對民用與軍民融合產品的通用質量特性研究

鄭菁菁，史旭鵬，徐澤林

（1.南京信息工程大學，南京 210044； 2.中認英泰檢測技術有限公司，蘇州 215104）

引言

一個產品要成為一種商品，被廣大消費者所接受和成為受歡迎的名牌產品；一個軍品要成為一種招之既來、來之能戰、戰之能勝的武器，除了它的功能和性能外，就是它對環境的適應性、使用的可靠性、電磁兼容性、測試性、維修性、保障性、安全性。有時，人們為了保持這些特性，寧愿犧牲部分功能和性能來首先保證它們。對這些特性，為了表達方便，常常稱其為六性（講六性時常將電磁兼容性放在環境適應性中）。美國將這些特性簡稱為產品的RMS特性。現在人們又將其簡稱為產品的通用質量特性，以便與產品的專用質量特性相區別。

歷來是軍用技術的發展推動民用技術的發展，軍用裝備的發展帶動民用產品的發展，軍用技術多數是民用技術的先驅，民用技術很多都是從軍用技術轉化來的，對產品通用質量特性的研究，起源于軍用裝備。然而，隨著當今科學技術的發展，已從軍向民轉讓，到相互轉化，發展到“軍轉民”越來越少，“民轉軍”越來越成為主流。例如：鋰電池，它起源于軍用，后在民用市場得到大力發展，到現在軍方直接在民用市場采購，應該說成熟的民品比新研的軍品更可靠。然而不得不說的是：軍用裝備相對一些民用產品要求可能更高一些，特別是通用質量特性方面，民品遠沒有軍工的研制單位及管理部門那樣抓得緊、抓得嚴，甚至有些民用部門、乃至整個單位還缺乏這方面的知識。現在我國的民用產品，例如：通信產品、電子裝備、航天產品、道路車輛，軌道交通、核電站、直至遠程視頻教育系統，燈具等等正在走向世界，產品的通用質量特性如何合理、優質的解決，需求性、迫切性已排在日程上了。

產品的通用質量特性貫穿于設計、研制、生產，使用的全過程。六性是你中有我，我中有你，相互之間是密不可分的。例如談可靠性，特別是成熟期目標值，它是建筑在維修性，測試性，保障性等的基礎上的指標，沒有這些指標保證，產品可靠性是不可能達到成熟期的目標值，即可靠性的設計值（固有可靠性）的。如何抓好民品的通用質量特性，本文認為：

1 指標論證

1.1 概述

一個產品要具有滿意的通用質量特性，首先要將它設計到產品中去，這樣才能形成固有的通用質量特性。然而無論是定性通用質量特性還是定量通用質量特性，首先要做好指標論證。指標論證的輸入來自對裝備全壽命期間所經受到通用質量特性的分析與要求。指標論證的輸出是通用質量特性的設計輸入。為做好指標論證：

1）分析產品在全壽命期間對通用質量特性的需求。分析要涉及到：產品將可能遇到的自然環境，安裝平臺的誘發環境與電磁環境，壽命期每個階段暴露于某環境下出現的可能性與出現的頻度、相對和絕對持續時間。使用者對使用該產品的維修保障與安全要求等。

2）收集相似性裝備的數據：應盡可能收集與在研產品基本相同的在用產品的數據，這些在用產品在使用地域、功能和性能、所處平臺等方面都與在研裝備相類似；如果沒有這樣的在用裝備，則應收集具有一定可比性的相似產品的數據，利用這些數據進行分析，得出可用于在研產品裝備所需的數據。

通過現場實測采集數據：得出相對其它方法更接近在研產品的使用役環境數據，首先使用實測應力，其次相似應力，最后是標準中的應力，已成為國內外在這一專業的共識。

3）收集相關標準與采標

對一個新的領域。特別是一個新品，特別是大型電子系統的研制，首先要解決的問題是采標問題，所謂得標準者得天下，可見標準對新品研制工作的重要和意義了，采標合適與否直接涉及到研制技術難度的高低、研制進度的快慢、研制成本等方方面面的問題。

1.2 通用質量特性需論證的主要技術指標

指標論證說簡單一點就是要解決需要和可能的問題，也就是：需要在研制時間、研制經費、技術難度中平衡。

1）環境適應性

主要是根據要部署的地區與平臺環境條件，給出所需考核的環境試驗項目、方法及其試驗條件要求。環境試驗是大家比較熟悉的，由于篇幅限制，在此僅提出論證時應注意的要點：

①不是全壽命期可能遇到的環境因素都要考慮的，要考慮它的出現概率。

②對每一環境試驗項目，要明白標準的試驗條件給出的原則，例如基礎標準GB/T 2423，它的嚴酷等級是以貨架產品的形式給出，讓采標用者根據需要從中選取；道路車輛GB/T 28046是不產生疲勞失效的角度給出的量級，軌道交通GB/T 30012是從壽命（疲勞）和加速角度給出的試驗量級，軍標GJB 150中的高低溫要求是考慮了一定的風險率給出的，振動從功能和耐久（能承受全壽命期間安裝平臺給樣品的最大強度振動的能力）角度給出試驗量級等。

