大型復雜電子系統開展“五性”一體化設計的必要性

徐海，丁定浩

（中國電子科學研究院，北京 100041）

概述

隨著電子產品不斷發展，其結構組成越來越復雜，普遍具有綜合化、模塊化、通用化和智能化的設計特點[1]。大型復雜電子系統目前以型號裝備為主，由多個分系統組成，每個分系統又有多個子系統/分機組成，每個子系統/分機又包含多臺電子設備，設備的技術狀態也包含了新研、改進和沿用多種狀態，并由十數家以上單位參與研制[2]。

“五性”指可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性，“五性”一體化設計指在對產品開展設計時，綜合考慮“五性”的設計思想，依托于“五性”間的相互定性、定量關系，以費用、綜合性能指標要求為頂層實現目標，建立一體化綜合設計模型。

1 “五性”設計存在的問題

1.1 “五性”設計與產品總體設計脫節

隨著國內對可靠性等技術的重視程度提高，產品設計中對可靠性設計的需求有所增加，但仍存在總體設計與“五性”設計結合不夠密切的問題，經常存在“兩張皮”的現象，“五性”設計與裝備總體功能特性不能統籌考慮，綜合權衡，往往會造成重點功能可靠性、測試性、保障性得不到重點關注，變相造成全壽命周期費用的提高。以國內某大型復雜電子系統為例，“五性”設計師編制的“五性”設計大綱、設計準則文件只是因為文件體系的需求而存在，電訊設計師、結構設計師并沒有作為設計準則執行，同時“五性”設計師也未針對本身產品特點與電訊、結構設計師深入交流溝通，“五性”設計準則大多在前人的基礎上進行簡單的刪減。

1.2 五性設計各自為政，缺乏互相關聯

當前的可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性設計要求，都是單項各自單獨提出的。它們不能說明裝備的作戰性能的實現能保障多高的概率，更談不上這些參數之間的優化設計。“五性”工作的重點分散，對某些工作項目較為關注，如：元器件篩選、預計、備件等，但沒有將各個工作項目有機地結合起來，各項工作的流程和輸入輸出信息沒有統一整合和管理，使得工作內容交叉、重復，工作效率難以提高。

1.3 數據來源不一致，更新不及時

“五性”工作和產品設計工作之間沒能統一數據來源，導致各工作項目的數據輸入不一致。另外，由于沒有統一設計和管理的“五性”數據庫，數據在傳遞過程中缺少關聯控制，當某些數據產生變動時，數據的使用者無法及時獲取變更信息，從而不能及時更新工作。

1.4 名義上的并行工程，未涉及保障環節

“五性”一體化設計是一項并行工程，應包括產品設計過程、制造過程、保障過程。雖然當前許多產品研制中聲稱推行了并行工程，但事實上只是設計、制造一體化[3]。

1.5 缺乏頂層指標

當前大型復雜電子系統“五性”指標仍以可靠度等為主，未建立涉及“五性”相關性的頂層指標，進一步體現出并行工程開展的不徹底，對使用可用度、任務成功率、壽命周期費用很少提及。

1.6 數據收集與管理不規范，再利用率低下

數據收集不完整、存儲形式不規范、分散管理等問題制約了數據的利用，影響了產品裝備的研制開發和質量保證工作，更影響了企業的數據積累乃至研發能力的提升。

2 建議措施

當前“五性”設計中存在的問題，主要是由于傳統的“五性”分立式設計管理造成，因此，開展大型復雜電子系統“五性”一體化設計迫在眉睫，為此，需實現三個方面的內容。

2.1 建立五性指標體系

為改變當前五性設計缺乏頂層指標，五性設計各自為政等問題，首要任務是建立一套新的五性指標體系。丁定浩[4]針對當前大型復雜電子系統自身特點，開發了一套新的指標體系模型，如圖1所示，該模型以使用可用度和任務成功率為頂層指標，尤其在針對武器裝備類大型復雜電子系統方面具有很高的應用價值。鑒于當前安全性設計尚未有合適的定量指標要求，因此未在該模型中體現。

2.2 以使用可用度、壽命周期費用為頂層目標建立綜合設計模型

對于“五性”涉及的多種要素，如可靠性、維修性、經費、總體功能特性等，進行綜合權衡與優化，以系統效能、使用可用度、任務成功率等頂層指標為驅動，基于全壽命周期考慮，建立綜合權衡與優化模型。事實上，綜合設計模型體現的是系統效能問題。

美國航空無線電公司（ARINC）早在1964年就提出了系統效能的ARINC模型，隨后，美國空軍于1965年提出了WSEIAC模型，美國海軍于1967年同樣提出了系統效能的概念。系統效能目前尚未有統一的定義，但能夠形成共識是：它是一個與裝備總體功能特性、可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性都相關的概率。

丁定浩[4]根據不同產品，分別以使用可用度、能執行任務率、任務成功率為頂層指標建立了相關模型，可以有效的實現大型復雜電子系統“五性”一體化設計。

2.3 建立“五性”一體化信息平臺

“五性”一體化設計實現的基礎是“五性”數據的一體化，建立“五性”一體化信息平臺能夠有效解決該問題。“五性”一體化信息平臺采用BS架構，提供標準的導入、導出數據模板，以保證產品不同使用地點反饋數據能夠準確、及時地更新到系統中。通過建立“五性”一體化信息平臺應達到如下目標：

圖1 新型指標體系模型

1）“五性”工作職責清晰，流程合理，方法規范，運行有效；

2）“五性”數據格式標準；

3）真正實現“五性”一體化設計；

4）能夠根據頂層指標調整“五性”設計方案；

5）“五性”數據復用方便。

圖2 “五性”一體化信息平臺架構

“五性”一體化信息平臺包含三部分內容：一是“五性”工作流程、工作項目、文檔資料的管理；二是“五性”基礎數據的管理、產品基礎信息管理；三是“五性”基礎數據的各種分析應用模塊，即業務層、數據層、工具層，如圖2所示。

圖3 “五性”工作協同示意圖

“五性”工作間并不是孤立進行的，“五性”工作以使用可用度、任務成功率為頂層指標有機的結合進行，“五性”協同工作示意圖如圖3所示。

3 結束語

大型復雜電子系統為了能夠提高產品的可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性，同時保證產品的效能，降低產品壽命周期費用，開展“五性”一體化設計是必然的且唯一的出路，而建立合適的“五性”指標體系、綜合設計模型及專業的“五性”一體化信息平臺是切實實現“五性”一體化設計的根本實施方法。

[1] 紀春陽,張子華. 新一代復雜電子系統可靠性解決方案探討[J].環境技術, 2008, 2.

[2] 王杰.大型復雜電子系統電子元器件選用與管理方法研究[J].環境技術, 2012, 4.

[3] 阮鐮.可靠性安全性維修性測試性保障性CAD與并行工程[J].中國機械工程, 1998,9(12).

[4] 丁定浩，陸軍.裝備壽命周期使用保障的理論模型和設計技術[M].北京：電子工業出版社, 2011.