干货 | 如何开展通用质量特性“六性”工作?——定量指标的分析与验证

2024-01-30 14:05:48, 叶涛

前言

在GJB 9001C质量管理体系要求中对通用质量特性提出了明确的要求。通常来说通用质量特性包括了可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、环境适应性这六个方面，简称“六性”。

开展通用质量特性工作究竟包含哪些具体的项目？“六性”工作中具体的定量和定性指标又有哪些？“六性”的各项指标又如何验证呢？通用质量特性是一个系统、全面、具体的工作，本文重点对“六性”的定量指标的分析与验证进行初步论述。

概述

军工装备大多具有结构复杂、构型众多、零/部件数量庞大和设计更改周期长等特点，这对军工装备产品质量的保证与改进提出了很大的挑战。

军工装备的通用质量特性定量与定性评估，对于军工装备研制企业和军方都非常重要。装备通用质量特性评估方法各有侧重，如GJB 9001C侧重从质量管理体系进行评估，产品使用方侧重从试验运行质量进行评估。无论哪种评估方法，都是以通用质量特性定量及定性指标做为参照以判定是否满足要求。

本文基于军工装备的特点，目的是对通用质量特性中可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、环境适应性定量及定性指标进行分析梳理，提出相应的定量指标及定性要求，明确定量指标的适用范围及验证时机，并最终形成军工装备通用质量特性定量要求分析研究报告及工作项目要求分析报告。

“六性”工作参考的相关标准和术语

3.1. “六性”的相关标准

可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性、环境适应性相关国家军用标准有如下几个：

1) GJB 368装备维修性工作通用要求

2) GJB 450装备可靠性工作通用要求

3) GJB 451可靠性维修性保障性术语

4) GJB 900装备安全性工作通用要求

5) GJB 1405A 装备质量管理术语

6) GJB 1909装备可靠性维修性保障性要求论证

7) GJB 2547装备测试性工作通用要求

8) GJB 3872装备综合保障通用要求

9) GJB 4279装备环境工程通用要求

3.2. “六性”的相关术语

🔺可靠性（2.32 reliability GJB 1405A）——产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

🔺维修性（2.33 maintainability GJB 1405A）——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。

🔺 保障性（2.35 supportability GJB 1405A）——装备的设计特性和计划的保障资源满足平时战备和战时使用要求的能力。

🔺测试性（3.1 GJB 2547）——产品能及时准确地确定其状态（工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种设计特性。

🔺安全性（2.34 safety GJB 1405A）——不导致人员伤亡、危害健康及环境，不给设备或财产造成破坏或损失的能力。

🔺环境适应性（3.2 GJB 4239）——装备（产品）在其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能和性能和（或）不被破坏的能力，是装备（产品）的重要质量特性之一。

🔺质量的定义：一组固有特性满足要求的程度。

“六性”定量要求分析与验证

4.1. 可靠性定量指标

4.1.1. 指标名称

根据不同装备的研制及使用阶段的特点以及用户关注的特性，梳理出重要的可靠性定量指标如下：

1)平均故障间隔时间（MTBF）：可修复产品的一种基本可靠性参数，其定义为在规定的条件下规定的时间内，产品寿命单位总数与故障总次数之比。

2)平均致命故障间隔时间（MTBCF）：与任务有关的一种可靠性参数，其定义为在规定的一系列任务剖面中，产品任务总时间与致命故障总数之比。

3)总寿命（SLL）：在规定条件下，产品从开始使用到报废的寿命单位数。

4)首翻期（TTFO）：在规定条件下，产品从开始使用到首次大修的寿命单位数。

5)翻修间隔期限（TBO）：在规定条件下，产品从开始使用到报废的寿命单位数与翻修次数的比值。

4.1.2. 适用范围

可靠性定量指标的适用范围见下表1。

4.1.3. 验证阶段及方法

军工装备的可靠性定量指标应采用可靠性预计、内场试验和外场试验或验证相结合的办法进行考核。按照国际惯例，可靠性指标的考核只考核其最低可接受值。

a)可靠性预计

在军工装备方案阶段及详细设计阶段，可根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》对整机、分系统及部件的MTBF值进行预计，以评估当前阶段的设计是否满足可靠性指标定量要求，并找出设计中的可靠性薄弱环节，采取必要的改进措施。

b)外场验证

据以往的经验，军工装备整机、核心部件、功能系统以及因受条件限制不能在内场进行试验的设备的可靠性指标均宜采用相关标准规定的“外场验证”方法进行考核，一般应在设计定型以后部队试用2～4年内完成（具体时间可在型号的《验证大纲》中规定）。外场验证的主要原则如下：

