基于模糊TOPSIS-FMEA的飛機(jī)IDG風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

石旭東, 成博源, 黃 琨, 楊占剛

(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300300)

0 引 言

飛機(jī)電源系統(tǒng)為機(jī)上用電設(shè)備提供電能,發(fā)生故障若不能及時(shí)檢測(cè)并得到有效處理,可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)聯(lián)的負(fù)載設(shè)備損壞或失效,進(jìn)而危及飛行安全。隨著“多電飛機(jī)”概念的提出和發(fā)展, 電力驅(qū)動(dòng)正在逐步取代傳統(tǒng)的液壓、氣壓、機(jī)械系統(tǒng), 機(jī)載用電設(shè)備也越來(lái)越多, 對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的安全性、可靠性也提出了更高的要求。而整體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(integrated drive generator,IDG)是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要組成部分,其性能直接關(guān)系到飛機(jī)的安全運(yùn)行,因此對(duì)IDG進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提前預(yù)估可能發(fā)生的故障模式及其風(fēng)險(xiǎn)水平具有重要意義。

飛機(jī)電源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)收集、整理的風(fēng)險(xiǎn)信息深入分析,識(shí)別其中的不確定因素,分析有關(guān)事件可能帶來(lái)的損失及可能發(fā)生的概率,評(píng)估各故障的風(fēng)險(xiǎn)程度。飛機(jī)常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法有失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)、故障樹(shù)分析(fault tree analysis,FTA)和層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)等。本文采用的FMEA法是最常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)電源系統(tǒng)。江亮亮對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能和故障分析,建立簡(jiǎn)化的FMEA表格。徐宇恒對(duì)西門(mén)諾爾飛機(jī)電源系統(tǒng)各故障模式進(jìn)行FMEA分析,從而得出各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)大小,并對(duì)各故障模式風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行排序。陳源對(duì)無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行FMEA 分析,利用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)供電系統(tǒng)故障進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。但上述研究大多只是將FMEA方法簡(jiǎn)單應(yīng)用到飛機(jī)電源系統(tǒng)上,并沒(méi)有考慮到傳統(tǒng)FMEA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)很難被精準(zhǔn)評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(risk priority number,RPN)計(jì)算中存在的缺陷。

飛機(jī)電源系統(tǒng)主要包括IDG、輔助電源(auxiliary power unit,APU)、應(yīng)急電源和二次電源等。 2018～2019年某航空公司某機(jī)型飛機(jī)電源系統(tǒng)共發(fā)生217次故障,其中IDG發(fā)生故障87次,占飛機(jī)電源系統(tǒng)故障的48.60%。因此,IDG作為飛機(jī)電源系統(tǒng)高發(fā)故障組件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義,而傳統(tǒng)FMEA沒(méi)有考慮到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不精確性和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)簡(jiǎn)單相乘帶來(lái)的缺陷?；诖?本文選取嚴(yán)重度、發(fā)生度和探測(cè)度3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo),在傳統(tǒng)FMEA的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入模糊理論和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS),提出一種模糊TOPSIS-FMEA方法對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)重要組件IDG進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),驗(yàn)證方法的實(shí)用性和有效性。

1 IDG故障模式分析

IDG 采用一體化設(shè)計(jì)將恒速傳動(dòng)裝置(constant speed drive,CSD)和航空三級(jí)無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)集成為一體。對(duì)某型飛機(jī)IDG進(jìn)行功能與結(jié)構(gòu)分析,得到IDG的主要故障模式與故障原因如表1所示。

