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“可靠設(shè)計(jì)”的經(jīng)驗(yàn)來(lái)源于人類的“實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)”的循環(huán)往復(fù)，而“可靠性設(shè)計(jì)”則是利用數(shù)學(xué)這一工具對(duì)“可靠設(shè)計(jì)”實(shí)踐進(jìn)行量化，從而實(shí)現(xiàn)從感性的“可靠”到理性的“可靠”實(shí)踐飛躍。

以經(jīng)驗(yàn)為主的定性的“可靠設(shè)計(jì)”要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于定量的“可靠性設(shè)計(jì)”。“可靠設(shè)計(jì)”與工程學(xué)的起源相生相伴。

人類第一個(gè)具有工程學(xué)意義的產(chǎn)品是誕生于公元前3萬(wàn)年的弓與箭。弓箭是一件具有令人驚嘆智慧的技術(shù)作品。它的基本原理是先儲(chǔ)備后釋放能量。它的組成有弓、弦和箭三部分，制作材料均來(lái)自于大自然，如木頭、植物纖維、動(dòng)物皮、肌肉和羽毛等。

作為人類發(fā)明的第一型發(fā)射式武器，人類的祖先不知經(jīng)歷了多少輪“發(fā)射試驗(yàn)、試驗(yàn)失敗、失敗分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)”的循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)了“穩(wěn)定的遠(yuǎn)程射箭”這一可靠的功能，從而改變了捕獵者的游戲規(guī)則。從這一點(diǎn)來(lái)看，人類從一開始制作工具，就離不開”可靠“這一根本要求。

在這個(gè)意義上，任何一位工程師在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，“可靠的工作”都會(huì)自覺(jué)地成為他的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此在這個(gè)意義上，每一位產(chǎn)品設(shè)計(jì)師都是可靠性工程師。

迄今為止，在工程中已經(jīng)形成了眾多的保證產(chǎn)品可靠的設(shè)計(jì)方法。

安全系數(shù)設(shè)計(jì)

安全系數(shù)法最常用在機(jī)械工程、土木工程、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)領(lǐng)域。為了保證機(jī)械零件或結(jié)構(gòu)的正常工作，避免發(fā)生塑性變形、疲勞、斷裂等機(jī)械、結(jié)構(gòu)失效，設(shè)計(jì)時(shí)都留有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

在工程實(shí)踐中，強(qiáng)度儲(chǔ)備的程度是通過(guò)安全系數(shù)來(lái)描述的。安全系數(shù)具有直觀、靈活及使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，廣大工程設(shè)計(jì)人員也習(xí)慣于基于安全系數(shù)來(lái)開展機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。安全系數(shù)是人們?cè)趹?yīng)力和強(qiáng)度兩方面不作全面的不確定性分析的情況下，為了得到可靠的結(jié)構(gòu)而引入的一個(gè)依靠長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)的設(shè)計(jì)系數(shù)，這個(gè)設(shè)計(jì)系數(shù)用來(lái)抵消各種不確定性因素的影響。即通過(guò)設(shè)置較大的安全系數(shù)，將設(shè)計(jì)強(qiáng)度和實(shí)際工作應(yīng)力之間的距離拉大，使得強(qiáng)度這一關(guān)鍵性能留足裕量，從而能夠在使用壽命內(nèi)最大限度地抵抗外界應(yīng)力的變化及強(qiáng)度自身的退化。

因此，安全系數(shù)法最根本的思想就是留有安全余量，以得到相對(duì)可靠的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

安全系數(shù)法的弊端也很明顯。一方面，人們?yōu)榱吮ｋU(xiǎn)起見，在一些重要的工程設(shè)計(jì)中會(huì)傾向設(shè)置較大的安全系數(shù)，從而導(dǎo)致各種資源的浪費(fèi)。另一方面，在費(fèi)用、進(jìn)度的約束下，在一些看起來(lái)不那么重要的工程項(xiàng)目中，也可能會(huì)選擇了較小的安全系數(shù)，或者因?yàn)楦鞣N形式的偷工減料，從而會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闊o(wú)法抵御強(qiáng)度和應(yīng)力的不確定性而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)法是使電子元器件在使用中承受的應(yīng)力低于其額定值的一種可靠設(shè)計(jì)方法。通過(guò)限制電子元器件所承受的應(yīng)力大小，能夠達(dá)到減少電子元器件故障、提高產(chǎn)品可靠性的目的。

在降額設(shè)計(jì)法使用中，通常需要根據(jù)電子元器件在電路中所承擔(dān)功能的重要程度，確定相應(yīng)的降額等級(jí)和降額因子。降額因子是指電子元器件工作應(yīng)力與額定應(yīng)力之比。不同的電子元器件、不同的降額等級(jí)，通常對(duì)應(yīng)不同的降額因子。在確定降額等級(jí)和降額因子后，結(jié)合每一種電子元器件的特點(diǎn)，選擇關(guān)鍵降額參數(shù)實(shí)施降額。例如，對(duì)于晶體管，可選擇最高工作結(jié)溫按照相應(yīng)的降額因子進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，就能有效地減少故障，保證其可靠工作。

實(shí)際上，降額設(shè)計(jì)的原理是通過(guò)降低應(yīng)力的大小，給電子元器件的性能（關(guān)鍵降額參數(shù)）留出足夠富裕的量，使得電子元器件的關(guān)鍵性能在各應(yīng)力作用下的退化速度減緩，從而能夠在完成功能的情況下堅(jiān)持更久的時(shí)間，抵抗更多的不確定性因素。

