基于机载产品的通用质量特性平台建设与应用研究

王淑华，王军润，马燕，范维静，田伟

（1.航空工业庆安集团有限公司，陕西西安，710077；2.北京可维卓力科技有限公司，北京，100091）

0 引言

通用质量特性是装备质量特性重要组成部分，是保持装备战斗力的重要保证。每个型号项目对可靠性、维修性、安全性、保障性等通用质量特性都有相应的要求，在整个研制阶段要进行大量的分析计算并输出相应的设计与分析报告，而且随着科学理论与技术的不断进步，改善了武器性能的同时也复杂化了武器本身，军方也对武器装备提出更高要求。如军用航空机载产品由于其复杂的使用环境和作战任务的特殊性，研制本身具有多学科集成性、用户定制性、流程复杂性、方法多样性、涌现性等特点，其研制过程具备动态性、复杂性、关联性，传统的设计重视性能而对通用质量概念重视不足，现有的管理手段主要依据主观、定性分析，缺乏对设计数据的支持，缺少对流程的事先设计，导致“拖、降、涨”问题严重。

本文提及通用质量特性主要是指可靠性、维修性、测试性、安全性，简称四性，四性要求贯穿于机载产品研制全过程，四性工作的开展情况直接决定着机载产品研制过程风险的大小，进而影响飞机的战备完好性与任务成功率[1-2]。武器装备研制单位良好的四性工程能力是输出高质量、长寿命武器装备的重要保障，本文通过构建通用质量特性平台，转变以往四性工作的模式和管理机制，提高了四性工程能力。

1 四性工作存在的薄弱环节

1.1 未与研制阶段协同，分阶段管理数据

四性设计在型号研制过程中越来越被重视，但由于型号进度要求、人员四性专业知识不扎实等问题，仍存在总体设计与四性设计结合不够密切的问题，经常存在“两张皮”的现象，导致四性设计游离于产品研制流程之外，未开展分阶段管理，四性的指标要求、准则、规范无法在产品设计中得到落实，使得四性设计在产品设计中难以得到体现，四性工作难以发挥其应有的作用。

1.2 各工作项目间缺少关联，四性工作难以整合

虽然总体针对可靠性、维修性、测试性、安全性均提出了相应工作要求，但四性工作的重点分散，对某些工作项目较为关注，如：预计、FMEA等，没有将各个工作项目有机地结合起来，各项工作的流程和输入输出信息没有统一整合和管理，使得工作内容交叉、重复，工作效率难以提高。

1.3 四性分析结果输出不规范、时效性差

虽然提出了相应的标准和规范要求，但缺乏针对装备标准化的输入数据格式，没有规范化的分析流程，没有统一且能实现提取结构化数据的报告输出模板，无法保证获取四性设计分析结果数据的规范性和时效性。

因此，迫切需要采用信息化的手段，对现有四性工作的体系进行完善，建立用于型号全生命周期的四性设计软件，实现统一的产品四性数据源，建立统一的四性协同设计与验证工作环境，并通过系统化和规范化四性研制过程，保证型号满足四性要求并实现持续提升。

2 四性一体化协同设计平台建设实施过程

通用质量特性平台由四性协同设计过程控制与管理系统、四性设计分析结果及状态总览、四性设计分析工具集、数字化设计环境接口等构成。其结构图如图1所示。

图1 GARMS系统架构

通用质量特性平台建设目标及实现功能模板：在产品的研制阶段，围绕产品四性分析工作需求，梳理四性分析工作体系，利用四性设计软件开展型号四性设计分析工作。对全生命周期各阶段的产品四性数据进行集中统一管理，满足多级用户对产品四性信息数据的统计利用需求。在此基础上，建立用户统一的知识库，实现通用质量特性分析各环节数据的传递和复用，进行公司可靠性数据的自累积。

①流程梳理和嵌入：梳理可靠性、维修性、测试性、安全性和保障性的工作流程（20个）以及五性之间的数据流关系，形成软件模块数据流图，并嵌入平台中。方便用户了解五性工作之间的数据传递关系。

②数据库建设：平台中开发定制NPRD-95《非电子零件可靠性数据》界面，并完成该手册中约1.2万条故障数据信息的录入。确保产品数据来源规范统一。

③与PLM中EBOM集成： 定制开发了从PLM系统中EBOM结构树协同导入功能。即建立产品硬件树时，从PLM同步产品节点，直接将.CSV文件格式产品EBOM导入GARMS平台。节省逐条录入零部件信息的时间。

