装备通用质量特性关系概述

0 引言

武器装备通用质量特性主要由“六性”（可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性）组成，是在论证中提出，设计中落实，生产中实现，使用中发挥和提高的。由此可见，六性工作覆盖了武器装备全寿命周期过程，此外装备六性是否满足使用需求，将直接影响装备效能的发挥，也是关系到军事装备能否形成和保持战斗力的重要因素，关乎战争胜负、官兵生死存亡。如今，虽然六性技术随着各方面重视程度的不断提高而稳步提升，但是六性工作仍然存在诸多问题，如广受工程界诟病的“两张皮”现象、六性设计各自为政，缺乏相互关联等等，而其中六性之间的相互关联问题虽然有不少文献简要提及，但是学术界还没有对此做出系统性概述或者深入研究，从量化和非量化两个角度，针对该问题进行了广泛的调研，旨在理清装备研制中六性之间的相互关系，为后续六性参数之间的优化设计以及六性协同工作提供参考。

1 通用质量特性概况1.1 基本概念与内涵（1）装备质量定义
质量的定义是一组固有特性满足要求的程度，即用户需求的满意程度。现代质量观认为，质量特性包括了产品的专用特性、通用特性、经济性、时间性、适应性等方面。对于武器装备而言，可把这些特性分为专用特性和通用特性，专用特性是反映不同武器装备类别和自身特点的个性特征；通用特性则描述了武器装备保持规定功能和性能指标要求的能力，反映了不同武器装备均应具有的共性特征。（2）通用质量特性定义
如前所述，通用质量特性是武器装备的固有质量属性，表1列举了各个特性的国军标定义。

从定义上很难看出六性与故障的关系，六性工作围绕故障而展开，它们之间的关系如图1所示。

可靠性赋予了装备是否容易发生故障的属性，目标是少出故障；测试性赋予了装备便于确定有无故障和何处发生了故障的特性，即定位故障；维修性赋予了装备便于进行预防性维修和修复性维修的特性，目标是处理故障；保障性保证出现故障时可以快速供应；安全性旨在出现故障以后降低风险；环境适应性是可靠性发挥的保证，旨在发挥效能。

1.2 工作目的与特点
（1）工作目的

开展武器装备六性工作目的是提高武器装备，的战备完好性、任务成功性，降低维修人力费用和后勤保障费用。六性指标与装备性能指标同等重要，是保证装备战术技术性能有效发挥的一组通用的非功能特性指标，对装备的作战能力、生存能力、部署机动性和维修保障费用产生重要影响。提高装备六性指标要求有助于保持良好的装备完好率和出动率，从而提高装备作战能力，增强战场生存能力，降低使用保障费用。

（2）特点

国内外各类军工单位均有开展装备通用质量特性工作，通常技术越发达重视程度越高，从目前该领域在国内的发展来看，主要有以下三大特点：一是通用质量特性工作覆盖装备的全寿命周期过程，即不仅要关注装备的“优生”问题，还要关注“优育”问题；二是通用质量特性工作要靠军用标准或者相关行业标准来规范，是一项技术性、政策性很强的工作；三是通用质量特性水平的形成和提高，需要经历设计、研制、生产和试验等各个阶段，有些甚至需要以关键技术攻关和试验验证为基础。

2 通用质量特性工作简述

GJB 9001C-2017《质量管理体系要求》在 4.1.1节中规定：根据产品的特点，建立并实施可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性等通用质量特性工作过程；此外，在 8.1 节中规定：按照GJB 450、GJB 368、GJB 3872、GJB2547、GJB 900、GJB 4239以及GJB 1909等标准的要求，确定通用质量特性定性、定量要求及工作项目要求，制定通用质量特性工作计划；结合系统设计，综合权衡、分解通用质量特性定性定量要求，开展通用质量特性分析、设计、验证，提出并落实预防和改进措施。

2.1 工作流程

根据上述相关标准的规定，可以将六性工作流程概括为五个方面，即顶层要求、管理策划、设计分析、试验评价和使用改进，具体工作流程见图2。

（1）顶层要求

通常由订购方，即总体或主机单位提出六性定性和定量要求，根据不同的武器装备类型，规定的六性工作项目略有差异，但总体上一致；相比而言，六性指标要求则差异较大。一般情况下，装备的承制单位负责落实上述顶层要求。

