在科技产品深度融入生活的今天，或许我们都经历过类似困扰：新买的智能手机使用一段时间后频繁死机，维修时却发现需拆解整个手机才能更换电池；家用汽车在高温下仪表盘突然报警，却找不到故障原因，只能返厂检修；医疗呼吸机在停电时无法自动切换备用电源，危及患者生命……这些都指向了一个核心问题——在工程设计中，产品是否全面考虑了“可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性”。这“六性”就像产品的健康指标，决定了它能否在真实环境中长期稳定运行。

       工程设计并非简单的功能实现，而是要在复杂多变的现实世界中经受考验：

       01 可靠性确保产品经久耐用，减少故障风险；

       02 维修性让设备快速修复，降低停机损失；

       03 保障性优化后勤支持，提升使用效率；

       04 测试性帮助提前发现问题，避免灾难性故障；

       05 安全性守护用户生命财产，规避重大风险；

       06 环境适应性则让产品在极端条件下依然可靠。

       从手机、汽车到医疗设备，“六性”贯穿所有工程领域。忽视其中任何一环，都可能让产品从创新标杆变成召回典型。本文系统解析工程设计"六性"的核心要义，围绕定义、衡量指标、设计方法展开剖析，并分享了航空航天、汽车、电子电器等行业的典型案例，为工程设计人员提供参考。

可靠性：确保产品稳定运行

       可靠性（Reliability）是指产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。其中，规定条件包含使用环境、操作方式、负载等多方面因素，规定时间明确了产品有效工作的时长范围，规定功能是产品设计之初赋予的核心使命，比如手机的通信、拍照、数据处理功能，汽车的运输载人功能等。简单理解，可靠性就是产品能使用多久不出故障。

       衡量可靠性的指标众多，平均故障间隔时间（MTBF）是常用指标之一，它通过计算设备在两次故障之间的平均工作时间，反映设备的可靠性水平，MTBF值越高，设备可靠性越强；可靠度（R(t)）是指产品在规定条件和时间内，无故障地完成规定功能的概率；失效率（λ）则是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。
 
       在工程设计中，工程师们研发出多种可靠性设计方法，包括冗余设计、降额设计、容错设计、简化设计、热设计等，旨在提升产品或系统稳定运行能力。

       ●冗余设计：通过增加额外的功能相同组件来提高系统可靠性的方法。当主用组件发生故障时，备用组件能够立即接替工作，保证系统正常运行。例如，在航空航天领域，飞机的飞控系统通常采用三余度或四余度设计，即配备三个或四个相同的飞控计算机，当其中一个计算机出现故障时，其他正常工作的计算机可以继续控制飞机飞行，确保飞行安全。

       ●降额设计：让元器件或设备在低于其额定参数的条件下工作，从而降低其失效率，提高产品的可靠性。以电子电路中的电阻器为例，若其额定功率为1瓦，在设计电路时，让它在0.5瓦甚至更低的功率下工作，就能有效降低电阻器发热和老化速度，提高其可靠性。汽车发动机在设计时，也会通过降低压缩比、限制最大功率输出等方式进行降额设计，使发动机在各种工况下都能稳定运行，减少故障发生概率。
 
       ●容错设计：通过系统性架构和算法，使产品在发生故障时仍能维持规定性能或降级运行的能力。其核心在于主动检测、隔离故障，并通过冗余或替代机制恢复功能，而非单纯依赖事后修正。例如，在分布式计算系统中，部分节点故障时，容错设计能让其他节点自动接管故障节点的任务，维持整个系统的运行。再如，航电系统综合核心处理机的电源容错设计采用了双电源模块并联供电及1+1余度设计，同时具备智能管理与故障隔离能力，能及时关闭异常接口，确保系统稳定运行。

       ●简化设计：在满足产品功能的前提下，尽量减少零部件的数量和复杂度，降低故障发生的可能性。在产品设计过程中，去除冗余功能和复杂的连接，使用标准化、通用化的零部件，既方便生产制造，也便于后期维护和更换。例如，猛禽发动机是航天发动机领域简化设计的邮箱范例，通过内化管路、集成冷却系统等，大幅减少零部件数量与复杂结构，如取消热防护罩及灭火系统，降低故障风险，提升可靠性与生产效率。