1)应在部队的真实使用环境和保障条件下结合部队的试用进行验证；

2)验证前，使用方和研制方共同制定详细的验证大纲或验证计划；

3)应建立验证的组织机构，包括领导小组和验证工作小组，领导小组负责可靠性外场验证过程中的领导工作，验证作小组负责可靠性外场验证的组织实施工作；

4)验证应使用计定型后并经过一定时间的试用且基本剔除了早期故障的军工装备，验证的样本数、累计运行时间、单机累计运行时间均应有相关规定。

c)可靠性鉴定试验

军工装备采用设计定型前完成可靠性鉴定试验的办法考核，见下表2。

d)可靠性验收试验

军工装备交付前的试验既是供方的产品调整试验，也是需方的产品验收试验。调整试验虽然也能初步检查军工装备整体的可靠性状况，但无法取得需方满意的置信度。因此，需方有可能在具备试验条件的情况下对批生产的重要设备进行可靠性验收试验。

e)寿命及翻修期验证

考虑到军工装备一般均可更换，因此军工装备使用寿命一般指机体结构寿命，有两个主要指标：一是着眼于实际使用载荷作用下的疲劳寿命，二是着眼于腐蚀介质环境作用下的材料寿命。目前，确定整机寿命的方法主要是经验法。国内主要根据军工装备自然淘汰的统计和部分装备的实践、大修的经历来确定总寿命和翻修间隔。针对电子设备，可采用加速寿命试验的方式确定部件寿命，从而对部件更换周期进行评估。

4.2.维修性定量指标

4.2.1. 指标名称

根据军工装备研制及使用阶段的特点以及用户关注的特性，梳理维修性定量指标如下：

1)平均修复时间（MTTR）：产品维修性的一种基本参数，其定义为在规定的条件下和规定的期间内，产品在规定的维修级别上，修复性维修总时间与该级别上被修复产品的故障总数之比。

2)最大修复时间（MTR）：产品达到规定维修度所需的修复时间。

3)重要部件更换时间（MCRT）：在规定的条件下，为接近、拆卸和检查重要部件（如发动机、螺旋桨、减速器等）并使其达到可使用状态所需的时间。

4.2.2. 适用范围

维修性定量指标的适用范围见下表3。

4.2.3. 验证阶段及方法

军工装备整机、核心部件、功能系统以及电子设备的维修性指标均宜采用相关标准规定的“外场验证”办法进行考核，一般应在设计定型以后部队试用2-4年内完成（具体时间可在型号的《验证大纲》中规定）。外场验证应遵循的原则同可靠性验证。

a) 维修性预计

在军工装备方案阶段及详细设计阶段，可根据GJB/Z 57-94《维修性分配与预计手册》对整机、分系统及部件的MTTR值进行预计，以评估当前阶段的设计是否满足维修性指标定量要求，并找出设计中的可靠性薄弱环节，采取必要的改进措施。

b) MTTR验证(基层级)

系统级设备的MTTR（平均修复时间）验证样本量宜按故障发生的实际次数统计，但一般不应少于50次。如果统计的故障次数太少，可以考虑适当设置模拟故障。如果规定采用固定样本量进行维修性验证，则应采用按比例分层抽样法确定外场可更换单元的维修作业样本量，其模型如下：

