影响到气象预报、灾害性天气的监测;因此，在认真分析研究国外气象仪器产品可靠性指标及有关技术资料的基础上，对产品使用的实际情况进行统计分析，并根据我国生产的现实条件和气象事业发展的需要，客观而又现实地确定出我国气象仪器产品的可靠性认定水平，全面深人地研究与分析国内外水平的差异，认真探讨其改进与提高的途径，对于提高我国气象仪器的可靠性水平有着重大的现实意义，对于提高产品质量有着深远的推动作用。
二、气象仪器特点
对气象仪器产品可靠性水平进行全面、客观和准确地分析，必须首先明确气象仪器所具有的以下几个特点:
1.气象仪器长期工作在各种不同区域及各种不同环境之中，其观测的各种气象要素相互交错、彼此影响，且处在不断变化的大气环境中。所以气象仪器不但要求其测量范围大，而且对环境的适应性要求极高。就产品可靠性而言，不仅要确定技术指标，而且要确定试验方法和试验的环境条件，这二者都是至关重要的
2.气象仪器是集多学科、多专业的综合性行业产品。虽然其设计原理与结构多种多样，使用地点极大分散，工作气候环境条件各不相同，但其安装架设、使用方法、观测时间、仪器检定及所用的标准仪器和检定设备等均由世界气象组织统一规定，以确保环球气象观测质量;所以，在对气象仪器产品进行可靠性分析时，不能只依据产品标准、设计资料和工艺文件，还应执行气象部门的观测规范、检定规程等技术文件。
3.气象仪器在使用中均有检定期的要求，长则二三年，短则半年。由于气象仪器在检定期内均是连续不间断运行的，而且要确保其使用准确性，因此，对气象仪器可靠性进行分析时，单台产品试验时间的确定应根据这个情况慎重考虑。
4.国内外可靠性水平对比只能是在同类产品中进行。不仅要比较可靠性指标，而且要在试验方案、抽样、试验方法及故障判据等各个方面进行全面比较。因为各个国家的可靠性基础标准存在着一定的差异，不同的试验方法和数据处理，就会得出不同的指标量值;所以，只有对各方面进行全面对比分析后，所得出的结论才是最客观公正的。
5.气象仪器行业是个典型的多品种、小批量生产类型的行业，因此，在进行可靠性分析时，产品可靠性指标及试验方法等确定的可操作性及经济性，特别具有实际意义。
三、可靠性认定水平分析
为了便于分析对比，将气象仪器分为:气象台站用常规仪器、气象敏感元件与传感器、自动化综合仪器设备等三个部分进行阐述。
(一)气象台站用常规仪器
气象台站所使用的几十种类型的常规仪器是气象仪器行业中量大面广的基本产品。这些产品的技术水平及质量状况能反映出整个行业的基础情况。所以，进行可靠性水平分析的着眼点及重点必然放在这方面，这不仅仅是因为这些产品状态稳定，而是因为它们更具有代表性和普遍性。
在与国外同类产品进行可靠性水平对比分析时，我们所选定的对比目标是原苏联产品。这是因为我国产品是在原苏联产品的基础上改进开发而来，所以各方面比较接近，具有很好的可比性;另外，原苏联产品标准对可靠性方面的规定比较全面，还有完整的可靠性基础标准，便于进行全面对比分析。我国气象仪器行业开展可靠性工作以来，一直是选定以原苏联产品为对比对象，特别是在产品可靠性考核评定工作中，所选定的“气象用空盒气压表”、“双金属温度计”和“曲管地温表”所进行的全面工作也是与原苏联产品做全面的对比，这段工作所获得的数据资料和科研成果，不仅为气象台站用常规仪器的可靠性认定工作开创了新局面，而且为全面开展认可工作莫定了基础。
气象用空盒气压表”是气象台站用常规仪器的典型产品。现以它为例，与原苏联同类产品在可靠性水平方面进行全面的对比分析。
1.有关标准在可靠性方面的具体要求与规定
(l)原苏联标准《D〕gr23696一79空盒气压表技术条件》的有关规定