       ●热设计：由于热量是影响电子设备可靠性的重要因素，过高的温度会加速电子元件的老化和失效。热设计就是通过合理的散热结构和散热方式，将设备产生的热量及时散发出去，保证设备在适宜的温度范围内工作。例如，在笔记本电脑中，通常会配备散热风扇和导热铜管，风扇加速空气流动，导热铜管将CPU和GPU等发热大户产生的热量传导到散热片上，再通过风扇将热量散发到外界。在大型通信基站中，会采用液冷散热技术，利用冷却液循环带走设备热量，确保基站内的电子设备在高温环境下也能可靠运行。
 
维修性：保障产品快速修复

       维修性（Maintainability）是指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，保持或恢复其规定功能的能力。“规定条件”、“规定时间”、“规定程序和方法”是维修性定义中的关键要素。其中，规定条件指维修的机构和场所，以及相应的人员与设备、设施、工具、备件、技术资料等资源。规定时间指对直接完成维修工作需用时间所规定的限度，是衡量产品维修性好坏的主要度量尺度。规定程序和方法指按技术文件规定的工作类型、步骤、方法。

       维修性的指标用于衡量产品维修的难易程度和效率，常见的指标包括平均修复时间（MTTR）、修复率（μ）、维修停机时间、维修度（M(t)）、首次故障前平均时间（MTTFF）、维修成本。
 
       维修性基于科学的设计和规划，在各个行业中发挥着重要作用，保障了工程系统在出现故障后能迅速恢复正常运行，减少停机时间和经济损失。例如，在航空领域，飞机的外场可更换单元（LRU）设计充分体现了维修性理念。LRU将飞机上复杂的系统划分成一个个相对独立的模块，如航空电子设备中的通信模块、导航模块等。一旦某个模块出现故障，地勤人员可以快速拆卸并更换新的模块，无需深入排查内部复杂线路和零件，极大提高了维修效率。此外，飞机的维修通道设计也考虑了可达性，在机身结构上设置了专门的检修口和维护平台，方便维修人员对发动机、起落架等关键部位进行检查和维护。

       在汽车行业，模块化设计是提升维修性的典型方式。如今许多汽车的发动机、车载娱乐系统等都采用模块化结构。比如新能源汽车的动力电池组，由多个标准化电池模块组成，当某个模块出现故障时，维修人员无需对整个电池组进行复杂的拆解和维修，仅需更换故障模块即可，大大缩短了维修时间，降低了维修成本。同时，汽车零部件的标准化设计，使得不同车型之间的部分零件可以通用，在维修时更容易找到合适的替换件。
 
       在消费电子领域，智能手机的设计也越来越注重维修性。部分手机厂商采用了可快速拆卸的后盖和模块化的内部组件布局，用户或维修人员可以轻松打开手机，更换损坏的电池、屏幕等部件。例如，某品牌手机的屏幕采用磁吸式连接，更换时只需轻轻揭开旧屏幕，吸附上新屏幕即可，无需复杂的工具和专业技能，有效降低了维修门槛和维修时间。

保障性：确保产品持续运行

       保障性（Supportability）是指系统的设计特性和计划的保障资源能满足使用要求的能力。保障性是装备系统的固有属性，包括两方面含义，与装备保障有关的设计特性和保障资源的充足与适用程度。设计特性是指与保障有关的设计特性，如与可靠性和维修性等有关的，以及保障资源要求装备所具有的设计特性，这些设计特性可以通过设计直接影响装备的硬件和软件，使设计的装备便于操作、检测、维修、装卸、运输、消耗品补给等。

       保障性衡量指标用于评估产品或系统在全寿命周期内获得保障资源以维持规定功能的能力，常见的指标包括保障设备完好率、保障任务完成率、保障资源配置率等。此外，由于维修性直接影响装备或系统获取保障资源的效率与效果，与保障性高度关联，因此维修性指标常被纳入保障性衡量体系。为避免内容重复，相关维修性指标已在维修性章节中详细阐述，此处不再赘述。
 
