五性一體化設(shè)計(jì)工程構(gòu)想

劉樹林，鄧鵬飛，王秋芳，焦 娜，趙金龍

(1.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072;2.中國(guó)人民解放軍91604部隊(duì)，山東 龍口，265700)

1 五性發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

近半個(gè)世紀(jì)以來，武器裝備研制經(jīng)歷了重大的變化和發(fā)展.從單純地關(guān)注產(chǎn)品性能的實(shí)現(xiàn)和購(gòu)置費(fèi)用，逐步轉(zhuǎn)向以效能為目標(biāo)并綜合衡量武器裝備全壽命周期費(fèi)用［1］.五性工程正是伴隨著這一變化而發(fā)展起來的.可靠性、維修性、安全性、保障性、測(cè)試性(以下簡(jiǎn)稱為“五性”或RMSST)等“專門”工程，為武器裝備綜合效能的實(shí)現(xiàn)和全壽命周期費(fèi)用的控制優(yōu)化，提供了工程技術(shù)手段和方法.

國(guó)外可靠性工程在20世紀(jì)50年代興起并形成，60年代可靠性工程全面發(fā)展，70年代可靠性步入成熟階段，80年代可靠性工程向著更深更廣的方向發(fā)展;在此同時(shí)維修性和安全性工程60年代形成，70年代和80年代發(fā)展成熟，測(cè)試性和保障性則形成于70年代，成熟于80年代.通過五性工程的實(shí)施，其武器裝備的作戰(zhàn)能力、機(jī)動(dòng)部署能力、生存力顯著提高，同時(shí)維修人力和使用保障費(fèi)用則明顯降低.

我國(guó)可靠性工程起步于20世紀(jì)60年代，進(jìn)入實(shí)質(zhì)發(fā)展階段是在70年代，歷經(jīng)20年的發(fā)展后，在電子工業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域取得了顯著成效.在武器裝備研制中，逐漸形成了五性工作標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，可靠性維修性保障性(RMS)設(shè)計(jì)與分析的地位和作用已經(jīng)越來越得到設(shè)計(jì)部門和使用部門的認(rèn)同.

與此同時(shí)，隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的增加和研制進(jìn)度的縮短，對(duì)產(chǎn)品五性的保證與控制工作也暴露了一些問題，目前存在的問題主要有:

1)五性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研制脫節(jié).

研制機(jī)構(gòu)開展的五性工作，均是以GJB450A、GJB1371等軍標(biāo)中規(guī)定的五性工作項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行刪減或增加.但在工程應(yīng)用中，都不同程度地出現(xiàn)了五性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研制脫節(jié)的情況，五性設(shè)計(jì)游離于產(chǎn)品研制流程之外，五性的指標(biāo)要求、準(zhǔn)則、規(guī)范無法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到落實(shí)，使得五性設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中難以得到體現(xiàn)，五性工作難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用.

2)各工作項(xiàng)目間缺少關(guān)聯(lián)，五性工作難以整合.

五性工作的重點(diǎn)分散，對(duì)某些工作項(xiàng)目較為關(guān)注，如:可靠性指標(biāo)分配、零部件平均更換時(shí)間、元器件篩選，但沒有將各個(gè)工作項(xiàng)目有機(jī)地結(jié)合起來，沒有做到以可靠性為中心的五性關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，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.

3)數(shù)據(jù)收集與管理不規(guī)范，信息化程度不夠，數(shù)據(jù)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.影響了型號(hào)裝備的研制開發(fā)、質(zhì)量保證和售后服務(wù)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.

五性水平是裝備的固有屬性，其水平高低是通過設(shè)計(jì)和制造來保證的.據(jù)國(guó)外的數(shù)據(jù)分析，五性的設(shè)計(jì)分析這一部分費(fèi)用雖然只占裝備全壽命周期費(fèi)用的2%，卻直接影響裝備70%的保障費(fèi)用.因此，需要把五性設(shè)計(jì)需求前伸，覆蓋到裝備的整個(gè)設(shè)計(jì)研制階段，強(qiáng)調(diào)裝備的五性綜合指標(biāo)，包括可用性等綜合指標(biāo)，還包括可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性等單一指標(biāo)［2-6］.