式中：

N_i ——第i个外场可更换单元的维修作业样本量；

N——系统或设备的维修作业样本量；

C_Pi——第i个外场可更换单元的故障分摊率，由下式决定

式中：

λ_i——第i个外场可更换单元的故障率，1/h；

k——系统或设备所含可更换单元总数。

c) 整机的维修性验证（基层级）

军工装备整机的维修性验证宜与整机可靠性外场验证同步进行。一般说来，统计可靠性外场验证期间的自然故障和维修作业时间，能基本满足整机的维修作业样本量要求。

4.3. 测试性定量指标

4.3.1. 指标名称

根据军工装备研制及使用阶段的特点及用户关注的特性，梳理测试性定量指标如下：

1) 故障检测率（FDR）：用规定的方法正确检测到的故障数与故障总数之比，用百分数表示。

2) 故障隔离率（FIR）：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检测到的故障数之比，用百分数表示。

3) 虚警率（FAR）：在规定的期间内发生的虚警数与同一期间内故障指示总数之比，用百分数表示。

4.3.2. 适用范围

测试性定量指标的适用范围见下表4。

4.3.3. 验证阶段及方法

根据军工装备的特点及复杂性，对不同层次的产品，其测试性验证的类型和时机也不同，测试性验证包括测试性演示和测试性评定。

测试性演示(Testability Demonstration)这是在设计定型或生产定型时，或在试验期间所进行的测试性验证，以判定产品是否达到规定的测试性要求。测试性演示应在尽量模拟实际使用的测试环境中进行。它一般以承制方为主，订购方审查演示方案并参加演示过程。对于整机及系统级的测试性要求应在试验过程中利用样机进行外场验证；对于设备或LRU 级的测试性要求在野战级进行验证，它在工程样机上通过在模拟实际使用环境下对被测单元注入故障进行验证。

测试性评定(Testability Evaluation)这是在使用阶段，通过获取外场数据进行统计分析来评价产品的测试性是否达到规定的目标值要求。这是由订购方完成的工作，对外场维修级别的测试性要求进行评价。BIT的虚警率要求通常在投入外场使用后进行评定。

由于测试性与维修性、可靠性及性能密切相关，因此，测试性验证可与维修性验证、可靠性试验和性能试验相结合，取得可用于测试性评估的数据，以避免不必要的重复工作，特别是与维修性验证通常结合在一起进行。但是，这种结合一般只是在某些项目上结合，它不能取代测试性验证试验。为了进行测试性验证，必须制定测试性验证计划、规定验证要求，对测试性试验数据进行分析和评估。

a) 故障检测率和故障隔离率的验证

本节介绍一种常用的测试性验证方法——列表法。它通过注入故障进行验证，通常用于验证机载系统或设备的故障检测率r_FD和故障隔离率r_FI。

故障注入可以通过引入有故障的元器件，或使引线开路、元器件短路，或使被测单元失调等方法来实现。模拟故障样本的选择及分配可按GJB 2072-94的附录B或美国军标MIL-STD-471A的A10.4、A10.5的规定实施。对每个模拟故障应进行分析，以确定它是否能真实反映产品的故障。同时，还应对每个模拟故障进行分析，以确定产品的BIT、外部测试设备或人工测试完成外场级故障隔离的模糊度以及野战级、后方级故障隔离的模糊度，并把上述分析结果填入产品测试性验证及评定表，如表5所示。

根据表 5 中列出的信息，可以分别计算故障检测率 r_FD和 BIT、外部测试设备和人工测试的故障隔离率（r_FI）在外场级、野战级和后方级的观测值，验证这些测试性参数值是否满足规定要求。计算故障检测率公式：

式中：

r_FD——故障检测率；

N_FD——检测出的故障数；

N——模拟故障总数。计算故障隔离率公式：

式中：

r_FIBL——BIT 故障隔离率（模糊度≤L）；

r_FIEL——外部测试设备故障隔离率（模糊度≤L）；

r_FIML——人工测试故障隔离率（模糊度≤L）；

n_B——BIT 隔离的故障数；

n_M——人工测试隔离的故障数；

N_FD——被检测出的故障数，等于N_B、N_E、N_M三者之和。

b) 虚警率的验证

由于影响虚警率的因素很多，外场使用的虚警率远高于试验验证值。因此，虚警率的验证一般均在外场试验期间或者在装备投入服役后验证。此外，还可利用可靠性试验、性能试验得出的虚警数据对虚警率进行验证。