表1 IDG主要故障模式與故障原因

2 模糊TOPSIS-FMEA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)FMEA主觀性較強(qiáng),沒(méi)有考慮到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)固有的模糊性,可以將模糊思想引入加以改進(jìn)。FMEA本質(zhì)是多目標(biāo)決策(multiple-criteria decision making,MCDM)問(wèn)題。而TOPSIS是一種多目標(biāo)多屬性決策方法,其源自最純粹的多準(zhǔn)則決策(multiple-criteria decision analysis, MCDA)思想,可以用來(lái)解決FMEA中RPN簡(jiǎn)單相乘帶來(lái)的弊端。李新月等提出一種模糊語(yǔ)境和失效模式與失效原因關(guān)聯(lián)性的FMEA 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。鄒運(yùn)在模糊 FMEA 法中加入修正度 F。為了處理復(fù)雜系統(tǒng)中的不確定性,一些建模領(lǐng)域?qū)＜沂褂脭?shù)學(xué)工具來(lái)處理不確定性和模糊性。結(jié)合上述研究,本文提出了一種模糊TOPSIS-FMEA方法來(lái)對(duì)IDG進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),主要步驟如圖1所示。

圖1 模糊TOPSIS-FMEA法主要步驟

步驟 2.1中三角模糊數(shù)的書(shū)寫(xiě)形式為

=(,,)

(1)

式中:、、分別表示三角模糊數(shù)的左端點(diǎn)、中點(diǎn)、右端點(diǎn)。

模糊語(yǔ)言集的3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為發(fā)生度(O)、嚴(yán)重度(S)和探測(cè)度(D)。

步驟 23中要求計(jì)算專家的評(píng)價(jià)權(quán)重。各專家的資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗(yàn)和熟悉程度會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性,因此需要確定各專家的權(quán)重向量。文獻(xiàn)[18]提出的專家小組評(píng)價(jià)方法,專家評(píng)價(jià)權(quán)重分配如表2所示。

表2 專家評(píng)價(jià)權(quán)重分配

將專家的資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗(yàn)、熟悉程度3個(gè)項(xiàng)目的得分相加,得到專家的評(píng)價(jià)權(quán)重為

(2)

式中:表示專家資質(zhì)水平項(xiàng)目得分;表示專家工作經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)目得分;表示專家熟悉程度項(xiàng)目得分;表示專家的總數(shù)。則專家的權(quán)重向量為

=[,,…,]

(3)

步驟 24中專家對(duì)故障模式的某一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的三角模糊評(píng)價(jià)為

=(,,)

則故障模式這一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的去模糊化評(píng)價(jià)結(jié)果為

(4)

式中：為人為選定的加權(quán)系數(shù),本方法使用權(quán)重向量中不同專家對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)作為加權(quán)系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)化后得到加權(quán)判斷矩陣:

(5)

式中:第1、2、3行分別代表對(duì)O、S和D的評(píng)價(jià);第(=1,2,…,)列代表的故障模式的評(píng)價(jià)值。

步驟 31中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)正理想解為加權(quán)判斷矩陣中該指標(biāo)對(duì)應(yīng)列的最大值,負(fù)理想解為該指標(biāo)對(duì)應(yīng)列的最小值,若評(píng)價(jià)對(duì)象最靠近正理想解,同時(shí)又最遠(yuǎn)離負(fù)理想解,則為最好。

(6)

(7)

(8)

值越大表示故障模式的危害性越大,需要重視的程度也越高。將相對(duì)貼近度從大到小排序,可以得到各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)水平排序。

3 IDG風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 IDG故障模式及影響分析

針對(duì)表1所述的CSD輸出故障、PMG故障、激勵(lì)器故障、旋轉(zhuǎn)整流器故障、主發(fā)電機(jī)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)控制組件故障模式,設(shè)置模糊術(shù)語(yǔ)集,如表3所示。

表3 模糊語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)

邀請(qǐng)三位專家對(duì)IDG的6種故障模式使用表3的模糊語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 專家模糊語(yǔ)言評(píng)價(jià)結(jié)果

上述各故障模式的評(píng)價(jià)結(jié)果由3個(gè)專家完成,根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算得到3位專家的權(quán)重向量為

=[029,057,014]

