航天器研制一体化可靠性系统设计

王玉平 李亚萍

(上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

高风险的航天任务对可靠性要求高，特别是在当前高密度发射任务条件下，开展高质量和高效的航天器研制可靠性工作非常迫切。目前，航天器研制过程可靠性工作仍存在一些不足，如部分工作仍依赖人工完成，缺少合适的信息化软件工具；不同可靠性软件工具之间的融合程度不高，软件工具模块“组合化”现象比较普遍。随着航天任务的不断增长和航天工作精细化要求的不断提高，航天器研制全周期的可靠性工作需求随之提高，要从“组合化”向“一体化”方向拓展。“一体化”即在航天器研制全周期内，在可靠性工作信息化的基础上，实现可靠性工作项目协同开展；实现信息一致且规避数据冗余；形成全系统、研制全周期的信息关联和逻辑闭环。

伴随可靠性工程的发展，国内外陆续开发了多种商业可靠性软件，如国外的Windchill Quality Solutions[1]、Reliability Workbench[2]、Availability Workbench[3]和ITEM ToolKit[4]，以及国内的GARMS[5]和CARMES[6]。这些软件集成了可靠性设计分析的常用工具，具有普适性，但普适性也决定了其不能完全契合航天器的可靠性工作特点。具体体现在：①架构方面。航天器的可靠性工作与航天器的技术状态紧密关联，但是，商业可靠性软件专注于可靠性工作项目体系，不包含技术状态管理，在可靠性工作与产品设计之间的协同与信息融合方面存在一定的不足。②工作项目方面。商业可靠性软件是依据国际通用标准、国军标等顶层标准，而航天器研制则更多以行业标准和企业标准为依据，还有一些工作暂无标准，商业可靠性软件对这些工作的支持力度较弱。③信息深度融合方面。航天器各研制单位往往购置不同厂家的可靠性软件，这些软件之间的集成能力较弱，无法进行底层数据库关联，从而限制了航天器可靠性工作的一体化实施。④用户体验方面。由于上述3个方面的不足，商业可靠性软件在内在逻辑和信息的深度融合方面不足以支持航天器可靠性工作需求，在航天器应用中难以实现“1+1>2”的协同效应。

针对上述问题，本文提出一体化可靠性系统，解决目前商业可靠性软件在航天器工程应用中的不足，从架构改进设计、工作项目数字化、信息深度融合设计、用户体验优化设计方面阐述航天器研制一体化可靠性系统设计。

1 系统架构设计

根据国内外可靠性及风险的工程经验，以及对系统架构和方法研究，按照研制全周期[7]一体化[8-10]的特点，一体化可靠性系统设计主要定位于“集成”、“协同”、“信息融合”、“规范”、“全面”和“自动化”。

“集成”主要体现为在可靠性系统上实现航天器研制全周期的全部可靠性工作项目，把可靠性策划、可靠性实施(建模、预计与分配、分析、评估、验证)、可靠性工作结果(各种报告、图表)等工作项目集成在统一的可靠性软件平台上。与商业可靠性软件相比，强化了“可靠性策划”、“可靠性工作结果”、“产品技术状态管理”等模块的功能，可以更好地实现可靠性工作项目的融合。

“协同”主要体现为2个维度。①总体→分系统→单机的纵向工作协同。以故障信息为核心，航天器总体开展故障原因分析，可以分析出结构分系统、电源分系统、动力分系统、有效载荷等的故障；分系统从故障影响的角度，可以分析出总体的故障，形成上、下层故障分析的协同。②可靠性工作项目的横向协同。以故障信息为核心，故障是可靠性分析工作项目的结果，同时是可靠性设计控制的对象，故障的不同阶段、不同环境剖面的分析工作项目相互协同。例如，对故障的分析，从故障模式与影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)、潜通路、风险、环境剖面、任务事件链等多个工作项目分析，不同的角度得出故障模式，针对故障模式开展控制措施的工作项目，从裕度、冗余、环境防护、单点控制等多角度控制，通过故障信息的枢纽作用，强化可靠性工作项目之间的协同。与商业可靠性软件相比，深化了横向协同能力。

“信息融合”主要体现在消除信息的冗余和不一致性，消除数据孤立，形成“牵一发而动全身”的信息关联结构。

“规范”主要体现信息符合航天器研制的详细规范要求。

“全面”体现在以一体化可靠性系统为工具开展航天器的可靠性工作，保证研制全周期工作项目无遗漏、信息全记录、逻辑全闭环。

“自动化”主要体现在可靠性辅助分析自动化、信息统计分析自动化、报告编制自动化，充分利用信息技术手段，把当前航天器研制过程中的重复性、机械性工作降到最低。

根据上述指导思想，航天器研制一体化可靠性系统的架构设计如图1所示，包括数字化设计、软件集成和统一数据库。数字化设计提供人机接口，实现对集成的软件进行操作，统一数据库提供工具软件的信息来源及存储。

