第四节 可靠性研究述评

一 可靠性的含义

国外有关可靠性（Reliability）的研究始于20世纪40年代对武器装备等硬件产品的研究。可靠性关注的是功能的稳定性，是产品（或系统）在规定的条件下、在规定的时间内完成规定功能的能力，也是产品（或系统）在使用寿命期内和预计的环境中保证其设计的功能、性能的能力。系统是由相互联系、相互制约的若干要素按一定的法则组合而具有特定功能的整体。系统普遍存在于我们生活的社会和自然中，不管是水域生态系统、水电网络系统、城市交通网管还是计算机硬件系统本身，差别只是它们的规模和复杂程度不同。有关可靠性研究的最新特点和研究趋势是研究范围扩大、研究内容日渐丰富、硬件系统可靠研究转向软件系统可靠研究、机械或物的可靠研究转向人或软性层面的可靠研究、单一可靠性研究转向复杂综合可靠性研究。^[132]如今，可靠性问题在国外早已成为涉及数理学、产品技术学、管理学、心理学的综合性交叉学科。

在我国，国家标准GB3187—82《可靠性基本名词术语及定义》中“可靠性”这种能力是以概率表示的，也称可靠度。^[133]相较之国外，国内对可靠性的称谓略有不同。目前学术界比较认同的观点是：香港和台湾地区习惯用可靠度来表示可靠性，而内地（大陆）地区多用可靠性本身表示。实际上二者没有本质区别，可靠度可视为可靠性的概率测度。

从学科运用角度而言，国内可靠性的研究集中于数学、物理、工程、教育与管理四个领域，分别形成可靠性数学、可靠性物理、可靠性工程以及可靠性教育与管理四大门类。这与国外可靠性研究的应用领域基本一致，各自研究对象分别是可靠性定量规律、失效的物理原因和数学物理模型、工程技术失效概率、可靠性活动推广等。

二 可靠性的研究方法

与可靠性研究有关的研究方法也是五花八门，囊括各种定性和定量研究方法。观察可知，系统可靠性分析领域中对系统由定性分析转向定量分析是目前一个新趋势。在过去可靠性的有关研究中，主要的分析方法是基于专家经验和相关的定性分析技术，而近年来，各学科有关可靠性的研究中定量分析和定量研究已经成为主流。

通览国外现有文献^[134][135]，不难发现系统可靠性分析的研究方法至少有以下八种，具体方法及参考标准见表2-8。

表2-8 系统可靠性分析的方法及标准

表2-8 系统可靠性分析的方法及标准-续表

在表2-8所列出来的技术当中，专家分析法和故障模式及效果分析是定性分析方法，分析主要基于主观判断和评价；其他几种方法是定量分析方法，运用定量分析方法可以计算出事故或者故障出现的概率大小。

上述研究方法不仅国外在使用，国内也展开了大量研究。除了上述方法外，近来可靠性的研究方法出现了新的发展，一些学者运用Petri网方法进行系统可靠性分析。马淑萍利用Petri网的结构特性、建模特性和分析方法，对造纸工业碱回收过程中的人员可靠性进行了研究；^[136]钟茂华等人应用Petri网对城市突发公共事件应急联动救援系统进行性能分析；^[137]宋才胜等人在分析通信网络体系结构和失效模式的基础上，应用Petri网建模仿真的递增建模方法对通信网络可靠性进行了评估研究。^[138]

国内还出现了一些研究关注人的可靠性分析。如张炜等人对“人-机-环境”系统的可靠性进行了研究，提出人的可靠性是系统可靠性的重要方面；^[139]孙东川等人将过程系统可靠性模型视为一个串联系统，由人、机、环三个子系统组成；^[140]洪亮应用检查表和权重系数来建立人的可靠性评估程序。^[141]还有一些学者将系统可靠性的理论和方法应用于对社会系统可靠性的研究。周恒勇等人应用故障树的方法建立三峡移民社会风险因果树，并采取布尔代数方法进行求解；^[142]赵振宇等人将故障树分析法引入工程项目风险管理，并探讨项目风险识别模式、风险因素量化等问题，用最小割集法进行了定性分析，用二态系统和概率理论对项目成功度和风险源问题进行定量分析；^[143]林晖等人建立了工作流结构的数学模型，提供了计算系统资源耗费及过程不确定性的方法，给出了可靠性评价方案。^[144]

