吳慧倫, 柴 霖, 李 威

(中國西南電子技術(shù)研究所, 成都 610036)

1 引言

空間站有效載荷以軟件定義為設(shè)計理念,采用綜合化方式實現(xiàn),可滿足對地觀測、信息傳輸?shù)榷囝I(lǐng)域的應(yīng)用[1],是典型的高難度、高風(fēng)險、高價值、小子樣產(chǎn)品,確保長期使用的安全性、可靠性至關(guān)重要[2]。在空間站有效載荷的研制過程中,通用質(zhì)量特性(包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等,簡稱六性[3])指標(biāo),可直接衡量其實際使用效能,是技術(shù)風(fēng)險控制的重點,必須全面開展設(shè)計、分析并通過考核和驗證。

通用質(zhì)量特性設(shè)計工作項目繁多,在傳統(tǒng)設(shè)計模式中,設(shè)計師通常開展單項技術(shù)的分散式設(shè)計,造成工作片面、效果不理想等困境,無法適應(yīng)空間站有效載荷技術(shù)體制新、功能性能指標(biāo)要求高、研制進(jìn)度緊張、各方面交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的現(xiàn)實需求。近年來,隨著信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,采用協(xié)同設(shè)計已成為發(fā)展趨勢:馬曉東等[3]對基于知識的裝備通用質(zhì)量特性協(xié)同工作平臺設(shè)計給出了整體建設(shè)方案;文洋、張劍偉等[4-5]以六性協(xié)同工作平臺CARMES 作為構(gòu)建裝備通用質(zhì)量特性仿真環(huán)境的有效支撐平臺,為裝備通用質(zhì)量特性指標(biāo)的落實提供了積極的解決手段;王淑華等[6]開展了基于機(jī)載產(chǎn)品的通用質(zhì)量平臺建設(shè),實現(xiàn)了可靠性、維修性、測試性、安全性分析工作的工具化和規(guī)范化;李嬌等[7]開展了基于MBSE 的通用質(zhì)量特性建模分析技術(shù)研究,實現(xiàn)了某直升機(jī)飛控系統(tǒng)的可靠性、安全性、測試性一體化設(shè)計分析。但是,目前尚無系統(tǒng)的、全流程的通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計應(yīng)用的研究案例。

本文總結(jié)了空間站有效載荷在研制流程中基于信息共享的協(xié)同設(shè)計理念進(jìn)行工程實踐,明確了通用質(zhì)量特性設(shè)計在工程設(shè)計中的主動作用,促進(jìn)了星載大型載荷由傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計向全流程數(shù)字化設(shè)計轉(zhuǎn)變。

2 通用質(zhì)量特性要求及設(shè)計難點

空間站有效載荷要求必須具備高安全性、可靠性、穩(wěn)定性和良好的環(huán)境適應(yīng)性,通用質(zhì)量特性要求主要有:①消除和控制能夠?qū)教靻T和空間站平臺造成傷害的危險因素,保證航天員安全和空間站平臺安全;②能滿足長期空間環(huán)境使用要求,在軌使用壽命不少于10 年;③具備在軌維修能力,并盡可能降低設(shè)備的復(fù)雜程度和保障難度。

通用質(zhì)量特性既包含了傳統(tǒng)工程技術(shù)所考慮的功能、性能和各種物理性質(zhì),更從設(shè)計、管控、操作和應(yīng)用方面關(guān)注了產(chǎn)品所具備的技術(shù)屬性[8]。通用質(zhì)量特性設(shè)計包含具有不同工作目的、不同工作任務(wù)卻緊密關(guān)聯(lián)、彼此相關(guān)的一系列工作,例如:確定要求、分配指標(biāo)、預(yù)計指標(biāo)、設(shè)計、分析、建模、試驗、仿真、評價等。通常,按照一系列標(biāo)準(zhǔn)(包括GJB 450、GJB 368、GJB 3872、GJB 1371、GJB 2547、GJB 900、GJB 4239 等)或規(guī)范的要求開展工作,并在整個研發(fā)設(shè)計階段反復(fù)迭代實施這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工作項目,通過不斷深化工作,達(dá)到提高設(shè)計質(zhì)量的目的。這些工作項目之間有復(fù)雜的銜接關(guān)系(圖1),需要有良好的協(xié)同機(jī)制才能實現(xiàn)[9-10]。

