復(fù)雜產(chǎn)品的六性指標(biāo)設(shè)計與評估研究

劉雪瑜 LIU Xue-yu

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153）

0 引言

復(fù)雜產(chǎn)品是指客戶需求復(fù)雜、組成復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜等類型的產(chǎn)品，如雷達(dá)、艦艇和飛機等，質(zhì)量特性主要包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。復(fù)雜產(chǎn)品工作環(huán)境的多變性對其質(zhì)量特性提出了更高的要求，迫切需要構(gòu)建一套評價指標(biāo)體系，對復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計與制造等實施全過程管理。

復(fù)雜產(chǎn)品的可靠性工作逐漸往涵蓋六性的專業(yè)工程延伸，這些特性是影響復(fù)雜產(chǎn)品效能、適用性、能力、生存性及壽命周期費用的重要因素。在現(xiàn)有設(shè)計環(huán)節(jié)中，六性自成體系，難以實現(xiàn)有效的綜合，無法有效發(fā)揮其具體性能。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中充分考慮六性要素是提高其應(yīng)用價值的重要內(nèi)容，既能提高其性能水平，也能降低全生命周期費用。

為了系統(tǒng)分析復(fù)雜產(chǎn)品的六性狀況，本文重點針對復(fù)雜產(chǎn)品的各類質(zhì)量特性的具體特征，將在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的六性指標(biāo)體系，進(jìn)而為實施裝備的六性評價奠定良好的基礎(chǔ)，并為科學(xué)評估復(fù)雜產(chǎn)品的質(zhì)量特性提供基礎(chǔ)。

1 復(fù)雜產(chǎn)品六性的特性研究

為了了解復(fù)雜產(chǎn)品六性的具體表征指標(biāo)，本文重點從文獻(xiàn)方面獲取相應(yīng)的評價指標(biāo)表征結(jié)果，為后續(xù)六性指標(biāo)選擇奠定良好的基礎(chǔ)。

①可靠性。復(fù)雜產(chǎn)品可靠性是在規(guī)定的時間和條件下完成規(guī)定功能的能力。王思蕊等針對許多高可靠和高價值的產(chǎn)品的可靠性評估，提出一種基于改進(jìn)證據(jù)融合的高可靠產(chǎn)品可靠性評價方法[1]。何成銘等應(yīng)用貝葉斯推斷建立威布爾型產(chǎn)品可靠性模型，結(jié)合樣本數(shù)據(jù)所建立的似然函數(shù)生成后驗概率密度，擴大了貝葉斯推斷的應(yīng)用范圍并保證了求解精度[2]。賈利民等將系統(tǒng)可靠性分析方法劃分為解析法、蒙特卡洛法、綜合法和網(wǎng)絡(luò)法，構(gòu)建了可靠性測度指標(biāo)評價系統(tǒng)[3]。Mi等運用故障樹和蒙特卡洛模擬等研究了復(fù)雜系統(tǒng)可靠性評估問題[4]。

②維修性。維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和時間內(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。張坤等結(jié)合變異系數(shù)法確定各屬性因素的權(quán)重系數(shù)，全面、直觀地反映航空機載產(chǎn)品的維修性綜合水平[5]。酈云等提出了基于虛擬維修的復(fù)雜產(chǎn)品維修性設(shè)計方法，提高了整個產(chǎn)品的維修性設(shè)計水平[6]。Montoro-Cazorla等運用矩陣隨機分析法研究產(chǎn)生沖擊而影響機器壽命的特定環(huán)境條件下的維修性[7]。楊海華等選取3類9項指標(biāo)并建立維修性綜合評估模型[8]。

③測試性。測試性是產(chǎn)品能及時并準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內(nèi)部故障的一種特性。劉冬婷等認(rèn)為測試性模型具有直觀、準(zhǔn)確及可輔助設(shè)計等優(yōu)點，描述了測試性模型的定義、測試性模型的建模原因和建模方法[9]。張藝瓊等提出了測試性綜合評估方法及測試性指標(biāo)折算模型[10]。詹景坤認(rèn)為測試性對產(chǎn)品的維修保障顯得越來越重要，探究了測試性技術(shù)以及測試性技術(shù)發(fā)展趨勢[11]。