③如果是安裝平臺的實測數據，要明白數據是如何處理出來的，例如實測工況的概括性，數據處理的方法與置信度，安全裕量的大小等。

2）可靠性

由于篇幅限制，本文對這部分的論述從簡，可靠性指標有:

①可靠性指標

R(t)可靠度：產品在規定的時間內規定的條件下完成規定功能的概率。

MTBF：即基本可靠性，它給出的是產品所需備件和維修人力方面的信息。對基本可靠性凡是相關失效都計入MTBF值。

MTBCF：即任務可靠性，它給出的是完成任務的信息，任務成功的概率，它是平均無致命故障之間的間隔時間。

談可靠性指標的高低應與統計試驗方案、試驗剖面和失效判據密切相關。

②統計試驗方案

統計試驗方案是根據風險率和鑒別比制定，按一定的置信度產品MTBF真值作出估計。

③試驗剖面

是指可靠性試驗中施加給產品的應力，并且這種應力在總試驗時間內以周期形式隨時間變化。據國外資料介紹和國內的試驗結果分析，真正影響產品MTBF值高低的不完全取決于所選用的統計試驗方案，而是施加給樣品的試驗應力，原因可能是多方面的，首先統計試驗方案是建立在抽樣理論基礎上的。而由于可靠性的費用高，樣品量少，這一前提條件就不能被滿足。

④失效判據

能定義產品失效的依據，可靠性試驗中出現的關聯責任失效數，將作為計算MTBF值高低的依據，即通過與否的判決依據。

綜合上述：可靠性指標論證，必須對上述4點，給出描述，缺一都是不完整的。嚴格來說，合同、任務書，研制總要求對可靠性的要求應給出上述4點內容，只有這樣，設計師才能更好的完成產品的可靠性設計。

3）測試性

測試性是指軍用設備能及時準確地確定其工作性能、狀態，并隔離其內部故障的一種設計特性。好測試性設計能提高產品完好性和任務成功性，減少對維修人力和其它資源的要求，降低任務電子系統設備壽命周期費用，并為系統性能、維修、管理提供必要的信息。

測試性需要論證的指標有：

①故障檢測率

被測試項目在規定期間內發生的所有故障，在規定條件下用規定的方法能夠正確檢測出的百分數。

式中：

FDR—故障檢測率；

Nd—用規定的方法正確檢測到的故障數；

NT—在規定工作時間內實際發生的故障總數。

②故障隔離率

被測試項目在規定期間內已被檢出的所有故障，在規定條件下用規定方法能夠正確隔離到規定個數可更換單元內的百分數。

式中：

FIR—故障隔離率；

NL—用規定方法正確隔離到不大于規定模糊故障度的故障數；

ND—用規定方法實際檢測出的故障數。

③虛警率

在規定期間內發生的虛警數與故障指示總次數之比。

式中：

FIR—虛警率；

NFA—虛警次數；

NF—真實故障指示數；

N—指示（報警）總次數。

4）維修性

給定的使用條件下，按規定的程序和資源實施維修時，使裝備保持或恢復能完成要求的功能的狀態的能力。維修性是指在規定的條件、時間、程序和方法等約束下完成維修的能力。是由產品設計決定的，使其維修簡便、迅速、經濟的質量特性。維修性中的“維修”包含修復性維修、預防性維修等內容。各種設備、系統都有維修性要求。除硬件外，軟件也有維修性問題(在軟件行業通常稱為可維修性)。維修一般分為：預防性維修和修復性維修。

維修性需要論證的指標有：即通過一定的技術途徑設計到產品中去的技術指標。維修性需要論證的指標有：

平均修復時間：MTTR，

平均預防性修復時間：MPMT≤3 min（起飛前），

恢復功能的任務時間：MTTRF。

5）保障性

隨裝工具數量與重量；各維修級別器材庫存量、各維修級別保障設備利用率；各維修級別備件滿足率；各維修級別保障設施利用率；器材（備件）攜運基數；使用人員、數量與技能等級與培訓率；各維修保障機構維修人員數量、技能等級（按專業職務）與培訓率；技術資料的種類、數量與差錯率。