图1 一体化可靠性系统架构Fig.1 Architecture of integrated reliability system

一体化可靠性系统可以充分发挥信息技术的优点。例如，在控制可靠性薄弱环节的过程中，传统的工作方式是由航天器可靠性设计师或技术专家提出可靠性薄弱环节，航天器各个层级的产品设计师获悉后对薄弱环节进行改进，最后由各个层级进行可靠性分析与评估。传统方式效率较低，信息周转时间长且及时性差，信息迭代导致工作效率不高；另外，工作质量稳定性不高，依赖于分析人员个人能力，由于个人掌握的信息有限、全面信息整理工作量较大等限制，不利于故障规律研究，不利于可靠性控制措施提升改进。“一体化”的工作模式可以自动记录可靠性信息，减去了可靠性信息收集、整理等环节，同时保证了信息的完整性。简而言之，就是边设计、边分析、边记录，形成产品设计与改进、可靠性分析与研究、信息管理的协同工作机制，能显著减少工作量，让设计师有更多的精力开展深入的故障机理研究，真正提升航天器可靠性技术和能力。

2 工作项目数字化设计

航天器研制过程可靠性工作主要包括可靠性工作项目的具体实施和可靠性工作项目系统管理，如跨产品设计工作与可靠性工作的管理活动，跨可靠性各工作项目之间的管理活动，跨层次、跨阶段的管理活动。可靠性数字化情况如图2所示，图中上半部分的可靠性工作内容与下半部分的数字化情况一一对应。航天器研制一体化可靠性系统把目前人工工作通过数字化工具实现，对研制全过程的可靠性工作项目全部关联。

图2 研制全过程数字化Fig.2 Digitization of whole development process

一体化可靠性系统新研模块主要包括“产品技术状态管理”、“可靠性大纲与策划”、“可靠性设计”、“可靠性试验”、“可靠性报告编制”等。

(1)产品技术状态管理模块。它主要包括航天器产品结构树、产品功能原理、产品参数、技术状态变化等子模块，表述方式包括文字、图、三维图。研制过程中的技术状态有版本控制。在版本控制过程中，常规的通过比较文字差异分析技术状态变化情况比较困难，一体化可靠性系统采用在继承前一版本的基础上进行编辑的方式，对前一版本的每条设置“沿用”、“继承及变化情况”、“新增”、“删除”4个子模块，能避免自然语言处理的复杂性，从而实现对任意版本变化情况的比较。

(2)可靠性大纲和策划模块。一体化可靠性系统对大纲和策划针对每个工作项目明确工作要求、工作要求所执行的标准及相应具体条款、应用的工具软件、相关的历史经验、实施效果预计与评价等。工作要求是在对相关历史经验信息总结提炼的基础上形成的。

(3)可靠性设计模块。一体化可靠性系统单独设计了可靠性设计模块，其工作对象是故障模式，通过故障模式关联到产品功能，即技术状态管理模块。可靠性设计模块主要包括功能原理、故障模式、控制措施、控制类别、控制效果评价、验证情况、可靠性评估，能够体现可靠性工作的协同性。控制措施具有推送的功能，控制效果评价根据以往的设计情况进行效果自动评价，其实现方式在互联网中应用比较普遍，但是对于可靠性系统，此类设计还是比较少。

(4)可靠性试验模块。与商业可靠性软件不同(如试验数据管理(TDM)软件主要是对试验数据的管理)，一体化可靠性系统的可靠性试验模块内容更全面，除了试验数据的管理以外，还包括从产品的环境剖面分析试验的覆盖性、从产品故障模式分析试验条件的完备性和充分性，形成针对产品的功能、环境、故障模式的闭环验证。

(5)可靠性报告编制模块。它能自动生成工作结果，主要是报告和报表的自动生成。该模块充分吸收国内外主流报表工具，如ComponentOne、TELERIK、水晶报表等技术特点，可以自定义报表的格式和模板。