2 發(fā)展目標(biāo)

為了改變現(xiàn)有五性工作存在的問題，必須在裝備研制使用階段建立五性體系、導(dǎo)入五性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)研制全過程的五性設(shè)計(jì)分析與性能設(shè)計(jì)的同步.通過各項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用發(fā)現(xiàn)并改善系統(tǒng)中的潛在缺陷，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各階段五性水平的掌控，通過規(guī)范的管理體系明確各專業(yè)人員及五性人員的工作分工與協(xié)作、明確對(duì)五性要求的確定與審查，通過數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)實(shí)現(xiàn)規(guī)范的可靠性數(shù)據(jù)積累、為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐;以形成與裝備功能性能研制同步的五性一體化設(shè)計(jì)分析能力為最終目標(biāo).

3 發(fā)展構(gòu)想

3.1 制定五性一體化保證計(jì)劃

裝備的可靠性、維修性、安全性、保障性、測(cè)試性工作均有其工作計(jì)劃或大綱，但是這五性工作是有相關(guān)聯(lián)系的.為了保證五性工作的一致性，保證產(chǎn)品的五性設(shè)計(jì)分析工作能夠與產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析協(xié)同進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)制定五性一體化保證計(jì)劃.

五性一體化保證計(jì)劃的內(nèi)容包括產(chǎn)品描述、五性工作系統(tǒng)、五性技術(shù)要求、五性研制流程、五性評(píng)審和五性工作計(jì)劃.

產(chǎn)品描述是說明產(chǎn)品的背景和主要特征，列舉可能采用的新技術(shù);描述產(chǎn)品功能和構(gòu)成;確定產(chǎn)品的使用剖面和條件;描述產(chǎn)品的維修和保障條件.五性工作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)明確五性總負(fù)責(zé)人及責(zé)任，各級(jí)產(chǎn)品五性負(fù)責(zé)人及責(zé)任;五性工作角色和職責(zé);在五性工作系統(tǒng)中，還應(yīng)明確各個(gè)部門之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及五性工作與其他工作的協(xié)調(diào)關(guān)系.五性技術(shù)要求包括五性參數(shù)體系，五性指標(biāo)要求和五性工作項(xiàng)目要求.五性研制流程包括產(chǎn)品研制階段劃分，五性工作項(xiàng)目和關(guān)系(典型五性分析工作項(xiàng)目關(guān)系示意見圖1)，將五性的工作項(xiàng)目納入到型號(hào)研制流程中，得到五性的研制流程(典型五性研制流程見圖2).要實(shí)現(xiàn)規(guī)定的五性要求，就要進(jìn)行五性評(píng)審.五性評(píng)審計(jì)劃內(nèi)容主要包括評(píng)審點(diǎn)設(shè)置、評(píng)審內(nèi)容、評(píng)審類型、評(píng)審方式及評(píng)審要求等.五性評(píng)審盡可能與產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)審結(jié)合進(jìn)行，必要時(shí)也可單獨(dú)進(jìn)行.

圖1 五性工作項(xiàng)目和依賴關(guān)系

五性工作計(jì)劃以表格的方式列出產(chǎn)品應(yīng)開展的五性工作項(xiàng)目，內(nèi)容包括工作項(xiàng)目、責(zé)任部門、責(zé)任人、參與人、開始時(shí)間、完成時(shí)間、輸出和評(píng)審要求.

3.2 五性一體化指標(biāo)管理

各種裝備的可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性定量要求已經(jīng)各自形成了一套成熟的指標(biāo)體系，但各指標(biāo)相互之間關(guān)系沒有直觀的體現(xiàn).因此，要想實(shí)現(xiàn)五性一體化設(shè)計(jì)，五性參數(shù)選擇和指標(biāo)確定必須是相互協(xié)調(diào)、一體化管理的.