④报告模板定制及自动生成：平台中共定制可靠性、维修性、测试性、安全性及保障性报告模板共计54份，其中定制自动生成报告模板26份，一般定制及直接挂接在平台上的报告模板28份。

⑤标准规范的内置：内置五性各类标准、规范、指南200余项，方便在线查询；并与公司知识管理系统打通接口，实现知识搜索及查询。

通过通用质量特性平台的部署，将原有四性工作转移到平台上开展，优势体现在以下几个方面：

（1）管理模式转变

四性工作具有项目众多、开展时机不同、关联紧密的特点，以往型号研制过程中，四性工作往往具有滞后性，主要原因是缺乏科学的管理手段。借助通用质量特性平台提供的四性项目管理功能，建立以活动为中心的柔性四性工作流程模型，通过串行、并行、迭代、反馈等逻辑的可视化流程建模功能，形成支持对人员、工具、任务时间等进行配置的活动编辑功能，构建形成支持流程实现启动、中止、挂起等状态的驱动控制功能，消除了设计流程中的冗余和不必要的反馈，将四性工作项目融入到传统研制流程。

（2）规范报告的自动生成

机载产品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。通用质量特性平台提供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；格式自定义可以对提取出的数据格式、布局、展现形式进行操作。在型号研制过程中，预先定义各类四性报告模板格式，后期即可实现一键生成相关报告。传统方式编制一份机载产品的可靠性报告，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；而利用通用质量特性平台，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）全局状态把控能力提升

四性设计全局状态把控能力决定了型号四性工作的最终成效，四性设计过程中产生大量数据信息，需要及时的评价，与相关信息开展权衡分析，不断进行修正，任何一个环节的疏漏，都会导致连锁反应，对最终四性分析结果的准确性造成影响[3]，通过四性设计分析结果及状态总览功能，实时监控四性设计工作完成情况及四性设计分析结果汇总信息，以便总师、四性负责人等及时掌握产品的四性工作动态，快速获取产品的关键重要四性设计分析结果，从整体上提升了全局把控能力。

（4）四性知识积累与复用

四性设计分析过程中，产生了大量的数据，如何有效的收集整理数据转换成四性知识是迫切解决的问题，通用质量特性平台的四性协同设计工程知识库按照产品族和产品平台（产品平台是能被某一系列产品共享的、可重用的模块集合）的形式积累各项四性相关信息，包括FMECA分析记录、外场故障信息、故障机理库、四性参数指标库、使用维修保障库、使用环境条件库、四性试验信息库、四性设计准则库、四性设计分析案例库等，四性协同设计工程知识库与各设计分析工具实现了集成，不仅可以在设计分析过程中为设计人员提供完成的分析记录和设计实例，也可积累设计过程产生的新分析记录。这些记录进入数据库后通过专门的信息审核员审核才能真正进入，确保入库数据正确有效，以为其它型号的四性设计分析服务。其积累过程如图 2所示。

图2 数据积累过程

3 展望

在现有通用质量特性平台的应用过程中，解决了以往四性组织管理不清晰、四性设计工具手段不丰富、四性设计与性能设计协同困难、四性数据孤岛等问题。

目前我公司拥有通用质量特性分析平台实现了产品可靠性、维修性、测试性、安全性分析工作的工具化和规范化，并且实现了通用质量特性分析之间数据的一致性，但是该平台不包含机械可靠性仿真分析工具，因此无法开展机械产品的可靠性仿真与分析，也难以将产品的功能性能与可靠性充分连接起来，主要总结以下几个方面：

①缺乏机械产品的可靠性基础研究，没有零部件、成件和材料等的可靠性数据，由于没有专门的可靠性数据积累，致使很多零部件和成件没有完善的可靠性数据库，所能获得的设计参考标准或经验数据较少；

②机械产品可靠性要考虑载荷、几何尺寸、材料性能数据等因素的分散性和随机性。涉及很多学科,如力学、摩擦学、电化学等,因此进行产品的机械可靠性分析存在一定的难度；

③缺乏专门的机械可靠性仿真分析软件，无法完整进行机械产品的可靠性仿真分析与设计。而只能应用一系列的软件工具分别开展，如利用NASTRAN、ANSYS等通用数值分析软件工具开展确定性分析，再利用先进的概率算法、故障树定量分析等对整个产品系统可靠性进行评价。这种方法要求产品设计分析人员掌握多方面的专业知识和相关软件工具的操作，进而制约了该方法在工程实际中的应用效果（即应用门槛较高）。

针对上述问题，建议研发一套针对机械产品的可靠性综合仿真分析平台，从而为基于风险的决策分析和基于可靠性的优化设计提供信息支持。