車載產品集成設計中“六性”分析

馮 珂，黃 卓

(1.山西工程職業學院，山西 太原 030009;2 北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006)

0 前言

產品“六性”在產品設計階段必須要考慮的要求，是產品開發中除功能特性外額外要滿足的質量特性，并伴隨著產品的全壽命周期。其中，可靠性是產品的固有特性，維修性、保障性、測試性、安全性、環境適應性等都是通用質量特性[1]。產品“六性”是否滿足使用要求，也將直接影響到產品效能的發揮[2]，如今，雖然“六性”技術隨著各方重視程度的不斷提高而穩步提升，但是仍存在諸多問題，如“六性”之間的優化設計以及“六性”協同工作等。

因產品“六性”覆蓋范圍廣，周期跨度大，不同研發人員側重面不盡相同，使得“六性”問題較為繁瑣。因此，為研究產品研發與“六性”之間的關系，本文將從車載產品集成的角度，對車載產品設計中“六性”問題逐一進行分析。

1 可靠性

1.1 可靠性定義與分析

可靠性指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力[3]。其中，規定條件指產品在不同溫度和振動的環境條件和使用條件；規定時間指產品運行時間；規定功能指產品的滿足的設計指標。產品的可靠性高，維修就少，安全性高，本文著重討論的為產品集成的基本可靠性。

1.2 可靠性設計措施

車載產品的可靠性貫穿在產品的設計、制造、運輸、存儲和維修全過程中。產品基本可靠性由設備或各個功能模塊的可靠性決定，并受各模塊間的“短板效應”制約。因此，在設計的各個階段應該通過各種手段提升產品的可靠性，在提高可靠性設計中主要措施有：

1)選用技術成熟、集成度高、通用化和標準化程度好、模塊數量少的部件，電子元器件應選擇經過應力篩選的元器件；

2)在結構設計中盡量采用成熟的技術和工藝，提高最低可靠度零件的可靠度，同時提高系統的抗振防沖，進行防噪聲和提高“三防”(防潮、防鹽霧、防霉菌)等一系列設計準則。

3)結構件選用滿足使用要求的材料，并對相關結構件薄弱位置進行力學仿真驗證，確定合適的加工和工藝方法。

4)對整個系統設計進行熱仿真分析，確保其散熱合理性，并設計保護裝置，設置過載保護和緊急停止裝置，根據使用環境不同設計環境防護。

2 維修性

2.1 維修性定義和分析

維修性指產品在規定的條件下和規定的時間內，按照規定的程序和方法進行維修時，保持或恢復其規定狀態的能力[4]。維修性的思想應以故障時維修改為以預防為主；并在設備故障時能夠迅速定位和排除問題。維修性預計模型如圖1所示。

MTTR是平均修復時間，也就是排除故障所需實際修復時間的平均值，該值等于在一定時間內修復時間的總和與修復次數之比[5]，如式1所示：

(1)