圖1 通用質(zhì)量特性設(shè)計主要工作項目關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of main work items of general quality characteristics

空間站有效載荷任務(wù)剖面多樣,使用環(huán)境條件復(fù)雜,技術(shù)體制新,功能高度綜合,在軌可更換單元(Qrbital Replaceable Unit,ORU)類型多樣,包括機(jī)械、機(jī)電、電子、光電、電化學(xué)等。單套載荷的ORU 數(shù)量可達(dá)百余套。面對研制難度大、周期短,研制隊伍年輕等制約因素[2],采用傳統(tǒng)設(shè)計方式,使用獨立、串行的工作模式,需要大量設(shè)計師對繁多的設(shè)計資料進(jìn)行梳理和解讀,工作量巨大,占用科研生產(chǎn)周期長,工作進(jìn)度勢必遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于功能性能設(shè)計,不僅難以快速實現(xiàn)工程需求,而且會導(dǎo)致有效載荷設(shè)計風(fēng)險失控,最終造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[11-12]。

3 通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計方法

面對全壽命周期內(nèi)保持高可靠性的要求和設(shè)計經(jīng)驗匱乏等諸多制約因素,空間站有效載荷在通用質(zhì)量特性設(shè)計中采用協(xié)同設(shè)計方法,從研究通用質(zhì)量特性信息流出發(fā),將眾多的、獨立的單項特性設(shè)計工作整合成為有機(jī)的整體,協(xié)調(diào)工作,共同推進(jìn),確保分析同步、設(shè)計正確、驗證有效。

3.1 信息流

通用質(zhì)量特性設(shè)計工作需要分析整理的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)計分析資料、試驗數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)等組成信息流,始終貫穿在產(chǎn)品的研制過程中,是研究故障發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和預(yù)防、控制方法的基礎(chǔ)。因此,將通用質(zhì)量特性信息流按故障分析、設(shè)計控制、試驗驗證3 個方面分為故障信息流、設(shè)計信息流、試驗信息流。故障信息流由故障的起因、影響和傳遞等環(huán)節(jié)的信息組成。設(shè)計信息流由需求、功能性能設(shè)計等環(huán)節(jié)的信息組成。試驗信息流由實驗室試驗、調(diào)試、測試、聯(lián)試等環(huán)節(jié)的信息組成。通用質(zhì)量特性設(shè)計信息流主要內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 通用質(zhì)量特性信息流Fig.2 Information flow of general quality characteristics

3.2 設(shè)計環(huán)境

空間站有效載荷在設(shè)計工作中采用辦公系統(tǒng)和一系列數(shù)字化設(shè)計工具包括:生產(chǎn)制造系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理(Product Data Management,PDM)系統(tǒng)、電子設(shè)計自動化(Electronics Design Automation,EDA)工具、計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)工具、六性設(shè)計工具等,構(gòu)建起數(shù)字化設(shè)計環(huán)境來開展全過程、全特性的通用質(zhì)量特性數(shù)字化設(shè)計工作。通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計環(huán)境如圖3 所示。

圖3 通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計環(huán)境Fig.3 Collaborative design environment of general quality characteristics

