基于PDCA的雷达显控台维修性设计

王 骥，赵 宁，张 宇

(1．海军装备部驻南京地区第二军事代表室，南京 211153；2．中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复到规定状态的能力，也就是在规定的约束(维修条件、时间、程序与方法)下能够完成维修的可能性[1]。

随着雷达功能和性能的不断提升，雷达结构的复杂程度和故障风险也在持续增加，雷达的可用度将更依赖于维修性水平。维修性是雷达设计的重要要素，工程设计中应同步进行维修性的并行设计和分析[2]，良好的维修性设计有助于避免维护困难、维护费用高涨等问题。雷达显控台是雷达信息处理、传输和显示的中心，其可靠性对雷达系统至关重要，其维修性亦是雷达质量评估非常重要的一个方面。

1 基于PDCA循环的维修性设计概述

PDCA循环由美国质量管理专家戴明博士首先提出，即计划(Plan)、执行(Do)、检查(Check)、处理(Action)，又称戴明环。其含义是工作之前要进行策划，做好顶层设计，以满足顾客要求，提高质量，取得最大经济效益，然后将策划的输出(计划)付诸实施，进行具体的分析计算和工程设计，再对计划的执行情况和实施效果进行检查，通过具体的过程调试、测试、试验、评审等活动，及时发现实施过程中的问题，最后对检查的结果进行总结、处理，巩固成绩，纠正错误，防止再度出现同样问题。PDCA循环不仅是一种质量管理方法，也是一套科学的、合乎认识论的通用办事程序[3]。

维修性设计过程是系统工程的一个特殊环节，应按照系统工程思想进行组织规划。本文采用PDCA核心思想，基于系统工程过程的路径，将雷达显控台维修性设计过程融入PDCA戴明环循环思路，主要包括维修性设计策划(P)、维修性设计实施(D)、维修性检查评估(C)和维修性问题处置(A)等4个方面，具体流程如图1所示。

图1 基于PDCA循环的维修性设计流程图

2 维修性设计策划

维修性设计策划是确保维修性设计达到预期目标、满足顾客要求的基础，是开展维修性工作的依据，其主要任务是明确目标，制定计划，并确定具体的执行措施。维修性设计工作是否合理可行，预期结果是否能够达到，主要取决于策划工作。为确保策划结果的科学性、准确性、实用性、可行性，应做好以下几方面工作。

2.1 维修性设计需求分析

在确认雷达显控台的维修性设计需求时，应首先将维修性总体要求分解为可完成的一系列定性和定量要求：明确显控台的用途、特点、技战术指标与功能要求和使用环境后，根据同类显控台的研制信息、研制经费、复杂程度等确定维修性定性、定量要求，以满足战备完好性、任务成功性和保障资源等约束，并制定维修性分析与评价相关要求。

(1)维修性定性要求

按照GJB/Z91开展雷达显控台维修性设计，预留维修空间，便于在无支援环境下排除常见故障。

具有故障自检功能，故障定位到可更换单元。故障单元应具备操作可达性，并便于拆卸。

(2)维修性定量要求

雷达显控台维修性定量指标为平均修复时间(MTTR)，一般要求MTTR≤0.5 h。

(3)维修性分析要求

传统的维修性分析技术主要是通过对照设计准则，对设计图纸进行符合性检查，或者在实物样机上进行维修演示验证，在图纸上进行诸如设备(部件)的可达性、拆卸的便利性和维修空间等分析，但这些方法很难保证分析的准确性、直观性以及结果的可信性，虚拟维修技术是解决该问题的有效途径。通过仿真，维修人员可以在数字样机上完成维修操作，基于仿真进行维修性分析能够克服定性分析方法的不足，及时发现维修性设计问题，然后采取适当的纠正措施便可实现与系统的同步设计和制造[4]，因此在显控台维修性分析中要求开展数字样机建模仿真，分析维修性指标是否达到要求。

2.2 确定维修性工作项目

应基于阶段划分制定维修性工作计划，确定各阶段的工作内容和完成时间，主要包括确定开展的工作项目，制定每项工作项目的实施计划，明确工作项目的输入、输出关系，明确工作项目完成的标志，确定检查、评审、试验监测点等。雷达显控台的维修性工作项目如表1所示。

