產品試驗

產品開發工程項目中的試驗程序愈來愈重要,多種試驗方法在產品開發的不同階段應用, 以滿足產品開發過程中的特定需求。但是, 試驗過程特別是研製階段的試驗通常是昂貴、困難和不確定的。當然, 有效的試驗也會對項目帶來潛在的增值。因此, 必須對項目中的試驗程序、試驗資源( 如時間、設備、樣品、數據) 等進行管理, 以使試驗過程得到有效的規劃, 並集成到方案論證、設計、研製、生產和保障階段中。試驗程序的有效管理與其它工程學科的管理同等重要, 需要遵循合理的工程和管理基本原則來計劃和實施試驗。

試驗程序的管理涉及產品的很多方面, 包括市場、經濟、工程( 設計、研製試驗、生產、維修) 、採購、保障等, 這表明試驗管理是頂層管理的事務, 試驗程序的不同方面不能簡單地歸於各個專業職能。有效的試驗過程必須應用好的管理模式,這是基本原則。即對於設計和研製過程中所獲得的信息必須用於優化試驗管理和規劃; 對生產和使用保障的試驗需求必須進行規劃和管理 ^[1]  。

在產品試驗程序的管理中存在兩種基本的工程組織角色: 項目管理人員、負責試驗設備和技術支持的管理人員。後一種人員為試驗管理人員, 他們組成了產品試驗部門。

1 項目管理部門

項目管理人員必須對保證產品和過程設計正確性的方法進行決策和管理, 而產品試驗正是保證產品和過程設計正確性的方法之一, 因此, 項目管理人員必須具有其項目的試驗計劃, 並承擔產品試驗的管理職責。一般來説, 由於試驗設備常常要保障多個研製項目, 同時項目研發人員很少具有操作這些設備所需的專業知識, 所以研製項目無法完全控制所有的試驗資源。他們可利用試驗部門的設備和人員來開展試驗過程, 必須與試驗管理人員緊密合作, 適當的時候還必須與其它部門( 如生產、質量和保障部門) 合作。

產品的設計和研製過程包括產品的設計及其後續過程( 研製試驗、生產、生產試驗、維修) 的設計, 因此, 不僅設計工程師需要在產品試驗工程方面進行培訓, 同時, 試驗工程專業人員也應參與到設計小組中, 這是綜合工程的要求之一。試驗設計分析方法必須作為設計過程的一部分進行管理, 包括正式或非正式的設計評審、研製試驗計劃、生產試驗方法的確定等。

2 試驗部門

試驗部門負責提供實施試驗過程的技術人員和適用的試驗設備。試驗技術人員應參與試驗的設計與試驗方案的評審過程, 並保證試驗設備能有效地使用, 以支持項目順利進行。試驗部門必須與項目研發小組緊密合作, 計劃並決定採用何種試驗標準或規範, 決定適用的試驗設備, 同時必須通過協商確定試驗樣品供應的長期規劃。

試驗部門在產品試驗管理中的職責應包括:

1) 提供試驗方法和技術( 規範、標準等) ;

2) 試驗設備的管理( 包括在適當的時機採用其它方的設備, 試驗設備的維修和檢定) ;

3) 試驗技術和知識培訓。

實際上, 在項目小組和試驗部門之間應保持緊密協作的關係, 從產品試驗程序的初始計劃到開展試驗, 這種協作關係必須貫穿於整個程序中。項目小組和試驗部門需要共同確定產品試驗程序中必須進行的試驗、設備使用需求、設備費用( 初始費用和操作費用) 等。

1 試驗計劃

每一個產品開發項目都必須準備一個試驗計劃, 這屬於項目管理者的職責範圍。對於某些項目, 合同已經包括了試驗計劃, 如美國國防部要求每個項目組都必須提交一個試驗和評價總計劃, 並要求項目研製遵從該計劃。

試驗計劃是為達到項目要求的性能、可靠性/耐久性、安全性和法規符合性而制定的, 必須基於相關的合同、已擬定的程序等。例如: 一些用户要求試驗方準備並採納一個試驗計劃, 或者一個試驗和評價計劃。試驗計劃必須與其它相關的項目計劃協調一致, 如可靠性、質量、安全性和製造, 並且只能有一個研製試驗計劃, 而不能分離有關性能、可靠性、安全性等要求的試驗。試驗計劃中應包括:

