复杂产品的六性指标设计与评估研究

刘雪瑜 LIU Xue-yu

（无锡商业职业技术学院，无锡 214153）

0 引言

复杂产品是指客户需求复杂、组成复杂、技术复杂、制造过程复杂等类型的产品，如雷达、舰艇和飞机等，质量特性主要包括可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性和环境适应性。复杂产品工作环境的多变性对其质量特性提出了更高的要求，迫切需要构建一套评价指标体系，对复杂产品的设计与制造等实施全过程管理。

复杂产品的可靠性工作逐渐往涵盖六性的专业工程延伸，这些特性是影响复杂产品效能、适用性、能力、生存性及寿命周期费用的重要因素。在现有设计环节中，六性自成体系，难以实现有效的综合，无法有效发挥其具体性能。复杂产品设计中充分考虑六性要素是提高其应用价值的重要内容，既能提高其性能水平，也能降低全生命周期费用。

为了系统分析复杂产品的六性状况，本文重点针对复杂产品的各类质量特性的具体特征，将在文献研究的基础上设计相应的六性指标体系，进而为实施装备的六性评价奠定良好的基础，并为科学评估复杂产品的质量特性提供基础。

1 复杂产品六性的特性研究

为了了解复杂产品六性的具体表征指标，本文重点从文献方面获取相应的评价指标表征结果，为后续六性指标选择奠定良好的基础。

①可靠性。复杂产品可靠性是在规定的时间和条件下完成规定功能的能力。王思蕊等针对许多高可靠和高价值的产品的可靠性评估，提出一种基于改进证据融合的高可靠产品可靠性评价方法[1]。何成铭等应用贝叶斯推断建立威布尔型产品可靠性模型，结合样本数据所建立的似然函数生成后验概率密度，扩大了贝叶斯推断的应用范围并保证了求解精度[2]。贾利民等将系统可靠性分析方法划分为解析法、蒙特卡洛法、综合法和网络法，构建了可靠性测度指标评价系统[3]。Mi等运用故障树和蒙特卡洛模拟等研究了复杂系统可靠性评估问题[4]。

②维修性。维修性是产品在规定的条件下和时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。张坤等结合变异系数法确定各属性因素的权重系数，全面、直观地反映航空机载产品的维修性综合水平[5]。郦云等提出了基于虚拟维修的复杂产品维修性设计方法，提高了整个产品的维修性设计水平[6]。Montoro-Cazorla等运用矩阵随机分析法研究产生冲击而影响机器寿命的特定环境条件下的维修性[7]。杨海华等选取3类9项指标并建立维修性综合评估模型[8]。

③测试性。测试性是产品能及时并准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种特性。刘冬婷等认为测试性模型具有直观、准确及可辅助设计等优点，描述了测试性模型的定义、测试性模型的建模原因和建模方法[9]。张艺琼等提出了测试性综合评估方法及测试性指标折算模型[10]。詹景坤认为测试性对产品的维修保障显得越来越重要，探究了测试性技术以及测试性技术发展趋势[11]。

④保障性。保障性是系统设计特性和帮助资源满足平时战备及展示使用要求的能力。吴涛等针对舰船装备系统建立了一套保障性评价指标体系[12]。王志勇等认为控制系统在出现故障后的问题定位往往具有一定的难度，一般需要获取产品出现故障时的信息或者专门的测试设备采集必要的信息进行分析和判断[13]。

⑤安全性。安全性是指不会引起伤害或者设备损坏、财产损失或环境危害的特性。Lin解决了具有样本依赖的工程系统在线运营安全性评估问题[14]。程程等将安全性管理成熟度分为5个等级，利用采用专家打分与差异驱动赋权相结合的方法来确定指标的相对权重[15]。

⑥环境适应性。环境适应性是指装备在其寿命期可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力。李雅等针对飞行试验阶段对航空产品的环境适应性开展定性定量评价，分为自然环境和平台环境两种，总结出15种主要环境影响因子[16]。吴帅等采用主成分分析法开展东南亚地区环境精细化分类，依据分类结果开展环境特征分析和规律研究，提出东南亚地区使用产品环境适应性工作对策[17]。

