基于PDCA的雷達(dá)顯控臺維修性設(shè)計

王 驥，趙 寧，張 宇

(1．海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153；2．中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力，也就是在規(guī)定的約束(維修條件、時間、程序與方法)下能夠完成維修的可能性[1]。

隨著雷達(dá)功能和性能的不斷提升，雷達(dá)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和故障風(fēng)險也在持續(xù)增加，雷達(dá)的可用度將更依賴于維修性水平。維修性是雷達(dá)設(shè)計的重要要素，工程設(shè)計中應(yīng)同步進(jìn)行維修性的并行設(shè)計和分析[2]，良好的維修性設(shè)計有助于避免維護(hù)困難、維護(hù)費(fèi)用高漲等問題。雷達(dá)顯控臺是雷達(dá)信息處理、傳輸和顯示的中心，其可靠性對雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要，其維修性亦是雷達(dá)質(zhì)量評估非常重要的一個方面。

1 基于PDCA循環(huán)的維修性設(shè)計概述

PDCA循環(huán)由美國質(zhì)量管理專家戴明博士首先提出，即計劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)、處理(Action)，又稱戴明環(huán)。其含義是工作之前要進(jìn)行策劃，做好頂層設(shè)計，以滿足顧客要求，提高質(zhì)量，取得最大經(jīng)濟(jì)效益，然后將策劃的輸出(計劃)付諸實施，進(jìn)行具體的分析計算和工程設(shè)計，再對計劃的執(zhí)行情況和實施效果進(jìn)行檢查，通過具體的過程調(diào)試、測試、試驗、評審等活動，及時發(fā)現(xiàn)實施過程中的問題，最后對檢查的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)、處理，鞏固成績，糾正錯誤，防止再度出現(xiàn)同樣問題。PDCA循環(huán)不僅是一種質(zhì)量管理方法，也是一套科學(xué)的、合乎認(rèn)識論的通用辦事程序[3]。

維修性設(shè)計過程是系統(tǒng)工程的一個特殊環(huán)節(jié)，應(yīng)按照系統(tǒng)工程思想進(jìn)行組織規(guī)劃。本文采用PDCA核心思想，基于系統(tǒng)工程過程的路徑，將雷達(dá)顯控臺維修性設(shè)計過程融入PDCA戴明環(huán)循環(huán)思路，主要包括維修性設(shè)計策劃(P)、維修性設(shè)計實施(D)、維修性檢查評估(C)和維修性問題處置(A)等4個方面，具體流程如圖1所示。

圖1 基于PDCA循環(huán)的維修性設(shè)計流程圖

2 維修性設(shè)計策劃

維修性設(shè)計策劃是確保維修性設(shè)計達(dá)到預(yù)期目標(biāo)、滿足顧客要求的基礎(chǔ)，是開展維修性工作的依據(jù)，其主要任務(wù)是明確目標(biāo)，制定計劃，并確定具體的執(zhí)行措施。維修性設(shè)計工作是否合理可行，預(yù)期結(jié)果是否能夠達(dá)到，主要取決于策劃工作。為確保策劃結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、實用性、可行性，應(yīng)做好以下幾方面工作。

2.1 維修性設(shè)計需求分析

在確認(rèn)雷達(dá)顯控臺的維修性設(shè)計需求時，應(yīng)首先將維修性總體要求分解為可完成的一系列定性和定量要求：明確顯控臺的用途、特點(diǎn)、技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)與功能要求和使用環(huán)境后，根據(jù)同類顯控臺的研制信息、研制經(jīng)費(fèi)、復(fù)雜程度等確定維修性定性、定量要求，以滿足戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和保障資源等約束，并制定維修性分析與評價相關(guān)要求。

