艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計分析研究

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟突飛猛進的發(fā)展、國際合作交流日益增加、“一帶一路”倡議的提出以及海軍轉(zhuǎn)型的需求驅(qū)動，促使艦船裝備體系不斷完善。我國海軍艦船裝備體系向自主創(chuàng)新、綜合集成和信息化方向轉(zhuǎn)變。艦船裝備技術(shù)含量不斷提高，系統(tǒng)高度綜合，功能日益強大和完善，海軍實力不斷增強，為維護我國海上權(quán)益提供了堅強的后盾。著眼實戰(zhàn)化需求的艦船裝備建設(shè)，不僅對艦船裝備自身的功能特性有了更高的要求，同時強調(diào)裝備的通用質(zhì)量特性（包括：可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等質(zhì)量特性，簡稱“六性”）。艦船裝備功能特性決定了其所具備的功能和性能指標，是艦船裝備的基本功能屬性；而通用質(zhì)量特性決定了艦船裝備功能特性能否持久發(fā)揮，是決定艦船裝備“可靠頂用”、易于維修保障、提高綜合作戰(zhàn)效能以及降低全壽命周期費用的關(guān)鍵因素。

2014年頒布的《裝備通用質(zhì)量特性管理工作規(guī)定》、GJB9001C 《質(zhì)量管理體系要求》以及由國務(wù)院和中央軍委聯(lián)合頒布的《武器裝備質(zhì)量管理條例》等文件強調(diào)了裝備研制階段通用質(zhì)量特性工作的重要性。同時，依據(jù)海軍裝備部裝監(jiān)【2017】127號文，在新研艦船型號立項論證中，通用質(zhì)量特性應(yīng)作為獨立的論證工作開展，并在立項審查與設(shè)計階段軍審時獨立審查，此項舉措進一步體現(xiàn)了通用質(zhì)量特性工作在艦船裝備研制過程中的重要性。艦船裝備作為多系統(tǒng)、多部件集成，多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，需要通過合理確定裝備通用質(zhì)量特性要求，在壽命各階段逐步落實，以提高裝備戰(zhàn)備完好性、任務(wù)持續(xù)性和裝備完好率，為保證艦船裝備“好用、管用、耐用、頂用”發(fā)揮應(yīng)有的推動作用。

1 通用質(zhì)量特性與其他質(zhì)量特性關(guān)系

艦船裝備質(zhì)量特性主要包括性能特性、專門特性、經(jīng)濟性和時間性。作為艦船裝備質(zhì)量特性的重要指標，通用質(zhì)量特性是影響艦船裝備效能的重要因素。艦船裝備性能的發(fā)揮，很大程度上取決于通用質(zhì)量特性水平。艦船裝備的效能取決于其固有能力、可用性和可信性，是艦船裝備性能、通用質(zhì)量特性等特性的綜合反映。提高裝備的通用質(zhì)量特性就可以提高裝備的效能。

裝備性能、通用質(zhì)量特性等特性之間相互滲透、相互關(guān)聯(lián)，通過各特性指標、研制費用、時間進度等的綜合權(quán)衡，以獲得最佳消費比。通用質(zhì)量特性與其他質(zhì)量特性的關(guān)系如圖1所示。

2 艦船通用質(zhì)量特性內(nèi)涵及工作分析

2.1 可靠性

可靠性是裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃灾笜酥饕Q于設(shè)計，同時與使用、管理和維修等因素有關(guān)?？煽啃苑从沉搜b備是否容易發(fā)生故障的特性。其中固有可靠性反映了裝備的固有設(shè)計特性，與艦船使用方式無關(guān)的特性，任務(wù)可靠性反映了艦船裝備使用時的功能特性，與任務(wù)模式、工作時間、維修保障活動有關(guān)。在艦船裝備設(shè)計過程中常用的可靠性指標包括：故障間隔時間（mean time between failures，MTBF）、嚴重故障間隔時間（mean time between critical failures，MTBCF）、使用壽命、任務(wù)可靠度等［1］。