保障性需要論證的指標有：

備件利用率：不小于 95 %。

6）安全性

產品的安全性直接關系到人員和產品的安全。安全性貫穿于產品的設計、制造、檢測、使用、維修等環節。

安全性：簡單來說，就是不發生事故的能力；

危險性：簡單來說，可能導致故障的狀態。

安全性需要論證的指標有：

P=N/T

式中：

N—總事故次數；

T—總觀察時間。

7）電磁兼容性

電磁兼容性是指電子設備所產生的電磁能量既不對其他電子設備產生干擾，也不受其他電子設備的電磁能量干擾的能力。由于受篇幅限制，本文對此省略（下同）。

2 產品通用質量特性的設計

產品的通用質量特性與產品的其它特性一樣首先是設計進去的，設計奠定產品的固有通用質量特性。設計是提高產品通用質量特性的根本途徑，它可以發現隱患與薄弱環節，并采取設計預防和設計改進措施，以便有效地消除隱患和薄弱環節。

2.1 環境適應性設計

環境適應性設計就是通過增強產品自身耐環境應力的能力和減緩各種環境應力對產品的影響使其達到研制總要求、合同、協議書中的各項環境適應性指標。

環境適應性設計措施很多，主要有：熱設計、抗振緩沖設計、三防設計等。在具體設計時要注意盡量采用成熟的環境適應性設計技術、進行適當的余量設計、采用防止瞬態過應力作用的措施、選用耐環境能力強的結構、材料、元器件和工藝等。

2.2 可靠性設計

1）定量設計

可靠性預計與分配

2）定性設計

熱設計 降額設計 冗余設計 參數設計

優化設計 簡化設計 瞬態電路設計 容差設計

系統設計 健壯設計 軟件可靠性設計 潛在通路抑制設計

2.3 維修性設計

設計指標：例如：

平均修復時間（MTTR）：≯ 30 min。

平均預防性修復時間:MPMT≤3 min （起飛前）。

1）定量設計

①修性建模，維修性模型與產品功能、原理、工程圖等相協調。

②維修性預計分配，采用故障率分配法進行維修性分配。

2）定性設計

①采用單元體結構設計及標準的快卸機箱，便于外場快速拆裝。

②故障頻率高、預防性維修頻繁的設備均具有良好的可達性。

③產品的維護點便于觀察、接近、操作及維護。

④所用電纜接頭形狀、大小、插針數量等“錯位裝不上”的措施。

⑤產品上設置相應的標記及安裝注意事項等，且標記明確、醒目。

2.4 測試性設計

1）設計指標，例如：

①故障檢測率（FDR）：不小于 90 %。

②故障隔離率（FIR）：

隔離到 1 個 LRU 不小于 90 %，

隔離到 2 個 LRU 不小于 95 %，

隔離到 3 個 LRU 不小于 98 %。

③虛警率（FAR）：不大于 5 %。

2）定量設計

①建立測試性模型（給出框圖），與產品功能、原理、故障模式等相協調。

②裝備測試性預計與分配。

3）定性設計

將產品的測試性定量要求逐層分配到規定的產品層次，明確各層次產品的定量要求。

依據產品測試性設計需求等，確定每種機內自檢測方式條件下的測試性定量要求。

2.5 保障性設計

設計指標：例如，備件利用率：不小于 95 %。

設計時，優化備件品種和數量，盡量通用化、系列化、組合化，提高利用率，滿足指標要求。

2.6 安全性

設計指標：例如，事故率 PA：不大于 10-6。

設計時：要進行故障危險分析、功能危險分析、故障樹分析、區域安全性分析等，盡量減少危險品要求與危險品隔離要求；滿足指標要求。

3 產品通用質量特性的試驗與評估

試驗與評估是產品研制過程中完善設計、暴露生產工藝缺陷、評價考核產品各項性能是否符合合同要求必不可少的手段。經驗證明，即使使用了各種可以提高產品質量的設計技術進行了精心設計的產品，也不可能沒有缺陷，而且這些設計缺陷僅靠對圖面的檢查、原理的演示、技術評審，通常也只能檢查出30 %左右，約有70 %的設計缺陷需通過研制過程中的各種試驗、檢測、現場使用等才能找出。然后組織技術攻關，摸清機理，通過改進-試驗-再改進-再試驗來進行綜合評估。