       保障性在众多工程设计行业中发挥着关键作用，直接关系到系统的稳定运行与全生命周期成本。在航空航天领域，以首都航天机械有限公司四车间为例，其设备种类多、老旧非标设备占比大，在高强度运转下故障频发，人员能力与动力不足、数据管理缺失、制度与现场管理缺陷等问题突出，严重影响生产。该企业从保障性角度出发，以TPM自主保全为目标，依“一会二标一板一库二机制”的PDCA循环思路，完善人员培训、信息管理、维修保障等设计，构建快速保障管理机制。实施后，设备故障维修响应时间大幅缩短，故障数减少，利用率和产品质量提升，还建立了立体化培训与自主管理机制，为后续持续优化设备保障体系提供支撑。

       在武器装备领域，传统武器装备保障存在特性设计不协同、试验鉴定不充分等问题。数字孪生驱动的武器装备智能保障技术，以数字化构建虚拟模型，实现保障体系全要素的数据采集、监控、分析与决策。它通过虚实交互、效能评估等模式，应用于装备保障性设计、试验鉴定、运维保障、虚拟训练和保障任务规划推演等方面。如在设计中协同保障特性、并行设计与验证；试验鉴定形成设计闭环；运维保障提升装备反应能力；虚拟训练解决传统难题；保障任务规划与推演完成战场态势感知、任务规划与推演。

测试性：及时发现产品故障

       测试性（Testability）是产品能及时、准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种特性。测试性工作的目标是确保系统和设备达到规定的测试性要求，以提高系统和设备的战备完好性和任务成功性、减少对维修人力和其他资源的要求，降低寿命周期费用，并为管理提供必要的信息。

       测试性的目标通常有两个：确定产品的运行状态；二是判断故障隔离能力。测试性设计考虑因素：涵盖硬件和软件方面。硬件上，合理布局电路和选用合适元器件，便于测试信号的接入和传输；软件上，设计诊断程序和算法，实现对系统功能和状态的监测与分析。常见的测试性指标包括故障检测率、故障隔离率、虚警率、测试时间、测试覆盖率等。
 
       在工程设计中，常见的测试性技术主要包括固有测试性，机内测试，外部自动测试，人工测试，综合诊断和健康等管理技术。
 
       ●固有测试性：固有测试性是产品的一种固有属性，它取决于产品的设计和构造，反映了产品本身便于进行测试的能力。例如，在电路设计中采用标准化的接口和模块化设计，使得各个模块能够独立进行测试，减少了测试的复杂性；在软件设计中使用清晰的结构和注释，方便测试人员理解代码逻辑，从而更高效地进行测试。

       ●机内测试（BIT）：是指系统或设备内部设置的自动测试功能。它可以在系统运行过程中实时监测自身的工作状态，快速检测和隔离故障。例如，现代飞机的航空电子系统中，机内测试功能能够实时监测各个传感器、计算机等部件的工作参数，一旦发现异常，会立即发出警报并指示可能的故障位置，大大提高了系统的可靠性和可维护性。
 
       ●外部自动测试（ATE）：是利用外部的测试设备对产品进行测试的技术。这些测试设备可以模拟各种输入信号，测量产品的输出响应，从而判断产品是否正常工作。例如，在集成电路测试中，使用自动测试设备可以对芯片的各项性能指标进行全面测试，包括电气特性、功能完整性等。ATE能够快速、准确地完成大量测试任务，提高测试效率和质量。

       ●人工测试：指由测试人员通过手动操作测试设备或直接观察产品的工作状态来进行测试的方法。虽然自动化测试技术越来越普及，但人工测试仍具有不可替代的作用。例如，在一些复杂的系统中，人工测试可以对系统的功能和性能进行全面、细致的检查，发现一些自动化测试难以发现的问题；在产品的研发初期，人工测试可以帮助测试人员更好地理解产品的功能和需求，为后续的自动化测试提供基础。
 
       ●综合诊断：综合诊断技术是将多种诊断方法和手段相结合，以提高故障诊断的准确性和效率。它综合运用了基于模型的诊断、基于知识的诊断、基于数据的诊断等多种方法，对产品的故障进行全面、深入的分析。例如，在大型机械设备中，综合诊断技术可以结合振动监测、温度监测、油液分析等多种监测手段，利用专家系统和数据分析算法，对设备的故障进行准确诊断和预测，及时采取维修措施，避免设备故障的扩大化。