（2）管理策划

可靠性是设计出来、生产出来、管理出来的，其它五性亦是如此。在装备全寿命周期过程中，会有不同的专业人员参与其中，各自分工明确地完成相应的六性工作，期间也会产生各种六性数据与信息，这些都需要进行管理和策划，唯有如此才能保证六性工作井然有序地开展。

（3）设计分析

六性是在设计中赋予的，具体落实还得由设计分析人员完成，六性工程师则提供方法理论与工具。一般流程主要是从建模、分配、预计和分析这四个方面进行迭代工作，之后设计人员将六性设计准则与理念融入到产品设计中去，实现六性指标要求。

（4）试验评价

六性指标在使用之前得到确认的唯一办法就是试验评价，因此开展六性试验评价工作势在必行，其目的是为了验证六性指标是否达到要求，根据各个特性自身专业特点，试验类型各有差异，试验目的以指标验证、增长为主。

（5）使用改进

装备在使用过程中，其六性水平会逐渐暴露出来，并得到相应的确认，这一阶段六性水平已经固定，提高同类产品六性水平，须针对其中以故障为核心的六性问题制定改进措施，进而达到目的。

2.2 工作问题

随着科技的发展，为了使武器装备具有更强大的功能，内部集成化程度越来越高，系统越来越复杂，由此带来的通用质量特性相关问题也越来越突出，主要如下：（1）六性设计与产品总体设计脱节；（2）六性设计各自为政，缺乏互相关联；（3）数据来源不一致，更新不及时；（4）名义上的并行工程，未涉及保障环节；（5）缺乏顶层指标；（6）六性工作不成体系，缺乏协同机制。

3 通用质量特性关系研究

3.1 参数指标关系

装备的各个通用质量特性不是独立的，并且是一组与时间相关的质量特性（quality over time），图3列举了六性主要参数。

       其中可靠性参数主要可以分为四类：基本可靠性参数、任务可靠性参数、耐久性参数和贮存可靠性参数；维修性参数主要可以分为三类：维修时间参数、维修工时参数和测试性诊断类参数；保障性参数，主要有表示系统战备完好性要求的使用参数；安全性参数主要有人员伤亡概率和事故概率；环境适应性参数主要是人机适应性参数。它们彼此之间存在着密切的关联，共同对装备的效能发挥产生影响，其中武器装备效能是系统可用性（战备完好）、可信性（任务成功）及固有能力的综合反映。

在装备六性指标论证初期，可靠性指标、维修性指标、保障性指标等要求都是截然分开，以致六性设计各自单独进行，后果便是设计结果相互矛盾，实际上六性参数彼此关联，六性设计可以相互权衡协调。针对这一问题，众多学者专家提出或者探讨了 RMS（可靠性维修性保障性）综合指标体系，实现 RMS 一体化综合设计，对六性参数进行权衡协调，避免各自按照单项参数要求进行设计而产生的相互矛盾。根据文献的描述，RMS 指标体系可划分为战术、技术、工程设计三个层次。

第一个层次是由RMS参数组合而成实现作战要求的战术指标，即综合参数，主要包括表达系统战备完好和任务成功的使用可用度、任务成功度（可信度）等指标；这些参数指标，既是实现作战要求，又是多参数合成，也是RMS 的顶层指标，是六性设计的出发点和最终要求。

第二个层次是RMS参数的技术指标，主要包括表征RMS各种单项能力特性的任务可靠度、基本可靠度、设备维修度、备件保障度等，这些参数指标是相应的单项参数和相应的任务时间、再次出动时间、备件补充时间的随机函数，只有将它们进行有机组合，才能成为实现作战要求的RMS参数的战术指标。

第三个层次是RMS参数的工程设计指标，它们是在工程设计中可以直接实现的，主要有平均致命故障间隔时间、平均故障间隔时间、平均修复时间、平均预防维修时间、平均维修延迟时间、平均备件延误时间等。在六性工程领域，针对特定装备的六性参数相互关系仍然缺乏系统的阐述，参数的理论模型还不完备，较为成熟的是上文提到的通用的或者普适性的RMS指标体系，虽然它们有各自的应用场景或者特定的假设，也有部分存在争议的地方，但这里不针对其数学模型进行深入探究，只是利用其现有的形式描述六性参数的量化关系，其具体的数学模型不在文中研究范围内。下面选取表示战备完好性的使用可用度和表示任务成功性的可信度、任务成功率三个 RMS顶层参数来说明RMS参数间的量化关系。

