基于FMEA和相似度的裝備維修決策

李新月，葛彥斌，安學(xué)廣，王帥，王延文，姚翔天

(1.中國(guó)人民解放軍32161部隊(duì)，新疆庫(kù)爾勒 841009；2.中國(guó)人民解放軍63618部隊(duì)，新疆庫(kù)爾勒 841009)

0 前言

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)是可靠性工程中最為有效的定性分析方法之一，它通過分析各設(shè)備的功能、故障模式、原因及后果，并對(duì)可能的失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以此制定科學(xué)合理的維修策略，從而盡可能減少和消除故障的產(chǎn)生，提高裝備的可靠性和可維修性。

當(dāng)前FMEA中確定維修策略的主要依據(jù)是風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先順序數(shù)RPN，它的計(jì)算公式為εRPN=S(嚴(yán)重度) ×O(發(fā)生率) ×D(探測(cè)度)。該方法簡(jiǎn)單、易操作，但存在以下不足：(1)很難精確地評(píng)估3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子[1]；(2)RPN值表示的是風(fēng)險(xiǎn)程度，與維修策略的關(guān)聯(lián)性較低，用它確定維修策略不具有說(shuō)服力[2]。

針對(duì)上述缺陷，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究。歐氏陽(yáng)中輝等[3-4]將模糊理論引入到風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)估中。孫致遠(yuǎn)等[2]以模糊貼近度為依據(jù)選擇維修方法，在一定程度上解決了上述問題，但是模糊貼近度僅反映模糊集最大元素值和最小元素值的比值，具有片面性。宋庭新、韓國(guó)晨[5]將FMEA引入到艦船的維修需求級(jí)別的確定中，但是計(jì)算過程中三因子采用五分制的形式，主觀性大、評(píng)估困難。王天博等[7]對(duì)機(jī)器人焊槍進(jìn)行了FMEA分析，評(píng)估發(fā)生率時(shí)運(yùn)用了概率衡量，但是對(duì)于歷史故障數(shù)據(jù)比較少的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，不具有可行性。張勇軍等[6]預(yù)估電力系統(tǒng)可靠性原始參數(shù)時(shí)，引入新的綜合指標(biāo)——相似度，并驗(yàn)證了其有效性。

綜合考慮上述問題，結(jié)合現(xiàn)在的研究方法，本文作者提出一種基于模糊理論和相似度的FMEA風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并將該方法應(yīng)用到武器裝備維修中，從而更好地指導(dǎo)維修保障體系的構(gòu)建，為裝備的維護(hù)保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)，提高武器裝備的使用效能。

1 維修決策算法模型

維修決策算法模型的流程是：首先，收集該武器裝備及同類產(chǎn)品的有關(guān)使用信息、運(yùn)行文書、技術(shù)說(shuō)明和維修保養(yǎng)信息等；其次，由專家組成員列出該裝備使用中所有可能存在的故障模式、原因及后果；然后，由專家組分別根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給出所有可能失效模式的風(fēng)險(xiǎn)因子的三角模糊數(shù)；最后計(jì)算模糊集間的相似度，并據(jù)此確定各失效模式的維修方式。該算法模型的流程如圖1所示。

圖1 維修決策算法模型流程

傳統(tǒng)方法采用RPN數(shù)值的大小作為選擇維修方式的依據(jù)，沒有考慮故障模式的特點(diǎn)，缺乏說(shuō)服力。而文中采用的相似度，可以很好地刻畫實(shí)際故障和標(biāo)準(zhǔn)故障之間的相似程度。通過實(shí)際故障風(fēng)險(xiǎn)因子模糊數(shù)集之間的相似度，選取維修策略，更加符合工程實(shí)際。

相似度的計(jì)算步驟如下：

(1)失效模式風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊評(píng)估

傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)分等級(jí)為十分制，采用此種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)較為困難。因此采用三角模糊數(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)估。

(2)確定參考矩陣

系統(tǒng)的維修方式主要分為事后維修、視情維修以及定期維修[8]。通過分析3種維修方式的特點(diǎn)，總結(jié)適用3種維修方式的故障特征[2]，并由此建立虛擬的標(biāo)準(zhǔn)失效模式庫(kù)Q，如表1所示。對(duì)它進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得到如下參考矩陣：

表1 各維修策略適用的故障特征

(3)建立比較矩陣

(4)計(jì)算相似度

①歐氏貼近度

②模糊貼近度

③灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是依據(jù)問題的實(shí)際背景，找出理想最優(yōu)方案對(duì)應(yīng)的效果評(píng)價(jià)向量，根據(jù)決策問題中各個(gè)方案的評(píng)價(jià)向量與理想最優(yōu)方案的評(píng)價(jià)向量間關(guān)聯(lián)度的大小確定問題的最優(yōu)方案及其優(yōu)劣排序[9]。因此可以用它來(lái)衡量比較矩陣與參考矩陣之間的相似度。

由兩三角模糊數(shù)的距離公式得到各故障模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估比較矩陣和標(biāo)準(zhǔn)矩陣的距離矩陣為D=(dit)n×3，其中：

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

ξ(x0(t),xi(t))是第t個(gè)指標(biāo)比較數(shù)列xi對(duì)于參考數(shù)列x0的相對(duì)差值，這種形式的相對(duì)差值稱為x0在t指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。ξ為分辨系數(shù)，取值在0～1之間，一般取0.5。

xi對(duì)于x0的關(guān)聯(lián)度為

④計(jì)算相似度

計(jì)算模糊集之間相似度的3種方法各有優(yōu)劣，將這三者結(jié)合起來(lái)，綜合反映模糊集之間的接近程度，形成新的指標(biāo)——相似度。

ψ=aδ+bγ+cλ

式中：a、b、c為權(quán)重系數(shù)，滿足a+b+c=1。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以某高炮火力系統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)為對(duì)象進(jìn)行FMEA分析，得到分析報(bào)告[2]，如表2所示。

為了驗(yàn)證方法的可靠性和準(zhǔn)確性，按照貼近度和相似度2種方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各方法分析結(jié)果

由表3可知：貼近度和相似度2種計(jì)算方法得到的維修策略基本一致，符合工程實(shí)際。但是文中方法充分考慮了三因子的模糊度、故障特點(diǎn)，并用綜合的方法——相似度來(lái)衡量實(shí)際故障與標(biāo)準(zhǔn)故障庫(kù)三因子貼近程度，從而得到維修策略。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)方法根據(jù)RPN值確定維修策略，雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但是存在很多缺陷。文中所提方法用三角模糊數(shù)對(duì)3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)估，在一定程度上解決了三因素不能被精確評(píng)估的缺陷，并且評(píng)估難度低；其次，建立標(biāo)準(zhǔn)故障庫(kù)，通過實(shí)際故障與標(biāo)準(zhǔn)故障庫(kù)之間的對(duì)比，將具體的故障模式與維修方法有效聯(lián)系起來(lái)；最后，利用相似度確定具體故障的維修策略，使得維修方法的選擇更具有可信度，更符合工程實(shí)際。