基于FMEA和模糊貼近度的裝備故障維修方法選擇

孫致遠(yuǎn)，鄭 堅，熊 超，殷軍輝

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003）

基于FMEA和模糊貼近度的裝備故障維修方法選擇

孫致遠(yuǎn)，鄭 堅，熊 超，殷軍輝

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003）

在傳統(tǒng)的裝備故障維修方法選擇過程中，由于FMEA中評價指標(biāo)等級劃分及故障描述語言具有模糊性，給故障各指標(biāo)的評定及維修方法的選擇帶來很大困難。將模糊理論引入FMEA中，對故障指標(biāo)進(jìn)行模糊評定，利用綜合模糊貼近度，為故障選擇最合理的維修方法，并以自行高炮自動機(jī)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性。

FMEA；模糊理論；模糊貼近度

裝備故障維修方法的選擇是關(guān)系到裝備保障效率的一項(xiàng)重要因素，對于武器裝備故障，目前常用的維修方法有3種：事后維修、視情維修和定期維修［1］。大多數(shù)單位在對武器裝備的管理和維修上都采用傳統(tǒng)的日常檢查與事后維修相結(jié)合的方法，但面對多樣的故障模式，這種方法極易造成維修效率低下和資源浪費(fèi)。

故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）方法是分析各類故障，確定合理維修方法的有效手段。傳統(tǒng)的FMEA方法通過評估各種故障的嚴(yán)重程度S、發(fā)生概率O和可檢測度D，由三者相乘得到風(fēng)險優(yōu)先度指數(shù)RPN（Risk Priority Number，RPN），從而確定各故障的維修保障方法［2］。此法雖易于操作，但存在一定問題：對故障的3個評價指標(biāo)參數(shù)均以精確的數(shù)值表示，缺少對不確定因素的考慮，隨意性較強(qiáng)；RPN值僅代表故障的風(fēng)險程度，本身并不具有任何意義，僅僅根據(jù)其數(shù)值的大小來選擇維修方法缺少對故障特點(diǎn)的具體考慮，缺乏說服力。

針對上述缺陷，筆者結(jié)合模糊理論，在故障的嚴(yán)重程度、發(fā)生概率和可檢測度3項(xiàng)指標(biāo)的評定上引入模糊數(shù)的概念，建立與各維修方法緊密相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)故障模型，通過計算故障與3種標(biāo)準(zhǔn)故障模型之間的綜合貼近度，確定針對具體故障合理的維修方法并在某自行高炮自動機(jī)上進(jìn)行成功驗(yàn)證。

1 裝備故障維修方法選擇

傳統(tǒng)的故障維修方法選擇是利用FMEA，從系統(tǒng)故障和造成故障的元件之間存在的因果關(guān)系出發(fā)，找出系統(tǒng)在設(shè)計和使用過程中的潛在故障，對各故障模式的3個指標(biāo)進(jìn)行分析評定，計算得到故障的風(fēng)險優(yōu)先度指數(shù)RPN，根據(jù)RPN的數(shù)值大小確定合適的維修保障方法，其主要流程如圖1所示。

將模糊理論引入FMEA方法中能夠有效解決原有方法的不足。首先利用模糊理論將故障分析中3個指標(biāo)等級進(jìn)行模糊化；然后通過專家打分的方式對故障的各指標(biāo)進(jìn)行模糊評定，同時根據(jù)不同維修方法的特點(diǎn)，建立系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)故障庫；最后計算故障與各標(biāo)準(zhǔn)故障間的綜合貼近度，從而得出最適合的故障維修方法。其主要流程如圖2所示。

1.1 對指標(biāo)進(jìn)行模糊評定

鑒于故障的3個指標(biāo)不容易精確地確定，在指標(biāo)的評定上引入模糊數(shù)的概念。在模糊理論中，模糊數(shù)通常應(yīng)用于對主觀和不確定的信息進(jìn)行量化描述，其較為常用的隸屬函數(shù)有三角形（a，b，d）及梯形（a，b，c，d）［3］。結(jié)合故障嚴(yán)重度S、發(fā)生度O和可檢測度D這3個指標(biāo)的特性，參考傳統(tǒng)FMEA故障的指標(biāo)劃分和具體描述，采用三角模糊數(shù)來代替準(zhǔn)確數(shù)，對指標(biāo)等各級進(jìn)行了模糊化。具體等級劃分及隸屬函數(shù)如表1所示［2，4］。