3 深度集成融合设计

一体化可靠性系统的深度融合设计包括：①对常用的商业可靠性软件模块进行深度集成，具备适应不同商家的工具软件的能力。例如，把可靠性建模、可靠性预计、FTA、事件树分析、FMEA、潜通路分析等不同厂家的工具软件纳入到系统中，形成与可靠性工作体系相对应的全面的可靠性数字化工具库，保证航天器可靠性工作的优化组合和对资源的充分利用。另外，对于未来新增的工具软件，也提供相应的接口。通过软件集成，保证可靠性工作项目的规范性和统一性。②建立统一的数据库。一体化可靠性系统加强底层信息的融合能力，在研制全周期内保证信息的深度关联性、唯一性。

一体化可靠性系统的深度融合设计是以航天器产品的故障分析控制为主线，包括航天器产品结构树、功能原理与实现、故障分析、设计与控制、验证、评估等模块(见图3)，每个工作项目都可以根据需求灵活输出相应报告。其中，2个典型信息融合实现方式为可靠性大纲与策划、故障分析。

图3 可靠性软件工具集成Fig.3 Integration of reliability software tools

可靠性大纲与策划模块明确主线中每个环节的工作项目、要求、标准准则、工具方法等内容，大纲和策划的信息与主线信息是闭环关系。大纲与策划的信息来源是主线，是主线中信息通过软件算法进行总结和提炼的。算法主要考虑产品类型、功能要求、环境剖面、寿命要求、工艺特点等各方面参数的相似度，利用相似度自动进行信息提取和分析。简而言之，大纲与策划的主要内容可以通过各个可靠性工作项目的历史信息进行自动的总结和提炼，大纲和策划的内容反映了在以往类似工作中可靠性分析、可靠性设计、可靠性验证的结果。另外，大纲与策划模块指导主线工作项目的开展，它在后台运行，提供查看界面。可靠性大纲与策划模块能让设计师明确工作项目与故障、控制策略及效果、准则等之间的关系。

故障分析是可靠性工作的一项重要内容。一体化可靠性系统建立了公共统一数据库，让所有的工具软件数据库都与其关联，降低数据关系结构的数量。从系统工程角度，基于一体化的思路，按照航天器研制全流程、全要素、全特性的特点，以故障信息为中心，实现工作项目维、系统层次维、研制阶段维和产品型谱维的信息融合。如图4所示，工作项目维是按照可靠性工作项目进行划分，如策划、建模、分析、设计、验证、评估等，目的是实现故障诊断与产品健康管理闭环；系统层次维是产品的层次划分，如系统、分系统、子系统、单机等，目的是实现系统协同；研制阶段维是按照研制阶段进行划分，如论证阶段、方案阶段、初样阶段等，目的是实现全过程管理；产品型谱维是按照相似产品划分，如同型产品、同系列产品等，目的是充分利用历史信息。

图4 可靠性数据维度Fig.4 Dimension of reliability data

统一数据库为可靠性工作项目的深度融合提供基础，例如可靠性模型、FTA与FMEA等相互关联，单机的故障与系统故障关联，故障与可靠性设计措施、可靠性验证关联，故障与相似产品的信息关联等。统一数据库的关联核心是故障[11-14]，通过信息的深度关联有助于研究故障规律和多源提取可靠性信息，例如通过研制阶段信息积累或相似产品信息进行关联得出故障发生概率，通过故障信息与可靠性模型信息关联得出可靠度等信息。

4 一体化可靠性系统的应用

一体化可靠性系统在探月三期工程轨道器的研制中得到了应用。轨道器总体可靠性设计师完成系统大纲和策划的制定，各级产品设计师和可靠性设计师自动得到相应的工作界面，使大纲和策划的精准性得到极大的提高。例如：结构类产品接收的是对结构的要求，其他非结构类型的要求不会显现，保证了信息针对性。各级可靠性设计师根据相应产品的技术状态开展多角度的分析工作，得到故障模式信息；相应的产品设计师实时获得故障信息，在可靠性分析与设计控制之间形成闭环管理。随着研制阶段的推进，轨道器的各级产品相应的验证情况信息进入一体化可靠性系统，在功能、故障模式、环境剖面与验证之间形成闭环。在整个轨道器的研制过程中，可以对信息进行自动分类、统计，自动生成报告。

轨道器可靠性工作的应用实践表明，一体化可靠性系统可以在一个平台上实现研制全周期的可靠性工作，信息的传递管理几乎不需要额外的人工参与，信息的精确性、针对性、全面性显著提高。在系统中可以调用已有的可靠性工具软件模块，软件模块之间的信息自动传递，在用户体验方面具备显著的优势。其中：可靠性工作项目的互补不仅使信息共用，还提供了信息多方检查的功能，大幅提高了信息正确率；报告自动化编写把设计师从报告编写的工作中解脱出来，能提高报告编制的正确性、快捷性、实时性。