在艦船可靠性設(shè)計分析方面通常開展任務(wù)剖面分析，可靠性建模、分析、預(yù)計，特性分析，可靠性關(guān)鍵件、重要件分析，壽命試驗，可靠性增長試驗，可靠性設(shè)計準則與符合性檢查，以及可靠性鑒定試驗和可靠性評估等工作。［2］

2.2 維修性

維修性是裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定功能的程序和方法進行維修時，保持和恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。維修性一般用平均修復(fù)時間（mean time to repair，MTTR）、拆裝時間、維修工時、維修可達性等參數(shù)來度量。

在艦船維修性設(shè)計分析方面通常開展維修性建模、分析、預(yù)計，以及虛擬維修設(shè)計、維修性演示驗證試驗、維修性設(shè)計準則及符合性檢查和維修性評估等工作。

2.3 測試性

測試性是裝備能及時并準確地確定其狀態(tài)，并隔離其內(nèi)部故障的能力。為了達到產(chǎn)品的測試性要求所進行的一系列設(shè)計、研制生產(chǎn)和試驗工作， 這些工程活動的總稱就是測試性工程。測試性一般用檢測時間、技術(shù)準備時間、故障檢測率（failure detection rate，F(xiàn)DR）、故障隔離率（failure isolation rate，F(xiàn)IR）、虛警率（false alarm rate，F(xiàn)AR）等參數(shù)來度量。

在艦船維修性設(shè)計分析方面通常開展測試性建模、測試性驗證試驗、測試性狀態(tài)報告、測試性設(shè)計準則及符合性檢查以及測試性評估等工作。

2.4 保障性

保障性是裝備設(shè)計特性和計劃的保障資源能滿足平時戰(zhàn)備和戰(zhàn)時使用要求的能力。保障性描述的是裝備使用和維修過程中保障是否及時的能力。保障性一般用平均保障延誤時間、資源滿足率、資源利用率等參數(shù)來度量［3］。

在艦船保障性設(shè)計分析方面通常開展保障性分析、保障方案設(shè)計、備航時間計算、保障性設(shè)計準則及符合性檢查、保障性評估等工作。［4］

2.5 安全性

安全性是裝備在生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中不導(dǎo)致人員傷亡，不危害健康及環(huán)境，不給設(shè)備或財產(chǎn)造成破壞或損傷的能力?？啥x為裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，以可接受的風(fēng)險執(zhí)行規(guī)定功能的能力。裝備的安全性一般用事故可能性（mishap probability）、事故嚴重性（mishap severity）、事故風(fēng)險（mishap risk/risk）、損失率、安全可靠度等指標來度量。

在艦船安全性設(shè)計分析方面通常開展危險源識別與分析，重要區(qū)域安全性分析，重要流程安全性分析，安全性設(shè)計準則及符合性檢查，安全性評估等工作。

2.6 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性是指裝備適應(yīng)環(huán)境條件變化的能力，是可靠性的一種特殊情況。環(huán)境適應(yīng)性反映裝備在變化的環(huán)境條件下仍能正常工作的能力。

在艦船環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計分析方面通常開展艦用條件分析，自然環(huán)境分析與適應(yīng)性設(shè)計，誘發(fā)（作戰(zhàn)）環(huán)境分析與適應(yīng)性設(shè)計，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準則及符合性檢查，環(huán)境適應(yīng)性評估等工作。

3 通用質(zhì)量特性標準和指標體系

3.1 通用質(zhì)量特性標準體系

艦船裝備開展通用質(zhì)量特性工作常用標準如下頁表1所示。其中，既包括國軍標也包括海軍標。國軍標規(guī)定了各軍兵種裝備通用質(zhì)量特性設(shè)計分析與管理的通用化的要求。海軍標根據(jù)海軍裝備設(shè)計與使用特點，給出了針對性的要求?？傮w而言，通用質(zhì)量特性標準體系中，可靠性相關(guān)的標準最多，涉及的內(nèi)容最為全面、具體，由此可見可靠性在通用質(zhì)量特性中的基石地位。在艦船的通用特性分析與設(shè)計過程中依據(jù)GJB/Z 69-1994《軍用標準的選用和剪裁導(dǎo)則》對現(xiàn)有標準進行適應(yīng)性選用和剪裁，指導(dǎo)通用質(zhì)量特性工作的開展。