①技术要求:气压表在1000h工作过程中，无故障工作概率应不小于0.94。工作期限不应小于6年。
②验收规则
a.根据《nX刀，13216一74仪器仪表可靠性一般技术要求和试验方法》的规定进行监督试验;
b.正常工作概率的可接收水平A。为0.94，正常工作概率拒收水平A。为0.75，制造者风险a为0.1，使用者风险p为0.2;
c.抽样数为n只;
d.试验时若出现不符合标准要求，则应加倍抽样或按抽样数比例延长试验时间进行试验。
③试验方法
a.应按《1℃Cl，20699一75仪器仪表可靠性验证试验方法)的规定，在10(X】h连续工作中进行检查;
b.气压表功能每24h检查1次;
c.性能检查每1000h不应少于3次。
(2)原苏联标准《I习Cl、13216一74仪表可靠性一般技术要求和试验方法)的有关规定
①可靠性特征量:无故障工作概率。
②技术要求
a.在产品标准、技术任务和技术条件中应规定产品状态(工作能力、失效等等)、参数名义值和允许变化范围。
b.在产品标准和技术条件中给出的无失效性特征量是在以下条件规定的:
空气温度:20士2℃;
相对温度:30%一80%RH;
大气压力:800一1060hPa;
实际不存在机械影响;
除大地外的外电场和外磁场不影响产品工作;
负载的数值与产品标准或技术条件一致。
③在技术任务和技术条件中给出可靠性特征童的方法
a.如果可靠性特征量的验证工作是用验证试验进行的，则在技术任务中对每个被检验的可靠性特征量应规定:
生产方风险为Q;
使用方风险为价
产品可接收的可靠性特征量水平为A。;
产品应拒收的可靠性特征量水平为A。。
b.生产方风险Q取0.1，使用方风险p取。一，、由购产双方协商取其它数值的Q和p。
c.采用可靠性特征量的名义值作为接收水平。
d.产品应拒收的可靠性特征量水平的值由购产双方协商决定，决定时要考虑到可规模生产产品的可接收的可靠性特征量水平、试验基地的可能性、试验的经济性和持久性以及试验条件等。
④试验方法
a.进行可靠性试验的目的:
验证产品的可靠性特征量是否符合技术任务的要求;
确定产品可靠性特征量的实际值，必要时确定随机变量的分布规律;
监督大批生产产品的可靠性特征量。
b.可靠性试验可在实验室条件下进行，或在现场使用的条件下进行。如果产品工作时间的计算、发生失效时刻的计算、排除故障时间的计算和失效发生的原因分析诸工作均能得到保障，则允许试验在使用现场的条件下进行。
c.进行可靠性试验的产品样品从通过技术鉴定并进行了试运行的产方产品中选取。
d.产品功能不超过24小时检查1次，确定失效的参数，在试验期间检查次数不少于3次。
e.进行可靠性验证试验的目的是验证产品的可靠性特征量是否符合标准、技术任务和技术条件的要求。每3年不少于1次。
f.如果可靠性验证试验时发现产品不符合标准或技术条件的要求，允许增加被试产品数量继续试验，数量增加到观察到的确定产品状态的随机事件数可得出接收结论为止。也可以与所要求的新的抽样容量正比地增加试验持续时间。
(3)原苏联标准《pOCI，20699一75仪表可靠性验证试验方法)有关规定
本标准规定了可靠性验证试验的基本原理、可靠性验证试验设计和实施方法、判定准则、可靠性验证试验结果的处理步骤。本标准是《pOCT13216一74)中可靠性验证试验部分的发展。
①可靠性验证试验方法应包括应予验证的可靠性特征量清单:
接收和拒收水平;
生产方风险和使用方风险;
试验方法;
试验万案;
参数清单，根据这张清单确定产品状态(工作能力、完好性等等)，确定在试验过程中检查这些参数的周期，确定状态概念的定义;
试验条件和工作能力的验证方法及产品的修复方法;
判定准则。