       ●健康管理技术：是对产品的健康状态进行实时监测、评估和预测的技术。它通过对产品运行过程中产生的各种数据进行分析和处理，评估产品的健康状况，预测产品可能出现的故障，并提前采取维护措施。例如，在航空发动机健康管理中，通过安装在发动机上的各种传感器实时监测发动机的温度、压力、振动等参数，利用数据分析算法对发动机的健康状态进行评估和预测，为发动机的维护决策提供依据，提高发动机的可靠性和使用寿命。

安全性：筑牢产品的生命线

       安全性（Safety）是指产品在制造、使用、储存和运输过程中，不发生导致人员伤亡、设备损坏或环境破坏等事故的能力。安全性实质上是一种风险控制能力，强调通过设计、冗余、防护等措施，将事故发生的概率和后果降低到可接受范围。对于汽车、轨道交通、飞机、核电站等行业，一旦产品失效可能会导致重大人员伤亡和财产损失，因此这些行业对安全性的要求极高。

       安全性的衡量指标兼具定量精确性（如失效概率数值）和定性系统性（如安全等级认证），核心是通过“风险量化-措施设计-验证达标”的逻辑，确保高风险行业的失效后果可控。例如，汽车行业的ASIL D、核电行业的SIL 4等指标，均是该行业安全性的硬门槛，直接决定产品能否上市或运行。
 
       以汽车行业为例，安全性一直是消费者关注的核心重点。例如，长城汽车在车身设计上大量运用高强度钢材，部分车型高强度钢占比达82%，关键受力部位抗拉强度超2000MPa，如一体化笼式车身、合理传力通道及部件连接设计，可有效分散碰撞力，保障驾驶舱刚度。其主动安全配置丰富，有自适应巡航、车道偏离预警等，还采用5毫米波雷达+12超声波雷达+8摄像头异构方案，实现360°无死角监测。此外，在研发测试阶段，长城汽车构建贯穿全周期的安全体系，投资5亿建成亚洲最大独立安全试验室，满足全球最高安全评级标准，还在极端环境进行测试，为汽车安全设计提供支撑。

       在核电行业，核安全是核事业发展的生命线。技术层面，核电站广泛应用先进的三代核电技术，以“华龙一号”为例，其安全系统融合能动与非能动技术，可有效应对全厂断电等极端工况，经测算，堆芯熔毁概率被控制在一百万堆年以下。设计环节严格遵循纵深防御原则，设置五道安全屏障，并通过压力测试、抗震模拟等方式验证系统可靠性。管理方面，严格对标国际原子能机构（IAEA）安全标准，实施核安全许可证制度，要求运营单位每18个月开展应急演练。此外，全国统一的核安全监管体系由国家核安全局主导，对核电站设计、建造、运行全流程进行监督管理，确保核电项目安全可控。

       在航空行业，飞机的安全性是决定飞机效能和寿命周期费用的重要因素。以民用飞机机载系统为例，其安全性通过多层次技术体系和严格流程保障。设计阶段依据ARP4754A标准，采用功能危害分析（FHA）和系统安全评估（SSA）方法，将失效条件按严重程度分级，并匹配概率要求。架构设计采用多重冗余技术，如电传操纵系统常配置三重或四重独立通道，液压、电气系统也设置备份回路，同时通过非相似冗余降低共因故障风险。制造过程遵循严格的过程控制，包括需求确认、构型管理和审定流程，确保设计与适航标准完全一致。验证环节采用V模型，覆盖飞机级、系统级、设备级的多层次测试，包括模拟极端环境、故障注入和压力测试，确保系统在复杂场景下的可靠性。此外，机载系统还集成实时监控与告警机制，结合飞行员训练和应急程序，形成人机协同的安全闭环。
 