表1 维修性工作项目表

3 维修性设计实施

维修性设计实施就是按照维修性工作计划的要求在系统设计中落实维修性设计措施，以及在软硬件设计中落实维修性模型评估优化、维修性分析、具体设计需求等工作，是实现雷达显控台维修性指标的关键阶段。

3.1 建立维修性模型

维修性物理模型包括维修职能流程图和系统功能层次图。维修职能流程图随维修体制、雷达层次以及维修级别的不同而不同。显控台维修等级为基层级(雷达站)，图2给出了显控台基层级维修职能流程。

图2 基层级维修职能流程图

系统功能层次图是从系统到元器件、零部件的各个层次的维修特点和所需的维修措施的系统框图。系统功能层次图的分解一般从系统开始，到能够做到故障定位、更换故障件、进行修复或调整的层次为止。图3为雷达显控台功能层次框图。

图3 显控台功能层次框图

3.2 维修性指标分配

维修性指标分配是将规定的系统的维修性指标按系统功能层次由上而下逐层分配到最低功能层次。应根据每项维修活动的全部内容所对应的时间元素进行分配。维修活动包括准备、诊断、更换或修补、调整和校准、保养、检验或验证。

平均修复时间模型常用的分配方法有等值分配法、故障率加权分配法、按设计特性分配法、综合加权分配法、相似分配法等。雷达显控台可采用类比相似产品维修性数据分配法来分配维修性指标。雷达显控台的维修性指标分配值如表2所示。

表2 显控台维修性指标分配示例

3.3 维修性指标预计

维修性预计的基础是系统现场可更换单元(LRU)的维修作业时间。维修作业时间又分为故障定位、故障隔离、分解、更换、结合、调准、检验等作业，将每个LRU的维修作业时间汇总，得到每个LRU的总维修作业时间。参考GJB299C，依据雷达显控台中器件的基本失效率、环境系数、质量系数等参数，计算得到显控台中每个LRU的失效率。

根据MTTR计算式可得到典型多功能雷达显控台维修性指标预计值。显控台平均修复时间预计如表3所示。

表3 平均修复时间预计示例

3.4 维修性设计实现

通过制订合理可行的维修性设计准则来实现维修性设计，将维修性要求及使用和保障约束转化为具体的产品设计规范，以指导和检查产品的维修性设计。

在制定维修性设计准则时，首先根据雷达的使用与维修特点，提出适用于雷达的通用设计准则，作为所有相关设计人员都要遵循的设计指导原则；然后以该雷达通用设计准则为指导，针对显控台各组成部分的结构和功能特点，提出针对性更强和更为具体的显控台专用设计准则，以指导各组成部分设计人员进行设计。显控台维修性设计准则包括简化设计、可达性设计、互换性与标准化设计、模块化设计、防差错及识别标志设计、维修安全设计、检测诊断设计、软件维修性设计等。

3.5 维修性分析

维修性分析是维修性工作项目中最重要的内容，既关系到产品维修工作的优化，也关系到产品保障性的优化。维修性分析包括故障模式及影响分析(FMECA)、损坏模式及影响分析(DMEA)、维修性权衡分析、维修时间分析、故障检测能力分析、维修费用预测、人素分析等内容。本文利用数字样机技术进行人素分析。

首先进行数字样机建模。利用CAD等软件对显控台的装配结构进行重构，包括显控台基本结构、需要维修的LRU等信息。通过格式转换和数据简化导入虚拟维修环境，建立数字样机模型；

然后进行维修性的人机操作性建模，使维修环境和对象与维修人员操作相适应；

最后进行维修动作建模。建立维修动作参数化模型，根据输入的维修过程描述建立维修步骤，实现维修过程仿真。

通过数字样机维修过程仿真完成显控台维修作业用力分析、可达性分析、维修操作空间分析、可视性分析、维修安全性分析等工作。

4 维修性设计检查

维修性设计检查是采用核查、试验验证和评价等活动来发现维修性设计问题。

4.1 维修性状态核查

在显控台研制过程中，应按照研制节点和维修性工作计划实时做好维修性技术状态核查工作。维修性核查方法很多，可以采用在产品实体模型、样机上进行维修作业演示，排除模拟故障或实际故障，测定维修时间等试验方法；也可以利用建模与仿真技术开展基于数字样机的维修性核查，该方法有利于尽早发现设计缺陷，分析费用也比较经济。本文利用数字样机进行维修性仿真分析，完成维修性状态核查。

