电子设备维修性设计与评价

程 浩 马仕明 刘 勇

北京航天自动控制研究所，北京 100854



电子设备维修性设计与评价

程 浩 马仕明 刘 勇

北京航天自动控制研究所，北京 100854

针对电子设备自身的特点，结合维修性要求和相关的标准、设计手册，提出了适用的维修性设计准则，以准则作为评价指标定性分析了某电子设备的不同设计方案。利用维修性评价模型定量分析了该设备的维修性设计优劣，分析结果与实际情况吻合。文中所用方法可为同类产品的维修性设计提供参考。

电子设备；维修性设计；维修性评价

维修性是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能力[1]。产品维修性设计的目标是实现便于维修、快速维修和经济维修，特别是要缩短维修时间。电子设备具有空间体积小、元器件密集程度高的特点，以及发生故障时维修难的问题。如何在仪器小型化和集成化的同时，保证其维修性达到相应的要求，是技术人员在结构设计时必须解决的问题。

国外提出维修性的概念源于武器装备中出现越来越多的维修性问题。从上世纪四五十年代开始，美国逐渐意识到，仅靠提高电子设备可靠性远远不够，必须同时解决维修性问题，因此开始对维修性设计进行大力推广。除美国外，日本等国在维修性设计方面也走在世界的前列。

国内对维修性工程与应用的关注较晚，20世纪70年代后期，我国才逐渐引进国外先进的维修科学。经过近年的发展，已初步形成了维修性工程的设计理论和方法体系，维修性标准也日趋成熟。生建友[2]对军用电子设备的维修性设计进行了概述,陈璐等[3]系统地阐述了产品维修和维修性的基本概念，董俊义[4]提出了提高军用电子系统维修性的各项技术措施，曾毅等[5]叙述了2种维修可视性评价方法。本文提出了适用于电子设备的维修性设计准则，并从定性和定量2个方面对某电子设备进行了分析和评价。

1 维修性设计准则的提出

维修性设计准则是为了将产品的维修性要求、使用约束和保障约束转化为具体的设计而确定的通用或专用设计准则。技术人员在设计产品时应遵循和采纳相应维修性设计准则的条款。制定维修性设计准则是维修性工程中一项非常重要的工作，也是维修性设计与分析过程的主要内容。维修性设计准则的作用体现在：1)指导设计人员进行产品设计；2)便于在设计阶段进行设计评价；3)便于分析人员进行维修性分析和预计。

维修性设计准则的主要内容包括[1,6]：简化设计，可达性和可操作性设计，模块化、标准化和互换性设计、防差错和标示设计、维修安全性设计、维修性人机工程设计和测试诊断设计等。不同类别和不同层次的产品，其维修性设计准则差别较大，制定某类产品的维修性设计准则可参照的有：1)产品的维修性要求；2)相似产品的维修性设计准则和已有的经验教训；3)适用的标准、设计手册。主要流程见图1。

图1 制定维修性设计准则的流程框图

经过以上流程，一方面选取了已有各种标准、规范、手册中适合的内容，另一方面结合电子类产品的功能、结构类型以及使用维修条件等特点，可得符合电子设备自身特点的维修性设计准则通用条款：

1) 设计要简化。在满足功能和使用要求的前提下，尽可能采用最简单的组成、结构和外形，减少零部件的品种和数量，另外还要注意简化、合并产品功能。

2) 符合可达性和可操作性要求。可达性是指在维修产品时，接近维修部位的难易程度，主要指视觉可达和操作可达。可达性设计是从维修空间和布局方面提高维修性。可操作性指产品在结构上应便于拆缷、组装，维修时应满足简单、省时、省力的要求。

3) 标准化和模块化设计。标准化指在满足要求的前提下，限制产品可行的变化到最小范围的设计特性，包括元器件、工具的种类以及术语、软件、材料工艺等。模块化设计是实现部件互换通用、快速更换维修的有效途径。

4) 保证测试诊断快速和准确。性能测试和故障诊断的难易程度，直接影响产品的修复时间，产品设计时应充分考虑故障检测诊断的方便性。

5) 维修工具通用化。产品在维修时对工具及设备的要求应尽量简单，并且应尽量减少专用工具、专用设备的使用。

除了通用条款，对于部分特殊设备还可制定专用条款，如战场抢修设计和维修作业环境设计等。

上述维修性设计准则可作为评价指标，对电子设备的设计方案进行维修性分析与评价，并根据评价的结果指导产品设计。

2 实例分析

2.1 定性分析

图2和3分别是某设备在模样阶段和初样阶段的2种设计方法，其变化之处是图2中印制板1、印制板2和安装板合并成图3中印制板3，箱内其它结构不变。其好处有3点：

1)把具有相同或相似功能的结构进行合并，符合简化设计的要求，同时也减少了零部件的品种和数量；

2)两图对比看出，图3方案的结构设计使箱体内空间更宽裕，便于工作人员进行观察和操作，大幅度提高了可达性和可操作性；

3)在维修工具方面，图3方案的优势是对工具的要求简单，只需要普通工具就能完成设备的拆卸和装配。

但是图2方案在测试诊断设计方面做得更好，通过对功能单元的合理划分，使得性能测试和故障诊断的难易程度大大降低，在一定程度上减少了设备的修复时间。由此可见，2种方案各有优劣，通过实际使用过程中的对比发现，整体上，图3方案的设计方法维修性能更优。

