[導(dǎo)讀] 在知乎上看到一個(gè)網(wǎng)友的問題：為什么自己設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如工業(yè)級(jí)產(chǎn)品？我覺得這是一個(gè)非常好的問題，尤其國(guó)內(nèi)很多中小企業(yè)可能關(guān)注點(diǎn)更多在于產(chǎn)品的功能，而不在性能，產(chǎn)品功能很炫可是穩(wěn)定性往往差強(qiáng)人意。所以就產(chǎn)品穩(wěn)定性，來聊聊我的一些認(rèn)知和體會(huì)。

什么是穩(wěn)定性？

穩(wěn)定性，英文中用（可靠性）Reliability engineering來研究，可靠性工程是系統(tǒng)工程的一個(gè)子學(xué)科，它主要研究設(shè)備無故障運(yùn)行的能力?？煽啃悦枋隽讼到y(tǒng)或組件在指定條件下持續(xù)指定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行的能力。

一個(gè)產(chǎn)品一般從設(shè)計(jì)的角度基本包含哪些主要的設(shè)計(jì)呢？常見的嵌入式系統(tǒng)，可能包含機(jī)械設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，那么從設(shè)計(jì)來談一個(gè)產(chǎn)品的可靠性，就必然要從這幾個(gè)主要的方面下功夫。另外工業(yè)級(jí)產(chǎn)品為什么表現(xiàn)的更加可靠呢？

為了要相對(duì)深入的談這個(gè)問題，來看看這個(gè)相關(guān)的一些術(shù)語指標(biāo)是怎么描述一個(gè)系統(tǒng)或者零件的可靠性的。

啥是可靠性概率？

可靠性定義為設(shè)備在規(guī)定條件下在指定時(shí)間段內(nèi)將執(zhí)行其預(yù)期功能的概率。從數(shù)學(xué)上講，這可以表示為系統(tǒng)的可靠性是指在時(shí)間t內(nèi)沒有發(fā)生某F類故障的概率。

作何理解呢？ 系統(tǒng)開始工作的時(shí)間， 是發(fā)生類故障的時(shí)刻。也即表征系統(tǒng)由于某類故障而失效的概率

啥是失效概率

有可靠性概率，自然就有失效概率 ,失效概率剛好與可靠性概率是互補(bǔ)，滿足下面關(guān)系：

上面的概念是針對(duì)某類故障的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，那么推廣開來，從系統(tǒng)而言去掉下標(biāo)F，也滿足上述關(guān)系。一個(gè)系統(tǒng)由不同的組件組成。

系統(tǒng)失效率

當(dāng)系統(tǒng)的壽命呈指數(shù)分布時(shí)，系統(tǒng)的可靠性為: ,其中 就是失效率(failure rate)的概念

這個(gè)曲線相信很多人應(yīng)該見過，這就是產(chǎn)品的澡盆曲線，在產(chǎn)品前期老化階段比較容易暴露故障，失效率比較高。不要問我為什么，這是無數(shù)先輩們統(tǒng)計(jì)所得的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于工程應(yīng)用相信即可（當(dāng)然如果是做理論研究的則另當(dāng)別論）。這個(gè)規(guī)律也解釋了為何有的廠家出廠的產(chǎn)品需要做老化試驗(yàn)的原因，因?yàn)樽隼匣囼?yàn)可以將故障充分暴露出來，如此篩選出來的產(chǎn)品在客戶端將很少會(huì)出故障。

為啥費(fèi)這么多話來討論這個(gè)失效率呢，來看看這個(gè)例表：

不同的組件的失效率是不一樣的，那么在設(shè)計(jì)之初在成本允許的情況下，就需要盡量選取失效率低的組件。

失效模式

不同的組件的失效模式是不一樣的，啥概念呢？也就是組件產(chǎn)生故障的原因各異，比如電路板上的電阻其失效模式就有可能是短路失效，斷路失效、參數(shù)漂移失效，對(duì)于軟件而言其失效模式就有可能有很多，比如棧溢出、RAM數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、芯片總線錯(cuò)誤等等。每種失效模式，其失效率也是不一樣的。如要深入其了解這些指標(biāo)的含義可以參考IEC61508或者其他等同的標(biāo)準(zhǔn)。

如何提高產(chǎn)品的可靠性呢？

那么究竟如何能提高產(chǎn)品的可靠性呢？我想大體上可以從這幾個(gè)方面著手：

• 成功的開發(fā)流程
• 成功的項(xiàng)目管理
• 嚴(yán)格的質(zhì)量控制

開發(fā)流程

這是IEC61508界定軟件、硬件都須采用如下的V&V開發(fā)模型(注明IEC61508標(biāo)準(zhǔn)里圖不太一樣)，簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)模型：

現(xiàn)在流行很多的開發(fā)流程，比如敏捷開發(fā)模型就比較受追捧，個(gè)人并不反對(duì)敏捷開發(fā)模型，但是從產(chǎn)品開發(fā)的可靠性角度更推崇這種雙V模型，其實(shí)很多跑敏捷的項(xiàng)目在每一個(gè)迭代中其實(shí)可以融入這種雙V模型。這個(gè)模型從設(shè)計(jì)的需求>架構(gòu)>詳細(xì)子模塊設(shè)計(jì)每向下走一步，都需要verfication 測(cè)試檢驗(yàn)前級(jí)，同時(shí)還最終輸出validation確認(rèn)設(shè)計(jì)。