④保障性。保障性是系統(tǒng)設(shè)計特性和幫助資源滿足平時戰(zhàn)備及展示使用要求的能力。吳濤等針對艦船裝備系統(tǒng)建立了一套保障性評價指標(biāo)體系[12]。王志勇等認(rèn)為控制系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后的問題定位往往具有一定的難度，一般需要獲取產(chǎn)品出現(xiàn)故障時的信息或者專門的測試設(shè)備采集必要的信息進(jìn)行分析和判斷[13]。

⑤安全性。安全性是指不會引起傷害或者設(shè)備損壞、財產(chǎn)損失或環(huán)境危害的特性。Lin解決了具有樣本依賴的工程系統(tǒng)在線運營安全性評估問題[14]。程程等將安全性管理成熟度分為5個等級，利用采用專家打分與差異驅(qū)動賦權(quán)相結(jié)合的方法來確定指標(biāo)的相對權(quán)重[15]。

⑥環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性是指裝備在其壽命期可能遇到的各種環(huán)境作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和不被破壞的能力。李雅等針對飛行試驗階段對航空產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性開展定性定量評價，分為自然環(huán)境和平臺環(huán)境兩種，總結(jié)出15種主要環(huán)境影響因子[16]。吳帥等采用主成分分析法開展東南亞地區(qū)環(huán)境精細(xì)化分類，依據(jù)分類結(jié)果開展環(huán)境特征分析和規(guī)律研究，提出東南亞地區(qū)使用產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性工作對策[17]。

2 復(fù)雜產(chǎn)品六性特性指標(biāo)庫設(shè)計

2.1 可靠性度量指標(biāo)庫設(shè)計

可靠度函數(shù)，即試驗期內(nèi)仍然完好的產(chǎn)品數(shù)與試驗產(chǎn)品總數(shù)比例；故障概率是產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)喪失規(guī)定的功能的概率，越接近1，表示產(chǎn)品故障率越高；故障率指產(chǎn)品工作到t時刻后的一單位時間內(nèi)的失效數(shù)與在t時刻尚能正常工作的產(chǎn)品數(shù)之比，失效率越低則可靠度越高。平均壽命指產(chǎn)品正常工作的平均時間，不可修復(fù)產(chǎn)品是產(chǎn)品失效前的平均工作或貯存時間（記為MTTF），可修復(fù)產(chǎn)品是指相鄰兩次故障間的平均時間，稱為平均無故障工作時間或平均故障間隔時間（記作MTBF），平均維修間隔時間MTBM為壽命單位總數(shù)/故障總數(shù)，平均需求間隔時間MTBD為壽命單位總數(shù)/產(chǎn)品組成部分需求總次數(shù)。致命性故障間的任務(wù)時間MTBCF為任務(wù)時間/致命故障總數(shù)。

2.2 維修性度量指標(biāo)庫設(shè)計

維修度指產(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)其規(guī)定狀態(tài)的概率；平均修復(fù)時間是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內(nèi)，產(chǎn)品在任一規(guī)定的維修級別上，維修總時間與被修復(fù)產(chǎn)品的故障的總次數(shù)之比；平均預(yù)防維修時間是產(chǎn)品每次預(yù)防性維修所需實際時間的平均值；維修工時率是在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，產(chǎn)品直接維修工時總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比；平均維修時間是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)品預(yù)防性維修和修復(fù)性維修總時間與該產(chǎn)品維修事件總數(shù)之比，是將修復(fù)性維修和預(yù)防性維修結(jié)合起來考慮的一種參數(shù)。

2.3 測試性度量指標(biāo)庫設(shè)計

故障檢測率（FDR）指用規(guī)定方法正確檢測到的故障數(shù)與故障總數(shù)之比，ND為用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)；Nr為在規(guī)定期間內(nèi)發(fā)生的全部故障數(shù)，有FDR=ND/Nr；故障隔離率（FIR）是用規(guī)定的方法將檢測到的故障正確地隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)與檢測到的故障數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示為FIR=NL/ND，NL為用規(guī)定方法正確隔離到不大于規(guī)定模糊度為L的故障數(shù)；虛警率（FAR）指在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)生的虛警數(shù)和同一時間內(nèi)故障指示總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示為FAR=NFA/（NF+NFA），NFA為虛警次數(shù)，NF為真實故障指示次數(shù)。