下面介绍一种近似的验证方法。它基于虚警率定义为每24工作小时内虚警数的平均值。

1) 确定验证试验中设备的累积工作时间T，它包括性能试验与可靠性试验时间，当要求在使用试验结束前结束试验验证时，虚警率验证应在承制方的可靠性试验完了时结束。

1) 计算期望的虚警数N_F：

式中：N_FS——规定虚警数的平均值(按每24小时设备工作时间计算)；

T——被测单元的累积工作时间。

2) 利用下式验证是否满足规定要求：

式中：N_FA—试验取得的虚警数观测值。

4.4.保障性定量指标

4.4.1. 指标名称

根据军工装备研制及使用阶段的特点及用户关注的特性，梳理保障性定量指标如下：

1) 使用可用度（A_O）：与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数，其定义为产品的能工作时间与能工作时间、不能工作时间的和之比。

2) 固有可用度（A₁）：仅与工作时间和修复性维修时间有关的一种可用性参数，其定义为产品的平均故障间隔时间与平均故障间隔时间和平均修复时间的和之比。

3) 任务前准备时间（STTM）：为使装备进入任务状态所需的准备时间，通常包括战备装备的启封、检修等时间。它是保障时间的组成部分。

4) 装备完好率（MRR）：能够随时执行任务的完好装备数与实有装备数之比，通常用百分数表示。主要用以衡量装备的技术现状和管理水平，以及装备对作战、训练、执勤的可能保障程度。

5) 能执行任务率（MCR）：装备在规定的期间内至少能够执行一项规定任务的时间与其由作战部队控制下的总时间之比。它为能执行全部任务率与能执行部分任务率之和。

6) 利用率（UR）：装备在规定的日历期间内所使用的平均寿命单位数或执行的平均任务次数，如飞机的出动架次率。

4.4.2. 适用范围

保障性定量指标的适用范围见下表6。

4.4.3.验证阶段及方法

a) 验证阶段

保障性试验与评价贯穿于型号的整个寿命期，在不同阶段有不同的重点和目标。保障性试验与评价的总目标是：

1) 提供在预计的战争状态下装备系统保障性的保证；

2) 检查所开发的系统保障是否有能力达到既定的系统战备完好性水平；

3) 检查系统战备完好性目标是否能在使用期内平时和战时使用率下实现。

为了充分利用有限的资源，应在产品总的试验与评价大纲中充分考虑综合后勤保障的有关内容，充分利用其他试验工作的结果实现上述目标。

试验与评价分为两大类型，即研制试验与评价、使用试验与评价。

表 7 给出了在各个不同阶段的研制试验与评价、使用试验与评价工作中的产品综合保障目标。

由上表可见，研制试验与评价主要是一些工程试验，利用这些工程试验的结果来找出问题及解决问题的方法，通过设计手段来真正解决这些问题，从而使得装备的保障性得以提高，使得保障系统的效能有所提高，使装备与其保障系统能相互匹配。

研制试验与评价工作主要在模拟环境下进行，其大多数工作是由承制方负责完成的。

使用试验与评价主要是一些统计试验，利用这些统计试验来评价装备所达到的保障性水平，评价保障系统的效能，找出保障性水平与要求存在的差距，或验证装备系统已经达到了规定的战备完好性要求和保障性要求。

使用试验与评价工作通常由独立于订购方和承制方的第三方来进行，一般在外场实际环境中进行。

b) 试验方法

应根据不同的目的选择适当的试验方法：

1) 在只有原理或试验型样机时，主要目标是评价原理的正确性、寻找各种设计缺陷以便找出纠正措施时，应采用实验室试验方式；

2) 在评价装备的保障性水平和保障系统的效能时，采用外场环境下进行试验。

c) 评价方法

应根据不同的目的选择不同的评价方法，评价可分为定性评价和定量评价两种。

当主要目的是寻找设计缺陷时，一般应采用定性评价方法；找出设计所存在的缺陷，并对造成缺陷的原因进行认真细致的分析，从而找出消除这些缺陷的方法。

当主要目的是评价装备的保障性水平和保障系统的效能时，则要采用定量评价方法，指出装备现有的保障性水平和保障系统的效能，指出是否已经满足了规定的要求，指出与要求之间存在的差距。