根據各模塊的失效率以及各模塊維修性分配時間，可計算該設備的平均修復時間MTTR。

2.2 維修性設計措施

車載產品維修性設計主要是通過更換各功能模塊來進行維修，各功能模塊和設備的安裝、拆卸特性便捷。在工程研制中，主要從以下幾個方面進行詳細的維修性設計：

1)模塊化設計。采用模塊化設計，簡化結構設計，主要部件維修時易于拆裝，減少維修時間。

2)可檢測性設計。具有上電自檢功能，具有故障報警、指示，并可通過串口通信進行調試、檢測。

3)可達性設計。合理安排了各模塊的位置，并留有適當的維修操作空間，在故障定位時，可以快速拆裝故障部分，不影響設備內其他部件在設備內的狀態。

4)標準化設計。選用的工具、緊固件、元器件等盡可能減少規格種類，增強互換性。接插件采用標準接口，并用不同芯數區別以免誤插。

5)防插錯措施及識別標識。為防止誤動作，線纜有標號，接口均有清晰標識，選用具有防插錯設計的接插件。

6)注重編制維修手冊。明確日常保養和定期保養工作和方法，通過手冊實現常用故障的快速定位，并加強使用培訓。

3 保障性

3.1 保障性定義和分析

保障性是產品在設計時必須考慮在應急狀態下產品能夠滿足易于保障，通過保障資源對其薄弱環境進行修復，快速恢復產品性能的一種能力，確保產品在任一時刻需要和執行任務時，處于可工作或者可使用狀態的程度及可用度。在產品設計同時必須考慮產品保障性，并把保障性工作納入產品配套文件之中，確保維修保障資源能夠滿足系統要求。

3.2 保障性設計措施

車載產品保障性的設計中，首先應提高綜合保障水平，達到保障人員以少為宜，保障設備和工具以通用為宜，技術資料以完整、清晰、易懂為宜，備件以充分合適為宜。除此之外，在車載產品集成階段還應注意以下幾點：

1)產品在設計時充分考慮產品交付以后的保障方便性，通過系統統一配置的通用保障設備能完成對產品的拆裝、檢測和維修。

2)在設計時優先選用尺寸小、重量輕、生命周期長的模塊和零部件，便于后續保障。

3)附件工具優先選用通用工具，減少專用工具使用，配有合適的備件，并列好相應清單，操作和維修人員經過簡單培訓后就可以熟練操作和維修產品。

4)設備進行了環境適應性設計，有較好的抗振、抗跌性能；防水、防塵、抗腐、抗震、耐壓，抗沖擊性能好，適用于汽車、火車、輪船等運輸工具的運輸。

4 測試性

4.1 測試性定義和分析

測試性是產品能及時、準確地對其工作狀態進行確認，并對內部故障進行隔離。測試性故障檢測隔離能力應滿足基層維修要求，同時應具有內部檢測功能。

測試性故障檢測隔離能力應滿足基層維修要求，同時應具有內部檢測功能。測試性的主要表征參數主要有故障檢測率(rFD)、故障隔離率(rFI)、虛警率(rFA)、平均故障檢測時間(TFD)和平均故障隔離時間(TFI)等[6]。

1)故障檢測率(rFD)指在規定時間內，用規定的方法正確檢測到的故障數與故障總數之比，如式2所示：

(2)

式中：ND指用規定的方法正確檢測到的實際故障數；NT指在規定工作時間T內實際發生的故障總數。

2)故障隔離率(rFI)指在規定時間內，用規定的方法將檢測到的故障正確隔離到不大于規定模糊度的故障數與同一時間內檢測到的故障數之比，如式3所示：

(3)

式中：NL指用規定的方法正確隔離到不大于規定模糊度的故障數；ND指用規定的方法正確檢測到的實際故障數。

3)虛警率(rFA)指在規定時間內發生的虛警數和同一時間內的故障指示總數之比，如式4所示：

(4)

式中：NFA指虛警次數；NF指真實故障指示數；N指(報警)總次數。

4)平均故障檢測時間(TFD)指從開始故障檢測到給出故障指示所經歷時間的平均值，如式5所示：

(5)

式中：tDi指檢測并指示第i個故障所需的時間；ND指被檢測出的故障數。

5)平均故障隔離時間(TFI)指從檢測出故障到完成故障隔離所經歷時間的平均值，如式6所示：

(6)