2.4 保障性度量指標(biāo)庫設(shè)計

使用可用度Ao是系統(tǒng)當(dāng)需要時能夠正常工作的程度，體現(xiàn)完好性目標(biāo)與保障性之間的定量聯(lián)系，即能工作時間與能工作時間和不能工作時間之和的比；固有可用度Ai是平均故障間隔時間與平均故障間隔時間和平均修復(fù)時間之和的比；平均保障延誤時間MLDT是為由于管理或保障因素系統(tǒng)為取得必要的維修資源而不能及時進(jìn)行維修所延誤的平均時間；備件保障概率PSS指在規(guī)定的時間內(nèi)需要備件時不缺備件的概率，備件庫存的保障率用備件庫的服務(wù)水平來定義。

2.5 安全性度量指標(biāo)庫設(shè)計

目前定量評價方法主要有故障樹分析、事件樹分析、事件樹/故障樹方法、概率風(fēng)險評價。事故概率包括人的失誤概率和設(shè)備的故障概率。人為造成的失誤體現(xiàn)在系統(tǒng)功能與實際功能之間的偏差，后果的嚴(yán)重程度則基于機械安全事故對于操作人員和設(shè)備等造成的損失。而產(chǎn)品的危險程度則體現(xiàn)在事故發(fā)生的概率及其結(jié)果的影響嚴(yán)重程度，危險程度越大代表了安全性越差，故常用危險度來表征產(chǎn)品的安全性。

2.6 環(huán)境適應(yīng)性性度量指標(biāo)庫設(shè)計

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究成果，本文將環(huán)境適應(yīng)性的指標(biāo)分為兩大類，包括自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境。其中自然環(huán)境如溫度、濕度、太陽輻射、微生物等。誘發(fā)環(huán)境如振動、沖擊、電磁干擾、噪聲、搖擺、跌落、加速度、污染物等。

3 復(fù)雜產(chǎn)品六性特性指標(biāo)設(shè)計

3.1 可靠性性度量指標(biāo)設(shè)計

可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要體現(xiàn)，可分為基本可靠性和任務(wù)可靠性?？煽慷群瘮?shù)、故障概率和故障率三個指標(biāo)的特征和計算方式，均與失效率相關(guān)?？煽慷群瘮?shù)最為常見且表征意義簡單，故選取該項指標(biāo)?？煽慷葍H僅從宏觀上反映完好產(chǎn)品的比例，需要從故障間隔時間角度加以考慮，考慮復(fù)雜產(chǎn)品可能不可修復(fù)因素，選取平均故障間隔時間為可靠性度量指標(biāo)。

3.2 維修性性度量指標(biāo)設(shè)計

產(chǎn)品的維修性既反映了產(chǎn)品故障后維修的難易程度，決定著保障性的設(shè)計和水平，對產(chǎn)品的可用度和全壽命周期費用等有著重要影響。平均維修時間存在較高的重復(fù)性，故將該指標(biāo)排除在外。其他指標(biāo)的相關(guān)性較弱，因此，最終選取維修度和平均修復(fù)時間。

3.3 測試性度量指標(biāo)設(shè)計

測試性是能及時準(zhǔn)確地確定產(chǎn)品狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性，對于保持系統(tǒng)或產(chǎn)品的健康狀態(tài)非常重要。若設(shè)置過高，將使裝備的設(shè)計難度、開發(fā)周期以及費用大幅度增加，導(dǎo)致開發(fā)失?。恢笜?biāo)值設(shè)置過低，則裝備無法滿足作戰(zhàn)需求。由于FDR與FIR的相關(guān)性較高，考慮到數(shù)據(jù)來源的易得性等因素，故選擇FDR和FAR為維修性的度量指標(biāo)。

3.4 保障性度量指標(biāo)設(shè)計

保障性關(guān)系到產(chǎn)品是否可靠耐用，操作簡便，易于維護修理和各種功能的正常使用。保障性指標(biāo)的確定是產(chǎn)品綜合保障的重要工作內(nèi)容之一，也是進(jìn)行產(chǎn)品保障性分析以及確定和優(yōu)化保障方案的重要基礎(chǔ)。目前，使用可靠度最為常見，故本文采用本指標(biāo)。

