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1、1 可靠性，可用性，可维护性，安全性 (RAMS)定义解释 张屹 2015 年 3 月 1 日 1 引言引言 “RAMS 是可靠性（Reliability） 、可用性（Availability） 、可维修性（Maintainability）和 安全性（Safety）这四个英文字母的首字母的缩写。 可靠性：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可用性： 产品在任意随机时刻需要和开始执行任务时， 处于可工作或可使用状态的程度。 可维修性：产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或 恢复到规定状态的能力。 安全性：产品所具有的不导致人员伤亡、系统损坏、重大财产
2、损失、不危害员工健康与 环境的能力。 ” 以上是用自然语言描述的 RAMS 概念。为了使概念理解简单并且清晰一致，本文用公式 和图形方式，从产品功能出发给出 RAMS 概念的形式化解释，给出相应的评价指标。 2 产品功能产品功能 人们对产品的需求，根本上是对产品功能的需求。产品功能的模型如下图所示， y=f(x)xy 图 1 功能的数学模型 人们当然期望产品功能这个y = ()是恒定的，不随外部环境和时间等条件变化， 但这在现实世界是不可能的，因此有了对产品性能的要求。下文的 RAMS 即属于产品性能的 范畴。 2 3 RAMS 概念解释概念解释 3.1 RAM 正常 y=f(x) 故障 yf
3、(x) 失效 恢复 图 2 RAM 状态图 由图 2可见产品使用中只能处于两个状态： 1. y = ()的状态，这是人们所期望的，称为正常状态， 2. y ()的状态，这是人们所不期望的，称为故障状态。 处于正常状态时，如果产品发生失效，则会进入故障状态； 处于故障状态时，如果产品得到恢复，则会进入正常状态。 产品的 RAM（可靠性、可用性和可维护性）即与这两个状态有关。 假设外部条件一致并恒定的情况下： 可靠性即是产品处于正常状态的能力； 可用性即是产品处于正常状态占产品整个使用周期的比例； 可维护性即是产品从回到正常状态的能力； 其中“能力”是一个宽泛的概念，使用“持续时间”把它指标化，即
4、“持续时间”就是 “能力” 。可靠性是产品处于正常状态的能力，也就是产品处于正常状态的持续时间。参见 图 3。 正常故障正常 正常故障 失效 失效 恢复恢复 时间 Ttf1Ttf2Ttf3Ttr1Ttr2 Tbf1Tbf2 图 3 RAM 时间图 得到了衡量 RAM 的指标。 可靠性：MTTF（平均失效前时间）=(Ttf1+Ttf2+ Ttfn)/n 可用性：A= MTTF/MTBF; 其中，MTBF（平均失效间隔时间）=(Tbf1+Tbf2+ Tbfn)/n 可维护性：MTTR（平均恢复前时间）=(Ttr1+Ttr2+ Ttrn)/n 可靠性也可使用失效率 评价（对于恒定失效率，=1/MTT
5、F） 。 可维护性也可使用维护率 评价（对于恒定维护率 =1/MTTR） 。 3 3.2 S 正常 y=f(x) 故障 yf(x) 安全失效 恢复 安全故障 y=0 危险故障 y=1 危险失效 导向安全 图 4 S 状态图 1 安全性的描述与具体的领域相关， 也就是说产品的输出将产生安全和危险两种结果， 而 那些输出产生安全结果， 那些输出产生危险结果是和具体的应用领域相关 （安全性上未考虑 产品正常状态下带来的危险，如误用） 。控制领域中一种普遍的模式是：开关闭合代表危险 侧（y=1） 、开关断开代表安全侧（y=0） 。 将 RAM 状态图的故障状态进一步分解为安全故障子状态和危险故障子状态
6、。 与 RAM 相 同，产品使用中只能处于两个状态，见图 4： 1. y = ()的正常状态， 2. y ()的故障状态。 不同的是： 处于正常状态时，如果产品发生安全失效，则会进入安全故障子状态； 如果产品发生危险失效，则会进入危险故障子状态； 处于危险故障子状态，如果危险得到拒绝，导向安全，则会进入安全故障子状态。 产品的 S（安全性）即与这三个状态有关。 假设外部条件一致并恒定的情况下： 安全性即是产品处于正常状态和安全故障子状态的能力； 如果合并正常状态和安全故障子状态，则得到图 5， 安全 y=f(x)或 y=0 危险 yf(x)并且 y=1 危险失效 导向安全 图 5 S 状态图
7、2 同样，使用“持续时间”把“能力”指标化。见图 6。 4 安全危险安全 安全危险 危险 失效 危险 失效 导向 安全 导向 安全 时间 Ttfd1Ttfd2Ttfd3SDTSDT 图 6 S 时间图 得到了衡量 S 的指标。 对于连续要求或高要求模式，安全性体现在安全状态的持续时间： MTTFD (Mean Time to Fail Dangerous) =(Ttfd1+Ttfd2+ Ttfdn)/n 或危险失效率 d评价（对于恒定危险失效率 d=1/MTTFD） ， 或 PFH (Probability of Dangerous Failure per Hour)评 价（对于恒定 PFH， PFH=d=1/MTTFD） 。 对于低要求模式，安全性体现在每次安全要求时的不可用性： PFD(Probability of failure on demand)= SDT/(MTTFS+SDT) 上文对安全性的描述只是原理性的， 更精确的描述应该包含安全失效与非安全失效的比 例（SFF） 、故障诊断（DC） 、故障检测（Proof Test）等等，详见 IEC-61508、EN50129 等标准。 更精确的 S 状态图详见“IEC61508-2010-6 公式解释” 。