     （1）使用可用度（AO）可靠性、维修性同为保障性的设计特性，可靠性与维修性共同决定了装备的使用有可用度，也是RMS 战术参数，当任务剖面是连续工作状态时，三者之间的量化关系可用下式表达

式中，MTBCF为平均致命故障间隔时间；MTTR为平均修复时间；MLDT为平均备件延误时间；MTTPF为平均预防维修时间。由图3可知，MTBCF属于可靠性参数，MTTR和 MTTPF属于维修性参数，MLDT属于保障性参数。

由式（1）可知，可靠性、维修性和保障性三个工程设计类参数在 RMS 顶层参数或者战术参数的约束下相互关联，只有彼此相互协调才能在满足单项指标要求的同时满足顶层要求。

     （2）任务可信度根据 IEC 60050-192：2015《电工术语可信性》 第 192-01-22 条的定义，可信性是指产品需要时按要求执行的能力。它是产品与时间相关质量特性的集合，包括可靠性、维修性、保障性，在某些情况下还包括环境适应性和安全性等特性。可信性与国内通常说的通用质量特性大体上同义，也有文献将可信性用来描述任务可信性或者任务成功性，其数学模型如下

     （3）任务成功性

综上所述，从RMS参数指标体系的三个顶层参数出发，简单地描述了RMS参数间的量化关系，但是截至到目前，六性参数指标体系仍然存在许多有待研究的问题，如特定装备的指标体系如何选取顶层指标、顶层指标又需要包含哪些参数、理论模型的具体形式等。因此，六性参数间的量化关系也会随理论模型的不同而不同。此外，六性参数指标之间的量化关系不仅只有在顶层指标约束下的相互制约关系，还包括其他关系，如简单的函数关系，这种关系将在下文 4.3 节以案例的形式重点说明，此处不再赘述。

3.2 非量化关系

（1）发展历程关系

可靠性工程是为了达到产品的可靠性要求而进行的一套从管理策划到使用改进的贯穿全寿命周期的系统性工作；维修性是可靠性的一部分，由于其重要性越来越明显，因此独立分出了“维修性工程”；“保障性工程”又是从维修性工程中独立出来的；在维修过程中，重要的环节是确定产品是否出故障，哪个部位出了故障，这是测试性赋予产品的特性，于是测试性工程又从维修性工程分离出来；安全性本是可靠性的一部分，是涉及机毁人亡、要求更高的可靠性，但可靠性只研究故障发生以前直到故障发生为止的系统状态，然而故障发生为止的系统状态有可能对生命财产安全造成隐患，所以需要安全性工程发挥作用，着重研究故障发生后对系统的影响，因此安全性也独立成为了一门同可靠性同等重要的学科；可靠性工程技术于 20 世纪 50年代在美国萌芽，20世纪80年代后在我国得到了迅猛发展，而装备环境适应性问题虽然在第二次世界大战就已出现，但直到 20世纪 90年代美国、英国等国家才开始把装备环境适应性工作作为一项系统性工作，因为研究可靠性首先要确定产品是否有足够的环境适应性，环境适应性是可靠性的前提，是可靠性研究的基础，环境适应性这一概念的发展也是得益于可靠性工程在实践中的经验总结。随着武器装备研制技术的不断提高，可靠性系统工程的应用越来越广泛，并逐渐衍生出维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性这些概念，可靠性系统工程这一概念基本涉及并包括了维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性这五大通用质量特性的概念与含义。

