復雜產品的六性指標設計與評估研究

劉雪瑜 LIU Xue-yu

（無錫商業職業技術學院，無錫 214153）

0 引言

復雜產品是指客戶需求復雜、組成復雜、技術復雜、制造過程復雜等類型的產品，如雷達、艦艇和飛機等，質量特性主要包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環境適應性。復雜產品工作環境的多變性對其質量特性提出了更高的要求，迫切需要構建一套評價指標體系，對復雜產品的設計與制造等實施全過程管理。

復雜產品的可靠性工作逐漸往涵蓋六性的專業工程延伸，這些特性是影響復雜產品效能、適用性、能力、生存性及壽命周期費用的重要因素。在現有設計環節中，六性自成體系，難以實現有效的綜合，無法有效發揮其具體性能。復雜產品設計中充分考慮六性要素是提高其應用價值的重要內容，既能提高其性能水平，也能降低全生命周期費用。

為了系統分析復雜產品的六性狀況，本文重點針對復雜產品的各類質量特性的具體特征，將在文獻研究的基礎上設計相應的六性指標體系，進而為實施裝備的六性評價奠定良好的基礎，并為科學評估復雜產品的質量特性提供基礎。

1 復雜產品六性的特性研究

為了了解復雜產品六性的具體表征指標，本文重點從文獻方面獲取相應的評價指標表征結果，為后續六性指標選擇奠定良好的基礎。

①可靠性。復雜產品可靠性是在規定的時間和條件下完成規定功能的能力。王思蕊等針對許多高可靠和高價值的產品的可靠性評估，提出一種基于改進證據融合的高可靠產品可靠性評價方法[1]。何成銘等應用貝葉斯推斷建立威布爾型產品可靠性模型，結合樣本數據所建立的似然函數生成后驗概率密度，擴大了貝葉斯推斷的應用范圍并保證了求解精度[2]。賈利民等將系統可靠性分析方法劃分為解析法、蒙特卡洛法、綜合法和網絡法，構建了可靠性測度指標評價系統[3]。Mi等運用故障樹和蒙特卡洛模擬等研究了復雜系統可靠性評估問題[4]。

②維修性。維修性是產品在規定的條件下和時間內按規定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到規定狀態的能力。張坤等結合變異系數法確定各屬性因素的權重系數，全面、直觀地反映航空機載產品的維修性綜合水平[5]。酈云等提出了基于虛擬維修的復雜產品維修性設計方法，提高了整個產品的維修性設計水平[6]。Montoro-Cazorla等運用矩陣隨機分析法研究產生沖擊而影響機器壽命的特定環境條件下的維修性[7]。楊海華等選取3類9項指標并建立維修性綜合評估模型[8]。

③測試性。測試性是產品能及時并準確地確定其狀態（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內部故障的一種特性。劉冬婷等認為測試性模型具有直觀、準確及可輔助設計等優點，描述了測試性模型的定義、測試性模型的建模原因和建模方法[9]。張藝瓊等提出了測試性綜合評估方法及測試性指標折算模型[10]。詹景坤認為測試性對產品的維修保障顯得越來越重要，探究了測試性技術以及測試性技術發展趨勢[11]。

④保障性。保障性是系統設計特性和幫助資源滿足平時戰備及展示使用要求的能力。吳濤等針對艦船裝備系統建立了一套保障性評價指標體系[12]。王志勇等認為控制系統在出現故障后的問題定位往往具有一定的難度，一般需要獲取產品出現故障時的信息或者專門的測試設備采集必要的信息進行分析和判斷[13]。

⑤安全性。安全性是指不會引起傷害或者設備損壞、財產損失或環境危害的特性。Lin解決了具有樣本依賴的工程系統在線運營安全性評估問題[14]。程程等將安全性管理成熟度分為5個等級，利用采用專家打分與差異驅動賦權相結合的方法來確定指標的相對權重[15]。

⑥環境適應性。環境適應性是指裝備在其壽命期可能遇到的各種環境作用下能實現其所有預定功能、性能和不被破壞的能力。李雅等針對飛行試驗階段對航空產品的環境適應性開展定性定量評價，分為自然環境和平臺環境兩種，總結出15種主要環境影響因子[16]。吳帥等采用主成分分析法開展東南亞地區環境精細化分類，依據分類結果開展環境特征分析和規律研究，提出東南亞地區使用產品環境適應性工作對策[17]。