3.5 安全性度量指標(biāo)設(shè)計

安全性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在最小事故損失條件下發(fā)揮其功能的一種能力，是產(chǎn)品在壽命期內(nèi)重要的性能指標(biāo)。安全性代表了產(chǎn)品發(fā)生故障的狀況，其數(shù)值越高代表故障率越低，故事故概率表征較為顯著。

3.6 環(huán)境適應(yīng)性度量指標(biāo)設(shè)計

產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性是產(chǎn)品在其壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一。根據(jù)產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)可能面臨的環(huán)境，可選擇上面的兩大類指標(biāo)下的全部或者部分指標(biāo)來衡量其環(huán)境適應(yīng)性。

3.7 六性綜合評估模型設(shè)計

鑒于六性指標(biāo)的表征內(nèi)容和方式的差異性，需要對其進(jìn)行規(guī)范化處理，才能開展有效的評估工作。為此，本文給出如下的評價步驟：

首先：對上述指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理。本文主要采用極差變換方法實施，針對每個六性度量指標(biāo)，區(qū)分其為效益型或者成本型指標(biāo)，分別規(guī)范化為效益型指標(biāo)值。

其次，采用客觀賦權(quán)方法（本文主要采用熵權(quán)法）獲取各個六性指標(biāo)的權(quán)重數(shù)值。

最后，采用VIKOR方法對相關(guān)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行評估，獲得妥協(xié)解，形成對相關(guān)復(fù)雜產(chǎn)品的綜合評估結(jié)果。求出各個六性指標(biāo)的正負(fù)理想解，令zij=（maxv（aij）-v（aij））/（maxv（aij）-minv（aij）），于是令ξ為大多數(shù)準(zhǔn)則策略的決策機制系數(shù)，ξ＞0.5表明根據(jù)大多數(shù)人的意見決策，ξ=0.5表明根據(jù)贊同情況決策，ξ＜0.5表明根據(jù)拒絕情況進(jìn)行決策。有：

假定依據(jù)Qi值得到a1和a2排序為第一和第二。條件1：如果Q2-Q1≥1/（n-1），n為方案數(shù)目。條件2：a1同樣是Si或Ri中排序第一的方案，說明依據(jù)Qi得到的排序也可以通過Si或Ri加以驗證。如果兩個條件均滿足，則a1為排序第一的方案。如不滿足條件2，則a1和a2均為折衷解；如果不滿足條件1，則通過Q2-Q1＜1/（n-1）得到最大的M，a1，…，aM均為妥協(xié)解。

4 復(fù)雜產(chǎn)品綜合評估應(yīng)用研究

假定對某些復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行綜合評估，其六性指標(biāo)如上節(jié)所示，其具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 六性指標(biāo)數(shù)據(jù)表

對表1的數(shù)據(jù)按照極差變換法實施規(guī)范化處理，按照熵權(quán)法計算權(quán)重，得到權(quán)重分別為0.093，0.157，0.105，0.123，0.124，0.117，0.094和0.187。于是，按照VIKOR方法進(jìn)行求解，得到四種產(chǎn)品的群體效用值分別為0.387，0.296，0.517，0.726；個體遺憾值分別為0.085，0.123，0.117，0.187；妥協(xié)值分別為0.106，0.189，0.415和1。依據(jù)VIKOR判定準(zhǔn)則，其解的結(jié)果均滿足兩個條件，因此認(rèn)為復(fù)雜產(chǎn)品4為妥協(xié)解，是六性綜合最強的復(fù)雜產(chǎn)品。

5 結(jié)論

隨著復(fù)雜產(chǎn)品在現(xiàn)實中的應(yīng)用性逐漸增強，六性指標(biāo)將是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的重要指標(biāo)。本文為了更為完整地詮釋六性指標(biāo)特征及其對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的影響，采用文獻(xiàn)回顧、定性定量分析的方法構(gòu)建六性指標(biāo)體系，以VIKOR方法為基礎(chǔ)設(shè)施綜合評價，有利于更好地從六性綜合特性視角為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計提供引領(lǐng)，有助于更好地將六性特性融入到復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計之中，逐步提高復(fù)雜產(chǎn)品在各類環(huán)境下的工作性能。