3.1 環境適應性

1）實驗室考核

通過實驗室試驗、基地試驗等測試產品是否達到和通過所規定的環境適應性要求。

2）使用評估

例如對某信息系統的評估報告，是從以下幾方面進行的：

①設計輸入滿足了研制總要求中對環境適應的規定規定；

②試驗考核證實達到了研制總要求中的環境適應性要求；

③基地試驗和使用試驗證明可以滿足實際使用要求；

④現場實測驗證實際所經受到的振動沖擊等各項環境應力低于試驗考核的要求。

結論：該產品的環境適應性水平完全能滿足實際使用要求。

3.2 可靠性

可靠性試驗與評估是要給出定量數值的。

1）實驗室考核

對軍用裝備依據GJB 899A進行，對民品依據GB/T 5080進行。二者的主要區別，軍品給出的是MTBF的最低可接受值θ1（MTBF檢驗下限值θL）和規定值θ0（MTBF.檢驗上限值θU），民品給出的是可接受的MTBF值m0和不可接受的MTBF值m1。如果將二者對比，則軍品的θ0（可靠性試驗報告給出的θL）相當于民品的m0；軍品的θ1（可靠性試驗報告給出的θL）相當于民品的不可接受的MTBF值m1。如果該產品是軍民融合產品，從民用角度出發給出的指標就是m0，從軍用角度出發要的是θ1。二者相差主要是鑒別比上。

2）評估

在研制階段，對各項可靠性試驗結果進行評估，以驗證試驗的有效性；在定性階段，根據可靠性鑒定段試驗的結果評估其可靠性水平是否達到設計要求；在使用階段，收集現場使用數據，分析評估其能否達到使用要求，及改進提高的要求和措施。

3.3 測試性評估

1）定性評估，評估方式和內容（可同時采用仿真評估和試驗測試評估）：

①故障檢測率和故障隔離率的分配；

②故障檢測率的分配模型；

③故障檢測率、故障隔率和虛警率離的預計；

④機內檢測（BIT）設計；

⑤外場更換單元（LRU）的失效模式與BIT檢測響應評估；

⑥裝備所有LRU必須進行失效模式分析，列出可能發生的各種失效模式，并對每種失效模式的發生頻數比作出評估。

2）定量評估，評估報告與結論：

點估計值

經評估：×××裝備故障檢測率評估值為 96.3 %，滿足指標要求。其中：①隔離到 1 個 LRU 的故障隔離率評估值為 92.8 %；②隔離到 2 個 LRU 的故障隔離率評估值為 96.8 %；③隔離到 3 個 LRU 的故障隔離率評估值為 98.7 %；④評估期間發生××次虛警，在測試性試驗虛警率評估值為 1.1 %，滿足指標要求。

3.4 維修性評估

預防性維修，評估應覆蓋維修效能，維修工作的技術內容，資源的充分性，運行、安全和環境程序。修復性維修的全面評估要給出與工作條件、供應商問題和質量問題有關的重復失效和趨勢。

1）維修性定性評價

① 維修通道寬敞，具備良好的可達性；

② 采取錯位裝不上設計，具有完善的防差錯措施及識別標記；

③ 同型號產品可直接互換，具有良好的互換性；

④ 具備自檢測能力，可以檢測到設備的 LRU 級別。

2）維修性定量評估

維修性樣本量需大于等于30。平均修復時間的點估計值計算如下：

3.5 保障性評估

經評估，×××裝備，備件利用率評估值為 98 %，滿足指標要求。安全性評估是裝備試驗和交付前，對裝備安全性和風險水平的綜合評估，同時考核裝備是否與規定的要求相符。

經評估，×××裝備，備件利用率評估值為 98 %，滿足指標要求。

3.6 安全性評估

1）定性評估：

主要指安全性評估和符合性評估。

2）定量評估:

① FTA方法：以一不希望發生的故障事件作為分析目標:

經評估，×××裝備事故率評估值為 0，滿足指標要求。

②PRA方法：概率（指數）評估，即劃分出可能發生危險的等級。

4 結論

產品的通用質量特性是決定產品能否生存的重要特性，但要真正解決好，還需做到：

1）應建立民品通用質量特性的標準體系

當前軍品的通用質量特性已有許多標準，形成了標準體系，但民品方面除產品規范外，還應有相應的通用質量標準與之配套，靠一系列標準來規范。一個行業要發展，首先規劃和建設好標準體系，抓好規范標準的制定也是當前的一項重要工作，可以說愈早愈好。

2）應將民品通用質量列入民品的頂層設計中

通用質量特性工作覆蓋產品全壽命過程。應將其列入頂層設計的內容中，即在方案論證階段就應提出和對其進行論證，然后在設計中落實，在研制生產中實現，在使用中發揮和體現、保持和提高。

3）通用質量特性需列入檢測機構的檢測內容

對通用質量特性的檢測，例如：環境適應性、可靠性、電磁兼容性均已進入了檢測機構的檢測能力表中了。但對維修性、測試性、保障性、安全性，目前用戶找到檢測單位，他們面臨著也不知如何檢測，能不能檢測，能不能出報告等問題，這也是一個迫切需要解決的問題。