舰船通用质量特性设计要求浅析

姜华

摘    要：在舰船立项论证、方案设计阶段，需根据舰船主要用途和航行环境条件贯彻通用质量特性设计要求，提升通用质量特性设计能力，保障舰船交付使用后的功能可靠性和性能指标的先进性。

关键词：舰船;全寿命;通用质量特性;可靠性

中图分类号：U673.2                                文献标识码：A

Abstract： According to the main tasks and navigation environment conditions of ships， the design requirements of universal quality characteristics for full life span should be implemented in the stage of demonstration for project approval and technical design， and the developer should continuously improve the design capability of universal quality characteristics， so as to effectively guarantee the functional reliability and advanced performance index of ships after delivery.

Key words： Ship; Full life span; General quality characteristics; Reliability

1    引言

隨着新型舰船装备高新技术应用不断增加、技战术性能不断增强，舰船的可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性（统称为通用质量特性）和可用性不断改善。在新型舰船的研制过程中，通用质量特性已经成为与技战术性能等专用质量特性同等重要的指标。如何切实满足舰船的可用度和可靠度等要求，在使用中能够形成和保持有效的战斗力，是舰船设计迫切需要解决的问题。要进一步提高舰船设计的可靠性质量，关键是要树立以通用质量特性要求为产品设计主要质量目标的设计理念，提升通用质量特性设计能力，降低产品研制风险，从而有效保障舰船交付使用后的功能可靠性和性能指标的先进性。本文对某近海巡逻船方案设计阶段通用质量特性的可靠性和维修性设计进行了总结。

2    舰船通用质量特性设计

2.1   舰船装备通用质量特性分析

在以往的舰船设计中，重点关注的是舰船的航速、续航力、转弯半径、排水量等质量特性，我们称之为专用质量特性;与之相伴的是舰船的可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性等质量特性，我们称之为通用质量特性。舰船通用质量特性设计水平的高低，直接体现舰船使用功能与性能指标的优劣程度。

GJB9001C-2017《质量管理体系》中，要求武器装备承制单位在策划和控制过程中依据GJB450等通用标准的要求，确定产品通用质量特性设计项目，编制通用质量特性工作计划，结合系统设计目标开展产品通用质量特性设计、分析、验证等[1]。通用质量特性的设计和管理必须贯穿产品设计的各个阶段，每个阶段的目标之一就是不断完善各项通用质量特性指标。

舰船设计阶段一般可划分为：立项论证、方案设计、工程研制、设计定型（鉴定）、生产（工艺）定型五个阶段[2]。虽然五个阶段的设计范围和深度不同，但 通用质量特性设计要求在每个阶段都是衡准之一。舰船通用质量特性设计就是围绕舰船用途、系统功能和性能指标、使用环境条件等提出最优性价比的总体设计方案，在产品建造前充分评估系统功能与指标的合理性、使用环境的适宜性、主要设备组成的必要性等，尤其是通过对标类似舰船边界约束条件最终确定通用质量特性技术要求。

2.2  舰船通用质量特性设计要求与验证标准

舰船通用质量特性设计，主要根据 GJB 450A-2004《装备可靠性工作通用要求》、GJB368A-1994《装备维修性通用大纲》、GJB2547-1995《装备测试性大纲》和GJB 2547A-2012《装备测试性工作通用要求》、GJB900-1990《系统安全性通用大纲》等设计标准开展，设计结果要在每一个设计阶段进行审查、验证并进行完善。

舰船各项通用质量特性的设计和验证是相互联系和影响的，在舰船产品设计过程中，必须针对通用质量特性设计、管理要求，研制方、承制方、监督方需统筹考虑，优化资源配置，努力实现产品通用质量特性和专用质量特性设计水平达到总体最优化。

3    某船方案设计阶段可靠性和可维修性设计

我院新近设计的一艘近海巡逻船，主要用途是在我国沿海地区执行巡逻警戒等任务。如何开展好以可靠性为设计质量目标的质量管理工作、高质量完成该型舰船的设计任务，对我院具有十分重要的意义。必须从《质量保证大纲》开始，贯彻相关通用质量特性标准和规范要求，认真进行工作策划，确定设计输出文件与过程支撑文件（包括论证评估报告、模拟仿真试验、水池模型试验等），分阶段开展通用质量特性设计与验证工作。按照GJB450A等标准工作项目，明确该船方案设计阶段通用质量特性设计工作主要以可靠性、维修性等通用质量特性为主，具体工作则根据设计深度不同而贯穿整个设计各个阶段。根据GJB5530-2006《舰船设计图样和技术文件审查规定》和实际需要，确定方案设计基本内容。

3.1  舰船可靠性设计目标

固有可用度0.85总体任务可靠度0.70;任务可靠度（最低0.65）。其中：

动力系统任务可靠度>0.85，固有可用度>0.90;

电力系统任务可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

通信系統任务可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

导航系统任务可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

专用系统任务可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

操控系统任务可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

锚泊系统任务可靠度>0.92，固有可用度>0.95。

3.2  舰船可靠性模型

舰船功能划分为三个等級：系统级（L1）;子系统级（L2）;设备级（L3）。分别建立可靠性基本模型和任务模型：

3.2.1基本模型

基本模型是用以评估产品及其组成设备故障引起的维修及保障條件的模型。系统中任一设备发生故障后都需要维修或更换，所以也可把它当做测算使用成本的一种模型。基本模型是一个全串联模型，即使存在冗余单元也都可以按串联方式处理。