式中：tFi指隔離第i個檢測出故障所需的時間；ND指被檢測出的故障數。

4.2 測試性設計措施

車載產品故障檢測隔離能力應在產品集成設計時充分考慮，主要測試性設計措施有：

1)產品具有檢測接口，能夠輸出工作狀態信息和故障信息，方便檢測裝置快速的進行故障檢測、診斷，準確分離出故障源；

2)產品的各功能模塊具有上電自檢功能，操控界面可顯示自檢結果；

3)產品具有故障報警功能，發生故障后，能夠將具體的故障狀態信息上報操控界面可顯示故障狀態信息；

4)圖紙及工藝應標準規范，為測試性提供相應的技術支持，結構布局考慮了系統測試的可實現性和方便性。

5 安全性

5.1 安全性定義和分析

安全性主要是通過辨識發現產品對周圍環境或人員存在的潛在危險。通過初步分析產品特性及可能存在的危險，并落實到在安全性設計中。

5.2 安全性設計措施

車載產品安全性設計中首先通過初步危險辨識，確定系統的危險故障狀態作為產品安全性設計目標，在產品設計中消除可辨識的危險源，措施主要包括：

1)電氣安全性：在電氣設計時采用低壓供電，并有電源反接保護和靜電防護措施，芯片和功率模塊采取降額設計，設備設置急停按鈕，接插件有防插錯功能，并帶有鎖緊裝置，通過以上但不限于以上的措施來確保電氣安全。

2)結構安全性：在結構設計時避免尖銳棱角，保證零部件足夠的強度和剛度，空間布局合理，標識明顯，并采取相應的防護和報警裝置。

3)設備安全性：選用能承受額定電流的阻燃導線，設備采用防水設計，能夠滿足系統高溫高濕環境下長期可靠工作。

4)使用維護安全性：指示燈位置明顯，按鍵、接插件標識明顯，以防止使用時出現誤操作；隨產品交付的文件中具有操作安全要求，并且確保敘述全面、準確、清楚，可操作性強。

6 環境適應性

6.1 環境適應性定義和分析

環境適應性是指產品在其壽命期內，在可能工作的各種環境作用下，能實現正常工作和功能，保證產品質量[7]。通過環境適應性驗證可以及時產品在使用場景中的薄弱環節，并加以糾正。

產品的環境適應性設計在器件選擇、板卡加固、熱設計、三防設計、整機密封設計和涂覆工藝保證等方面采取措施，滿足工作溫度、貯存溫度、濕熱、振動、沖擊、低氣壓、鹽霧、霉菌、淋雨、砂塵等環境要求。

6.2 環境適應性設計措施

為滿足車載產品的環境適應性，主要采用的方法如下：

1)溫度適應性設計：為滿足設備的工作溫度和貯存溫度，元器件選用滿足指標要求的，PCB板設計時通過熱仿真優化布線，通過導熱膠棉將電路板熱量傳導到后殼體，機箱盡量選用導熱系數好的材料等措施使設備滿足溫度適應性；

2)低氣壓適應性設計：為滿足設備在低氣壓環境正常工作，器件選用耐低氣壓器件，外殼選用高強度材料，對于旋轉類組件采用高性能潤滑脂等措施使設備在低氣壓狀況下能夠正常工作；

3)淋雨適應性設計：在設備連接處設有密封槽，殼體與面板之間加裝導電橡膠條，航空接插件與殼體間加裝導電橡膠墊，甚至采用一定高密度高性能潤滑脂形式進行密封；

4)沙塵適應性設計：在設備密封的前提下，還應對設備表面噴涂高強度油漆，接插件等設計有保護蓋；

5)振動沖擊適應性設計：選擇剛度合適的材料和工藝方法，通過仿真驗證在滿足產品振動沖擊條件下盡量進行產品輕薄設計，將電路板與后殼連接在一起以增大電路板的剛性，易損元件用硅膠粘接處理，將設備內部線纜困扎在走線架上，車載設備安裝時配備減震架或采用緩沖設計等方法來提高設備的抗振動沖擊能力。

7 結論

根據現有“六性”理論基礎和工程實踐，在車載產品集成設計方案階段開展產品“六性”設計，全面策劃 “六性”設計的技術路線，并根據設計路線開展產品的設計、制造和試驗驗證等工作。并在全過程中對車載產品集成設計中的“六性”不斷進行總結和積累，通過技術積累不斷優化車載產品的設計方案和保障方案。