大型復(fù)雜電子系統(tǒng)開展“五性”一體化設(shè)計(jì)的必要性

徐海，丁定浩

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

概述

隨著電子產(chǎn)品不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)組成越來越復(fù)雜，普遍具有綜合化、模塊化、通用化和智能化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[1]。大型復(fù)雜電子系統(tǒng)目前以型號(hào)裝備為主，由多個(gè)分系統(tǒng)組成，每個(gè)分系統(tǒng)又有多個(gè)子系統(tǒng)/分機(jī)組成，每個(gè)子系統(tǒng)/分機(jī)又包含多臺(tái)電子設(shè)備，設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)也包含了新研、改進(jìn)和沿用多種狀態(tài)，并由十?dāng)?shù)家以上單位參與研制[2]。

“五性”指可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性，“五性”一體化設(shè)計(jì)指在對產(chǎn)品開展設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮“五性”的設(shè)計(jì)思想，依托于“五性”間的相互定性、定量關(guān)系，以費(fèi)用、綜合性能指標(biāo)要求為頂層實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，建立一體化綜合設(shè)計(jì)模型。

1 “五性”設(shè)計(jì)存在的問題

1.1 “五性”設(shè)計(jì)與產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)脫節(jié)

隨著國內(nèi)對可靠性等技術(shù)的重視程度提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對可靠性設(shè)計(jì)的需求有所增加，但仍存在總體設(shè)計(jì)與“五性”設(shè)計(jì)結(jié)合不夠密切的問題，經(jīng)常存在“兩張皮”的現(xiàn)象，“五性”設(shè)計(jì)與裝備總體功能特性不能統(tǒng)籌考慮，綜合權(quán)衡，往往會(huì)造成重點(diǎn)功能可靠性、測試性、保障性得不到重點(diǎn)關(guān)注，變相造成全壽命周期費(fèi)用的提高。以國內(nèi)某大型復(fù)雜電子系統(tǒng)為例，“五性”設(shè)計(jì)師編制的“五性”設(shè)計(jì)大綱、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則文件只是因?yàn)槲募w系的需求而存在，電訊設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師并沒有作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則執(zhí)行，同時(shí)“五性”設(shè)計(jì)師也未針對本身產(chǎn)品特點(diǎn)與電訊、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師深入交流溝通，“五性”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則大多在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的刪減。

1.2 五性設(shè)計(jì)各自為政，缺乏互相關(guān)聯(lián)

當(dāng)前的可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性設(shè)計(jì)要求，都是單項(xiàng)各自單獨(dú)提出的。它們不能說明裝備的作戰(zhàn)性能的實(shí)現(xiàn)能保障多高的概率，更談不上這些參數(shù)之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)?！拔逍浴惫ぷ鞯闹攸c(diǎn)分散，對某些工作項(xiàng)目較為關(guān)注，如：元器件篩選、預(yù)計(jì)、備件等，但沒有將各個(gè)工作項(xiàng)目有機(jī)地結(jié)合起來，各項(xiàng)工作的流程和輸入輸出信息沒有統(tǒng)一整合和管理，使得工作內(nèi)容交叉、重復(fù)，工作效率難以提高。

1.3 數(shù)據(jù)來源不一致，更新不及時(shí)

“五性”工作和產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作之間沒能統(tǒng)一數(shù)據(jù)來源，導(dǎo)致各工作項(xiàng)目的數(shù)據(jù)輸入不一致。另外，由于沒有統(tǒng)一設(shè)計(jì)和管理的“五性”數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)在傳遞過程中缺少關(guān)聯(lián)控制，當(dāng)某些數(shù)據(jù)產(chǎn)生變動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)的使用者無法及時(shí)獲取變更信息，從而不能及時(shí)更新工作。

1.4 名義上的并行工程，未涉及保障環(huán)節(jié)

“五性”一體化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)并行工程，應(yīng)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程、制造過程、保障過程。雖然當(dāng)前許多產(chǎn)品研制中聲稱推行了并行工程，但事實(shí)上只是設(shè)計(jì)、制造一體化[3]。

1.5 缺乏頂層指標(biāo)

當(dāng)前大型復(fù)雜電子系統(tǒng)“五性”指標(biāo)仍以可靠度等為主，未建立涉及“五性”相關(guān)性的頂層指標(biāo)，進(jìn)一步體現(xiàn)出并行工程開展的不徹底，對使用可用度、任務(wù)成功率、壽命周期費(fèi)用很少提及。

1.6 數(shù)據(jù)收集與管理不規(guī)范，再利用率低下

數(shù)據(jù)收集不完整、存儲(chǔ)形式不規(guī)范、分散管理等問題制約了數(shù)據(jù)的利用，影響了產(chǎn)品裝備的研制開發(fā)和質(zhì)量保證工作，更影響了企業(yè)的數(shù)據(jù)積累乃至研發(fā)能力的提升。

