五性一体化设计工程构想

刘树林，邓鹏飞，王秋芳，焦 娜，赵金龙

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072;2.中国人民解放军91604部队，山东 龙口，265700)

1 五性发展历史与现状

近半个世纪以来，武器装备研制经历了重大的变化和发展.从单纯地关注产品性能的实现和购置费用，逐步转向以效能为目标并综合衡量武器装备全寿命周期费用［1］.五性工程正是伴随着这一变化而发展起来的.可靠性、维修性、安全性、保障性、测试性(以下简称为“五性”或RMSST)等“专门”工程，为武器装备综合效能的实现和全寿命周期费用的控制优化，提供了工程技术手段和方法.

国外可靠性工程在20世纪50年代兴起并形成，60年代可靠性工程全面发展，70年代可靠性步入成熟阶段，80年代可靠性工程向着更深更广的方向发展;在此同时维修性和安全性工程60年代形成，70年代和80年代发展成熟，测试性和保障性则形成于70年代，成熟于80年代.通过五性工程的实施，其武器装备的作战能力、机动部署能力、生存力显著提高，同时维修人力和使用保障费用则明显降低.

我国可靠性工程起步于20世纪60年代，进入实质发展阶段是在70年代，历经20年的发展后，在电子工业、航空工业等领域取得了显著成效.在武器装备研制中，逐渐形成了五性工作标准和规范体系，可靠性维修性保障性(RMS)设计与分析的地位和作用已经越来越得到设计部门和使用部门的认同.

与此同时，随着产品复杂性的增加和研制进度的缩短，对产品五性的保证与控制工作也暴露了一些问题，目前存在的问题主要有:

1)五性设计与产品研制脱节.

研制机构开展的五性工作，均是以GJB450A、GJB1371等军标中规定的五性工作项目为基础，进行删减或增加.但在工程应用中，都不同程度地出现了五性设计与产品研制脱节的情况，五性设计游离于产品研制流程之外，五性的指标要求、准则、规范无法在产品设计中得到落实，使得五性设计在产品设计中难以得到体现，五性工作难以发挥其应有的作用.

2)各工作项目间缺少关联，五性工作难以整合.

五性工作的重点分散，对某些工作项目较为关注，如:可靠性指标分配、零部件平均更换时间、元器件筛选，但没有将各个工作项目有机地结合起来，没有做到以可靠性为中心的五性关联设计，各项工作的流程和输入输出信息没有统一整合和管理，使得工作内容交叉、重复，工作效率难以提高.

3)数据收集与管理不规范，信息化程度不够，数据再利用率低下.

数据收集不完整、存储形式不规范、分散管理等问题，制约了数据的利用.影响了型号装备的研制开发、质量保证和售后服务工作，更影响了企业的数据积累乃至研发能力的提升.

五性水平是装备的固有属性，其水平高低是通过设计和制造来保证的.据国外的数据分析，五性的设计分析这一部分费用虽然只占装备全寿命周期费用的2%，却直接影响装备70%的保障费用.因此，需要把五性设计需求前伸，覆盖到装备的整个设计研制阶段，强调装备的五性综合指标，包括可用性等综合指标，还包括可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性等单一指标［2-6］.

2 发展目标

为了改变现有五性工作存在的问题，必须在装备研制使用阶段建立五性体系、导入五性技术，实现研制全过程的五性设计分析与性能设计的同步.通过各项技术的综合应用发现并改善系统中的潜在缺陷，通过科学的数据评价方法实现对系统各阶段五性水平的掌控，通过规范的管理体系明确各专业人员及五性人员的工作分工与协作、明确对五性要求的确定与审查，通过数据库建设实现规范的可靠性数据积累、为后续工作提供数据支撑;以形成与装备功能性能研制同步的五性一体化设计分析能力为最终目标.

3 发展构想

3.1 制定五性一体化保证计划

装备的可靠性、维修性、安全性、保障性、测试性工作均有其工作计划或大纲，但是这五性工作是有相关联系的.为了保证五性工作的一致性，保证产品的五性设计分析工作能够与产品设计分析协同进行，应当制定五性一体化保证计划.

五性一体化保证计划的内容包括产品描述、五性工作系统、五性技术要求、五性研制流程、五性评审和五性工作计划.