环境适应性应对产品复杂环境挑战

       环境适应性（Environmental Adaptability）是指产品、系统或装备在其全寿命周期内，面对各种预期的自然环境，如温度、湿度、气压、振动、沙尘、盐雾等，以及诱发环境，如电磁干扰、机械应力、化学腐蚀、人为操作环境等时，能够保持正常功能、性能稳定且不发生失效的能力。环境适应性的核心在于通过系统性设计，使工程对象具备抗干扰、耐受极端条件及可持续发展的能力，从而降低环境风险、延长使用寿命并减少维护成本。

       在工程设计中，环境适应性的衡量指标通常围绕产品或系统在目标环境中稳定运行的能力，涵盖气候、机械、化学、电磁等多维度环境因素。常见的衡量指标及具体说明见下表。
 
       当前工程设计中环境适应性发展呈现“军用体系成熟、民用快速推进、技术融合创新”的特点。在标准体系层面，以GJB 4239《装备环境工程通用要求》为核心的军用环境工程规范已形成完整框架，明确将环境适应性作为产品质量特性，覆盖装备全寿命周期管理，并通过环境分析、设计、试验等流程确保实施。其他行业借鉴此方法，通过行业标准推进规范化，推动产品性能的进一步提升。

       在军用电子设备环境适应性设计中，针对气候、力学、电磁等恶劣环境，设计贯穿研制全程。热设计方面，通过填加导热介质、优化冷板材质与结构、合理选择机箱散热方式，提升散热效率；抗振动冲击设计从刚性设计和减振设计入手，增强抗振能力；电磁兼容设计涵盖屏蔽、滤波、接地，如采用蜂窝波导、导电胶条、合理安装滤波器等。通过仿真分析与试验验证，确保设计有效性。
 
       在舰船风浪环境适应性设计案例中，针对舰船在复杂海洋环境下的适应性问题，通过分析舰船在风浪中的受力情况和运动特性，建立了风浪环境适应性评价指标体系。设计中，重点考虑了增加水线面系数、调整浮心位置和优化线型等措施，以提升舰船的稳性和耐波性。该案例将环境仿真技术用于预测和评估设计方案的有效性，将模型试验用于验证仿真结果的准确性和设计的可行性。

       笔者认为，工程设计的“六性”紧密关联、相辅相成，共同构成产品全生命周期的质量根基。其中，可靠性是基础，确保设备在规定条件和时间内完成规定功能，为其他“五性”提供稳定的运行保障。维修性与可靠性形成互补闭环，高可靠性可减少维修需求，良好的维修性又能提升可靠性。保障性则是资源枢纽，通过精准配置人力、物资与技术支持，为可靠性与维修性的落地提供支撑。测试性如同“健康检测仪”，加速维修响应，同时提前消除潜在隐患，进一步巩固可靠性。安全性贯穿始终，是工程设计的底线，保障人员、设备和环境安全，其他“五性”的实现都需以安全为前提。环境适应性赋予设备应变能力，使其能在复杂工况与极端环境中稳定运行。在实际工程设计中，“六性”应当全面统筹、相互协调、相互促进，才能实现工程设计在功能、成本、寿命与风险间的最优解，最终达成“安全可靠、长周期服役、全域适应”的工程目标。

       需要指出的是，企业可借助多种软件实现工程设计的“六性”目标。

       ◆在可靠性分析方面，国际上可选用英国的Isograph软件，其以产品故障为中心，利用概率和数理统计理论，集成多种功能，为可靠性提供综合解决方案；美国的ReliaSoft软件也是可靠性分析的佼佼者，它提供了包括Weibull分析、加速寿命测试分析等在内的多种功能，广泛应用于不同行业的可靠性设计和分析。在国内，广五所的CARMES软件能进行故障模式模拟与量化评估，满足多行业可靠性工程应用需求。

       ◆在维修性设计方面，国际上可利用达索系统的DELMIA软件，模拟设备的维修过程，对维修空间、维修工具可达性等进行评估。西门子的JACK软件可评估维修姿势舒适度并预测平均修复时间，适用于复杂装备的维修性优化。在国内，一些企业也在开发适用于本土复杂工况的维修性分析工具，如树根互联的根云-设备数字运维系统（EDM）基于根云平台的IoT数据及报警数据，通过手机APP进行维护作业，通过大数据的收集进行设备健康库的评估，并进行预防性的维修保养。