4.2 维修性试验验证

由于利用产品使用过程中自然发生的故障数据进行维修性演示验证需要相当长的试验周期，所以大都在一定条件下对诱发的故障数据进行演示验证，即按照事先规定的维修级别，由该级别所需的维修人员，针对按预定的试验计划诱发的故障实施典型的维修作业，并将完成各作业的时间予以记录和汇总。在完成一系列的具有统计意义、足够数量的维修作业之后，对所收集的数据进行统计处理，并据此确定受试产品的维修性是否达标。

参照GJB2072，在雷达维修性验证中常用的几种试验方法如表4所示。

表4 维修性试验方法汇总表

维修性试验所需的受试品，核查时可取研制中的样机，试验时应直接利用定型样机或在提交的等效产品中随机抽取。由于维修性试验的样本量是维修作业次数，而不是产品数，允许在同一产品上进行多次维修试验作为多个样本。但在同一受试产品上不宜多次重复同一维修作业，以免多次拆卸使连接松弛，失去代表性。维修性试验流程如图4所示。

图4 维修性试验流程图

雷达显控台的维修性试验步骤如下：

(1)确定维修作业样本量

参照GJB2072要求，确定维修性一次性抽样检验的样本数大于30。

(2)选择与分配维修作业样本

为缩短试验持续时间，全部采用模拟故障方法。维修作业样本量合理分配到产品各部分、各种故障模式。分配原则是与故障率成正比，即用样本量乘以某部分、某模式故障率与故障率总和之比作为该部分、该模式的故障数，例如计算机模块和显示器模块故障率较高，就分配较高的维修作业样本数。

(3)模拟与排除故障

用故障LRU替换正常LRU，模拟故障时可拆除或接通不易察觉的元件、零件、电路，人为制造失调、变位等故障；然后由参试维修人员按照技术文件规定程序和方法，使用规定设备器材等进行故障诊断与排除，同时记录时间。

(4)收集、分析与处理试验数据

在试验过程中详细记录各种原始数据，对各种数据加以分析，区分有效与无效数据，特别需要分清哪些时间应计入维修时间，然后按照规定方法计算维修性参数或统计量。

4.3 维修性设计评价

维修性评价通常在试用或使用阶段进行。评价对象是已部署使用的雷达，需要评价的维修作业重点是实际使用中经常遇到的维修工作。主要依靠收集使用维修中的数据，必要时可补充一些维修作业试验，以便对实际条件下的维修性做出估计。

5 维修性问题处置

问题处置是PDCA循环的升华过程，没有处置就没有提高。维修性设计检查结果是维修性处置的依据，对检查中出现的问题，应详细分析原因，制定相应的纠正措施，并及时进行闭环处理。

5.1 维修性问题改进和闭环

根据维修性检查结果，梳理不符合维修性要求的项目，形成维修性设计改进方案，进行维修性建模、分配、预计的迭代，并完成维修性设计改进项目的再确认和验证，直至所有维修性定性和定量指标均符合要求，完成一轮PDCA循环。

5.2 维修性设计准则更新

将每一次维修性设计改进的宝贵经验加以提炼，并形成新的维修性设计准则固化下来，以持续指导后续相似产品维修性设计，避免类似维修设计问题重复发生。

6 结束语

随着科技的快速发展，雷达显控台性能日益强大，集成度越来越高，体积重量不断压缩，结构日趋复杂，这些都对维修性设计提出了更高的要求，维修性的好坏直接影响到雷达显控台的可用度和实用性能，维修性成为雷达显控台设计过程中的重要课题。将PDCA循环这一科学的质量管理方法应用于雷达显控台的维修性设计，对于提高系统的效费比和使用效能有着极其重要的意义。