基本模型主要由：船舶装置、推进系统、辅助系统、电力系统、通信导航系统等组成，如图1所示。

各主要子系统级、设备级基本模型，如图2～6所示。

3.2.2任务模型

任务模型是用以评估产品在执行任务过程中完成规定功能的程度，描述完成任务过程中产品各设备模块的预定作用，用以评估任务实现有效性的一种模型。

任务模型组成，如图7所示。

各主要子系统级、设备级任务模型，如图8～12所示。

3.3  舰船可靠性数学模型

舰船可靠性模型主要分为：串联模型和并联模型两大类。

3.3.1串联模型

串联系统各分系统的可靠性服从指数分布，其可靠性数学模型如下：

式中：Rs为系统可靠度;Ri为第i个分系统可靠度;λs为系统失效率;λi为第i个分系统失效率;n为分系统数;t为系统工作时间;MTBFs为系统平均故障间隔时间。

3.3.2并联模型

设并联系统各分系统相同，且可靠性服从指数分布，其可靠性数学模型如下：

式中：Rs（t）为系统可靠度;λs（t）为系统失效率;λ为分系统失效率;n为分系统数;t为系统工作时间;MTBFs为系统平均故障间隔时间。

3.4  舰船可靠性与维修性分配方法

3.4.1可靠性分配方法

设系统的可靠性指标为λs，分配给每个单元的故障率λi可表示为：

式中，i=1，2， …，n为单元数;ci为第i个单元的评分系数。ωi为第i个单元的评分数;ω为系统的评分数。rij为第i个单元第j个因素的评分数;j=1为复杂度：组成与结构最复杂的评10分，最简单的评1分;j=2为技术水平：技术和工艺水平最低的评10分，最高的评1分;j=3为工作时间：寿命周期内工作时间最长的评10分，最短的评1分;j=4为环境条件：所处环境条件最差的评10分，最好的评1分。

3.4.2维修性分配方法

采用故障率分配法对维修性进行分配，其分配原则是单元的故障率越高，分配的维修时间就越短;反之则长。具体步骤如下：

（1）确定第i种单元的数量Qi;

（2）确定单个单元的故障率λss;

（3）确定第i种单元的总故障率λi，即第i种单元的数量Qi与其单个单元故障率λss的乘积，即λi=Qiλss;

（4）确定每个单元的故障率对总故障率影响的百分数，即确定每个单元的故障率加权因子Wi：

（5）计算各单元的平均修复时间：

式中：MTTR为系统的平均修复时间;MTTRi为第i种单元的平均修复时间。

3.5  舰船可靠性与维修性指标分配

舰船固有可用度为0.85，固有可靠度表达式为：

式中：A为系统的固有可用度;MTBF为系统的平均故障间隔时间;MTTR为系统的平均修复时间。

根据以往类似舰船设备的维修时间情况，将MTTR定为2小时，则系统的平均故障间隔时间为：

由此可确定舰船的可靠性与维修性指标分别为：MTBF=11.4（h）、MTTR=2（h）。

舰船系统的可靠性与维修性指标分配，如表2所示。

3.6  结论

针对该船的可靠性与维修性工作要求，首先建立了舰船可靠性模型和相应的可靠性、维修性分配方法，在此基础上将可靠性指标与维修性指标分配到各系统、子系统和设备。舰船可靠性与维修性指标分配结果，可作为首船研制的设计依据。

4   经验与体会

在舰船型号研制过程中，不断细化和修正通用质量特性设计内容，可有效促进质量可靠性，增强和改善技战术能力。通用质量特性设计及其规范化、标准化工作的持续改进，将是舰船型号研制工作不变的主题和目标。结合自身的工作体会和经验，提出下列建议以供同行参考。

（1）顶层策划，自上而下推进

质量特性工作涉及可靠性、维修性、保障性等具体专业技术，不只是总体设计技术单位和总装建造单位要负责落实相关工作，还涉及众多的配套单位。因此，顶层领导要重视通用质量特性设计工作，确保足够的资源投入，项目人员要全面覆盖各个专业领域，从而确保通用质量特性设计标准贯彻落实到位。

（2）转变设计理念，开展人员培训

通用质量特性设计人员要转变设计理念和质量意识，不能只关注专用质量特性指标，而要从立项论证工作开始就关注通用质量特性设计要求的落实，将通用质量特性工作要求融入舰船型号研制的全过程。

（3）开放合作，打造设计标准

通用质量特性设计工作涉及多个学科领域，而舰船设计人员的能力与经验更多侧重于各自的专业，在通用质量特性设计的专业深度和广度上都存在不足。因此需要在实际工作中引入专业的管理机构进行辅导，对选定的项目进行策划，使工作成果成为其他项目的工作标准。

（4）及时总结，提升设计能力

通用质量特性设计水平的提高，需要通过多个项目的设计总结才能逐步完成，甚至需要通过关键技术攻关才能实现。通用质量特性设计能否达到要求，还必须通过多种试验方法来进行验证。

通用质量特性设计人员要提高站位，站在全单位的角度，结合项目质量管理体系要求，梳理好通用质量特性设计工作流程，建立通用质量特性设计规范标准，提升通用质量特性设计工作的软硬件平台，形成一些具体案例，不断提升通用质量特性设计水平。

5   结束语

由于经验和项目设计输入等条件的限制，本文仅根据对相关标准的理解进行某船品开展通用质量特性分析，许多通用质量特性设计内容、标准还有待进一步理解、验证和改进。期望与同行一道在今后的舰船研制工作中，以通用质量特性设计为产品主要设计质量目标，在产品质量管理体系中解决新产品开发过程中的设计质量、技术状态控制等实际问题，切实提升舰船设计和项目管理质量水平。

参考文献

[1] GJB9001C-2017质量管理体系要求[S].

[2]罗新华，高俊峰.装备研制过程质量监督[M]. 国防工业出版社，2013.