3.3 設(shè)計流程

結(jié)合空間站有效載荷的研制過程,將通用質(zhì)量特性設(shè)計工作分為概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計2 個階段開展。每個設(shè)計階段均包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)定義和系統(tǒng)設(shè)計3 個過程。其中,系統(tǒng)分析是根據(jù)系統(tǒng)總體要求和用戶使用要求對產(chǎn)品功能、性能、接口和環(huán)境進(jìn)行通用質(zhì)量特性輸入信息流確定的過程;系統(tǒng)定義是根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果,明確輸入信息流的具體定量和定性屬性的過程;系統(tǒng)設(shè)計是綜合使用各種信息流資源,勾畫出全面設(shè)計藍(lán)圖的過程。概要設(shè)計階段的可靠性信息流主要包括系統(tǒng)配置信息、功能設(shè)計信息、相似產(chǎn)品可靠性信息等。詳細(xì)設(shè)計階段的可靠性信息流還包括電路設(shè)計信息、結(jié)構(gòu)設(shè)計信息、軟件設(shè)計信息、試驗信息、使用信息等。

3.3.1 概要設(shè)計

通用質(zhì)量特性概要設(shè)計階段的工作面向任務(wù)和功能展開,主要開展需求分析、指標(biāo)分解、定性的設(shè)計、分析與評價。通用質(zhì)量特性概要設(shè)計階段的設(shè)計流程詳如圖4 所示。

圖4 通用質(zhì)量特性協(xié)同概要設(shè)計流程圖Fig.4 Flow chart of collaborative outline design of general quality characteristics

首先,采用六性協(xié)同平臺創(chuàng)建工程項目;然后,從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Product Data Management,PDM)獲取產(chǎn)品初始物料清單(Bill of Material,BOM)表,建立起產(chǎn)品樹結(jié)構(gòu),自頂向下開展系統(tǒng)至組件級的功能分析、任務(wù)分析、結(jié)構(gòu)分析以及壽命剖面分析,明確各級產(chǎn)品具體的功能及特性要求、任務(wù)時間、使用環(huán)境以及整個壽命周期經(jīng)歷的事件。在系統(tǒng)分析和系統(tǒng)定義完成的基礎(chǔ)上,開展系統(tǒng)概要設(shè)計工作,工作重點如下:

1) 可靠性。建立可靠性模型,進(jìn)行指標(biāo)分配和預(yù)計;開展功能故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis,FMECA),確定可靠性關(guān)鍵項目和關(guān)重件,并制定設(shè)計控制措施;針對關(guān)鍵項目開展故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)。

2) 維修性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息,開展修理級別分析,建立維修性模型,確定維修功能層次和初始ORU 清單,進(jìn)行定量指標(biāo)分配和預(yù)計。

3) 測試性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息、維修性設(shè)計分析信息,開展故障診斷設(shè)計,完成定量指標(biāo)分配和預(yù)計。

4) 保障性。結(jié)合可靠性、維修性分析信息,開展各級產(chǎn)品的備件、工具分析,定義初始ORU清單和備件。

5) 安全性:收集設(shè)計、使用、保障各方面的危險源信息,辨識形成危險清單;分析危險原因及其影響結(jié)果,進(jìn)行風(fēng)險評價;完成定量指標(biāo)分配和預(yù)計。

6) 環(huán)境適應(yīng)性。開展空間環(huán)境分析,制定試驗方案、指導(dǎo)設(shè)計過程中采取環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)化設(shè)計措施。

3.3.2 詳細(xì)設(shè)計

通用質(zhì)量特性詳細(xì)設(shè)計階段的工作面向設(shè)計和故障展開,主要開展定量的設(shè)計、分析和評價。詳細(xì)設(shè)計階段的設(shè)計流程詳如圖5 所示。

圖5 通用質(zhì)量特性協(xié)同詳細(xì)設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of detailed design of general quality characteristics

首先,從PDM 系統(tǒng)獲取產(chǎn)品詳細(xì)BOM 表,補(bǔ)充完善產(chǎn)品樹結(jié)構(gòu)中組件級以下所需的元器件設(shè)計信息。然后,深化開展系統(tǒng)分析工作,從故障信息流、設(shè)計信息流、試驗信息流3 個維度清晰梳理出系統(tǒng)全貌。從故障角度,分析各級產(chǎn)品具體的故障原因、故障傳遞關(guān)系、故障診斷措施、維修活動等;從功能性能設(shè)計角度,分析各級產(chǎn)品具體的信號流、信息流、接口類型等;從試驗角度,分析各級產(chǎn)品具體的試驗方法和應(yīng)力。在系統(tǒng)定義全面的基礎(chǔ)上,開展系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計工作,工作重點如下:

1) 可靠性。分析故障信息流,自底向上開展硬件FMECA,從元器件、組件、ORU、單機(jī)至系統(tǒng),理清故障的起因和傳遞關(guān)系,定量說明故障危害程度;分析設(shè)計信息流,開展可靠性設(shè)計工作,重點包括降額分析、最壞情況分析、潛通分析、耐久性分析、熱仿真、力學(xué)仿真、電磁兼容仿真等,通過開展偏差狀態(tài)、故障狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真,分析接口參數(shù)的敏感性,提高預(yù)計精度和發(fā)現(xiàn)設(shè)計薄弱環(huán)節(jié);分析試驗信息流,組織開展可靠性專項試驗,收集各類功能性能試驗信息,定量評估可靠性設(shè)計水平。

2) 維修性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息,細(xì)化維修活動,修正維修作業(yè)流程,校驗?zāi)Ｐ偷暮侠硇院瓦m用性;組織開展維修性試驗,結(jié)合各類功能性能試驗信息,定量驗證維修性設(shè)計水平。

3) 測試性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息和系統(tǒng)各級產(chǎn)品詳細(xì)故障診斷設(shè)計,建立系統(tǒng)完整、精細(xì)的測試性模型,發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計缺陷,提出補(bǔ)償診斷措施;組織開展測試性試驗,結(jié)合各類功能性能試驗信息,定量驗證測試性設(shè)計水平。

4) 保障性。結(jié)合可靠性、維修性設(shè)計分析信息和功能性能詳細(xì)設(shè)計信息,系統(tǒng)逐層開展以可靠性為中心的維修分析、使用與維修工作分析,明確預(yù)防性維修具體要求、使用與維修的具體工作及資源要求,修正ORU 和備件清單;結(jié)合硬件FMECA 分析信息、功能性能試驗信息,制定故障預(yù)案和使用手冊。

5) 安全性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息,以Ⅰ、Ⅱ類故障模式為頂事件,開展FTA 分析,確定故障/危險發(fā)生的原因和概率,從安全性角度進(jìn)行設(shè)計確認(rèn);結(jié)合各類功能性能試驗信息,評估安全性設(shè)計水平。

6) 環(huán)境適應(yīng)性。結(jié)合可靠性設(shè)計分析信息,針對可靠性關(guān)重件開展定量設(shè)計分析,通過深入開展力學(xué)仿真、熱仿真、電磁兼容仿真、耐久壽命分析等,提出設(shè)計優(yōu)化措施;開展各類環(huán)境試驗、充分暴露設(shè)計缺陷,采取措施促進(jìn)實現(xiàn)可靠性增長。

3.3 設(shè)計驗證與評估

空間站有效載荷通用質(zhì)量特性的設(shè)計要求,需通過開展試驗驗證、仿真分析、復(fù)核復(fù)算[2]等方法,進(jìn)行全面的驗證和評估。通用質(zhì)量特性的單項和綜合驗證方法如下,其中,環(huán)境適應(yīng)性均通過試驗驗證,可在可靠性驗證內(nèi)容中體現(xiàn),不再贅述。

3.3.1 可靠性驗證與評估

空間站有效載荷使用階段包括日常運(yùn)行維護(hù)階段和任務(wù)執(zhí)行階段,各任務(wù)階段中有效載荷的使用方式靈活多樣。為確保任務(wù)可靠,有效載荷在設(shè)計中大量采用了冗余設(shè)計方法,包括鏈路冗余、功能重構(gòu)、資源重組、硬件冗余等?？臻g站有效載荷各任務(wù)剖面涉及的可靠性模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、N 中取K 表決模型、橋聯(lián)模型、網(wǎng)絡(luò)模型等,其總體任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。