       ◆在保障性管理方面，国际上可依托SAP ERP等软件构建全球化资源调度体系，其S/4HANA维护模块支持人力、物资的全流程数字化管理，满足ISO 41001资产管理标准。在国内，瑞风协同形成专业保障工具链，其中WILSIMU装备保障仿真系统符合GJB 3872标准，支持装备保障要素的可视化建模与仿真推演，已应用于航天火箭发射保障、陆军装甲集群运维等场景；ISEMS在役装备运维保障系统集成IoT数据，支撑预测性维护策略制定，助力军工装备实现精准保障。

       ◆在测试性方面，国际上，美国DSI的eXpress通过层次化建模支持航空电子系统的测试性设计，QSI的TEAMS提供全生命周期故障诊断，澳大利亚MADe侧重机械系统的预测性健康管理，瑞典RODON擅长动态故障树分析。在国内，中国航空工业综合所RAMIDS.Teslab支持航空装备的多信号流测试性建模；经纬恒润研发的TVM软件面向智能驾驶领域，支持将待测算法无缝集成，并同步接入整整车模型、场景模型、感知模型，实现算法在虚拟环境中的闭环功能测试。

       ◆在安全性分析，国际上，汽车、轨道交通领域可采用Medini Analyze软件生成FTA和FMEDA报告，满足ISO 26262标准；在化工行业，Sphera公司的PHA-Pro软件基于自定义风险分析方法，帮助企业配置符合自身特点的模板；Exida公司的exSILentia软件遵循IEC 61508/61511标准，内置马尔可夫模型与仪表数据库。在国内，上海歌略研发的RiskCloud软件，可配置企业专属风险分析方法，适用于化工、制药等行业的风险分析。

       ◆在环境适应性评估方面，国际上，Ansys、西门子、达索系统等公司的仿真工具，覆盖气动加热、振动、腐蚀等极端环境分析，广泛应用于汽车、航空航天领域。在国内，一些企业和科研机构也在开发适合本土环境的仿真工具，如安世亚太开发的PERA SIM支持GJB150标准，提供包括静强度试验、振动模态试验、随机振动试验、正弦振动试验、离心加速度试验以及冲击试验等的虚拟试验工况。中国科学院国家空间科学中心的空间环境效应分析软件包（SEEAP），可用于航天产品抗辐射设计、空间环境适应性设计和在轨故障诊断。

       【参考资料】

航电系统综合核心处理机容错设计
https://mp.weixin.qq.com/s/7LusOTe6_v0wJTuiHA2Uow
GJB9001C-2017“六性”评估工作分析
https://mp.weixin.qq.com/s/MQ0QU9X1SiOS347tCP5lMA
武器装备通用质量特性设计之保障性介绍
https://mp.weixin.qq.com/s/hsGnjGMsYpBHMW5t4LStbw
案例分享|航天企业现场设备的快速保障体系建设
https://mp.weixin.qq.com/s/_gt7xt_-9K9s39Q0wKkKFw
数字孪生驱动的武器装备智能保障技术研究
https://mp.weixin.qq.com/s/WkZ_vz_1aUsy6WgDm20uNw
测试性的基本概念
https://www.kekaoxing.com/87059.html
基于模型的综合模块化航电系统测试性设计方法
https://mp.weixin.qq.com/s/wgp7cPauePRxQmY0Cq6RCw
机载显控设备测试性设计
https://mp.weixin.qq.com/s/QWTJHyRJTvLqIXHu_J5Mcw
航空发动机全生命周期健康管理技术发展分析
https://mp.weixin.qq.com/s/L824rE0mx0yMMu0oCuG22w
华龙一号丨核电站，真的安全吗？
https://mp.weixin.qq.com/s/xvowM0kcjbnJ9Gqndqdv9w
知识丨浅谈民用飞机机载系统的安全性
https://mp.weixin.qq.com/s/fgQTImAmZvsCtiMi0KA5gw
军用电子设备环境适应性设计方法
https://mp.weixin.qq.com/s/94ttDQn-HKvJEKqef-sCEg
舰船环境适应性设计方法探索与实践
https://mp.weixin.qq.com/s/hFocjhsGz-7eoGBOMQ3Eeg