2 建議措施

當(dāng)前“五性”設(shè)計(jì)中存在的問題，主要是由于傳統(tǒng)的“五性”分立式設(shè)計(jì)管理造成，因此，開展大型復(fù)雜電子系統(tǒng)“五性”一體化設(shè)計(jì)迫在眉睫，為此，需實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的內(nèi)容。

2.1 建立五性指標(biāo)體系

為改變當(dāng)前五性設(shè)計(jì)缺乏頂層指標(biāo)，五性設(shè)計(jì)各自為政等問題，首要任務(wù)是建立一套新的五性指標(biāo)體系。丁定浩[4]針對當(dāng)前大型復(fù)雜電子系統(tǒng)自身特點(diǎn)，開發(fā)了一套新的指標(biāo)體系模型，如圖1所示，該模型以使用可用度和任務(wù)成功率為頂層指標(biāo)，尤其在針對武器裝備類大型復(fù)雜電子系統(tǒng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。鑒于當(dāng)前安全性設(shè)計(jì)尚未有合適的定量指標(biāo)要求，因此未在該模型中體現(xiàn)。

2.2 以使用可用度、壽命周期費(fèi)用為頂層目標(biāo)建立綜合設(shè)計(jì)模型

對于“五性”涉及的多種要素，如可靠性、維修性、經(jīng)費(fèi)、總體功能特性等，進(jìn)行綜合權(quán)衡與優(yōu)化，以系統(tǒng)效能、使用可用度、任務(wù)成功率等頂層指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，基于全壽命周期考慮，建立綜合權(quán)衡與優(yōu)化模型。事實(shí)上，綜合設(shè)計(jì)模型體現(xiàn)的是系統(tǒng)效能問題。

美國航空無線電公司（ARINC）早在1964年就提出了系統(tǒng)效能的ARINC模型，隨后，美國空軍于1965年提出了WSEIAC模型，美國海軍于1967年同樣提出了系統(tǒng)效能的概念。系統(tǒng)效能目前尚未有統(tǒng)一的定義，但能夠形成共識(shí)是：它是一個(gè)與裝備總體功能特性、可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性都相關(guān)的概率。

丁定浩[4]根據(jù)不同產(chǎn)品，分別以使用可用度、能執(zhí)行任務(wù)率、任務(wù)成功率為頂層指標(biāo)建立了相關(guān)模型，可以有效的實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜電子系統(tǒng)“五性”一體化設(shè)計(jì)。

2.3 建立“五性”一體化信息平臺(tái)

“五性”一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是“五性”數(shù)據(jù)的一體化，建立“五性”一體化信息平臺(tái)能夠有效解決該問題。“五性”一體化信息平臺(tái)采用BS架構(gòu)，提供標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)模板，以保證產(chǎn)品不同使用地點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地更新到系統(tǒng)中。通過建立“五性”一體化信息平臺(tái)應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)：

圖1 新型指標(biāo)體系模型

1）“五性”工作職責(zé)清晰，流程合理，方法規(guī)范，運(yùn)行有效；

2）“五性”數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)；

3）真正實(shí)現(xiàn)“五性”一體化設(shè)計(jì)；

4）能夠根據(jù)頂層指標(biāo)調(diào)整“五性”設(shè)計(jì)方案；

5）“五性”數(shù)據(jù)復(fù)用方便。

圖2 “五性”一體化信息平臺(tái)架構(gòu)

“五性”一體化信息平臺(tái)包含三部分內(nèi)容：一是“五性”工作流程、工作項(xiàng)目、文檔資料的管理；二是“五性”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理、產(chǎn)品基礎(chǔ)信息管理；三是“五性”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的各種分析應(yīng)用模塊，即業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、工具層，如圖2所示。

圖3 “五性”工作協(xié)同示意圖

“五性”工作間并不是孤立進(jìn)行的，“五性”工作以使用可用度、任務(wù)成功率為頂層指標(biāo)有機(jī)的結(jié)合進(jìn)行，“五性”協(xié)同工作示意圖如圖3所示。

3 結(jié)束語

大型復(fù)雜電子系統(tǒng)為了能夠提高產(chǎn)品的可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性，同時(shí)保證產(chǎn)品的效能，降低產(chǎn)品壽命周期費(fèi)用，開展“五性”一體化設(shè)計(jì)是必然的且唯一的出路，而建立合適的“五性”指標(biāo)體系、綜合設(shè)計(jì)模型及專業(yè)的“五性”一體化信息平臺(tái)是切實(shí)實(shí)現(xiàn)“五性”一體化設(shè)計(jì)的根本實(shí)施方法。

[1] 紀(jì)春陽,張子華. 新一代復(fù)雜電子系統(tǒng)可靠性解決方案探討[J].環(huán)境技術(shù), 2008, 2.

[2] 王杰.大型復(fù)雜電子系統(tǒng)電子元器件選用與管理方法研究[J].環(huán)境技術(shù), 2012, 4.

[3] 阮鐮.可靠性安全性維修性測試性保障性CAD與并行工程[J].中國機(jī)械工程, 1998,9(12).

[4] 丁定浩，陸軍.裝備壽命周期使用保障的理論模型和設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2011.