式中,R為任務(wù)可靠度,n為任務(wù)數(shù)量,αi為第i個任務(wù)剖面的加權(quán)系數(shù)。

空間站有效載荷通過采用應(yīng)力預(yù)計的方法,自下而上開展可靠性建模和預(yù)計,最終獲取可靠性預(yù)計結(jié)果;通過開展可靠性定性試驗、熱試驗、力學(xué)試驗、壽命試驗、靜電放電試驗、電磁兼容試驗、軟件可靠性測試等,進(jìn)行定性設(shè)計驗證;在可靠性定量指標(biāo)驗證方面,對不具備開展可靠性試驗的條件,其可靠性定量指標(biāo)利用研制過程中采集的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。評估模型如式(2)所示。

式中,R為可靠度,t為時間,λ為失效率。采用區(qū)間估計進(jìn)行評估,計算失效率上限λU和可靠度下限RL的方法如式(3)和式(4):

式中,C為置信度,r為失效數(shù),T為累計試驗時間,(2r+ 2) 為自由度為(2r+2)的χ2分布的1-C分位數(shù)。

若試驗數(shù)據(jù)不充分,結(jié)合可靠性預(yù)計結(jié)果,采用貝葉斯方法進(jìn)行評估。首先,采用共軛分布將失效率預(yù)計值λ0轉(zhuǎn)換為先驗信息(T0,r0),然后將先驗信息(T0,r0)和試驗信息(T,r)進(jìn)行相容性分析,若信息相容,則綜合先驗信息和試驗信息,計算出后驗信息(T1,r1)如式(5):

最后,將后驗信息(T1,r1)帶入式(3)、(4)進(jìn)行評估計算,獲得失效率上限λU和可靠度下限RL。

3.3.2 維修性驗證與評估

式中,MTTRs為系統(tǒng)的平均維修時間,n為ORU 數(shù)量,Qi為第i個ORU 的單元數(shù)量,λi為第i個ORU 的故障率,MTTRi為第i個事件的平均維修時間 。

空間站有效載荷通過開展人機(jī)工效評價進(jìn)行維修性定性設(shè)計驗證。在維修性定量指標(biāo)驗證方面,通過開展修復(fù)性維修試驗,按正態(tài)分布的評定模型,利用統(tǒng)計試驗結(jié)果,對平均維修時間(Mean Time to Repair,MTTR)進(jìn)行評定,方法如式(7)所示[13]:

式中,X為修復(fù)性維修時間,n為維修作業(yè)樣本量,Xi為各維修作業(yè)測定的維修時間,X-為X的樣本均值,d2為X的方差值。在承制方風(fēng)險為α的情況下,計算MTTR 的單側(cè)置信上限μU如式(8)所示:

式中,X為修復(fù)性維修時間,為X的樣本均值,d為X的標(biāo)準(zhǔn)差值,n為維修作業(yè)樣本量,α為承制方風(fēng)險,Z1-α為對應(yīng)下側(cè)概率1-α的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)。

3.3.3 測試性驗證與評估

空間站有效載荷的測試性指標(biāo)包括故障檢測率(Fault Detection Rate,FDR)、故障隔離率(Fault Isolation Rate,FIR)、虛警率(False Alarm Rate,FAR)。測試性指標(biāo)預(yù)計結(jié)合FMECA 和測試性建模仿真工作開展。系統(tǒng)故障檢測率預(yù)計計算方法如式(9)所示:

式中,FDRs為系統(tǒng)的故障檢測率,n為ORU數(shù)量,λi為第i個ORU 的故障率,FDRi為第i個ORU 的故障檢測率。

系統(tǒng)故障隔離率預(yù)計計算方法如式(10):