(1)維修性定性要求

按照GJB/Z91開展雷達(dá)顯控臺維修性設(shè)計，預(yù)留維修空間，便于在無支援環(huán)境下排除常見故障。

具有故障自檢功能，故障定位到可更換單元。故障單元應(yīng)具備操作可達(dá)性，并便于拆卸。

(2)維修性定量要求

雷達(dá)顯控臺維修性定量指標(biāo)為平均修復(fù)時間(MTTR)，一般要求MTTR≤0.5 h。

(3)維修性分析要求

傳統(tǒng)的維修性分析技術(shù)主要是通過對照設(shè)計準(zhǔn)則，對設(shè)計圖紙進(jìn)行符合性檢查，或者在實物樣機(jī)上進(jìn)行維修演示驗證，在圖紙上進(jìn)行諸如設(shè)備(部件)的可達(dá)性、拆卸的便利性和維修空間等分析，但這些方法很難保證分析的準(zhǔn)確性、直觀性以及結(jié)果的可信性，虛擬維修技術(shù)是解決該問題的有效途徑。通過仿真，維修人員可以在數(shù)字樣機(jī)上完成維修操作，基于仿真進(jìn)行維修性分析能夠克服定性分析方法的不足，及時發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計問題，然后采取適當(dāng)?shù)募m正措施便可實現(xiàn)與系統(tǒng)的同步設(shè)計和制造[4]，因此在顯控臺維修性分析中要求開展數(shù)字樣機(jī)建模仿真，分析維修性指標(biāo)是否達(dá)到要求。

2.2 確定維修性工作項目

應(yīng)基于階段劃分制定維修性工作計劃，確定各階段的工作內(nèi)容和完成時間，主要包括確定開展的工作項目，制定每項工作項目的實施計劃，明確工作項目的輸入、輸出關(guān)系，明確工作項目完成的標(biāo)志，確定檢查、評審、試驗監(jiān)測點(diǎn)等。雷達(dá)顯控臺的維修性工作項目如表1所示。

表1 維修性工作項目表

3 維修性設(shè)計實施

維修性設(shè)計實施就是按照維修性工作計劃的要求在系統(tǒng)設(shè)計中落實維修性設(shè)計措施，以及在軟硬件設(shè)計中落實維修性模型評估優(yōu)化、維修性分析、具體設(shè)計需求等工作，是實現(xiàn)雷達(dá)顯控臺維修性指標(biāo)的關(guān)鍵階段。

3.1 建立維修性模型

維修性物理模型包括維修職能流程圖和系統(tǒng)功能層次圖。維修職能流程圖隨維修體制、雷達(dá)層次以及維修級別的不同而不同。顯控臺維修等級為基層級(雷達(dá)站)，圖2給出了顯控臺基層級維修職能流程。

圖2 基層級維修職能流程圖

系統(tǒng)功能層次圖是從系統(tǒng)到元器件、零部件的各個層次的維修特點(diǎn)和所需的維修措施的系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)功能層次圖的分解一般從系統(tǒng)開始，到能夠做到故障定位、更換故障件、進(jìn)行修復(fù)或調(diào)整的層次為止。圖3為雷達(dá)顯控臺功能層次框圖。

圖3 顯控臺功能層次框圖

3.2 維修性指標(biāo)分配

維修性指標(biāo)分配是將規(guī)定的系統(tǒng)的維修性指標(biāo)按系統(tǒng)功能層次由上而下逐層分配到最低功能層次。應(yīng)根據(jù)每項維修活動的全部內(nèi)容所對應(yīng)的時間元素進(jìn)行分配。維修活動包括準(zhǔn)備、診斷、更換或修補(bǔ)、調(diào)整和校準(zhǔn)、保養(yǎng)、檢驗或驗證。

平均修復(fù)時間模型常用的分配方法有等值分配法、故障率加權(quán)分配法、按設(shè)計特性分配法、綜合加權(quán)分配法、相似分配法等。雷達(dá)顯控臺可采用類比相似產(chǎn)品維修性數(shù)據(jù)分配法來分配維修性指標(biāo)。雷達(dá)顯控臺的維修性指標(biāo)分配值如表2所示。

表2 顯控臺維修性指標(biāo)分配示例

3.3 維修性指標(biāo)預(yù)計

維修性預(yù)計的基礎(chǔ)是系統(tǒng)現(xiàn)場可更換單元(LRU)的維修作業(yè)時間。維修作業(yè)時間又分為故障定位、故障隔離、分解、更換、結(jié)合、調(diào)準(zhǔn)、檢驗等作業(yè)，將每個LRU的維修作業(yè)時間匯總，得到每個LRU的總維修作業(yè)時間。參考GJB299C，依據(jù)雷達(dá)顯控臺中器件的基本失效率、環(huán)境系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)等參數(shù)，計算得到顯控臺中每個LRU的失效率。