根據(jù)上述評價準(zhǔn)則，整合評定組專家對n個故障的評定結(jié)果，得到各故障模式的模糊指標(biāo)集合，將n個故障的模糊指標(biāo)集合構(gòu)成模糊評價矩陣R。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)故障模型的確定

系統(tǒng)的維修方法主要分為事后維修、視情維修以及定期維修［6］。

事后維修是設(shè)備運(yùn)行指導(dǎo)發(fā)生故障而停機(jī)后才進(jìn)行的維修，也稱作故障后維修，事后維修能夠降低維修的成本，簡單易行，但它是一種缺少靈活性的非計劃性維修。視情維修立足于故障機(jī)理分析，根據(jù)不解體的測試結(jié)果，在維修對象出現(xiàn)故障前對其進(jìn)行維修，視情維修能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)提前制定維修方案，最大化設(shè)備的可用性，但需要一定的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)條件。定期維修是為降低故障的發(fā)生率，根據(jù)預(yù)先規(guī)定的時間而進(jìn)行的維修。定期維修能有效減少停機(jī)時間，但在一定程度上可能會提高維修成本［6］。分析各維修方法特點(diǎn)，得到其適用的故障特征如表2所示［7］。

根據(jù)表2所示，建立標(biāo)準(zhǔn)故障模型庫Q，Q中假設(shè)Q1、Q2和Q3為標(biāo)準(zhǔn)故障模型，分別完全適合3種維修方法。各標(biāo)準(zhǔn)故障模型作為假設(shè)的故障，可以對3個指標(biāo)進(jìn)行模糊評價，且指標(biāo)應(yīng)較為完全地符合維修方法的適用范圍。通過計算故障各指標(biāo)與各標(biāo)準(zhǔn)故障指標(biāo)的接近程度確定出故障應(yīng)采用的維修方法。由各維修方法適用的故障類型特征，確定各標(biāo)準(zhǔn)故障模型的模糊指標(biāo)集合為

1.3 基于模糊貼近度的維修方法選擇

在模糊理論中，貼近度是刻畫模糊集合接近程度的一種度量［8］。對于兩個模糊數(shù)A和B，其模糊貼近度為［9］：

式中：

確定某個故障使用哪種維修方法，在一定程度上可等效為判斷該故障與哪種標(biāo)準(zhǔn)故障模型最為接近。對于故障Ri，分別計算與Q1、Q2和Q33個標(biāo)準(zhǔn)故障模型的綜合貼近度di1、di2和di3，并對其進(jìn)行排序，根據(jù)綜合貼近度最大值所對應(yīng)的故障模型確定故障Ri應(yīng)采取的維修方法。故障Ri與標(biāo)準(zhǔn)故障Qj的綜合貼近度計算過程如下：

計算故障Ri中嚴(yán)重度與標(biāo)準(zhǔn)故障Qj中嚴(yán)重度的模糊貼近度、發(fā)生度與的模糊貼近度、可檢測度與的模糊貼近度。

計算故障Ri與標(biāo)準(zhǔn)故障Qj的綜合貼近度為

權(quán)重系數(shù)體現(xiàn)了各指標(biāo)的模糊貼近度對綜合貼近度的重要程度，而且權(quán)值的分布也反映了在維修方法選擇過程中，故障各指標(biāo)對確定不同維修方法的影響程度。例如在決定是否對某故障采取事后維修的方法時，首先應(yīng)考慮該故障的嚴(yán)重程度；而在決定是否對某故障應(yīng)用視情維修時，該故障能否被監(jiān)測起到很大影響。

按照上述方法，計算故障Ri與標(biāo)準(zhǔn)故障Q1、Q2和Q3的綜合貼近度，得到di1、di2和di3。通過比較di1、di2和di3大小，確定綜合貼近度最大值所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)故障模型，即可選擇出最適合故障Ri的維修方法。