1) 需要達到的性能和其它要求, 如可靠性、耐久性和安全性的要求;

2) 用於保證達到要求的試驗( 和其它合適的方法) ;

3) 試驗程序的產品設計分析輸入;

4) 進行試驗的產品( 組件、子系統、系統)和試驗設備的分配;

5) 對供應商的試驗要求;

6) 貫穿各個試驗階段的方法、職責和進度;

7) 重要故障模式的規避。

2 試驗程序

制定試驗程序可為試驗項目計劃提供框架, 使得各種方法能在整個項目的所有階段實現綜合的應用, 防止重複進行某些過程, 明確責任並使項目進展達到最佳的效果。在質量體系標準( ISO 9000等) 的要求下, 產品試驗過程必須維持試驗程序並按照程序開展工作。

試驗程序中應避免不必要的約束, 管理人員和工程人員應根據項目中的問題和優先順序靈活地選用最適合的方法。一些程序可能是強制性的, 其中必須明確地限定職責, 建立故障報告、分析和糾正措施系統( FRACAS) , 使用經過檢定的試驗和測試設備。為達到實用的目的, 在制定試驗程序過程中, 可能需要編寫試驗程序指南以確定其中的內容。試驗程序中的內容包括:

1) 部門和項目的職責;

2) 試驗和分析方法;

3) 試驗的計劃和執行( 研製、製造、保障) ;

4) 故障報告、分析和糾正措施系統;

5) 項目評審、設計評審等。

研製、生產和使用維修過程中的試驗程序流程, 圖中粗線框表示通常要反覆執行的過程, 細線框則表示對應每一過程需要考慮的因素和所採用的技術方法, 虛線表示FRACAS 反饋的數據和信息。

3 研製試驗過程

工程項目研製試驗中暴露出問題時會產生包括費用和時間上的計劃外開支, 因此, 許多項目的研製試驗程序花費較大, 並具有較大的不確定性和風險。從實用角度看, 預先確定對何種產品執行何種試驗是非常重要的。為確定項目費用和時間預算,必須能提供各種資源( 錢、試驗設備、試驗樣品、人員、時間) 的可使用情況, 同時試驗程序允許具有一定的靈活性, 以應對可能出現的問題。

（1）產品試驗的系統層次和順序

研製試驗程序必須覆蓋系統的所有層次, 對於典型的產品來説, 試驗程序應包括單獨的模塊( 器件、子部件/子系統等) 和整體系統的試驗。產品的一些器件和子部件或子系統應由設備製造商(OEM) 設計和生產, 其它由供應商提供, 到試驗結束時, 應能保證所有的部件和子部件或子系統,以及整個系統都能滿足需求。項目中開發出的所有級別的硬件都必須分配到不同的試驗過程中。如果需要進行試驗的產品比較昂貴或只生產很少的數量, 例如: 在軍事裝備或飛機研製項目中, 僅生產少數幾個原型機, 那麼高層子系統和整體系統層次的試驗就顯得特別重要。

在研製試驗程序中, 應首先對元件級和其它低層次的部件進行試驗, 由此可節省試驗費用, 更易於在試驗過程中對其施加高應力, 儘早發現並解決問題, 減少項目延誤, 並可實現對低層次部件的優選。但是, 由於元件級和子系統級試驗並沒有對各個部分之間及與系統其它部分之間的接口進行試驗, 所以其並不能保證各個部分能在系統中共同工作。因此, 產品的系統級試驗是必不可少的。另一方面, 從實用角度來看, 我們必須在系統試驗之前發現並糾正子系統中存在的問題。

對於整個產品來説, 一般情況下, 第一個進行試驗的產品模塊應是輸出模塊, 其次是對其進行輸入的模塊, 然後沿着系統的輸出/輸入順序依次向後追溯。這種方法有助於儘早發現可能出現的問題, 並減少可能的設計變更所帶來的影響。