（2）故障联接关系

可靠性着眼于减少或消灭故障，维修性着眼于以最短的时间、最低限度的保障资源及最省的费用，使产品保持或迅速恢复到良好状态；维修又依赖于测试，通过测试进行故障检测和隔离；产品在正常使用、维修、测试过程中又必须依赖于保障予以支持，要求其易于保障，产品的维修性和可靠性是保障性的重要条件，而保障性是可靠性和维修性的归宿；在实施上述过程中应少出或不出安全事故，当故障后果导致不安全时，可靠性问题就成了安全性问题，所以故障是可靠性和安全性的联接点，安全性是一种特殊的可靠性。产品的环境适应性主要取决于选用的材料、构件、元器件耐环境的能力，以及其结构设计、工艺设计时采取的耐环境措施是否完整有效，如果提高了产品耐环境能力，产品就具备了足够的耐环境裕度，也降低了产品的故障出现概率，即提高了可靠性。因此，环境适应性是可靠性的前提和基础，武器装备没有较高的环境适应性，其可靠性就失去保证。可靠性以故障频度影响维修和保障资源配备，测试性以故障检测和隔离的难易影响维修性和保障性，致命故障（可靠性）可能危及人员或财产安全，影响装备的安全性等，六性因故障而紧密相连，开展六性工作首先要理清其故障联接关系，然后相互协调权衡，才不至于出现相互矛盾的结果。如果只是片面强调可靠性，而忽略了测试性、维修性和保障性，很可能出现不轻易发生故障，一旦发生故障，就难以定位故障、维修困难或维修备件不足等情况；反之，片面强调维修性，不注重可靠性，会造成装备经常发生故障的局面，尽管容易维修，但会严重影响装备正常执行任务。

（3）协同工作关系

六性工作之间有复杂的衔接关系，需要有良好的协同机制才能实现。例如可靠性的设计结果会传递给维修性和测试性设计过程，维修性和测试性设计的结果会传递给后续的保障性设计过程，可靠性设计分析工作中的 FMECA分析结果是测试性设计的输入，测试性设计结果又影响维修性设计等。六性工作从管理策划到使用改进的全寿命周期过程中，无论是设计分析，还是试验评价都存在着协同关系。因此，开展六性与性能综合设计、同步设计、并行设计，将六性预测、分析发现的设计缺陷以及有效的预防措施及时反馈到设计师系统，改进有缺陷的设计，才能提高产品的六性水平。GJB 450A-2004 、GJB 368B-2009、GJB 2547A-2012分别在其4.4节指出：可靠性、维修性、测试性工作应与其他相关工作协调，并尽可能结合进行，减少重复；GJB 3872-99 4.7 节指出：综合保障与可靠性维修性等专业工程，同时为降低寿命周期费用、满足系统战备完好性要求而开展的，具有不同任务、不 同 工 作 内 涵 且 密 切 相 关 的 工 程 领 域 ；GJB900A-2012 4.5 节指出：应按 GJB450、GJB 368、GJB2547、GJB 3872协调安全性工作与其他工作。上述六性工作标准均指出六性工作需要协同进行，但是相关工作项目的输入输出关系和接口关系并不明确，此外，环境适应性尽管从设计的角度与其他五性密切关联，但其工作项目较其他五性而言相对独立，图 4 描述了六性工作中一些主要工作项目的协同关系。

（4）内在因果关系

如前所述，通用质量特性参数指标在顶层战术指标约束下彼此关联，因此在指标选取时应综合权衡分析，这种关系可以定义为通用质量特性在外部因素约束下的外在关系，通用质量特性还存在着不受外部因素约束的内在联系，如在提高测试性参数指标时，会增加 BIT电路，与此同时，由于元器件的增多导致电子设备基本可靠性的下降，这是测试性与可靠性之间一种内在的相互制约关系；另外，测试性水平的提高，出现故障后便于进行检测隔离，进一步缩短维修时间，间接促进了维修性水平的提升，这又是一种促进关系。文中所指的内在因果关系主要是六性参数之间的相互制约关系和促进关系。

4 通用质量特性关系案例说明

4.1 工程背景

      随着军用光电侦测技术的不断进步，陆、海、 空、天传感器网络化技术的不断发展，低空、舰空、空空武器光电精确制导能力的不断提高，各种军用平台面临日趋严重的光电威胁，在现代和未来的战场上，面对来自陆、海、空、天的各种光电威胁，光电对抗成为克敌制胜的一种有效手段，世界各主要军事大国积极投入研制光电对抗装备，使光电对抗技术和装备成为电子战系统发展最快的领域，同时通用质量特性工作在光电对抗领域也得以广泛开展。以某型机载平台光电对抗装备为例，选取其通用质量特性工作过程中的典型工作项目，分别为可靠性预计、故障模式影响及危害性分析（FMECA）和测试性建模预计，从量化和非量化两个角度，就其相互关系展开说明。首先，该型装备定义为外场可更 换 单 元（LRU），主 要 由 四 个 内 场 可 更 换 单 元（SRU）组成；其次，在充分分析设备组成和功能原理的基础上，开展上述通用质量特性工作，工作结果在4.2节说明。