在可靠性验证试验方法中也可给出:
动力参数的变化范围，输人信号和输出信号的大小，它们的变化周期性;
对试验设备和测量仪器的要求;
预检和操作的内容和周期;
维修工作的实施和组织程序，在备用工具和仪表方面的现存限制;
抽样配套程序等。
②无故障性试验对指数分布的严品验证试验归结为在给定时间内无故潭工作概率的验证。
③1次抽样定时截尾法
a.试验方案
选择试验截尾时间t。;
根据标准、技术条件或技术任务中选取或计算在t。内无故障工作的概率接收值和拒收值;
确定抽样量和失效接收数。
b.产品的试验截尾时间
对于无故障工作时间的分布规律已知的产品，试验截尾时间可选为等于、大于或小于给定无故障性特征量的时间。此时，试验截尾时间的选择取决于生产因素和技术经济因素(拨给试验的时间气现有样品数、试验设备数等等)。
c.无故障工作概率的接收水平尸。和拒收水平p，的计算
当给出在时间t内无故障工作概率的值而试验截尾时间t“不等于t时，则按下式计算
其中尸为无故障工作概率相应的接收值或拒收值。
d.抽样量n(如果每个样品只经受1次试验)和失效数的接收值。的确定。
根据无故障工作概率所对应的尸。(t“)，尸，(t“)，生产风险。和使用风险p，按附表的数据确定。
e.试验及对试验结果的判定。
对被抽到的样品进行t二时间的试验结束时确定已产生的失效数d，如果d等于或小于。，就认为验证试验的结果是肯定的;如果d大于‘，就认为验证试验的结果是否定的。
(4)《空盒气压表可靠性考核评定规范》的有关规定
①可靠性考核指标
平均无故障工作时间(Mll3F)应不小于5200h。
②关联故障模式和判据
a.出现危及仪器或人身安全的情况;
b.不能指示气压测量数据;
c.指示气压值超出误差允许值;
d.部件、组件不能完成规定的功能;
e.出现的保修项目中的故障。
③关联故障的修正系数
根据关联故障影响仪器完成规定功能的轻重程度，采用0.1一1之间的修正值加以修正，严重故障的修正值为1，最小的轻度故障修正值为0.1。
④故障数的计算
a.出现危及仪器或人身安全，以及出现严重的设计不良或工艺缺陷无法排除需退回生产厂的故障，其中一次即判为不合格;
b.重复出现的同类故障，经修复后在继续试验中不再出现时，只记录故障一次;
c.故障影响正常观测多于1天时，故障按规定计数，而少于1天不计人总故障数;
d.不影响正常观测，出现次数较少的故障，可不计算为故障;
e.非关联故障不计人总故障数。
⑤抽样方案
采用一次性抽样，样品数为16只。
⑥试验方案的确定
a.试验类型
气压表可靠性验证试验采用有替换定时截尾试验。
b.试验方案
根据GB5080.7一86《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》选取定时截尾试验方案5:7。
c.试验方案的特征
不可接收的平均无故障时间m:=5200h;
可接收的平均无故障时间mo=16oooh;
生产方风险口二0·2;
使用方风险夕=0·2;
截尾时间T=1.46心，为2336Oh，即总试验时间为23360h(973.3天);
单台样品的累积试验时间为1460h，即为61天。
⑦判决标准
a.接收条件
若验证试验时间达到截尾时间，而故障数r《2时，该批产品则判定为合格，应接收。
b.拒收条件
若验证试验时间达到截尾时间，而故障数r>2时，该批产品则判定为不合格，应拒收‘
⑧送试样品的要求
a.样品从生产厂成品库的合格批产品中随机抽取，必须保证其具有规定的功能
b.经甲核，样品应是在正常批量王产条件下生产的产品，不得对样品经过特殊老化处理和特殊的调试维护;