4.5.安全性定量指标

4.5.1. 指标名称

根据军工装备研制及使用阶段的特点及用户关注的特性，梳理安全性定量指标如下：

1) 发生灾难的事件概率（P_Ⅰ）：军工装备发生灾难性故障导致坠毁或空中解体的概率，一般要求＜1×10^-9。

2) 发生严重的事件概率（P_Ⅱ）：军工装备发生严重故障导致飞机遭到严重损坏（如发动机失效等），可能导致坠毁，一般要求＜1×10^-7。

3) 绝缘电阻：绝缘物在规定条件下的直流电阻，是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标，一般要求＞500MΩ。

4) 泄漏电流：在没有故障的情况下，流入大地或电路中外部导电部分的电流，一般要求＜2mA。

4.5.2. 适用范围

安全性定量指标的适用范围见下表8。

4.5.3. 验证阶段及方法

军工装备在论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、生产定型阶段及使用阶段均需开展相关的验证工作。主要如下：

1) 论证阶段根据相似产品的经验，并考虑新研制产品的特点对安全性要求进行验证与评估，保证安全性要求的正确与完整，并且在技术上是可验证的。通过验证决定在产品寿命周期中可能要放弃的某些安全性要求，最终确定安全性的验证要求，形成安全性验证要求文件；

2) 方案阶段主要的安全性验证工作是对安全性工作计划进行评审验证，参与军工装备方案设计、关键技术攻关和新部件、分系统的试制与试验，结合模型样机或原理样机的研制进行安全性试验验证，确定安全性要求是否合理，确保安全性关键技术已解决，安全性工作计划切实可行；

3) 工程研制阶段主要的安全性验证工作首先是对安全性工作计划进行评审，如果某个产品有多个转承制方，通常应有综合的安全性工作计划，以协调各转承制方和承制方的安全性工作。其次对设计进行安全性评审，以确保已经满足安全性要求，并保证已经消除或控制了以前识别出的危险；然后对所有试验进行评审，以确保不会引入新的危险；最后将本阶段中进行的安全性验证工作记录成文；

4) 生产定型阶段安全性验证工作的主要目的是验证是否按批准的规范和设计文件生产满足安全性要求的产品。在该阶段必须对生产过程进行安全性控制和检查，评审所提出的各种工程建议对安全性的影响；

5) 在使用阶段使用方要做的安全性验证工作主要是定期进行安全性评审，确定已发现问题的范围（是否在所有的现役系统中都存在）和发生的频率；同时对系统进行监控，以确定设计和使用、维修以及应急规程是否恰当。

a) 部件安全性验证

部件安全性试验应在部件设计阶段开展，或由部件供应商自行开展并提交相关测试报告。部件安全性试验项目包括但不限于绝缘电阻、泄漏电流、介电强度、过压欠压保护等。部件安全性试验方法应参考相关产品的设计规范或标准，如飞机电气系统中用电设备应依据GJB 181B-2012《飞机供电特性》中规定的要求开展安全性验证工作。

b) 整机安全性验证

针对特定损失事件或事故后果发生的概率（或频率）提出的定量要求，为明确并在工程中落实安全性定量要求，通常需要依据一定规则建立工程模型，即概率安全性模型，而对此类安全性目标的验证活动，通常可采用概率风险评价（PRA）或故障树分析（FTA）方法。

概率风险评价（PRA）是最有代表性的量化安全性评价方法之一，它是一种识别与评估复杂系统风险的结构化、集成化的逻辑分析方法，综合运用事件树、故障树等方法构建出风险事件链模型，集成工程各类定性和定量信息（如试验数据、现场数据、专家判断等）进行模型量化与不确定性分析，从而合理地预测系统的风险水平，分析影响风险的关键因素，为复杂系统寿命周期内的风险管理提供决策支持。通过构建系统概率安全性模型，实施定性或定量分析，识别系统的薄弱环节，评价系统的安全性水平，支持系统全寿命周期的改进和工程决策。概率风险评价主要适用于大型复杂系统，如飞机等。概率风险评价可以在研制不同阶段开展。在不同阶段实施，重点不同。研制和使用不同阶段PRA实施重点见表9。

