车载产品集成设计中“六性”分析

冯 珂，黄 卓

(1.山西工程职业学院，山西 太原 030009;2 北方自动控制技术研究所，山西 太原 030006)

0 前言

产品“六性”在产品设计阶段必须要考虑的要求，是产品开发中除功能特性外额外要满足的质量特性，并伴随着产品的全寿命周期。其中，可靠性是产品的固有特性，维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性等都是通用质量特性[1]。产品“六性”是否满足使用要求，也将直接影响到产品效能的发挥[2]，如今，虽然“六性”技术随着各方重视程度的不断提高而稳步提升，但是仍存在诸多问题，如“六性”之间的优化设计以及“六性”协同工作等。

因产品“六性”覆盖范围广，周期跨度大，不同研发人员侧重面不尽相同，使得“六性”问题较为繁琐。因此，为研究产品研发与“六性”之间的关系，本文将从车载产品集成的角度，对车载产品设计中“六性”问题逐一进行分析。

1 可靠性

1.1 可靠性定义与分析

可靠性指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力[3]。其中，规定条件指产品在不同温度和振动的环境条件和使用条件；规定时间指产品运行时间；规定功能指产品的满足的设计指标。产品的可靠性高，维修就少，安全性高，本文着重讨论的为产品集成的基本可靠性。

1.2 可靠性设计措施

车载产品的可靠性贯穿在产品的设计、制造、运输、存储和维修全过程中。产品基本可靠性由设备或各个功能模块的可靠性决定，并受各模块间的“短板效应”制约。因此，在设计的各个阶段应该通过各种手段提升产品的可靠性，在提高可靠性设计中主要措施有：

1)选用技术成熟、集成度高、通用化和标准化程度好、模块数量少的部件，电子元器件应选择经过应力筛选的元器件；

2)在结构设计中尽量采用成熟的技术和工艺，提高最低可靠度零件的可靠度，同时提高系统的抗振防冲，进行防噪声和提高“三防”(防潮、防盐雾、防霉菌)等一系列设计准则。

3)结构件选用满足使用要求的材料，并对相关结构件薄弱位置进行力学仿真验证，确定合适的加工和工艺方法。

4)对整个系统设计进行热仿真分析，确保其散热合理性，并设计保护装置，设置过载保护和紧急停止装置，根据使用环境不同设计环境防护。

2 维修性

2.1 维修性定义和分析

维修性指产品在规定的条件下和规定的时间内，按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定状态的能力[4]。维修性的思想应以故障时维修改为以预防为主；并在设备故障时能够迅速定位和排除问题。维修性预计模型如图1所示。

MTTR是平均修复时间，也就是排除故障所需实际修复时间的平均值，该值等于在一定时间内修复时间的总和与修复次数之比[5]，如式1所示：

(1)

根据各模块的失效率以及各模块维修性分配时间，可计算该设备的平均修复时间MTTR。

2.2 维修性设计措施

车载产品维修性设计主要是通过更换各功能模块来进行维修，各功能模块和设备的安装、拆卸特性便捷。在工程研制中，主要从以下几个方面进行详细的维修性设计：

1)模块化设计。采用模块化设计，简化结构设计，主要部件维修时易于拆装，减少维修时间。

2)可检测性设计。具有上电自检功能，具有故障报警、指示，并可通过串口通信进行调试、检测。

3)可达性设计。合理安排了各模块的位置，并留有适当的维修操作空间，在故障定位时，可以快速拆装故障部分，不影响设备内其他部件在设备内的状态。

4)标准化设计。选用的工具、紧固件、元器件等尽可能减少规格种类，增强互换性。接插件采用标准接口，并用不同芯数区别以免误插。

5)防插错措施及识别标识。为防止误动作，线缆有标号，接口均有清晰标识，选用具有防插错设计的接插件。

6)注重编制维修手册。明确日常保养和定期保养工作和方法，通过手册实现常用故障的快速定位，并加强使用培训。

3 保障性

3.1 保障性定义和分析

保障性是产品在设计时必须考虑在应急状态下产品能够满足易于保障，通过保障资源对其薄弱环境进行修复，快速恢复产品性能的一种能力，确保产品在任一时刻需要和执行任务时，处于可工作或者可使用状态的程度及可用度。在产品设计同时必须考虑产品保障性，并把保障性工作纳入产品配套文件之中，确保维修保障资源能够满足系统要求。

3.2 保障性设计措施

车载产品保障性的设计中，首先应提高综合保障水平，达到保障人员以少为宜，保障设备和工具以通用为宜，技术资料以完整、清晰、易懂为宜，备件以充分合适为宜。除此之外，在车载产品集成阶段还应注意以下几点：

1)产品在设计时充分考虑产品交付以后的保障方便性，通过系统统一配置的通用保障设备能完成对产品的拆装、检测和维修。

2)在设计时优先选用尺寸小、重量轻、生命周期长的模块和零部件，便于后续保障。

3)附件工具优先选用通用工具，减少专用工具使用，配有合适的备件，并列好相应清单，操作和维修人员经过简单培训后就可以熟练操作和维修产品。

4)设备进行了环境适应性设计，有较好的抗振、抗跌性能；防水、防尘、抗腐、抗震、耐压，抗冲击性能好，适用于汽车、火车、轮船等运输工具的运输。

4 测试性

4.1 测试性定义和分析

测试性是产品能及时、准确地对其工作状态进行确认，并对内部故障进行隔离。测试性故障检测隔离能力应满足基层维修要求，同时应具有内部检测功能。

测试性故障检测隔离能力应满足基层维修要求，同时应具有内部检测功能。测试性的主要表征参数主要有故障检测率(rFD)、故障隔离率(rFI)、虚警率(rFA)、平均故障检测时间(TFD)和平均故障隔离时间(TFI)等[6]。