將O、S、D的三角模糊評(píng)估結(jié)果去模糊化,標(biāo)準(zhǔn)化后得到IDG故障模式的加權(quán)判斷矩陣:

3.2 IDG故障模式風(fēng)險(xiǎn)水平排序

表5 各故障模式與正負(fù)理想解歐氏距離

根據(jù)式(8)計(jì)算各故障模式相對(duì)貼近度,標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果如表6所示。

表6 IDG各故障模式風(fēng)險(xiǎn)水平排序

通過(guò)使用模糊TOPSIS-FMEA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法可以得出,對(duì)IDG危害性最大的是旋轉(zhuǎn)整流器故障,危害性最小的是發(fā)動(dòng)機(jī)控制組件故障。

3.3 與傳統(tǒng)FMEA方法對(duì)比

為了驗(yàn)證本文模糊TOPSIS-FMEA方法的優(yōu)越性,采用傳統(tǒng)FMEA方法進(jìn)行對(duì)比。邀請(qǐng)資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗(yàn)和熟悉程度相同的三位專家對(duì)飛機(jī)IDG進(jìn)行FMEA評(píng)價(jià),各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果取3個(gè)專家評(píng)價(jià)的算術(shù)平均值,如表7中傳統(tǒng)FMEA評(píng)價(jià)1所示。當(dāng)主發(fā)電機(jī)故障的發(fā)生度屬性值由3變?yōu)?時(shí),風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的評(píng)價(jià)值由90變?yōu)?20,如表中傳統(tǒng)FMEA評(píng)價(jià)2所示,此時(shí)主發(fā)電機(jī)故障大于CSD輸出故障的危害度,可以看出一個(gè)評(píng)價(jià)值的細(xì)微改變會(huì)導(dǎo)致故障模式排序發(fā)生變化。

表7 傳統(tǒng)FMEA評(píng)價(jià)結(jié)果

將模糊TOPSIS-FMEA法與傳統(tǒng)FMEA方法進(jìn)行對(duì)比分析,評(píng)價(jià)排序結(jié)果如表8所示?？梢钥闯鍪褂脗鹘y(tǒng)FMEA方法和模糊TOPSIS-FMEA方法對(duì)飛機(jī)IDG進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得到風(fēng)險(xiǎn)水平最高與最低的故障模式保持一致,說(shuō)明了兩種方法在一定程度上都適用。模糊TOPSIS-FMEA方法通過(guò)引入模糊理論和TOPSIS評(píng)價(jià)方法解決了風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)單相乘帶來(lái)的弊端,也避免了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值發(fā)生微小變化會(huì)對(duì)最終結(jié)果帶來(lái)很大影響的問(wèn)題,具有一定的優(yōu)越性。

表 8 傳統(tǒng)FMEA與模糊TOPSIS-FMEA評(píng)價(jià)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出了一種模糊TOPSIS-FMEA方法對(duì)飛機(jī)IDG進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) 采用專家的模糊語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)表征各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo),更符合人們對(duì)IDG風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的思維習(xí)慣。

(2) 不同專家自身知識(shí)經(jīng)驗(yàn)差異會(huì)有不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,每個(gè)專家的評(píng)價(jià)相對(duì)重要性不同。將專家的評(píng)價(jià)權(quán)重考慮其中,使得結(jié)果更加合理。

(3) 避免了因出現(xiàn)相同RPN值而導(dǎo)致不能判斷風(fēng)險(xiǎn)水平的情況,也解決了計(jì)算RPN時(shí)簡(jiǎn)單相乘帶來(lái)的問(wèn)題。

本研究有助于維修人員明確飛機(jī)IDG各故障模式風(fēng)險(xiǎn)水平的大小,提前準(zhǔn)備故障應(yīng)對(duì)措施,也可以為飛機(jī)電源系統(tǒng)其他組件風(fēng)險(xiǎn)水平評(píng)價(jià)提供有效參考。