“可靠设计”的经验来源于人类的“实践、认识、再实践、再认识”的循环往复，而“可靠性设计”则是利用数学这一工具对“可靠设计”实践进行量化，从而实现从感性的“可靠”到理性的“可靠”实践飞跃。

以经验为主的定性的“可靠设计”要远远早于定量的“可靠性设计”。“可靠设计”与工程学的起源相生相伴。

人类第一个具有工程学意义的产品是诞生于公元前3万年的弓与箭。弓箭是一件具有令人惊叹智慧的技术作品。它的基本原理是先储备后释放能量。它的组成有弓、弦和箭三部分，制作材料均来自于大自然，如木头、植物纤维、动物皮、肌肉和羽毛等。

作为人类发明的第一型发射式武器，人类的祖先不知经历了多少轮“发射试验、试验失败、失败分析、设计改进”的循环，最终实现了“稳定的远程射箭”这一可靠的功能，从而改变了捕猎者的游戏规则。从这一点来看，人类从一开始制作工具，就离不开”可靠“这一根本要求。

在这个意义上，任何一位工程师在进行产品设计时，“可靠的工作”都会自觉地成为他的设计目标，因此在这个意义上，每一位产品设计师都是可靠性工程师。

迄今为止，在工程中已经形成了众多的保证产品可靠的设计方法。

安全系数设计

安全系数法最常用在机械工程、土木工程、飞行器结构设计等专业领域。为了保证机械零件或结构的正常工作，避免发生塑性变形、疲劳、断裂等机械、结构失效，设计时都留有足够的强度储备。

在工程实践中，强度储备的程度是通过安全系数来描述的。安全系数具有直观、灵活及使用简便的特点，广大工程设计人员也习惯于基于安全系数来开展机械零件和结构的设计工作。安全系数是人们在应力和强度两方面不作全面的不确定性分析的情况下，为了得到可靠的结构而引入的一个依靠长期工程经验总结而来的设计系数，这个设计系数用来抵消各种不确定性因素的影响。即通过设置较大的安全系数，将设计强度和实际工作应力之间的距离拉大，使得强度这一关键性能留足裕量，从而能够在使用寿命内最大限度地抵抗外界应力的变化及强度自身的退化。

因此，安全系数法最根本的思想就是留有安全余量，以得到相对可靠的设计结构。

安全系数法的弊端也很明显。一方面，人们为了保险起见，在一些重要的工程设计中会倾向设置较大的安全系数，从而导致各种资源的浪费。另一方面，在费用、进度的约束下，在一些看起来不那么重要的工程项目中，也可能会选择了较小的安全系数，或者因为各种形式的偷工减料，从而会出现因为无法抵御强度和应力的不确定性而导致结构失效。

降额设计

降额设计法是使电子元器件在使用中承受的应力低于其额定值的一种可靠设计方法。通过限制电子元器件所承受的应力大小，能够达到减少电子元器件故障、提高产品可靠性的目的。

在降额设计法使用中，通常需要根据电子元器件在电路中所承担功能的重要程度，确定相应的降额等级和降额因子。降额因子是指电子元器件工作应力与额定应力之比。不同的电子元器件、不同的降额等级，通常对应不同的降额因子。在确定降额等级和降额因子后，结合每一种电子元器件的特点，选择关键降额参数实施降额。例如，对于晶体管，可选择最高工作结温按照相应的降额因子进行降额设计，就能有效地减少故障，保证其可靠工作。

实际上，降额设计的原理是通过降低应力的大小，给电子元器件的性能（关键降额参数）留出足够富裕的量，使得电子元器件的关键性能在各应力作用下的退化速度减缓，从而能够在完成功能的情况下坚持更久的时间，抵抗更多的不确定性因素。

因此，降额设计也是通过留有余量来保证电子产品可靠工作的。与安全系数法相比，降额系数法可以通过可靠性预计模型实现与产品可靠性定量指标的挂钩，虽然我们经常要质疑电子产品可靠性预计结果不准确，但是通过降额这个可靠设计措施能给出可靠性的定量指标——失效率，这是一个巨大的进步。可以说，电子产品可靠性预计模型将”可靠设计“与”可靠性设计“有机地连接起来了！

防护设计和余度设计

工程中还存在着大量的防护设计方法来保证产品的可靠性。例如，电子产品的电磁防护设计、防水设计、防辐射设计等，均是通过采取隔离措施隔离敏感源，以减少产品故障，保证其可靠工作。

迄今为止，针对各专业领域已经形成了众多的基于经验总结的防护设计规范或设计准则以指导工程实践。这些设计规范或设计准则在工程实践中是通过各种极限条件试验进行验证的，只要通过了极限条件试验验证，则认为产品针对某种敏感源是留有裕量的，则产品在这个极限范围内工作是可靠的。

余度设计的历史同样源远流长，在人类历史上的工程实践中可以很容易发现余度设计的案例。余度设计是一种保证系统可靠的设计方法，其本质是通过增加系统中功能单元的备份来实现系统级性能裕量的提升。经过余度设计的系统，其可靠度可以按可靠性逻辑方法来计算。

防护设计和余度设计都属于可靠设计范畴，但是如果这样的设计能够与可靠度、失效率这些可靠性定量目标联系起来，则进入”可靠性设计”范畴。

概率设计

“可靠设计”的经验来源于人类的“实践、认识、再实践、再认识”的循环往复，而“概率设计法”则是利用数学这一工具对“可靠设计”实践进行量化。

概率设计法的重要意义在于将“可靠设计”量化，成为“可靠度设计”，其来源于1926-1927年德国学者迈耶、前苏联学者哈契诺夫和马耶罗夫先提出的概率设计方法。1947年，A.M. Freudenhal教授在《结构的安全度》一文中建立了应力-强度干涉模型及相应的结构安全度确定方法，这就是可靠性概率设计法的雏形。

可靠度系数可称为“概率安全余量”，这实际上可以看作是概率意义下的一种“均值裕量”表征，也构建了平均安全系数与可靠度之间的纽带，它的值越大，则产品或部件越可靠。

在机械结构设计及土木结构设计领域，概率设计法中还有两个重要概念：极限状态方程和功能函数。极限状态方程是表现结构或结构构件处于极限状态时的关系式，功能函数是描述结构功能状态的函数。极限状态包含承载能力的极限状态（结构安全性）和正常使用的极限状态（适用性、耐久性），每一种极限状态都对应着结构某一功能濒临丧失的状态。

因此基于极限状态方程和功能函数开展结构设计的方法，实际上就是在有限资源条件下，尽可能地提高结构的裕量来保证结构的安全可靠。

极限状态方程具有普遍意义，每一种产品都可以写出一系列的极限状态方程，每一个极限状态方程对应着一种失效模式，而产品的可靠域对应着极限状态方程大于0的解。如果能够建立起产品的极限状态方程组，则可以实现可靠性的定量设计优化。

可靠性设计方法，本质上是通过提升产品性能裕量来保证其可靠工作，参照极限状态方程的内涵，可以认为只要保证了产品（无论是单元还是系统）的性能裕量大于0，则产品是可靠的，这是一个普遍的产品可靠原理，而概率设计法不过是赋予这种原理一种定量的概率度量。

在工程实践中，建立产品的极限状态方程是一项艰巨的任务，这一过程存在着大量的认知不确定性，如何处理这种认知不确定性是对概率设计方法的挑战。

总结：工程实践中有很多设计措施都能保证产品可靠，但只有这些措施能够与可靠性的定量指标挂钩，才能称之为可靠性设计！