（2） 試驗方法的選擇

產品試驗程序中包括多個不同的試驗, 每一個都具有特定的目標, 這些目標包括基本性能、可靠性/耐久性、安全性和軟件研製, 不同的目標決定了可能採用的試驗方法。

試驗程序必須最佳地利用所有合適和可能的方法, 而不能對可能使用的方法進行限制。試驗方法( 包括試驗數量、試驗應力等) 的確定不能基於慣例, 也不能基於既定的利益, 而是基於項目技術、機遇、風險等約束條件。項目的技術、費用、時間限制、風險、強制性需求等將決定大多數試驗程序所必須採用的方法, 可使用的試驗設備也將在某種程度上影響試驗方法的選用。

（3） 試驗樣品的數量

從獲得信息的觀點來看, 特別是考慮到誤差可能帶來的影響, 如果對更多的試驗樣品進行試驗, 則試驗結果會更加準確。但是, 增加試驗樣品意味着增加費用、工作量和時間, 因此, 需要在獲得信息和代價兩方面進行權衡。通常情況下, 對多個部件進行試驗比系統試驗更容易且更便宜, 但系統級試驗是必須進行的過程。

試驗樣品數的確定在某種程度上依賴於必須進行試驗的種類和數量。例如: 電子系統的試驗程序可能需要包括硬件設計驗證、軟件測試、環境試驗、電磁兼容試驗等, 在一個產品單元上順序地執行所有這些試驗通常是不切合實際的。一些複雜系統( 如汽車、電子系統和航天飛機) 在試驗程序中的樣品數可根據費用、項目時間表、風險、生產計劃和其它相關因素進行確定, 試驗樣品的數量也會受到設計分析( 特別是FMEA/FTA) 的影響。

（4） 對採購部件進行試驗

需要注意的是, 試驗程序中必須包含項目中所有工程產品和服務的供應商, 需要他們配合完成試驗任務。一般情況下, 由供應商提供的部件或子系統而導致的問題或故障所產生的耗費佔工程系統使用耗費的50 %, 甚至達到80 %。

當用户選擇項目中使用的器件時, 必須確定該器件已進行了指定的試驗。同時, 用户必須對製造商提供的產品經常地重複試驗, 或是由製造商保證生產過程中未發生使初始試驗結果無效的變化。因此, 對買進的產品必須經過試驗程序才能驗收, 進行試驗的程度必須基於以下幾點:

1) 已有的知識、供應商數據、過去的使用經驗等;

2) 有關技術、創新、費用和故障影響的風險;

3) 供應商提供的試驗和對結果的認知。

4 製造和使用試驗過程

製造試驗的目標、使用的方法和設備與研製試驗有很大的不同。我們必須設計試驗過程, 以檢測出製造過程中可能產生的缺陷。在研製試驗中獲得的信息, 要用於製造試驗的規劃和優化之中。製造試驗必須顯示哪個產品不“好”, 而不破壞好的產品。製造試驗必須對所有的樣品進行試驗, 或不對任何一個樣品試驗, 或對部分樣本( 非統計) 進行試驗。

使用試驗和製造試驗有着密切的聯繫, 二者使用的設備( 測試設備, 軟件) 相同或相似, 並且使用試驗保持了製造試驗中用來增強測試性的設計特點。在設計和研製階段, 使用試驗要最優化。當有必要對產品進行使用試驗或其它定期維修時, 必須確定使用試驗或定期維修的週期。可根據設備功能的降低情況確定恰當的時間單位, 而且這個單位是可以通過測量得到。以可靠性為中心的維修(RCM) 方法可以對維修週期的確定進行優化。

5 試驗的經濟性

試驗是任何工程產品項目的一個必不可少的過程, 但是試驗計劃制定困難, 執行費用較高, 對產品、時間表和費用的影響方面不確定性較大。可將工程項目所需的試驗費用作為增值投資而進行評估。從長遠來看, 必須認識到產品試驗對於產品壽命週期是一個增值過程[1]。增值試驗的概念用於研製過程顯得更為有效, 這是因為設計缺陷或不足所導致的費用通常遠大於生產、使用問題所帶來的費用。試驗的經濟性是試驗過程優化所需考慮的一個重要約束。