图2 模样阶段箱体内部布局

图3 初样阶段箱体内部布局

2.2 定量分析

陈璐等[7]给出了一种定量评价产品维修性能的方法，本文以此为依据，并结合第1节中阐述的维修性评价指标，提出了一种适用于电子设备的维修性评价模型。

美国军事标准MIL-HDBK-472 Maintainabili-ty Prediction 中定义了维修性评价指标的打分标准，以4，2，0三个等级分别表示每个评价指标的优、中、劣，该标准还定义了打分依据。需指出的是，各项评价指标之间并非相互独立，而是具有一定关联度，且任意两评价指标的关联度都具有矢量性。假定用4，2，0分值来表示两两之间的关联度强弱，结合电子设备的维修性设计准则(即评价指标)可得到表1。

表1 维修性指标关联度

维修性评价模型综合考虑了各评价指标及其关联度，定义为

(1)

式中，i和j分别为不同的维修性评价指标；Ai为各项维修性指标的打分值；Tij为维修性指标i相对于维修性指标j的关联度。

用矩阵表示为：

(2)

积和式是矩阵的一个重要函数，其计算结果涉及了矩阵的每一项，能对矩阵进行准确的定量描述，设B为n阶方阵，B=(bij),积和式定义如下：

(3)

将维修性评价模型用矩阵积和式表示出来就是维修性综合指数，因此，维修性综合指数同样考虑了各种维修性指标及其关联度，定量地描述了设备维修性能的状况。综合指数越大，设备的维修性能越好，反之越差。

为了简化形式，结合表1将部分关联度数值代入式(2)，得到：

(4)

上述矩阵用积和式表示如下：

per(WP)=A1A2A3A4A5+T25T52A1A3A4+

T24T45T52A1A3

(5)

现在用维修性评价模型对前面的实例进行分析。参照MIL-HDBK-472标准，对图2和3两种方案的维修性能进行打分，见表2。

表2 维修性指标打分值

结合表1各指标的关联度，可以得到2种不同设计方案的维修性评价矩阵：

代入式(5)可以计算出维修性综合指数，per(WP1)=256，per(WP2)=512，由此结果可以看出，图3方案的维修性综合指数大，维修性能好，应予以优先采纳，这与实际维修过程中得到的结论是一致的。上述方法非常简便、快捷，在对电子设备进行维修性评价时可以使用。

3 结论

随着维修性工程的发展，维修性设计已经成为产品设计过程中非常重要的部分，在很大程度上决定了设计的质量和后期的使用效果。本文针对电子设备的特点，提出了适用的维修性设计准则。良好的维修性设计应满足设计简化、可达性好、标准化程度高、易检测和维修工具通用化等要求。仅靠定性分析难以准确评价不同设计方案的维修性优劣，通过建立适用于电子设备的维修性评价模型和计算维修性综合指数，综合考虑了影响设备维修性的各种因素，实现了定量分析维修性能的目标，方便了设计者在设计初期选择维修性能更优的方案。

[1] 吕川．维修性设计分析与验证[M]．北京：国防工业出版社，2012．

[2] 生建友．军用电子设备的维修性设计[J]．电子机械工程，2001，(6)：10- 15．(Sheng Jianyou．Maintainability Design of Military Electronic Equipment[J]．Electro-Mechanical Engineering，2001，(6)：10- 15.)

[3] 陈璐，蔡建国．可维修性设计及其技术方法研究[J]．机械设计与研究，2002，18(2)：13- 16．(Chen Lu，Cai Jianguo．Research on the Design Method and Technology of Design for Maintainability[J]．Machine Design and Research，2002，18(2)：13- 16．)

[4] 董俊义．大型军用电子系统的维修性设计[J]．电子产品可靠性与环境试验，2009，27(4)：49- 53．(Dong Junyi．Maintainability Design of Large Scale Military Electronic System[J]．Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2009，27(4)：49- 53．)

[5] 曾毅，尚建忠，曹玉君，等．维修性设计中的可视性评价方法研究[J]．工程图学学报，2009，(1)：70- 74．(Zeng Yi，Shang Jianzhong，Cao Yujun，et al．Research on Visibility Evaluation Methods in Maintainability Design[J]．Journal of Engineering Graphics，2009，(1)：70- 74．)

[6] 章国栋，等．系统可靠性与维修性的分析与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1990．

[7] 陈璐，蒋丹东，蔡建国．产品维修性的评价模型及实现算法研究[J]．中国机械工程，2003，14(21)：1857- 1859．(Chen Lu, Jiang Dandong, Cai Jianguo. Research on the Modeling and Algorithm in Product Maintainability Evaluation[J]. China Mechanical Engineering, 2003，14(21)：1857- 1859．)

MaintainabilityDesignandEvaluationofElectronicDevice

CHENG Hao MA Shiming LIU Yong
Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Accordingtothefeaturesofelectronicdevice,togetherwiththe,suitablemaintainabilitydesignrulesareproposed，whichiscombinedwithmaintainabilityrequirement,relatedstandardsanddesignhandbooks.Bothqualitativeanalysisandquantitativeanalysisformaintainabilitydesignofanelectronicdevicearecompleted.Theformerusesmaintainabilitydesignrulesasevaluationindicators,andthelatterdependsonmaintainabilityevaluationmodel.Theresultfitswellwiththerealcondition,andthemethodprovidesareferenceformaintainabilitydesignofthesameproducts.

Electronicdevice；Maintainabilitydesign；Maintainabilityevaluation

2013- 03- 12

程浩(1987-)，男，河北人，硕士，工程师，主要研究方向为电子设备结构设计及制造；马仕明(1981-)，男，内蒙古赤峰人，博士，工程师，主要研究方向为电子设备设计、仿真和优化；刘勇(1973-)，男，北京人，工程师，主要研究方向为机械设计及制造。

V443

： A

1006- 3242(2014)06- 0071- 04