在IEC 61508(功能安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn))等標(biāo)準(zhǔn)中都有體現(xiàn)這一套路，簡(jiǎn)略看看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 61508是適用于各種行業(yè)的基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)。它將功能安全定義為:“與EUC(受控設(shè)備)和EUC控制系統(tǒng)相關(guān)的整體安全的一部分，它依賴于E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施的正確運(yùn)行?！薄盎镜母拍钍牵喝魏伟踩嚓P(guān)的系統(tǒng)都必須正確工作或以可預(yù)測(cè)的(安全的)方式失效?！?/p>

個(gè)人對(duì)于V&V模型理解的幾個(gè)要點(diǎn)：

• 要可執(zhí)行的流程，不要形式化套路!
• 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)套路，遵循從需求到設(shè)計(jì)的雙向可追溯，從設(shè)計(jì)到測(cè)試的雙向可追溯。
• 可靠性從一開始轉(zhuǎn)化市場(chǎng)需求時(shí)就需引入，中小型企業(yè)更多聚焦于功能實(shí)現(xiàn)，而忽略了性能、可靠性需求。注意這些可靠性需求都是設(shè)計(jì)目標(biāo)，沒有目標(biāo)如何能從體系上產(chǎn)出一個(gè)優(yōu)良的產(chǎn)品呢？如不遵循嚴(yán)格的體系流程，或許一個(gè)公司偶然能出一個(gè)高質(zhì)量產(chǎn)品，但個(gè)人認(rèn)為一定很難保證出來的產(chǎn)品的整體質(zhì)量
• 需求環(huán)節(jié)：可靠性是需要提需求的，舉些栗子：
• 環(huán)境需求，比如溫度、濕度、振動(dòng)等，這些在需求階段就應(yīng)界定相關(guān)的測(cè)試等級(jí)，其實(shí)即便公司的產(chǎn)品不需要去做相關(guān)強(qiáng)制認(rèn)證，但是從可靠性角度，提出這樣的需求，勢(shì)必需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)以及測(cè)試去保證。那么定然從這些維度會(huì)提升產(chǎn)品的可靠性。
• EMC需求：比如常規(guī)的抗擾度測(cè)試要求，都需要需求階段明確提出。
• .....
• 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可靠性需要提出需求，更需要設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)。對(duì)于每項(xiàng)可靠性需求，事實(shí)上都可以盡量轉(zhuǎn)化成設(shè)計(jì)的檢查項(xiàng)去追溯。比如硬件中的器件失效模型及影響分析FMEA（Failure mode and effects analysis），軟件中同樣也有對(duì)應(yīng)的失效模型可做分析以及影響分析，通過失效模型分析，可參考標(biāo)準(zhǔn)中的推薦做法去從設(shè)計(jì)的角度采取對(duì)策。
• 測(cè)試環(huán)節(jié)：測(cè)試包含驗(yàn)證(verification)和確認(rèn)(validation) ,V&V模型每向下一步，都應(yīng)向上一步去verification，每一個(gè)設(shè)計(jì)輸出，其實(shí)都應(yīng)有對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證去保障，最終的產(chǎn)品級(jí)還需要確認(rèn)環(huán)節(jié)。另一個(gè)重要的要點(diǎn)就是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品開發(fā)，往往在需求階段，設(shè)計(jì)就已然介入。

開發(fā)流程每個(gè)公司都各有不同，但是從產(chǎn)品生命周期以及產(chǎn)品可靠性自身規(guī)律角度，個(gè)人覺得還是應(yīng)該考慮這些要點(diǎn)。關(guān)于開發(fā)流程以及功能安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容很多，這里泛泛總結(jié)這些個(gè)人體會(huì)。

成功的項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理是在特定的時(shí)間內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和達(dá)到成功標(biāo)準(zhǔn)的過程。項(xiàng)目管理的主要挑戰(zhàn)是在給定的約束條件下實(shí)現(xiàn)所有的項(xiàng)目目標(biāo)。這些信息通常在項(xiàng)目文檔中描述，在開發(fā)過程的開始創(chuàng)建。主要的限制是范圍、時(shí)間、質(zhì)量和預(yù)算。其次的挑戰(zhàn)是優(yōu)化必要投入的分配，并應(yīng)用它們來滿足預(yù)先確定的目標(biāo)。

一個(gè)可靠性很高的的產(chǎn)品開發(fā)，與一個(gè)完善的項(xiàng)目管理是密不可分的。項(xiàng)目管理在項(xiàng)目的執(zhí)行過程中作用是非常重要的，從啟動(dòng)、計(jì)劃、執(zhí)行、監(jiān)管、收尾中對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理。

項(xiàng)目管理在這些過程中，所需的知識(shí)以及在每個(gè)階段需從事的活動(dòng)可參考下圖（來源:PMBOK 第6版）：

嚴(yán)格的質(zhì)量控制

好的設(shè)計(jì)發(fā)布,如沒有嚴(yán)格的生產(chǎn)質(zhì)量控制,所出售的產(chǎn)品質(zhì)量也定然沒有保障。對(duì)于這一點(diǎn)不怎么了解，就不做過多的描述了。

總結(jié)一下

回到問題本身，如想得到一個(gè)可靠的產(chǎn)品，個(gè)人認(rèn)為從產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程、項(xiàng)目管理、以及生產(chǎn)質(zhì)控方面都應(yīng)有完善的要求且須很好的落實(shí)，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品砸錢做那么多的認(rèn)證，不是沒有緣由的。這些認(rèn)證里有很多就是可靠性的具體考核。