表1 艦船裝備通用質(zhì)量特性工作常用標準

續(xù)表1

3.2 艦船裝備通用質(zhì)量特性指標體系

通用質(zhì)量特性指標是評價艦船通用質(zhì)量特性的重要準繩。艦船裝備常用的指標如圖2所示。

圖2 艦船通用質(zhì)量特性評價參數(shù)體系

艦船通用質(zhì)量特性指標體系涵蓋GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》、GJB 368B《裝備維修性工作通用要求》、GJB 2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》、GJB 3872-1999 《裝備綜合保障通用要求》、GJB 900A-2012《裝備安全性工作通用要求》、GJB 4239-2001 《裝備環(huán)境工程通用要求》、GJB 451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》等標準中與艦船裝備相關(guān)的重要指標，是艦船裝備通用質(zhì)量特性工作評價的重要依據(jù)。

4 艦船通用質(zhì)量特性工作內(nèi)容

4.1 “六性”之間的關(guān)系

可靠性著眼于減少或消除故障，而維修性則著眼于以方便、快捷、經(jīng)濟的方式使產(chǎn)品保持或恢復(fù)到完好狀態(tài)。維修性是可靠性的重要補充和延續(xù)，而維修性設(shè)計的目的是保持和恢復(fù)產(chǎn)品可靠性。某種意義上說，可靠性是維修性的基礎(chǔ)，維修性是可靠性持續(xù)保持的重要保障，同時受可靠性的制約和影響。

艦船裝備實現(xiàn)快捷維修又依賴于測試性設(shè)計提供實時的故障監(jiān)測和準確的故障隔離，與此同時，測試系統(tǒng)需要高的可靠性指標作為穩(wěn)定、準確工作的保障。

艦船裝備在正常使用、維修、測試過程中又必須依賴于保障予以支持，要求其易于保障。在實施上述過程中應(yīng)少出甚至不出安全事故。安全性不等同于可靠性，系統(tǒng)可靠性并不能完全保障安全；但當(dāng)故障后果導(dǎo)致危險時，可靠性問題就成了安全性問題。同時，艦船裝備的維修性和可靠性是保障性的重要條件［5］。

艦船裝備的環(huán)境適應(yīng)性主要取決于選用的材料、構(gòu)件、元器件耐環(huán)境的能力，以及其結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計時采取的耐環(huán)境措施是否完整有效，以產(chǎn)品是否失效或有故障為判據(jù)。環(huán)境適應(yīng)性是可靠性的前提和基礎(chǔ)。武器裝備若沒有較高的環(huán)境適應(yīng)性，其可靠性就失去保證。

4.2 艦船各階段通用質(zhì)量特性工作

為保障艦船裝備通用質(zhì)量特性工作的落實，需在艦船裝備的論證、方案設(shè)計、深化方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、建造試驗交付、使用等階段開展相應(yīng)設(shè)計分析工作。各論證機構(gòu)、設(shè)計單位、建造單位和使用部隊，在各階段履行自己的職責(zé)確保艦船裝備通用質(zhì)量特性融入裝備設(shè)計之中，為部隊交付可靠、頂用裝備，提高艦船作戰(zhàn)使用效能，降低全壽命周期費用。［6］艦船裝備設(shè)計各階段通用質(zhì)量特性工作項目如表2所示。

表2 艦船裝備設(shè)計各階段通用質(zhì)量特性工作項目

續(xù)表2

5 主要問題及解決方案

與航空航天、通信電子領(lǐng)域相比，艦船通用質(zhì)量特性工作起步較晚，近年來各項工作逐步完善，工作流程和工作方法日趨完善。與此同時，艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計分析工作仍存在很多問題。