c.样品必须在正常生产班次及工况的条件下生产的产品，不得违反工艺规定进行专门的样品加工;
d.样品抽取后，在工厂进行必要的功能复查和性能的试验，对样品早期故障采取措施进行排除。对其故障项目进行记录和分析，但不计人试验的相关故障;
e.样品出厂前必须按出厂试验项目进行复查，以确保样品具有规定的功能;
f.样品运到试验现场后，应按要求项目进行全面检测，确认样品具有规定功能后方可投人试验。
⑨试验规则
a.产品标准中规定工作环境条件最严酷、且具有代表性的气象台站;
b.应选择产品使用条件、维修水平、人员素质、管理质量等方面最具有典型性和代表性的气象台站;
c.为使现场试验数据具有可比性，确定的几个气象台站的主要方面应为同一水平或尽可能相近。
⑩试验现场的典型气象条件
a.平原地区(低温、高气压);
b.高原地区(低温、低湿、低气压);
c.沿海地区(高温、高湿、强风、多雨)
d.盆地地区(高温、日温差大、低湿、高气压、少雨、大蒸发)。
2.原苏联产品可靠性水平分析
(l)可靠性特征量指标值
根据产品标准中所规定的无故障工作概率尸(t)的指标值，利用下列公式可计算出相应的平均无故障工作时间(人口卫F)之值。
(2)产品实际可靠性水平试验结果
根据产品标准中规定的验收规则、试验方法及可靠性有关基础标准的规定，可得到试验截尾时间、抽样数及允许故障数等。根据下列公式计算出产品试验后的可靠性实际水平:
产品无故障工作概率的观测值
式中:n:(t)—到截尾时间符合要求的产品数，n，(t)=n一。n—抽样数c—允许故障数已知:t=1000h，n=c=1
则:P(t)=(11一1)/11=11，0.9
3.可靠性认可水平与原苏联验证水平对比
根据认可评定规范试验定为现场试验，其环境、时间等因素决定试验方案为定时截尾，截尾时间为1464h，即61天。按照原苏联同类产品的可靠性指标在这个条件下的试验方法、试验结果及我国同类产品试验结果的水平相比较，则可衡量出可靠水平的差异程度:
(1)原苏联产品验证试验得出的结果
①定时截尾时间t“为1464h，产品无故障工作概率的接收值Pa(t“)及拒收值马(t。)可按公式(1)计算:
已知：
②根据已知条件查表可得出抽样数n和允许故障数c之值:
(2)验证试验结果的实际可靠性水平
根据公式(3)计算可得出各个产品的无故障工作概率的实际值:
3.考核试验的试验结果实际可靠性水平
(4)两种试验方案所得结果的分析
从上面计算结果看，考核试验与原苏联验证试验的结果非常接近，并且可靠性水平略高一点。
4.试验方法的差异
原苏联标准规定的试验方法采用了两次抽样方案，在实施过程中存在许多实际问题。
因此，考核试验应用的是一次抽样试验。
原苏联标准未明确规定是试验室或现场试验，对故障的数据只规定了产品功能及性能的检查检定;而考核试验明确规定在气候环境严酷、且具有代表性的现场中进行试验。其故障包括外观、零部件及结构等检测结果。
从上述差异的对比可以明显地看出，我国的考核试验方法比原苏联规定的更为严格和全面。
5.对比分析结论
我国气象台站用常规仪器的可靠性认定指标虽与原苏联同类产品的指标相同，但在试验方法、故障判据、检测检定等方面更全面、更严格。在常规仪器方面，原苏联是一个有代表性的国家，因此，可以判定，我国常规仪器可靠性水平达到国际水平，这个结论也符合多年来各方面的共同评价。
(二)气象元件与传感器
如前所述，在气象台站所使用的常规仪器中的敏感元件，其可靠性达到了国际水平。但近年开发研制的自动化综台仪器中所采用的敏感元件和传感器，由于在性质及结构方面有根本的不同，所以可靠性水平相差很大。当前，我国用于自动观测的主要传感器与国外同类产品可靠性水平对比，见下表。