對(duì)武器裝備說來，真正能夠分配、控制或影響設(shè)計(jì)的五性指標(biāo)主要有:可靠性指標(biāo)中的平均故障間隔時(shí)間/里程(MT/MBF)或故障率(λ)、平均致命性故障間隔時(shí)間/里程(MT/MBCF);維修性指標(biāo)中的平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)、平均更換時(shí)間(MCRT);保障性指標(biāo)中的可達(dá)可用度(Ao)、受油速度;測(cè)試性指標(biāo)中的故障檢測(cè)率(FDR)、故障隔離率(FIR).目前公開的標(biāo)準(zhǔn)、指南或手冊(cè)中，對(duì)五性指標(biāo)分配中的協(xié)調(diào)、權(quán)衡涉及的很少，一體化分配的內(nèi)容涉及的更少，通常只是單獨(dú)規(guī)定了可靠性、維修性指標(biāo)的分配方法和五性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

在指標(biāo)分配方法上，雖然對(duì)于可靠性、維修性的分配方法比較多，但是，對(duì)于可用度分配的研究還很少.可用度等保障性指標(biāo)是一個(gè)綜合的指標(biāo)，與可靠性、維修性、測(cè)試性指標(biāo)有密切關(guān)系.要實(shí)現(xiàn)五性分配一體化，需要以可用度為核心對(duì)五性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一管理，需要進(jìn)一步研究可用度分配的準(zhǔn)則和方法，這是五性分配一體化的基礎(chǔ).

3.3 基于五性一體化的五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的重要參考原則，也是專項(xiàng)組對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查、評(píng)審的重要依據(jù)，設(shè)計(jì)師通過對(duì)五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的落實(shí)來確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足五性要求.但是，由于傳統(tǒng)的五性工作標(biāo)準(zhǔn)分開，傳統(tǒng)的五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制訂也是分開的，包括有關(guān)指導(dǎo)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制訂的指南、手冊(cè)等也是分開的.這不但增加了不必要的重復(fù)工作，更可能造成五性準(zhǔn)則之間的某些不協(xié)調(diào)甚至是沖突，特別是容易無法考慮五性之間有關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)措施在五性特性要求之間的權(quán)衡.因此，必須要研究與制訂基于五性一體化的五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

可以從兩個(gè)方面考慮，建立基于五性一體化的五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.一個(gè)是針對(duì)故障的，包括故障現(xiàn)象、故障模式、故障影響對(duì)五性的關(guān)聯(lián);另一個(gè)考慮產(chǎn)品五性之間指標(biāo)權(quán)衡的準(zhǔn)則，包括以可靠性為中心的維修(RCM)、以可用度要求為核心的維修性、可靠性、測(cè)試性要求.

綜上所述，把五性緊密聯(lián)系在一起的是產(chǎn)品的故障、故障模式及影響.五性設(shè)計(jì)的核心問題是提高產(chǎn)品可靠性(消除和減少故障)、方便維修和便于測(cè)試(預(yù)防和排除故障)，并使其安全好用(保障性、安全性).所以，基于五性一體化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)當(dāng)以故障為核心，把五性緊密聯(lián)系起來.對(duì)于保障性來說，由于要涵蓋到包裝、裝卸、儲(chǔ)存與運(yùn)輸(PHST)以及使用等方面的問題，因此還需要有單獨(dú)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［7］.

實(shí)際上，基于五性一體化的五性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與各自的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是并不沖突的.對(duì)低層次產(chǎn)品，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要綜合五性等特性要求;而對(duì)系統(tǒng)級(jí)、高層次產(chǎn)品，需要五性分別的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以便更詳細(xì)地分析各種特性及所做的工作.這就需要考慮五性之間權(quán)衡的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

3.4 以FMEA為中心的五性一體化設(shè)計(jì)分析

五性設(shè)計(jì)分析工作實(shí)際上是如何減少故障、與故障作斗爭(zhēng)的工作，所有的五性工作項(xiàng)目的目的都是為了讓產(chǎn)品少出故障;其次出了故障后易測(cè)試，好維修，保障戰(zhàn)備完好性;再次是保證故障不會(huì)存在安全危險(xiǎn).因此開展五性工作的首要問題是分析裝備所有可能的故障模式，評(píng)估其帶來的影響，找到故障發(fā)生的原因，并采取相應(yīng)措施減少或消除這些風(fēng)險(xiǎn)，這就是故障模式影響分析(FMEA).