产品描述是说明产品的背景和主要特征，列举可能采用的新技术;描述产品功能和构成;确定产品的使用剖面和条件;描述产品的维修和保障条件.五性工作系统应当明确五性总负责人及责任，各级产品五性负责人及责任;五性工作角色和职责;在五性工作系统中，还应明确各个部门之间的协调关系，以及五性工作与其他工作的协调关系.五性技术要求包括五性参数体系，五性指标要求和五性工作项目要求.五性研制流程包括产品研制阶段划分，五性工作项目和关系(典型五性分析工作项目关系示意见图1)，将五性的工作项目纳入到型号研制流程中，得到五性的研制流程(典型五性研制流程见图2).要实现规定的五性要求，就要进行五性评审.五性评审计划内容主要包括评审点设置、评审内容、评审类型、评审方式及评审要求等.五性评审尽可能与产品设计评审结合进行，必要时也可单独进行.

图1 五性工作项目和依赖关系

五性工作计划以表格的方式列出产品应开展的五性工作项目，内容包括工作项目、责任部门、责任人、参与人、开始时间、完成时间、输出和评审要求.

3.2 五性一体化指标管理

各种装备的可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性定量要求已经各自形成了一套成熟的指标体系，但各指标相互之间关系没有直观的体现.因此，要想实现五性一体化设计，五性参数选择和指标确定必须是相互协调、一体化管理的.

对武器装备说来，真正能够分配、控制或影响设计的五性指标主要有:可靠性指标中的平均故障间隔时间/里程(MT/MBF)或故障率(λ)、平均致命性故障间隔时间/里程(MT/MBCF);维修性指标中的平均修复时间(MTTR)、平均更换时间(MCRT);保障性指标中的可达可用度(Ao)、受油速度;测试性指标中的故障检测率(FDR)、故障隔离率(FIR).目前公开的标准、指南或手册中，对五性指标分配中的协调、权衡涉及的很少，一体化分配的内容涉及的更少，通常只是单独规定了可靠性、维修性指标的分配方法和五性的设计准则.

在指标分配方法上，虽然对于可靠性、维修性的分配方法比较多，但是，对于可用度分配的研究还很少.可用度等保障性指标是一个综合的指标，与可靠性、维修性、测试性指标有密切关系.要实现五性分配一体化，需要以可用度为核心对五性指标进行统一管理，需要进一步研究可用度分配的准则和方法，这是五性分配一体化的基础.

3.3 基于五性一体化的五性设计准则

五性设计准则是设计师进行设计时的重要参考原则，也是专项组对设计进行检查、评审的重要依据，设计师通过对五性设计准则的落实来确保产品的设计质量，满足五性要求.但是，由于传统的五性工作标准分开，传统的五性设计准则的制订也是分开的，包括有关指导设计准则制订的指南、手册等也是分开的.这不但增加了不必要的重复工作，更可能造成五性准则之间的某些不协调甚至是冲突，特别是容易无法考虑五性之间有关联的设计措施在五性特性要求之间的权衡.因此，必须要研究与制订基于五性一体化的五性设计准则.

可以从两个方面考虑，建立基于五性一体化的五性设计准则.一个是针对故障的，包括故障现象、故障模式、故障影响对五性的关联;另一个考虑产品五性之间指标权衡的准则，包括以可靠性为中心的维修(RCM)、以可用度要求为核心的维修性、可靠性、测试性要求.

综上所述，把五性紧密联系在一起的是产品的故障、故障模式及影响.五性设计的核心问题是提高产品可靠性(消除和减少故障)、方便维修和便于测试(预防和排除故障)，并使其安全好用(保障性、安全性).所以，基于五性一体化的设计准则应当以故障为核心，把五性紧密联系起来.对于保障性来说，由于要涵盖到包装、装卸、储存与运输(PHST)以及使用等方面的问题，因此还需要有单独的设计准则［7］.

实际上，基于五性一体化的五性设计准则与各自的设计准则是并不冲突的.对低层次产品，设计准则要综合五性等特性要求;而对系统级、高层次产品，需要五性分别的设计准则，以便更详细地分析各种特性及所做的工作.这就需要考虑五性之间权衡的设计准则.

3.4 以FMEA为中心的五性一体化设计分析

五性设计分析工作实际上是如何减少故障、与故障作斗争的工作，所有的五性工作项目的目的都是为了让产品少出故障;其次出了故障后易测试，好维修，保障战备完好性;再次是保证故障不会存在安全危险.因此开展五性工作的首要问题是分析装备所有可能的故障模式，评估其带来的影响，找到故障发生的原因，并采取相应措施减少或消除这些风险，这就是故障模式影响分析(FMEA).