故障树分析（FTA）以一个不希望的故障事件（或灾难性的危险）即顶事件作为分析的目标，通过自上向下的严格按层次的故障因果逻辑分析，逐层找出故障事件的必要而充分的直接原因，最终找出导致顶事件发生的所有原因和原因组合。

在具备基础数据时计算出顶事件发生概率和底事件重要度定量指标。利用FTA 进行安全性量化评估时，将安全性概率指标要求的逆事件作为顶事件进行故障树建模，逐级进行分解，获取层次产品故障数据后，量化评估安全性概率指标是否得到满足。FTA 的基本步骤如图1所示。

图1 FTA基本步骤

4.6.环境适应性定量指标

4.6.1. 指标名称

根据军工装备研制及使用阶段的特点及用户关注的特性，常见的环境适应性定量指标如下：

1) 低气压（高度）试验；

2) 高温试验；

3) 低温试验；

4) 温度冲击试验；

5) 太阳辐射试验；

6) 淋雨试验；

7) 湿热试验；

8) 冲击试验；

9) 振动试验；

4.6.2. 适用范围

环境适应性定量指标的适用范围见下表10。

4.6.3. 验证阶段及方法

a) 工程研制阶段

在军工装备工程研制阶段，为验证设计措施的有效性，需要开展大量的研制试验，包括环境摸底试验、可靠性强化试验等。

环境摸底试验可能需要反复做，在本阶段是例行试验。例行试验是预防性试验，可以在流程中发现可能存在的性能指标或质量方面的问题，从而加以纠正。例行试验的报告或记录也是用作进行产品开发、制造和交付管理中的可追溯的重要信息。例行试验通常是选择最关键的和必不可少的指标来进行测试，而不一定会验证战技指标要求的所有项目。环境摸底试验对象一般为部件，目的是在部件设计阶段尽早发现设计中的环境适应性薄弱环境，采取纠正措施，提高部件的可靠性。

b) 生产定型阶段

在军工装备鉴定阶段需要开展完成环境鉴定试验。鉴定试验需在用户单位代表的参与下完成，以验证环境适应性是否达到鉴定要求，是否满足用户的使用需求。环境鉴定试验应优先在独立于订购方和承制方的第三方实验室进行，承担环境鉴定试验的单位应通过资格认证和计量认证。

环境鉴定试验主要注意要点如下：

1) 为检测被试品防护装置的有效性，应确保服役中使用的插头、外罩和检测板处在便于测试的位置，且在操作时处于正常（防护或未加防护）方式；

2) 在被试品上的正常电气连接和机械连接，若试验中不需要（例如试件不工作），则用模拟接头（按现场/载体使用进行连接和防护）代替，以确保试验真实；

3) 若被试品包括数个具有完整功能的独立单元，则可对各单元分别进行试验。若对各单元一并进行试验，且机械、电气和射频连接接口允许时，则各单元间及单元与试验箱内壁间至少应保持150mm的距离，以确保空气能正常循环；

4) 进行振动、冲击试验时，将专用夹具刚性固定在振动台附加台面上，然后将被试品按实际使用状态和规定轴向安装在专用夹具上。在夹具与被试品连接位置附近安装控制用传感器，振动试验采用多点平均控制方式，冲击试验采用单点控制方式；

5) 试验前、中、后测试均应在质量工程师、第三方测试机构人员的监督下进行，所有试验记录需由用户单位代表确认。

c) 试验项目及方法

环境摸底试验一般只需开展高低温、湿热试验即可，而转阶段环境试验及环境鉴定试验则应考虑到整机、分系统及部件在各种环境条件下的适应性，因此试验项目较多，其试验项目、要求及试验顺序见下表11。