FMEA本質(zhì)上是一種檢查故障所有可能發(fā)生方式的系統(tǒng)方法，并針對(duì)每一個(gè)故障評(píng)估及對(duì)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)及過程產(chǎn)生的影響，同時(shí)評(píng)估其嚴(yán)重度、發(fā)生度和檢測(cè)難度.FMEA是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最實(shí)用有效的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù);同時(shí)，F(xiàn)MEA為維修性、測(cè)試性設(shè)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)支撐;在保障性分析中，F(xiàn)MEA是以可靠性為中心的維修分析、維修工作分析和修理級(jí)別分析的基礎(chǔ)，是確定保障資源的主要依據(jù);此外，F(xiàn)MEA還為安全性分析提供依據(jù).在目前的標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)MEA均作為五性工作的主要工作項(xiàng)目.

綜上所述，F(xiàn)MEA可以用于五性設(shè)計(jì)分析的各個(gè)方面.因此可以以FMEA為中心，進(jìn)行五性一體化設(shè)計(jì)和分析.FMEA的分析包括開始、定義、描述、分析、糾正、閉環(huán)等6個(gè)步驟，如圖3所示.

圖3 FMEA工作程序

FMEA可用于各個(gè)層次產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析，把五性設(shè)計(jì)分析深入到主要零部件、可更換單元，讓具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，以故障為核心進(jìn)行FMEA，考慮五性一體化設(shè)計(jì)問題［7-11］.

3.5 五性一體化設(shè)計(jì)工程實(shí)現(xiàn)

在引入標(biāo)準(zhǔn)五性軟件工具模塊基礎(chǔ)上，建立五性一體化設(shè)計(jì)集成平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)五性一體化設(shè)計(jì).平臺(tái)由5部分組成，即五性協(xié)同設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)、五性協(xié)同設(shè)計(jì)流程模塊、五性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析軟件、五性協(xié)同設(shè)計(jì)工程知識(shí)庫(kù)以及與PDM的協(xié)同設(shè)計(jì)接口，如圖4所示.

圖4 五性一體化設(shè)計(jì)集成平臺(tái)組成

其核心業(yè)務(wù)流程如下:

第一，利用“五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)”配置五性組織及人員、工程項(xiàng)目，或者通過協(xié)同設(shè)計(jì)接口從PDM系統(tǒng)讀取產(chǎn)品及其五性頂層要求信息，“五性協(xié)同設(shè)計(jì)工程知識(shí)庫(kù)”向“五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)”推送相關(guān)產(chǎn)品的五性要求信息.

第二，結(jié)合“五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)”輸入的項(xiàng)目信息和人員信息，利用“五性協(xié)同設(shè)計(jì)流程模塊”制定五性協(xié)同設(shè)計(jì)流程或者工作指令包，下發(fā)相關(guān)各產(chǎn)品相關(guān)五性設(shè)計(jì)分析任務(wù).

第三，通過“五性協(xié)同設(shè)計(jì)流程模塊”的工作任務(wù)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的五性設(shè)計(jì)分析軟件工具開展工作，所需的產(chǎn)品及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)從五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)獲取.

第四，任一項(xiàng)工作任務(wù)完成之后，其完成信息將反饋到五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)，以便各設(shè)計(jì)主管和總師系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)督五性設(shè)計(jì)工作的完成情況.

第五，通過“五性設(shè)計(jì)工程管理系統(tǒng)”中的五性要求，實(shí)現(xiàn)過程動(dòng)態(tài)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)產(chǎn)品在不同技術(shù)狀態(tài)下相關(guān)的五性設(shè)計(jì)結(jié)果及工作任務(wù)完成情況，從而確定薄弱環(huán)節(jié)和工作重點(diǎn)，確保最終實(shí)現(xiàn)五性要求.

4 結(jié)束語

可靠性、維修性、保障性、安全性、測(cè)試性工作是提高產(chǎn)品可用性、改善產(chǎn)品任務(wù)執(zhí)行能力的必要技術(shù)手段.筆者基于五性一體化的思想，針對(duì)其在裝備工程項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行探索性的研究，從工作體系、指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析體系和一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了構(gòu)想.

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