根據(jù)MTTR計算式可得到典型多功能雷達(dá)顯控臺維修性指標(biāo)預(yù)計值。顯控臺平均修復(fù)時間預(yù)計如表3所示。

表3 平均修復(fù)時間預(yù)計示例

3.4 維修性設(shè)計實現(xiàn)

通過制訂合理可行的維修性設(shè)計準(zhǔn)則來實現(xiàn)維修性設(shè)計，將維修性要求及使用和保障約束轉(zhuǎn)化為具體的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范，以指導(dǎo)和檢查產(chǎn)品的維修性設(shè)計。

在制定維修性設(shè)計準(zhǔn)則時，首先根據(jù)雷達(dá)的使用與維修特點(diǎn)，提出適用于雷達(dá)的通用設(shè)計準(zhǔn)則，作為所有相關(guān)設(shè)計人員都要遵循的設(shè)計指導(dǎo)原則；然后以該雷達(dá)通用設(shè)計準(zhǔn)則為指導(dǎo)，針對顯控臺各組成部分的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，提出針對性更強(qiáng)和更為具體的顯控臺專用設(shè)計準(zhǔn)則，以指導(dǎo)各組成部分設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計。顯控臺維修性設(shè)計準(zhǔn)則包括簡化設(shè)計、可達(dá)性設(shè)計、互換性與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化設(shè)計、防差錯及識別標(biāo)志設(shè)計、維修安全設(shè)計、檢測診斷設(shè)計、軟件維修性設(shè)計等。

3.5 維修性分析

維修性分析是維修性工作項目中最重要的內(nèi)容，既關(guān)系到產(chǎn)品維修工作的優(yōu)化，也關(guān)系到產(chǎn)品保障性的優(yōu)化。維修性分析包括故障模式及影響分析(FMECA)、損壞模式及影響分析(DMEA)、維修性權(quán)衡分析、維修時間分析、故障檢測能力分析、維修費(fèi)用預(yù)測、人素分析等內(nèi)容。本文利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行人素分析。

首先進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)建模。利用CAD等軟件對顯控臺的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，包括顯控臺基本結(jié)構(gòu)、需要維修的LRU等信息。通過格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)簡化導(dǎo)入虛擬維修環(huán)境，建立數(shù)字樣機(jī)模型；

然后進(jìn)行維修性的人機(jī)操作性建模，使維修環(huán)境和對象與維修人員操作相適應(yīng)；

最后進(jìn)行維修動作建模。建立維修動作參數(shù)化模型，根據(jù)輸入的維修過程描述建立維修步驟，實現(xiàn)維修過程仿真。

通過數(shù)字樣機(jī)維修過程仿真完成顯控臺維修作業(yè)用力分析、可達(dá)性分析、維修操作空間分析、可視性分析、維修安全性分析等工作。

4 維修性設(shè)計檢查

維修性設(shè)計檢查是采用核查、試驗驗證和評價等活動來發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計問題。

4.1 維修性狀態(tài)核查

在顯控臺研制過程中，應(yīng)按照研制節(jié)點(diǎn)和維修性工作計劃實時做好維修性技術(shù)狀態(tài)核查工作。維修性核查方法很多，可以采用在產(chǎn)品實體模型、樣機(jī)上進(jìn)行維修作業(yè)演示，排除模擬故障或?qū)嶋H故障，測定維修時間等試驗方法；也可以利用建模與仿真技術(shù)開展基于數(shù)字樣機(jī)的維修性核查，該方法有利于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，分析費(fèi)用也比較經(jīng)濟(jì)。本文利用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行維修性仿真分析，完成維修性狀態(tài)核查。

4.2 維修性試驗驗證

由于利用產(chǎn)品使用過程中自然發(fā)生的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行維修性演示驗證需要相當(dāng)長的試驗周期，所以大都在一定條件下對誘發(fā)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行演示驗證，即按照事先規(guī)定的維修級別，由該級別所需的維修人員，針對按預(yù)定的試驗計劃誘發(fā)的故障實施典型的維修作業(yè)，并將完成各作業(yè)的時間予以記錄和匯總。在完成一系列的具有統(tǒng)計意義、足夠數(shù)量的維修作業(yè)之后，對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，并據(jù)此確定受試產(chǎn)品的維修性是否達(dá)標(biāo)。