確定試驗的經濟性必須全面考慮試驗和修理設備的費用、試驗人員和設備的能力、設備的利用率、安裝及可達性、產品故障的影響和損失、測試和校準的時間要求以及試驗的附加值等情況,還要考慮進行100 %試驗或抽樣試驗的合理性, 每種情況要考慮其優點。

6 法規和標準

大多數研製和生產的產品必須滿足一些強制性的要求, 才能投入市場, 這些強制性要求逐漸被制定成法律、法規, 以及國際的、國家的或行業的標準。法律和標準的內容, 對於工程設計來説是一個重要的信息, 設計人員必須考慮適用於產品和市場的法律、法規和標準, 將其整合到研製和生產試驗大綱中, 制定的試驗大綱必須確保產品符合標準要求 ^[2]  。

1 試驗數據收集和分析

試驗數據能及時反映與產品質量有關的各種影響因素和技術狀態, 數據的收集和分析是保證產品質量穩定性和性能持久性、提高產品質量的關鍵環節。因此, 必須建立試驗數據管理制度, 使用先進技術以保證其準確性、及時性和系統性。利用有效的傳感技術和試驗數據分析技術可提供準確的數據, 利用Intranet 技術可及時有效地實現試驗數據的共享和發佈, 而構建數據管理系統( 如FRACAS)則可實現試驗數據管理的系統性。

在產品研製過程中, 試驗結果總是包含故障數據, 應對這些數據進行管理, 以便於制定試驗計劃、收集和分析數據、確定改進和糾正的時機, 並採取相應的措施。制定完善的FRACAS 規則可確保相關信息的收集, 並利用這些信息促進產品設計和製造過程的改進。

工程項目經理或者試驗主管是保證執行FRACAS程序的責任人, 應該明確所有輔助人員的職責, 如故障調查研究試驗、可靠性分析。

2 試驗設備

試驗程序中一般需要決定採用何種設備, 並且需要承擔一定的不確定性和風險, 因此, 對於試驗設備的規劃是試驗管理的基本方面, 包括決定購買或租借設備, 或者使用其它方的試驗服務。

使用其它方的設備的決策必須基於期望的設備利用率、所需費用, 以及這些試驗設備的技術水平。對於很多項目來説, 應考慮內部和外部設備的使用, 試驗過程和項目試驗計劃應包含對此如何進行管理的內容。

3 人員培訓

設計工程師和工程管理人員通常對設計和功能試驗等方面非常熟悉, 然而, 他們往往缺乏可靠性、耐久性及加速試驗方面的知識, 特別是與HALT 和HASS 設計有關的知識和經驗。試驗對於所有工程都具有一定的重要性, 在試驗方法上對設計人員進行培訓, 並讓他們直接接觸其設計的產品的試驗, 可為設計人員帶來知識和經驗, 並直接改善他們今後進行正確設計的能力 ^[2]  。

與產品試驗有關的設計、數據收集和管理等技術的發展能進一步地促進產品試驗管理的系統性和實用性, 提高效率。

隨着計算機輔助工程(CAE) ( 包括虛擬現實軟件) 的快速發展, 將更多地使用這類軟件系統以補充或取代傳統研製試驗的作用。CAE 軟件將極大地增加我們創建正確的初始設計的能力, 並減少試驗的時間和費用。

隨着網絡技術的發展, 它已成為工程設計和管理的必要工具和信息源, 試驗數據和其它試驗信息能更快速和更經濟地進行傳送, 工程人員能快速地收集到研製、生產製造或使用維修過程中的試驗結果, 設計人員、試驗工程人員、供應商等也能通過網絡快速訪問和共享這些信息。

微電子技術、納米技術和無線網絡技術的發展促進了試驗硬件條件的改善, 不僅能用於試驗設備和測試設備, 也能用於受試產品, 有效地進行數據的監測和採集。

在工程產品和系統研製過程中, 試驗通常是最困難且花費最大的工作。在幾乎所有的現代工程設計中不可避免的錯誤和疏忽都應在試驗階段得以檢測和糾正, 幾乎所有的產品都需要進行試驗以保證產品設計和過程設計滿足性能、可靠性、耐久性、安全性和合同其它方面的要求。因此, 產品試驗必須作為整個產品過程的必要方面進行管理, 試驗程序必須作為一個長期的投資進行規劃 ^[3]  。