1)故障检测率(rFD)指在规定时间内，用规定的方法正确检测到的故障数与故障总数之比，如式2所示：

(2)

式中：ND指用规定的方法正确检测到的实际故障数；NT指在规定工作时间T内实际发生的故障总数。

2)故障隔离率(rFI)指在规定时间内，用规定的方法将检测到的故障正确隔离到不大于规定模糊度的故障数与同一时间内检测到的故障数之比，如式3所示：

(3)

式中：NL指用规定的方法正确隔离到不大于规定模糊度的故障数；ND指用规定的方法正确检测到的实际故障数。

3)虚警率(rFA)指在规定时间内发生的虚警数和同一时间内的故障指示总数之比，如式4所示：

(4)

式中：NFA指虚警次数；NF指真实故障指示数；N指(报警)总次数。

4)平均故障检测时间(TFD)指从开始故障检测到给出故障指示所经历时间的平均值，如式5所示：

(5)

式中：tDi指检测并指示第i个故障所需的时间；ND指被检测出的故障数。

5)平均故障隔离时间(TFI)指从检测出故障到完成故障隔离所经历时间的平均值，如式6所示：

(6)

式中：tFi指隔离第i个检测出故障所需的时间；ND指被检测出的故障数。

4.2 测试性设计措施

车载产品故障检测隔离能力应在产品集成设计时充分考虑，主要测试性设计措施有：

1)产品具有检测接口，能够输出工作状态信息和故障信息，方便检测装置快速的进行故障检测、诊断，准确分离出故障源；

2)产品的各功能模块具有上电自检功能，操控界面可显示自检结果；

3)产品具有故障报警功能，发生故障后，能够将具体的故障状态信息上报操控界面可显示故障状态信息；

4)图纸及工艺应标准规范，为测试性提供相应的技术支持，结构布局考虑了系统测试的可实现性和方便性。

5 安全性

5.1 安全性定义和分析

安全性主要是通过辨识发现产品对周围环境或人员存在的潜在危险。通过初步分析产品特性及可能存在的危险，并落实到在安全性设计中。

5.2 安全性设计措施

车载产品安全性设计中首先通过初步危险辨识，确定系统的危险故障状态作为产品安全性设计目标，在产品设计中消除可辨识的危险源，措施主要包括：

1)电气安全性：在电气设计时采用低压供电，并有电源反接保护和静电防护措施，芯片和功率模块采取降额设计，设备设置急停按钮，接插件有防插错功能，并带有锁紧装置，通过以上但不限于以上的措施来确保电气安全。

2)结构安全性：在结构设计时避免尖锐棱角，保证零部件足够的强度和刚度，空间布局合理，标识明显，并采取相应的防护和报警装置。

3)设备安全性：选用能承受额定电流的阻燃导线，设备采用防水设计，能够满足系统高温高湿环境下长期可靠工作。

4)使用维护安全性：指示灯位置明显，按键、接插件标识明显，以防止使用时出现误操作；随产品交付的文件中具有操作安全要求，并且确保叙述全面、准确、清楚，可操作性强。

6 环境适应性

6.1 环境适应性定义和分析

环境适应性是指产品在其寿命期内，在可能工作的各种环境作用下，能实现正常工作和功能，保证产品质量[7]。通过环境适应性验证可以及时产品在使用场景中的薄弱环节，并加以纠正。

产品的环境适应性设计在器件选择、板卡加固、热设计、三防设计、整机密封设计和涂覆工艺保证等方面采取措施，满足工作温度、贮存温度、湿热、振动、冲击、低气压、盐雾、霉菌、淋雨、砂尘等环境要求。

6.2 环境适应性设计措施

为满足车载产品的环境适应性，主要采用的方法如下：

1)温度适应性设计：为满足设备的工作温度和贮存温度，元器件选用满足指标要求的，PCB板设计时通过热仿真优化布线，通过导热胶棉将电路板热量传导到后壳体，机箱尽量选用导热系数好的材料等措施使设备满足温度适应性；

2)低气压适应性设计：为满足设备在低气压环境正常工作，器件选用耐低气压器件，外壳选用高强度材料，对于旋转类组件采用高性能润滑脂等措施使设备在低气压状况下能够正常工作；

3)淋雨适应性设计：在设备连接处设有密封槽，壳体与面板之间加装导电橡胶条，航空接插件与壳体间加装导电橡胶垫，甚至采用一定高密度高性能润滑脂形式进行密封；

4)沙尘适应性设计：在设备密封的前提下，还应对设备表面喷涂高强度油漆，接插件等设计有保护盖；

5)振动冲击适应性设计：选择刚度合适的材料和工艺方法，通过仿真验证在满足产品振动冲击条件下尽量进行产品轻薄设计，将电路板与后壳连接在一起以增大电路板的刚性，易损元件用硅胶粘接处理，将设备内部线缆困扎在走线架上，车载设备安装时配备减震架或采用缓冲设计等方法来提高设备的抗振动冲击能力。

7 结论

根据现有“六性”理论基础和工程实践，在车载产品集成设计方案阶段开展产品“六性”设计，全面策划 “六性”设计的技术路线，并根据设计路线开展产品的设计、制造和试验验证等工作。并在全过程中对车载产品集成设计中的“六性”不断进行总结和积累，通过技术积累不断优化车载产品的设计方案和保障方案。