2 复杂产品六性特性指标库设计

2.1 可靠性度量指标库设计

可靠度函数，即试验期内仍然完好的产品数与试验产品总数比例；故障概率是产品在规定时间内丧失规定的功能的概率，越接近1，表示产品故障率越高；故障率指产品工作到t时刻后的一单位时间内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比，失效率越低则可靠度越高。平均寿命指产品正常工作的平均时间，不可修复产品是产品失效前的平均工作或贮存时间（记为MTTF），可修复产品是指相邻两次故障间的平均时间，称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间（记作MTBF），平均维修间隔时间MTBM为寿命单位总数/故障总数，平均需求间隔时间MTBD为寿命单位总数/产品组成部分需求总次数。致命性故障间的任务时间MTBCF为任务时间/致命故障总数。

2.2 维修性度量指标库设计

维修度指产品在规定的条件下和规定的时间内按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复其规定状态的概率；平均修复时间是在规定的条件下和规定的期间内，产品在任一规定的维修级别上，维修总时间与被修复产品的故障的总次数之比；平均预防维修时间是产品每次预防性维修所需实际时间的平均值；维修工时率是在规定条件下和规定时间内，产品直接维修工时总数与寿命单位总数之比；平均维修时间是在规定的条件下和规定的时间内产品预防性维修和修复性维修总时间与该产品维修事件总数之比，是将修复性维修和预防性维修结合起来考虑的一种参数。

2.3 测试性度量指标库设计

故障检测率（FDR）指用规定方法正确检测到的故障数与故障总数之比，ND为用规定的方法正确检测到的故障数；Nr为在规定期间内发生的全部故障数，有FDR=ND/Nr；故障隔离率（FIR）是用规定的方法将检测到的故障正确地隔离到不大于规定模糊度的故障数与检测到的故障数之比，用百分数表示为FIR=NL/ND，NL为用规定方法正确隔离到不大于规定模糊度为L的故障数；虚警率（FAR）指在规定时间内发生的虚警数和同一时间内故障指示总数之比，用百分数表示为FAR=NFA/（NF+NFA），NFA为虚警次数，NF为真实故障指示次数。

2.4 保障性度量指标库设计

使用可用度Ao是系统当需要时能够正常工作的程度，体现完好性目标与保障性之间的定量联系，即能工作时间与能工作时间和不能工作时间之和的比；固有可用度Ai是平均故障间隔时间与平均故障间隔时间和平均修复时间之和的比；平均保障延误时间MLDT是为由于管理或保障因素系统为取得必要的维修资源而不能及时进行维修所延误的平均时间；备件保障概率PSS指在规定的时间内需要备件时不缺备件的概率，备件库存的保障率用备件库的服务水平来定义。

2.5 安全性度量指标库设计

目前定量评价方法主要有故障树分析、事件树分析、事件树/故障树方法、概率风险评价。事故概率包括人的失误概率和设备的故障概率。人为造成的失误体现在系统功能与实际功能之间的偏差，后果的严重程度则基于机械安全事故对于操作人员和设备等造成的损失。而产品的危险程度则体现在事故发生的概率及其结果的影响严重程度，危险程度越大代表了安全性越差，故常用危险度来表征产品的安全性。

2.6 环境适应性性度量指标库设计

基于现有文献的研究成果，本文将环境适应性的指标分为两大类，包括自然环境和诱发环境。其中自然环境如温度、湿度、太阳辐射、微生物等。诱发环境如振动、冲击、电磁干扰、噪声、摇摆、跌落、加速度、污染物等。

3 复杂产品六性特性指标设计

3.1 可靠性性度量指标设计

可靠性是产品质量的重要体现，可分为基本可靠性和任务可靠性。可靠度函数、故障概率和故障率三个指标的特征和计算方式，均与失效率相关。可靠度函数最为常见且表征意义简单，故选取该项指标。可靠度仅仅从宏观上反映完好产品的比例，需要从故障间隔时间角度加以考虑，考虑复杂产品可能不可修复因素，选取平均故障间隔时间为可靠性度量指标。