1)工作项目的自动互补

一体化可靠性系统可以实现工作项目的自动互补(见图5)，实现策略是利用各个可靠性工作项目中共用的信息，利用关联关系，既消除重复性的信息编制工作，又实现信息共享。以航天器产品结构树、产品功能、功能故障、故障控制、控制效果验证、系统评估为数据主线，每个节点都综合4个维度的数据信息，形成比较完善的数据结构，单个的可靠性工作项目是其子集，其相互重叠的部分实现相互补充。利用一体化可靠性系统，轨道器的可靠性工作起到了“1+1>2”的效果。例如，在轨道器的研制过程中，可靠性工作项目多，要求多，其中包括很多轨道器特有的可靠性工作要求，一体化可靠性系统可以及时补充相应的工作项目，及时开展专项可靠性工作，对于存在信息交叉的工作项目，利用信息共享，及时提取已有信息，高效、高质量完成可靠性工作。

工作项目的自动互补使工作质量和效率方面都得到极大的提高。例如，在完成了FMEA工作后，打开FTA工作模块，对于信息交叉的内容已经自动完成，分析人员只需要进一步完善即可。基于统一数据库信息共享的设计，能显著提高可靠性工作的质量，保证故障控制措施不漏项，保证可靠性工作项目100%的全面闭环。

图5 可靠性工作项目的自动互补

2)规范报告的自动生成

航天器研制过程中报告的编制工作量比较大，占用了设计师大量时间。商业可靠性软件的报表一般是固定格式，无法适应航天器研制多样性、灵活性的规范需求。一体化可靠性系统改进了商业可靠性软件的不足。其中的报告自定义包括内容自定义和格式自定义：内容自定义是通过建立数据库操作界面，对底层数据进行选取、拖曳操作，操作步骤自动生成SQL命令，可以实现在用户界面自由提取数据库中数据的功能；自定义研制报告格式的软件模块，可以对提取出的数据格式、布局、展现形式进行操作。

在轨道器的研制过程中，对可靠性策划报告、可靠性大纲报告、FMEA报告、可靠性总结报告等进行格式定义，一键生成相关报告。传统方式编制一份轨道器可靠性报告，包括十几个分系统的信息，时间跨度需要一个多月、十几个分系统可靠性设计师的通力协作，中间需要几次的专家把关；而利用一体化可靠性系统，可以一键生成，时间压缩到数分钟，其全面性、准确性及效率方面远远超出人工编制。

3)其他自动化功能

一体化可靠性系统的自动化功能，还包括自动化任务分解和跟踪管理，变更自动化提示，自动匹配、筛选和归类，目标信息的自动统计，历史信息自动引用，故障控制的符合性自动判断等。与商业可靠性软件相比，自动化的程度不同。以分类统计为例，商业可靠性软件采用分类信息固定，例如固定按照分系统统计单点，或者给出固定的类别，供选择。这种做法限制了设计师对信息的获取，不够灵活。一体化可靠性系统采用交互式自由分类形式，只要信息有某种属性，即可分类统计，能显著提高信息阅读能力。

在轨道器的研制过程中，经常进行各类信息的统计，例如关键特性、关键件、重要件、关键环节、超差项、技术状态更改项等诸多特性分类统计，因为信息分散，统计前的信息梳理工作量非常大且不好实现。通过一体化可靠性系统可省去信息整理的工作，无论传统上需要一周还是一个月的统计工作，都可在数秒之内一键生成，且信息正确性有足够的保证，真正使设计师摆脱繁杂的信息管理工作。

5 结束语

与商业可靠性软件相比，航天器研制一体化可靠性系统的显著特点是集成技术状态管理系统；完善可靠性工作项目，特别是可靠性管理项目的数字化工作；通过数据库设计和对商业可靠性工具软件的深度集成强化信息融合能力；强化便捷性的用户体验，使可靠性工作具备自动互补、报告自定义生成等功能。该系统满足我国航天器研制可靠性工作灵活的特点，可以简洁快速、准确规范地实现航天器研制全周期的可靠性工作。该系统能加强航天器可靠性工作的全面性、规范性、一致性，准确性，减少重复性工作，提升可靠性工作的质量和效率。后续将继续强化一体化程度，强化故障自动诊断、可靠性设计优化分析等方面的能力，从具备“一体化”能力逐渐向具备一定“智能化”能力的可靠性系统过渡。