因此，降額設(shè)計(jì)也是通過(guò)留有余量來(lái)保證電子產(chǎn)品可靠工作的。與安全系數(shù)法相比，降額系數(shù)法可以通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品可靠性定量指標(biāo)的掛鉤，雖然我們經(jīng)常要質(zhì)疑電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確，但是通過(guò)降額這個(gè)可靠設(shè)計(jì)措施能給出可靠性的定量指標(biāo)——失效率，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步?？梢哉f(shuō)，電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)模型將”可靠設(shè)計(jì)“與”可靠性設(shè)計(jì)“有機(jī)地連接起來(lái)了！

防護(hù)設(shè)計(jì)和余度設(shè)計(jì)

工程中還存在著大量的防護(hù)設(shè)計(jì)方法來(lái)保證產(chǎn)品的可靠性。例如，電子產(chǎn)品的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)、防水設(shè)計(jì)、防輻射設(shè)計(jì)等，均是通過(guò)采取隔離措施隔離敏感源，以減少產(chǎn)品故障，保證其可靠工作。

迄今為止，針對(duì)各專業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)形成了眾多的基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以指導(dǎo)工程實(shí)踐。這些設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在工程實(shí)踐中是通過(guò)各種極限條件試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的，只要通過(guò)了極限條件試驗(yàn)驗(yàn)證，則認(rèn)為產(chǎn)品針對(duì)某種敏感源是留有裕量的，則產(chǎn)品在這個(gè)極限范圍內(nèi)工作是可靠的。

余度設(shè)計(jì)的歷史同樣源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，在人類歷史上的工程實(shí)踐中可以很容易發(fā)現(xiàn)余度設(shè)計(jì)的案例。余度設(shè)計(jì)是一種保證系統(tǒng)可靠的設(shè)計(jì)方法，其本質(zhì)是通過(guò)增加系統(tǒng)中功能單元的備份來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)性能裕量的提升。經(jīng)過(guò)余度設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其可靠度可以按可靠性邏輯方法來(lái)計(jì)算。

防護(hù)設(shè)計(jì)和余度設(shè)計(jì)都屬于可靠設(shè)計(jì)范疇，但是如果這樣的設(shè)計(jì)能夠與可靠度、失效率這些可靠性定量目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，則進(jìn)入”可靠性設(shè)計(jì)”范疇。

概率設(shè)計(jì)

“可靠設(shè)計(jì)”的經(jīng)驗(yàn)來(lái)源于人類的“實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)”的循環(huán)往復(fù)，而“概率設(shè)計(jì)法”則是利用數(shù)學(xué)這一工具對(duì)“可靠設(shè)計(jì)”實(shí)踐進(jìn)行量化。

概率設(shè)計(jì)法的重要意義在于將“可靠設(shè)計(jì)”量化，成為“可靠度設(shè)計(jì)”，其來(lái)源于1926-1927年德國(guó)學(xué)者邁耶、前蘇聯(lián)學(xué)者哈契諾夫和馬耶羅夫先提出的概率設(shè)計(jì)方法。1947年，A.M. Freudenhal教授在《結(jié)構(gòu)的安全度》一文中建立了應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全度確定方法，這就是可靠性概率設(shè)計(jì)法的雛形。

可靠度系數(shù)可稱為“概率安全余量”，這實(shí)際上可以看作是概率意義下的一種“均值裕量”表征，也構(gòu)建了平均安全系數(shù)與可靠度之間的紐帶，它的值越大，則產(chǎn)品或部件越可靠。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，概率設(shè)計(jì)法中還有兩個(gè)重要概念：極限狀態(tài)方程和功能函數(shù)。極限狀態(tài)方程是表現(xiàn)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于極限狀態(tài)時(shí)的關(guān)系式，功能函數(shù)是描述結(jié)構(gòu)功能狀態(tài)的函數(shù)。極限狀態(tài)包含承載能力的極限狀態(tài)（結(jié)構(gòu)安全性）和正常使用的極限狀態(tài)（適用性、耐久性），每一種極限狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)某一功能瀕臨喪失的狀態(tài)。

因此基于極限狀態(tài)方程和功能函數(shù)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，實(shí)際上就是在有限資源條件下，盡可能地提高結(jié)構(gòu)的裕量來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

極限狀態(tài)方程具有普遍意義，每一種產(chǎn)品都可以寫出一系列的極限狀態(tài)方程，每一個(gè)極限狀態(tài)方程對(duì)應(yīng)著一種失效模式，而產(chǎn)品的可靠域?qū)?yīng)著極限狀態(tài)方程大于0的解。如果能夠建立起產(chǎn)品的極限狀態(tài)方程組，則可以實(shí)現(xiàn)可靠性的定量設(shè)計(jì)優(yōu)化。

可靠性設(shè)計(jì)方法，本質(zhì)上是通過(guò)提升產(chǎn)品性能裕量來(lái)保證其可靠工作，參照極限狀態(tài)方程的內(nèi)涵，可以認(rèn)為只要保證了產(chǎn)品（無(wú)論是單元還是系統(tǒng)）的性能裕量大于0，則產(chǎn)品是可靠的，這是一個(gè)普遍的產(chǎn)品可靠原理，而概率設(shè)計(jì)法不過(guò)是賦予這種原理一種定量的概率度量。

在工程實(shí)踐中，建立產(chǎn)品的極限狀態(tài)方程是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，這一過(guò)程存在著大量的認(rèn)知不確定性，如何處理這種認(rèn)知不確定性是對(duì)概率設(shè)計(jì)方法的挑戰(zhàn)。

總結(jié)：工程實(shí)踐中有很多設(shè)計(jì)措施都能保證產(chǎn)品可靠，但只有這些措施能夠與可靠性的定量指標(biāo)掛鉤，才能稱之為可靠性設(shè)計(jì)！