由系统的定义可知，系统是由要素即元件构成的，因此要研究系统可靠性，其系统中元件可靠性是基础。在可靠性研究中，所谓元件就是一个基本单元在系统运行过程中可靠性特征保持不变，而不意味着再不能从结构上将其分解。元件与系统的概念是相对的，某一研究对象在一定研究范围内可认为是系统，但在更大的研究范围内则可认为是元件，这取决于研究目的、研究精度、研究的概念水平以及研究对象在研究范围内的地位等。而系统元件之间的关系构成了不同系统可靠性的研究分类，如串联系统、并联系统和混联系统的可靠性研究。这种把系统分成不同类别然后进行系统可靠性计算的研究多围绕硬件系统的可靠性研究。总的来说，现有研究对于硬件系统的可靠性研究较为成熟，而有关软件系统可靠性和人因可靠性的研究则相对少一些。

三 应急管理领域可靠性的研究

目前将可靠性引入应急管理领域的研究很少，特别是在研究应急指挥系统方面。

国外早期有关研究多见于军事领域，对于指挥和控制系统的稳定性、可靠性问题，苏联军事科学博士阿尔图霍夫强调领导和指挥结构在作战实践中的重要作用。^[145]在突发事件应急指挥系统（ICS）方面从来不乏定性分析，近来也见到少量定量分析。

定性研究方面。Bigley和Roberts就通过专家实证调研指出ICS能够在复杂不稳定的任务环境中高可靠性地开展组织活动并实现任务目标，基于扎根理论研究者总结出能导致组织可靠的三个因素——结构化机制、有限即兴以及认知管理办法（见图2-1），^[146]该研究结论是通过对消防部门有丰富经验的工作人员的访谈而得出的。美国各大事故调查报告中往往采用可靠性方框图或者事故树的研究方法来表示事故响应过程中的失灵环节，美国化学安全委员会网站上可以发现很多类似报告。据近期兰德公司研究人员对应急响应系统的可靠性研究，他们在分析大量事故灾后调查报告的基础上对不同特点的系统（如鲁棒系统）可靠性进行了初步研究，提出了一个系统响应可靠性曲线。^[147]总的来说，有关方面质性或实证研究还不够丰富。

定量研究方面。国外在Safety Science，Reliability Engineering & System Safety等期刊上有较多关于系统可靠性的建模和量化研究，尤其是在与基础设施相关的各种系统可靠性评价和分析问题上。研究者对铁路交通系统的维护管理进行了可靠性分析，考虑到交通系统要求的服务水平，他们建立了铁路系统的可靠性模型以识别关键项目。^[148]为了更好地预防灾害，对网络风险进行评估是重要的步骤，这个方面，除了系统脆弱性之外，可靠性方面也得到很多研究。可靠性关注失灵发生的概率大小。Selcuk和Yucemen研究了生命线网络在地震灾害情况下的可靠性问题，设计了一个辅助决策支持系统，可以运用概率模型来计算和评估土耳其布尔萨震后输水管网的可靠性。^[149]类似研究很多，但大多在社会科学研究领域中并不常见，且因本书采取方法与之有异，不做详细综述。

图2-1 复杂多变任务环境中利于组织可靠性的ICS因素

资料来源：Bigley G.A.，Roberts K.H.，“The Incident Command System：High-Reliability Organizing for Complex and Volatile Task Environments，” The Academy of Management Journal 6（2001）：1281-1299。

国内把可靠性运用于公共安全领域的也非常少见。董华等人采用组合功能分析和过程分解的方法，应用系统论从整体性、动态相关性、预决性和层次性等对城市公共安全系统的功能、结构和组成进行了讨论，认为城市公共安全体系功能的实现依赖于城市公共安全系统的整体可靠性，并应用框图模型和事件树的混合方法对城市公共安全系统的可靠性特征进行了定性分析，建立了城市公共安全系统可靠性模型，^[150]提出了城市公共安全系统优化和完善的途径。^[151]彭伟功等人运用可靠性分配理论与FTA（故障树分析）相结合的方法，建立了系统中各单元可靠度再分配的量化模型，并在建筑物火灾引起人员伤亡事故的实例中进行了应用。^[152]韩正强关注了突发事件应急过程的可靠度评价问题，在极值理论基础上展开应急过程可靠性定量分析的建模和数据分析的研究。^[153]

但到目前为止，有关应急指挥系统的可靠性研究还比较少见，有研究将应急指挥系统视为由硬件、软件和人三个子系统构成的复杂系统，认为该系统的可靠性问题需要首先研究其子构成系统的可靠性问题。^[154][155]众所周知，应急指挥系统或者说应急指挥组织体系是一个由响应者、组织及其活动构成的复杂系统，特别是当系统在开展应急指挥和响应活动的过程中，系统又处于动态变化中，其正常运行取决于多种因素的作用，而其在不同活动的开展中也受到许多不确定性因素的影响。因此应急指挥系统本身是复杂又不稳定的。对应急指挥系统进行可靠性管理是提高系统性能的重要手段。国内对于应急指挥系统可靠性的含义界定尚未见到，但应急指挥系统的可靠性内涵或评价应当与其目标和功能有紧密关系。