3.2 维修性性度量指标设计

产品的维修性既反映了产品故障后维修的难易程度，决定着保障性的设计和水平，对产品的可用度和全寿命周期费用等有着重要影响。平均维修时间存在较高的重复性，故将该指标排除在外。其他指标的相关性较弱，因此，最终选取维修度和平均修复时间。

3.3 测试性度量指标设计

测试性是能及时准确地确定产品状态并隔离其内部故障的一种设计特性，对于保持系统或产品的健康状态非常重要。若设置过高，将使装备的设计难度、开发周期以及费用大幅度增加，导致开发失败；指标值设置过低，则装备无法满足作战需求。由于FDR与FIR的相关性较高，考虑到数据来源的易得性等因素，故选择FDR和FAR为维修性的度量指标。

3.4 保障性度量指标设计

保障性关系到产品是否可靠耐用，操作简便，易于维护修理和各种功能的正常使用。保障性指标的确定是产品综合保障的重要工作内容之一，也是进行产品保障性分析以及确定和优化保障方案的重要基础。目前，使用可靠度最为常见，故本文采用本指标。

3.5 安全性度量指标设计

安全性是产品在规定的条件下、在最小事故损失条件下发挥其功能的一种能力，是产品在寿命期内重要的性能指标。安全性代表了产品发生故障的状况，其数值越高代表故障率越低，故事故概率表征较为显著。

3.6 环境适应性度量指标设计

产品环境适应性是产品在其寿命期预计可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一。根据产品在全寿命周期内可能面临的环境，可选择上面的两大类指标下的全部或者部分指标来衡量其环境适应性。

3.7 六性综合评估模型设计

鉴于六性指标的表征内容和方式的差异性，需要对其进行规范化处理，才能开展有效的评估工作。为此，本文给出如下的评价步骤：

首先：对上述指标值进行无量纲化处理。本文主要采用极差变换方法实施，针对每个六性度量指标，区分其为效益型或者成本型指标，分别规范化为效益型指标值。

其次，采用客观赋权方法（本文主要采用熵权法）获取各个六性指标的权重数值。

最后，采用VIKOR方法对相关复杂产品进行评估，获得妥协解，形成对相关复杂产品的综合评估结果。求出各个六性指标的正负理想解，令zij=（maxv（aij）-v（aij））/（maxv（aij）-minv（aij）），于是令ξ为大多数准则策略的决策机制系数，ξ＞0.5表明根据大多数人的意见决策，ξ=0.5表明根据赞同情况决策，ξ＜0.5表明根据拒绝情况进行决策。有：

假定依据Qi值得到a1和a2排序为第一和第二。条件1：如果Q2-Q1≥1/（n-1），n为方案数目。条件2：a1同样是Si或Ri中排序第一的方案，说明依据Qi得到的排序也可以通过Si或Ri加以验证。如果两个条件均满足，则a1为排序第一的方案。如不满足条件2，则a1和a2均为折衷解；如果不满足条件1，则通过Q2-Q1＜1/（n-1）得到最大的M，a1，…，aM均为妥协解。

4 复杂产品综合评估应用研究

假定对某些复杂产品进行综合评估，其六性指标如上节所示，其具体数据如表1。

表1 六性指标数据表

对表1的数据按照极差变换法实施规范化处理，按照熵权法计算权重，得到权重分别为0.093，0.157，0.105，0.123，0.124，0.117，0.094和0.187。于是，按照VIKOR方法进行求解，得到四种产品的群体效用值分别为0.387，0.296，0.517，0.726；个体遗憾值分别为0.085，0.123，0.117，0.187；妥协值分别为0.106，0.189，0.415和1。依据VIKOR判定准则，其解的结果均满足两个条件，因此认为复杂产品4为妥协解，是六性综合最强的复杂产品。

5 结论

随着复杂产品在现实中的应用性逐渐增强，六性指标将是复杂产品设计的重要指标。本文为了更为完整地诠释六性指标特征及其对复杂产品设计的影响，采用文献回顾、定性定量分析的方法构建六性指标体系，以VIKOR方法为基础设施综合评价，有利于更好地从六性综合特性视角为复杂产品设计提供引领，有助于更好地将六性特性融入到复杂产品设计之中，逐步提高复杂产品在各类环境下的工作性能。