4.2 工作结果

（1）可靠性预计相关结果经分析该型设备基本可靠性模型为串联模型，如图5所示。

在充分掌握该型设备功能原理和 FMECA 数据的基础上，利用商业测试性建模软件构建出该型设备基于故障-信号-测试（F-S-T）之间的交联关系，即测试性模型，如图6所示。

测试性建模预计的目标旨在通过多信号流图模型预计光电对抗设备的故障检测率（FDR）和故障隔离率（FIR）。对于故障检测率来说，用于预计的定量数学模型可表示为

对于故障隔离率来说，用于预计的定量数学模型为

4.3 实际案例中的六性关系阐释

（1）量化关系

在光电对抗装备可靠性设计过程中，硬件设计人员根据国军标和技术协议相关要求采取一系列措施提升电子设备的可靠性水平，比较常见的措施有元器件应力筛选、优选元器件、简化设计等，故障发生的概率变小，在一定程度上会影响测试性水平，这种影响取决于可靠性与测试性之间的量化关系表达式，即 4.2节中给出的故障检测率和故障隔离率的数学模型，从中可以清晰地看到，测试性参数与可靠性参数之间存在着某种简单的函数关系，这种关系的核心是由已知量来求未知量，对于测试性指标数学模型，其中未知量是故障检测率和故障隔离率，已知量则是可靠性参数指标故障率，二者之间并非具有严格函数表达式的量化关系也可以归为六性参数指标关系。

（2）协同关系

上述实际工程案例体现了可靠性工作与测试性工作的协同关系，首先可靠性预计工作为FMECA提供故障率数据，其次 FMECA又是测试性建模的输入，图 4 很好地描述了三者之间的协同关系。在工程实际操作中，也遵照这种协同关系有序开展相关工作，FMECA表格中故障率数据来源通常是可靠性预计、工程统计等，在缺乏产品故障数据的情况下，可靠性预计不乏为一种获取手段，此外在开展测试性建模过程中需要从 FMECA 表格中获取故障、信号和测试之间的关系，据此建立基于多信号流图模型的交联关系，为测试性指标的定量预计建立图示化模型。

（3）制约关系

在该型光电对抗装备通用质量特性设计过程中，为提高测试性水平，达到要求的测试性指标，硬件设计人员在完成电路功能设计的同时设置了BIT电路，增加电路的不稳定性，降低设备的基本可靠性水平。这也是测试性与可靠性在设计过程中相互制约关系的体现，是一种反相关的关系，不同于上文提到的函数关系，就可靠性故障率之于测试性故障检测率和隔离率来说，它是一种正相关的函数关系，即故障率越低，可靠性越好，测试性水平越高。

5 总结与建议

通用质量特性的目标是提升装备的战备完好性和任务成功性，最大限度地发挥其效能。只有将通用质量特性综合一体化设计，并作为影响装备效能的因素整体考虑，才能达到预期的效能目标。因此，理清装备通用质量特性之间的相互关系，做好装备通用质量特性之间的权衡协调至关重要。目前，虽然有不少通用质量特性顶层指标体系方面的研究，但各种理论模型还不完善，距离应用还有很长一段距离。日后该方向有待进一步研究，现阶段基于前文通用质量特性相互关系的概述，给出通用质量特性工作的一些建议，具体有以下两方面：其一是加强六性指标综合一体化设计，六性参数选择和指标确定必须是一体化的、协调的，建议运用系统工程和军事运筹学等理论方法，以多指标综合优化设计技术、风险分析和费用管理评估为基础，以战备完好和任务成功为六性指标体系优化论证目标函数，以装备研制全寿命周期费用为约束条件，建立装备六性一体化论证数学模型，实现装备六性指标体系的优化设计；其二是在六性指标要求下，实现六性工作的协同并行，明确输入输出关系、接口关系等。