參照GJB2072，在雷達(dá)維修性驗證中常用的幾種試驗方法如表4所示。

表4 維修性試驗方法匯總表

維修性試驗所需的受試品，核查時可取研制中的樣機(jī)，試驗時應(yīng)直接利用定型樣機(jī)或在提交的等效產(chǎn)品中隨機(jī)抽取。由于維修性試驗的樣本量是維修作業(yè)次數(shù)，而不是產(chǎn)品數(shù)，允許在同一產(chǎn)品上進(jìn)行多次維修試驗作為多個樣本。但在同一受試產(chǎn)品上不宜多次重復(fù)同一維修作業(yè)，以免多次拆卸使連接松弛，失去代表性。維修性試驗流程如圖4所示。

圖4 維修性試驗流程圖

雷達(dá)顯控臺的維修性試驗步驟如下：

(1)確定維修作業(yè)樣本量

參照GJB2072要求，確定維修性一次性抽樣檢驗的樣本數(shù)大于30。

(2)選擇與分配維修作業(yè)樣本

為縮短試驗持續(xù)時間，全部采用模擬故障方法。維修作業(yè)樣本量合理分配到產(chǎn)品各部分、各種故障模式。分配原則是與故障率成正比，即用樣本量乘以某部分、某模式故障率與故障率總和之比作為該部分、該模式的故障數(shù)，例如計算機(jī)模塊和顯示器模塊故障率較高，就分配較高的維修作業(yè)樣本數(shù)。

(3)模擬與排除故障

用故障LRU替換正常LRU，模擬故障時可拆除或接通不易察覺的元件、零件、電路，人為制造失調(diào)、變位等故障；然后由參試維修人員按照技術(shù)文件規(guī)定程序和方法，使用規(guī)定設(shè)備器材等進(jìn)行故障診斷與排除，同時記錄時間。

(4)收集、分析與處理試驗數(shù)據(jù)

在試驗過程中詳細(xì)記錄各種原始數(shù)據(jù)，對各種數(shù)據(jù)加以分析，區(qū)分有效與無效數(shù)據(jù)，特別需要分清哪些時間應(yīng)計入維修時間，然后按照規(guī)定方法計算維修性參數(shù)或統(tǒng)計量。

4.3 維修性設(shè)計評價

維修性評價通常在試用或使用階段進(jìn)行。評價對象是已部署使用的雷達(dá)，需要評價的維修作業(yè)重點(diǎn)是實際使用中經(jīng)常遇到的維修工作。主要依靠收集使用維修中的數(shù)據(jù)，必要時可補(bǔ)充一些維修作業(yè)試驗，以便對實際條件下的維修性做出估計。

5 維修性問題處置

問題處置是PDCA循環(huán)的升華過程，沒有處置就沒有提高。維修性設(shè)計檢查結(jié)果是維修性處置的依據(jù)，對檢查中出現(xiàn)的問題，應(yīng)詳細(xì)分析原因，制定相應(yīng)的糾正措施，并及時進(jìn)行閉環(huán)處理。

5.1 維修性問題改進(jìn)和閉環(huán)

根據(jù)維修性檢查結(jié)果，梳理不符合維修性要求的項目，形成維修性設(shè)計改進(jìn)方案，進(jìn)行維修性建模、分配、預(yù)計的迭代，并完成維修性設(shè)計改進(jìn)項目的再確認(rèn)和驗證，直至所有維修性定性和定量指標(biāo)均符合要求，完成一輪PDCA循環(huán)。

5.2 維修性設(shè)計準(zhǔn)則更新

將每一次維修性設(shè)計改進(jìn)的寶貴經(jīng)驗加以提煉，并形成新的維修性設(shè)計準(zhǔn)則固化下來，以持續(xù)指導(dǎo)后續(xù)相似產(chǎn)品維修性設(shè)計，避免類似維修設(shè)計問題重復(fù)發(fā)生。

6 結(jié)束語

隨著科技的快速發(fā)展，雷達(dá)顯控臺性能日益強(qiáng)大，集成度越來越高，體積重量不斷壓縮，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，這些都對維修性設(shè)計提出了更高的要求，維修性的好壞直接影響到雷達(dá)顯控臺的可用度和實用性能，維修性成為雷達(dá)顯控臺設(shè)計過程中的重要課題。將PDCA循環(huán)這一科學(xué)的質(zhì)量管理方法應(yīng)用于雷達(dá)顯控臺的維修性設(shè)計，對于提高系統(tǒng)的效費(fèi)比和使用效能有著極其重要的意義。