5.1 人員與培訓(xùn)

艦船裝備涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域的交叉，通用質(zhì)量特性工作的開展難度很大。于此同時，通用質(zhì)量特性的人才隊伍還不完善，相關(guān)工作開展主要依托少數(shù)“六性”（即可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性）專業(yè)人員完成，工作量較集中，工作開展十分困難。

作為一項龐大的系統(tǒng)工程，通用質(zhì)量特性設(shè)計分析工作不能僅依托六性專業(yè)人員完成，需要將艦船設(shè)計師與六性設(shè)計師緊密結(jié)合，協(xié)調(diào)工作。通過工作分解，共同完成全船通用質(zhì)量特性設(shè)計與分析工作。

從目前的工作實踐過程來看，較有效的一種方法是除了對整個設(shè)計師系統(tǒng)進行通用質(zhì)量特性培訓(xùn)外，需要在各系統(tǒng)專業(yè)中挑選1～2名人員進行系統(tǒng)化的通用質(zhì)量特性培訓(xùn)，在“六性”工程師指導(dǎo)下開展各系統(tǒng)通用質(zhì)量特性設(shè)計分析。

5.2 可靠性定量分析模型尚需完善

目前，在艦船設(shè)計中，可靠性定量分析模型均采用指數(shù)分布。但是，此種模型更適合于電子類產(chǎn)品，而對于以機械類為主的艦船而言，在可靠性模型越來越詳盡復(fù)雜的情況下，這樣的指數(shù)分布數(shù)學(xué)模型的不足之處愈來愈顯現(xiàn)了出來。因此，有必要在可靠性定量分析過程中，根據(jù)不同的設(shè)備特性，采用更符合各類設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，使可靠性定量分析這項工作更為實用。

5.3 通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)信息的收集

艦船裝備通用質(zhì)量特性指標的前期論證和交付后的驗證評估存在很大困難，很大部分是由數(shù)據(jù)信息收集的不足與不真實。作為艦船通用質(zhì)量特性工作基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，目前還很不夠完善，直接導(dǎo)致最終評估的無法令人信服。因此，有必要將通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)信息的相應(yīng)要求反映在更具有約束力的文件中，比如技術(shù)規(guī)格書。此外，由于目前艦船各系統(tǒng)設(shè)備單位的通用質(zhì)量特性水平相差較大，有必要采用定期召開工作會的形式，對系統(tǒng)設(shè)備單位特別是重要系統(tǒng)設(shè)備單位進行通用質(zhì)量特性工作的宣貫，以此交流在通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)收集過程中的問題與經(jīng)驗。同時，根據(jù)數(shù)據(jù)收集需求，制定各個階段標準化的數(shù)據(jù)收集表格，增強數(shù)據(jù)收集的標準化，降低數(shù)據(jù)收集難度。

6 結(jié) 語

隨著海軍實戰(zhàn)化作戰(zhàn)使用要求的不斷提高，在艦船全壽命保障思想的指導(dǎo)下，通用質(zhì)量特性對艦船裝備效能的發(fā)揮起著越來越重要的作用，需要在艦船論證、研制、建造、試驗、使用等全壽命周期各階段中全面開展通用質(zhì)量特性設(shè)計分析工作，明確相應(yīng)的工作內(nèi)容和指標要求，并通過設(shè)計、反饋、修改等過程逐步全面落實到艦船的設(shè)計之中。綜合艦船目前的設(shè)計情況來看，通用質(zhì)量特性工作雖已鋪開，但是距離真正指導(dǎo)艦船設(shè)計與提高裝備效能尚有不小差距，需要不斷消化吸收相應(yīng)標準規(guī)范，正視并逐步解決現(xiàn)有問題，建立有效的通用質(zhì)量特性工作體系。

相信隨著各方的不斷重視與努力以及工作經(jīng)驗的不斷積累，通用質(zhì)量特性工作在提高艦船裝備建設(shè)的整體效益和軍事效益方面的作用將越來越明顯。