因此，對分位數(shù)τ下的協(xié)整關(guān)系檢驗統(tǒng)計量，其漸近分布與Xiao和Phillips(2002)在線性條件均值協(xié)整模型給出的檢驗統(tǒng)計量相同，其模擬臨界值參見Xiao和Phillips(2002)的表1。基于分位數(shù)協(xié)整模型，考慮在分位數(shù)下形如式(4)的經(jīng)典協(xié)整系數(shù)的線性約束檢驗問題：

式中,L 為模糊度(即可正確隔離到的ORU單元數(shù)量),FIRSL為系統(tǒng)故障隔離模糊度不大于L 的故障隔離率,n為ORU 數(shù)量,λi為第i個ORU 的故障率,FDRi為第i個ORU 的故障檢測率,FIRiL為第i個ORU 故障隔離模糊度不大于L的故障隔離率?？臻g站有效載荷結(jié)合軟件配置項測試進(jìn)行測試性定性設(shè)計驗證,結(jié)合維修性試驗、測試性建模仿真和系統(tǒng)試驗開展測試性定量指標(biāo)驗證。采用基于二項式分布的方法,評估測試性單側(cè)置信下限值,方法如式(11)所示[14]:

式中,F為失敗樣本數(shù)量,n為樣本量,PL為測試性參數(shù)單側(cè)置信下限,C為置信度。

3.3.4 安全性驗證與評估

空間站有效載荷在研制前期通過開展危險分析與風(fēng)險評價、事件樹分析(Event Tree Analysis,ETA)、定性FTA 等,識別、分析各級產(chǎn)品中的各類潛在危險;在研制后期通過開展熱安全性試驗、絕緣防護(hù)試驗、輻射防護(hù)試驗、醫(yī)學(xué)試驗等,進(jìn)行安全性定性設(shè)計驗證。在定量指標(biāo)驗證方面,結(jié)合FMECA 工作,采用定量FTA 獲取安全性評估值。最小割集不相交的情況下,頂事件發(fā)生概率計算方法如式(12)所示[15]:

式中,P(T)為頂事件發(fā)生概率,Nk為最小割集數(shù),kj為第j個最小割集, 為在時刻t第j個最小割集中第i個部件的故障概率。

最小割集相交的情況下,頂事件發(fā)生概率計算方法如式(13)所示[15]:

式中,P(T)為頂事件發(fā)生概率,Nk為最小割集數(shù),Ki,Kj,Kk,為第i,j,k個最小割集。

3.3.5 保障性驗證與評估

空間站有效載荷在研制中通過開展維修保障需求分析、規(guī)劃預(yù)防性維修保障方案和修復(fù)性維修保障方案,以提升有效載荷的可用度。通過核查各級產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計報告、圖紙、軟件文檔等,結(jié)合人機(jī)工效試驗、系統(tǒng)聯(lián)試和試驗等,進(jìn)行保障性定性設(shè)計驗證。保障資源的確定是制定綜合保障方案的重要工作,采用指數(shù)壽命件備件需求量計算模型,進(jìn)行備件定量規(guī)劃,計算方法如式(14)所示[16]:

式中,P為備件保障概率,S為有效載荷中某零部件的備件需求量,N為零部件在有效載荷中的單機(jī)用數(shù),λ為失效率,t為累計工作時間。

3.3.6 通用質(zhì)量特性設(shè)計綜合評估

空間站有效載荷在研制中采用加權(quán)評分核查方法,對通用質(zhì)量特性設(shè)計分析工作的全面性、驗證的充分性、風(fēng)險控制措施的有效性,進(jìn)行全面評估。核查工作由專家團(tuán)隊完成,核查內(nèi)容主要包括:對規(guī)定開展的設(shè)計分析工作項目的核查;對定量要求落實情況的核查;對設(shè)計方案、設(shè)計準(zhǔn)則符合性檢查等定性要求落實情況的核查。加權(quán)評分計算方法如式(15)所示:

式中,GT為通用質(zhì)量特性總評分值,n為質(zhì)量特性檢查項目數(shù)量,W1為第i項質(zhì)量特性的權(quán)值,W2為第i項質(zhì)量特性檢查項目的權(quán)值,Gi為第i項質(zhì)量特性檢查項目評分值。

4 應(yīng)用案例

空間站某綜合化有效載荷在設(shè)計工作中采用通用質(zhì)量特性數(shù)字化協(xié)同設(shè)計方法,通過獲取各級單機(jī)、模塊的數(shù)字化設(shè)計數(shù)據(jù),構(gòu)架出一體化數(shù)字設(shè)計模型,在信息共享的基礎(chǔ)上,深入開展通用質(zhì)量特性分析、建模、仿真、預(yù)測,以實現(xiàn)功能性能設(shè)計和通用質(zhì)量特性設(shè)計同步優(yōu)化。

通過采用協(xié)同設(shè)計方法,在有效載荷研制過程中有效開展了設(shè)計缺陷識別和設(shè)計優(yōu)化工作,識別出一階最小割集3 個、測試性缺陷142 個,將基本可靠性裕度提高17%,任務(wù)可靠性裕度提高4%,嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類的故障模式降低了57%,嚴(yán)重事故發(fā)生概率由1.6E-7 降低到2E-9,備件量壓縮了30%。通過對比協(xié)同設(shè)計前后的工程實踐數(shù)據(jù),可見通用質(zhì)量特性設(shè)計工作的有效性提高,對產(chǎn)品研制的促進(jìn)效果顯著,協(xié)同設(shè)計前后工作效果對比如圖6 所示。

圖6 通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計工作效果對比Fig.6 Comparative analysis of collaborative work performance of general quality characteristics

通過采用協(xié)同設(shè)計方法,在有效載荷研制過程中自底向上從元器件、模塊、單機(jī)至系統(tǒng)級開展了多種復(fù)雜任務(wù)剖面可靠性預(yù)計、定量FMECA分析,梳理故障模式達(dá)33 萬條以上;實現(xiàn)了割集數(shù)量規(guī)模為2398 個的定量FTA 分析計算;完成了故障源規(guī)模為7687 個的測試性建模仿真驗證;通用質(zhì)量特性工作項目的完成率提高56%。通過對比協(xié)同設(shè)計前后的工程實踐數(shù)據(jù),可見通用質(zhì)量特性設(shè)計工作開展深度和廣度方面均有大幅度提升,提高了工作的充分性和全面性,協(xié)同設(shè)計前后通用質(zhì)量特性整體設(shè)計情況對比如圖7所示。

圖7 通用質(zhì)量特性整體設(shè)計情況對比Fig.7 Comparative analysis of collaborative work of general quality characteristics overall design

空間站有效載荷通過采用協(xié)同設(shè)計方法,最終建立起了全面、真實、有效的通用質(zhì)量特性信息庫,實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計信息、試驗信息、故障信息、使用保障信息的數(shù)據(jù)同源和設(shè)計統(tǒng)一,有力落實了通用質(zhì)量特性與功能特性的同設(shè)計、同分析、同確認(rèn)、同驗證,全面提升了設(shè)計水平和效率,降低了技術(shù)風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文介紹的通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計工作方法、流程以及相關(guān)成果已在空間站綜合化有效載荷工程項目中得到全面應(yīng)用,提高了復(fù)雜系統(tǒng)工程設(shè)計中的通用質(zhì)量特性設(shè)計工作的系統(tǒng)性、有效性和自動化水平,效果顯著。隨著工程研制綜合化、信息化、數(shù)字化水平不斷提高,為充分發(fā)揮通用質(zhì)量特性設(shè)計對功能設(shè)計的正向設(shè)計影響力,將在基于模型的系統(tǒng)工程研制流程中全面融合通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計方法,最終實現(xiàn)從需求分析、功能分析、設(shè)計綜合到集成驗證全壽命周期基于模型的通用質(zhì)量特性數(shù)字化設(shè)計與驗證。