2 復雜產品六性特性指標庫設計

2.1 可靠性度量指標庫設計

可靠度函數，即試驗期內仍然完好的產品數與試驗產品總數比例；故障概率是產品在規定時間內喪失規定的功能的概率，越接近1，表示產品故障率越高；故障率指產品工作到t時刻后的一單位時間內的失效數與在t時刻尚能正常工作的產品數之比，失效率越低則可靠度越高。平均壽命指產品正常工作的平均時間，不可修復產品是產品失效前的平均工作或貯存時間（記為MTTF），可修復產品是指相鄰兩次故障間的平均時間，稱為平均無故障工作時間或平均故障間隔時間（記作MTBF），平均維修間隔時間MTBM為壽命單位總數/故障總數，平均需求間隔時間MTBD為壽命單位總數/產品組成部分需求總次數。致命性故障間的任務時間MTBCF為任務時間/致命故障總數。

2.2 維修性度量指標庫設計

維修度指產品在規定的條件下和規定的時間內按規定的程序和方法進行維修時保持或恢復其規定狀態的概率；平均修復時間是在規定的條件下和規定的期間內，產品在任一規定的維修級別上，維修總時間與被修復產品的故障的總次數之比；平均預防維修時間是產品每次預防性維修所需實際時間的平均值；維修工時率是在規定條件下和規定時間內，產品直接維修工時總數與壽命單位總數之比；平均維修時間是在規定的條件下和規定的時間內產品預防性維修和修復性維修總時間與該產品維修事件總數之比，是將修復性維修和預防性維修結合起來考慮的一種參數。

2.3 測試性度量指標庫設計

故障檢測率（FDR）指用規定方法正確檢測到的故障數與故障總數之比，ND為用規定的方法正確檢測到的故障數；Nr為在規定期間內發生的全部故障數，有FDR=ND/Nr；故障隔離率（FIR）是用規定的方法將檢測到的故障正確地隔離到不大于規定模糊度的故障數與檢測到的故障數之比，用百分數表示為FIR=NL/ND，NL為用規定方法正確隔離到不大于規定模糊度為L的故障數；虛警率（FAR）指在規定時間內發生的虛警數和同一時間內故障指示總數之比，用百分數表示為FAR=NFA/（NF+NFA），NFA為虛警次數，NF為真實故障指示次數。

2.4 保障性度量指標庫設計

使用可用度Ao是系統當需要時能夠正常工作的程度，體現完好性目標與保障性之間的定量聯系，即能工作時間與能工作時間和不能工作時間之和的比；固有可用度Ai是平均故障間隔時間與平均故障間隔時間和平均修復時間之和的比；平均保障延誤時間MLDT是為由于管理或保障因素系統為取得必要的維修資源而不能及時進行維修所延誤的平均時間；備件保障概率PSS指在規定的時間內需要備件時不缺備件的概率，備件庫存的保障率用備件庫的服務水平來定義。

2.5 安全性度量指標庫設計

目前定量評價方法主要有故障樹分析、事件樹分析、事件樹/故障樹方法、概率風險評價。事故概率包括人的失誤概率和設備的故障概率。人為造成的失誤體現在系統功能與實際功能之間的偏差，后果的嚴重程度則基于機械安全事故對于操作人員和設備等造成的損失。而產品的危險程度則體現在事故發生的概率及其結果的影響嚴重程度，危險程度越大代表了安全性越差，故常用危險度來表征產品的安全性。

2.6 環境適應性性度量指標庫設計

基于現有文獻的研究成果，本文將環境適應性的指標分為兩大類，包括自然環境和誘發環境。其中自然環境如溫度、濕度、太陽輻射、微生物等。誘發環境如振動、沖擊、電磁干擾、噪聲、搖擺、跌落、加速度、污染物等。

3 復雜產品六性特性指標設計

3.1 可靠性性度量指標設計

可靠性是產品質量的重要體現，可分為基本可靠性和任務可靠性。可靠度函數、故障概率和故障率三個指標的特征和計算方式，均與失效率相關。可靠度函數最為常見且表征意義簡單，故選取該項指標。可靠度僅僅從宏觀上反映完好產品的比例，需要從故障間隔時間角度加以考慮，考慮復雜產品可能不可修復因素，選取平均故障間隔時間為可靠性度量指標。