2 實(shí)例分析

自動機(jī)直接完成彈丸的裝填與連續(xù)擊發(fā)，是自行高炮火力系統(tǒng)的核心部件，其健康程度直接關(guān)系到整個火力系統(tǒng)能否順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。由于自動機(jī)內(nèi)部構(gòu)件繁多、結(jié)構(gòu)緊湊，且構(gòu)件之間存在劇烈的沖擊和較強(qiáng)的碰撞、摩擦，使得自動機(jī)極易發(fā)生故障，導(dǎo)致自行高炮戰(zhàn)技性能的下降甚至停射。

以某自動機(jī)為對象進(jìn)行FMEA分析，并對各故障模式的嚴(yán)重度、發(fā)生度和可檢測度3個指標(biāo)進(jìn)行模糊化評定，建立自動機(jī)FMEA報告表，如表3 所示。

由表3可得故障模式的模糊指標(biāo)矩陣為

結(jié)合式（3）和（5），得到各故障模糊指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)故障模型模糊指標(biāo)間模糊貼近度，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)對各維修方法特點(diǎn)的分析，利用A HP方法確定不同維修方法對3個指標(biāo)模糊貼近度的權(quán)重，如表5所示。

根據(jù)式（6），計算得到不同故障與各標(biāo)準(zhǔn)故障的綜合貼近度，結(jié)果如表6所示。

由表6可得：R1、R3、R5與Q2綜合貼近度較高，對其進(jìn)行視情維修較合適；R2與Q3綜合貼合度較高，應(yīng)對其進(jìn)行定期的檢測和維修；R4與Q1綜合貼近度較高，對其進(jìn)行事后維修較為合適。維修方法選擇結(jié)果與傳統(tǒng)FMEA結(jié)果基本一致，但與傳統(tǒng)FMEA利用RPN值選擇維修方法相比，本文方法在指標(biāo)評定的過程中利用模糊數(shù)，簡化了對不易量化的復(fù)雜系統(tǒng)的定量評估過程，不僅降低評定難度，也將許多不確定因素考慮在內(nèi)，增加了指標(biāo)評定的可信度；在利用指標(biāo)評價結(jié)果確定故障維修方法的過程中，沒有簡單地利用RPN值大小進(jìn)行選擇和判斷，而是通過建立標(biāo)準(zhǔn)故障模型與各維修方法產(chǎn)生聯(lián)系，通過比較貼近度確定出最適合自身的維修方法，充分考慮到故障指標(biāo)與各維修方法適用范圍的接近程度，使結(jié)果更加具有說服力。

3 結(jié)論

1）在FMEA分析中引入模糊數(shù)，對嚴(yán)重度、發(fā)生度和可檢測度進(jìn)行模糊評價，在一定程度上降低了不確定因素和主觀因素對評定結(jié)果的影響，使評價結(jié)果更加可靠，同時降低了評價難度。

2）按照各維修方法的特點(diǎn)和適用范圍，建立標(biāo)準(zhǔn)故障模型庫。通過與標(biāo)準(zhǔn)故障模型進(jìn)行比較，將具體的故障模式和維修方法有效地聯(lián)系起來。

3）利用計算綜合模糊貼近度的方法確定最合適的故障維修方法，使維修方法的選擇過程更具有可信度，結(jié)果更為合理。

4）以某自行高炮自動機(jī)維修方法的選擇為例，詳細(xì)說明了此方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟。

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Selection of Maintenance Mode for Equipment Failure Based on FMEA and Fuzzy Nearness Degree

SUN Zhiyuan，ZHENG Jian，XIONG Chao，YIN Junhui

（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China）

In the traditional process of selecting maintenance mode for equipment failure，the division of evaluation index grades and failure descriptive language is fuzzy in the FMEA，so the difficulties arise in evaluating the failure indices and in selecting reasonable maintenance mode.In order to make a fuzzy evaluation of failure indices，F(xiàn)uzzy Theory was introduced into the FMEA in this paper.The optimal maintenance mode is to be chosen based on the fuzzy nearness degree.The feasibility of this approach is verified by taking the auto-mechanism of the self-propelled anti-aircraft gun system as an example.

FMEA；fuzzy theory；fuzzy nearness degree

TH173

A

1673-6524（2015）03-0086-05

2014- 11- 20；

2015- 04- 01

孫致遠(yuǎn)（1990－），男，碩士研究生，主要從事武器性能檢測與故障診斷技術(shù)研究。E-mail：sunzhiyuandll＠163.com