由此可见，国内外同类传感器与国外相比，在可靠性方面存在着明显的差距。分析其原因，探寻其提高途径，就是:
1.传感器的敏感元件是一个至关重要的元件，对其稳定性及对环境的适应性有很高的要求，对其材料的物理、化学性质要求非常严格，其制造工艺特别复杂，因此，要达到较高的可靠性难度极大，只有研制、应用新材料，开发新的工艺方法，才能进一步提高敏感元件的可靠性。
2.将传感元件的输出转换成为便于显示、记录、控制和处理的电信号的转换电路，在设计、调试方面难度较大。因此，研究设计出新线路和开发新的转换方法是非常重要的。
3.有些传感器需要特殊性能的辅助电源。因此，研制开发稳定而且环境适应性强的电源是提高可靠性来说也是非常重要的。
4.传感器的时间常数是关键的性能指标，如何提高时间常数的稳定性也是提高传感器可靠性的重要课题之一。
5.对于结构复杂、体积小、重量轻、性能要求高的传感器，其装配、调校工艺比较复杂，对制造、装调环境要求特别严格。因此，加强工艺管理、提高工艺水平、改善制造环境等，均是提高可靠性的重要环节。
总之，提高敏感元件和传感器可靠性是一个系统工程。要从可靠性设计开始，提高各个环节可靠性工作力度，才会使可靠性水平不断改善和提高。
(三)自动化综合仪器设备
近些年来，为了适应我国气象事业发展，满足气象台站对于仪器装备更新换代的急切要求，实现我国气象仪器装备全部国产化的目标，研制、开发了多种能长期在气象条件极端严酷、无稳定可靠电源的状态下的陆地和海洋环境中工作的自动化综合仪器设备，并已逐渐投人使用;但产品故障多、维修不便，其可靠性水平低比国外同类产品要低得多。分析其中的原因，探寻提高的途径，这就是:
1.开发研制出具有较高环境适应性的敏感元件和传感器，使传感器可靠性达到高水平。
2.制定完整的可靠性指标，加强可靠性设计，全面开展故障模式、影响分析、可靠性设计评审失效经验的反馈工作，组织薄弱环节的技术攻关，提高整机可靠性水平。
3.提高数据采集系统的环境适应性是提高整机可靠性的关键技术。从接口的通用性、灵活性、互换性及适应性人手，对线路设计、硬件选用、调试及环境适应性进行仔细研究，以提高整机的可靠性。
4.深人研究数据处理方法，在软硬件可靠性提高的基础上，进一步探讨软硬件相结合的最佳方法，以提高数据处理的可靠性。
5.数据存贮及传输的可靠性需要进一步提高，其重点是提高对严酷工作环境的适应性。
6.在提高电源环境适应性，确保整机电源工作的稳定性和可靠性的同时，进一步探讨整机各个组成部分的低功耗设计，以保证整机在规定的时间内能正常运行。
7.健全并完善可靠性体系与可靠性管理，确保仪器设备在全过程的可靠性水平。
综上所述，在短时期内，要使自动化综合气象仪器设备可靠性水平有明显提高，只有全面开展可靠性摸底、攻关、改进工作，建立并完善可靠性试验、可靠性信息跟踪与反馈等保证措施，才能使产品的实际可靠性水平显著的提高，从而接近或达到国际水平。
四、结束语
经过多年开展可靠性摸底、改进、考核评定工作，我国气象仪器中的常规仪器及敏感元件的可靠性水平已达到国际水平，并由此积累总结出了提高产品可靠性水平的一整套工作方法和实践经验，为提高自动化综合仪器设备的可靠性水平奠定了基础。只要行业各个部门不断增强可靠性意识、密切配合、共同努力、积极参与可靠性技术攻关，切实实施改进措施，并不断建立健全可靠性试验手段，加强可靠性设计及工艺攻关，认真进行可靠性管理，我国的气象传感器及自动化综合仪器的可靠性接近或达到国际水平的目标就能实现，替代进口并打人国际市场的目标也会变为现实。
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