FMEA本质上是一种检查故障所有可能发生方式的系统方法，并针对每一个故障评估及对系统、设计及过程产生的影响，同时评估其严重度、发生度和检测难度.FMEA是产品设计中最实用有效的可靠性设计分析技术;同时，FMEA为维修性、测试性设计分析提供数据支撑;在保障性分析中，FMEA是以可靠性为中心的维修分析、维修工作分析和修理级别分析的基础，是确定保障资源的主要依据;此外，FMEA还为安全性分析提供依据.在目前的标准中，FMEA均作为五性工作的主要工作项目.

综上所述，FMEA可以用于五性设计分析的各个方面.因此可以以FMEA为中心，进行五性一体化设计和分析.FMEA的分析包括开始、定义、描述、分析、纠正、闭环等6个步骤，如图3所示.

图3 FMEA工作程序

FMEA可用于各个层次产品设计与分析，把五性设计分析深入到主要零部件、可更换单元，让具体产品设计人员在进行功能、结构设计的同时，以故障为核心进行FMEA，考虑五性一体化设计问题［7-11］.

3.5 五性一体化设计工程实现

在引入标准五性软件工具模块基础上，建立五性一体化设计集成平台，从而实现五性一体化设计.平台由5部分组成，即五性协同设计工程管理系统、五性协同设计流程模块、五性设计基础设计分析软件、五性协同设计工程知识库以及与PDM的协同设计接口，如图4所示.

图4 五性一体化设计集成平台组成

其核心业务流程如下:

第一，利用“五性设计工程管理系统”配置五性组织及人员、工程项目，或者通过协同设计接口从PDM系统读取产品及其五性顶层要求信息，“五性协同设计工程知识库”向“五性设计工程管理系统”推送相关产品的五性要求信息.

第二，结合“五性设计工程管理系统”输入的项目信息和人员信息，利用“五性协同设计流程模块”制定五性协同设计流程或者工作指令包，下发相关各产品相关五性设计分析任务.

第三，通过“五性协同设计流程模块”的工作任务驱动对应的五性设计分析软件工具开展工作，所需的产品及其关联数据从五性设计工程管理系统获取.

第四，任一项工作任务完成之后，其完成信息将反馈到五性设计工程管理系统，以便各设计主管和总师系统可实时监督五性设计工作的完成情况.

第五，通过“五性设计工程管理系统”中的五性要求，实现过程动态综合监控系统，实时监控各项产品在不同技术状态下相关的五性设计结果及工作任务完成情况，从而确定薄弱环节和工作重点，确保最终实现五性要求.

4 结束语

可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性工作是提高产品可用性、改善产品任务执行能力的必要技术手段.笔者基于五性一体化的思想，针对其在装备工程项目中的应用进行探索性的研究，从工作体系、指标体系，设计准则，分析体系和一体化设计平台实现进行了构想.

［1］杨为民，等.可靠性·维修性·保障性丛书［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［2］徐宗昌，等.装备保障性工程与管理［M］北京:国防工业出版社，2006.

［3］田 仲，石君友.系统测试性设计分析与验证［M］.北京:航空航天大学出版社，2003.

［4］周源泉.可靠性工程的若干方向［J］.强度与环境，2005，32(3):33-39.

［5］曾声奎，赵廷帝，张建国，等，系统可靠性设计分析教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.

［6］高社生，张玲霞.可靠性理论与工程应用［M］.北京:国防工业出版社.2002.

［7］甘茂治.浅论RMS一体化设计与分析［C］.//中国造船工程学会修船技术学术委员会船舶维修理论与应用论文集第八集 (2005—2006年度)，2006.

［8］祁向宇.故障模式、影响及危害性分析在装甲装备研制过程中的应用［C］.//应用高新技术提高维修保障能力会议论文集.2005.

［9］Relex Software Co＆Intellect，著.陈晓彤，赵廷弟，王云飞，等，译.Reliability:A Practitioner’s Guide［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005

［10］封士彩，林聚华，张新民.工程设计中机械可靠性应用方法的研究［J］.煤矿机械，2002，(10):27-30.

［11］D.H.Stamatis，著.陈晓彤，姚绍华，译.FMEA从理论到实践［M］.北京:国防工业出版社，2005.