3.2 維修性性度量指標設計

產品的維修性既反映了產品故障后維修的難易程度，決定著保障性的設計和水平，對產品的可用度和全壽命周期費用等有著重要影響。平均維修時間存在較高的重復性，故將該指標排除在外。其他指標的相關性較弱，因此，最終選取維修度和平均修復時間。

3.3 測試性度量指標設計

測試性是能及時準確地確定產品狀態并隔離其內部故障的一種設計特性，對于保持系統或產品的健康狀態非常重要。若設置過高，將使裝備的設計難度、開發周期以及費用大幅度增加，導致開發失敗；指標值設置過低，則裝備無法滿足作戰需求。由于FDR與FIR的相關性較高，考慮到數據來源的易得性等因素，故選擇FDR和FAR為維修性的度量指標。

3.4 保障性度量指標設計

保障性關系到產品是否可靠耐用，操作簡便，易于維護修理和各種功能的正常使用。保障性指標的確定是產品綜合保障的重要工作內容之一，也是進行產品保障性分析以及確定和優化保障方案的重要基礎。目前，使用可靠度最為常見，故本文采用本指標。

3.5 安全性度量指標設計

安全性是產品在規定的條件下、在最小事故損失條件下發揮其功能的一種能力，是產品在壽命期內重要的性能指標。安全性代表了產品發生故障的狀況，其數值越高代表故障率越低，故事故概率表征較為顯著。

3.6 環境適應性度量指標設計

產品環境適應性是產品在其壽命期預計可能遇到的各種環境作用下能實現其所有預定功能、性能和不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一。根據產品在全壽命周期內可能面臨的環境，可選擇上面的兩大類指標下的全部或者部分指標來衡量其環境適應性。

3.7 六性綜合評估模型設計

鑒于六性指標的表征內容和方式的差異性，需要對其進行規范化處理，才能開展有效的評估工作。為此，本文給出如下的評價步驟：

首先：對上述指標值進行無量綱化處理。本文主要采用極差變換方法實施，針對每個六性度量指標，區分其為效益型或者成本型指標，分別規范化為效益型指標值。

其次，采用客觀賦權方法（本文主要采用熵權法）獲取各個六性指標的權重數值。

最后，采用VIKOR方法對相關復雜產品進行評估，獲得妥協解，形成對相關復雜產品的綜合評估結果。求出各個六性指標的正負理想解，令zij=（maxv（aij）-v（aij））/（maxv（aij）-minv（aij）），于是令ξ為大多數準則策略的決策機制系數，ξ＞0.5表明根據大多數人的意見決策，ξ=0.5表明根據贊同情況決策，ξ＜0.5表明根據拒絕情況進行決策。有：

假定依據Qi值得到a1和a2排序為第一和第二。條件1：如果Q2-Q1≥1/（n-1），n為方案數目。條件2：a1同樣是Si或Ri中排序第一的方案，說明依據Qi得到的排序也可以通過Si或Ri加以驗證。如果兩個條件均滿足，則a1為排序第一的方案。如不滿足條件2，則a1和a2均為折衷解；如果不滿足條件1，則通過Q2-Q1＜1/（n-1）得到最大的M，a1，…，aM均為妥協解。

4 復雜產品綜合評估應用研究

假定對某些復雜產品進行綜合評估，其六性指標如上節所示，其具體數據如表1。

表1 六性指標數據表

對表1的數據按照極差變換法實施規范化處理，按照熵權法計算權重，得到權重分別為0.093，0.157，0.105，0.123，0.124，0.117，0.094和0.187。于是，按照VIKOR方法進行求解，得到四種產品的群體效用值分別為0.387，0.296，0.517，0.726；個體遺憾值分別為0.085，0.123，0.117，0.187；妥協值分別為0.106，0.189，0.415和1。依據VIKOR判定準則，其解的結果均滿足兩個條件，因此認為復雜產品4為妥協解，是六性綜合最強的復雜產品。

5 結論

隨著復雜產品在現實中的應用性逐漸增強，六性指標將是復雜產品設計的重要指標。本文為了更為完整地詮釋六性指標特征及其對復雜產品設計的影響，采用文獻回顧、定性定量分析的方法構建六性指標體系，以VIKOR方法為基礎設施綜合評價，有利于更好地從六性綜合特性視角為復雜產品設計提供引領，有助于更好地將六性特性融入到復雜產品設計之中，逐步提高復雜產品在各類環境下的工作性能。