基于質量功能展開的狀態參數確定方法

封會娟，閆 旭，劉祥凱，唐彥峰，李志威

(1.軍事交通學院軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161)

隨著裝備結構復雜程度和技術含量的提高，以及監測診斷技術的發展，裝備的維修方式也發生了變化，由簡單的以預防為主轉向更為精確的基于狀態的維修(condition based maintenance，CBM)，以提高裝備可靠性，節約維修保障成本和資源。CBM的實施過程可歸納為狀態監測、數據處理、壽命預測及維修決策4個步驟。狀態監測作為CBM實施的第一步，需要依賴于對狀態參數進行近似實時的監控，狀態參數選擇的重要性顯而易見。然而，目前狀態參數的確定普遍經驗化，缺乏科學的分析計算，本文正是基于此問題展開相關研究。

1 狀態參數概述

1.1 CBM 定義

基于狀態的維修(CBM)是一種建立在對裝備狀態實時或近實時評估基礎上的維修方式。它是在傳統的狀態監控和故障診斷技術基礎上，綜合運用傳感器、人工智能、計算機、通信和網絡等多種先進技術，通過外部檢測設備或裝備內部植入的傳感器獲得裝備運行時的狀態信息，準確地判定部件的實際狀態，并運用數據分析與維修決策技術對裝備狀態進行實時或周期性的評價，最終作出科學化的維修決策，從而實現裝備維修管理工作的科學化、合理化。

1.2 狀態參數定義

裝備在運行過程中會產生能夠表征其狀態的物理現象(如振動、溫度變化等)，并引起相應參數(如轉矩、壓力等)的變化，這為裝備狀態監測提供了可能。在實際應用中，這些被選擇用于對裝備運行狀態進行監測的參數，稱為狀態參數［1］。

1.3 基本確定原則

目前，狀態參數大多依賴專家的使用經驗來確定，少數學者在相關研究中也涉及了定量決策方法。在此基礎上，本文提出狀態參數的確定應遵循的原則。

(1)可測性。狀態參數應具有一定的物理意義，能夠量化表示且便于測量。

(2)多能性。即參數能全面地表征設備運行狀態的能力。設備性能狀態劣化或故障可能引起許多參數的變化，應選擇包含更多狀態信息、反映更多性能的參數。

(3)靈敏性。裝備性能劣化或故障時，應選擇隨劣化或故障趨勢變化更為明顯的參數。如發動機汽缸活塞副磨損較為嚴重時，功率下降僅5%～7%，然而壓縮空氣泄漏率反映更為靈敏，降幅達40% ～50%，則應選擇后者為狀態參數，前者可作為備選參數輔助判斷。

(4)穩定性。應選擇在相同監測條件下數據離散度小、重復性好，在指示設備狀態的有效測量范圍內不出現突變的參數為狀態參數。

2 基于QFD的狀態參數確定方法

2.1 QFD 定義

質量功能展開(quality function deployment，QFD)是一種面向需求的產品設計和開發的計劃過程，是質量工程的核心技術。該方法最早由日本學者于1966年首次提出，如今在日本和美國已得到廣泛應用。近年來，QFD方法的研究趨勢正向解決武器系統設計中的關鍵技術決策問題的方向邁進，逐漸成為一種重要的關鍵技術評價與決策的方法和工具。

2.2 質量屋模型

QFD方法借助矩陣圖表來描述需求與設計指標之間的關系，并進行量化分析，確定描述需求的關鍵設計指標，進而設計出滿足需求的產品。其核心部分為“質量屋(house of quality，HoQ)”模型(如圖1所示)。

圖1 質量屋

本研究建立的質量屋模型包括下列部分。

(1)左墻:監測需求及需求權重。監測需求是由產品狀態及故障特征決定的參數特性。需求權重是各參數特性重要程度的定量表示。這兩項是質量屋最基本的輸入，可通過調查和專家打分等方法獲取。

(2)天花板:狀態參數。技術特征是所輸入需求得以實現的必須保證和實施的手段和措施，在本研究中即為待決策的狀態參數，可從商業慣例及相關國家和軍用標準中獲取。

(3)房間:相關關系矩陣。表示各監測需求和各參數之間的相關程度，由相關法則計算得到。

(4)屋頂:參數自相關關系矩陣。表示參數間的相關程度。

(5)地下室:參數評價矩陣。該項是質量屋的輸出項，表示各參數對于監測需求整體的重要程度［2］。

2.3 狀態參數確定方法

建立質量屋模型，直觀地描述各監測需求與參數之間關系，借助相關計算得到各參數對于產品狀態監測的重要程度，進而可以確定狀態參數。運用質量功能展開QFD方法確定狀態參數的步驟如下。

(1)獲取監測需求。經過調研及對裝備產品和故障資料的分析，結合狀態參數確定原則，對CBM對象的指定故障模式確定監測需求，用i和j表示(i，j=1，2，…，m)，如狀態參數對故障的敏感性、與故障的關聯性、監測傳感器的可用性、與其他參數的相關性、監測成本等。

(2)獲取監測參數。參照國家標準GB/T 20471《機器狀態監測與診斷——基于應用性能參數的一般指南》［3］中提供的指示典型故障的性能參數慣例，獲取指定故障模式常用的狀態參數集，如溫度、壓力、空氣流量、振動、功率等。

(3)利用AHP法計算各需求重要度權重。

(a)假設eij為需求i相對于j的重要程度值，構造判斷矩陣E:

(b)運用數字1～9標度確定各相對重要程度值，標度含義見表1。

表1 標度含義

(c)根據判斷矩陣，求最大特征根λmax所對應的特征向量α＇，方程如下:

所求特征向量α＇經歸一化得到權重向量α=(α1，α2，…，αm)T，即為各需求重要度權重。

(d)為保證權重分配的合理性，需要進行一致性檢驗。

首先，計算判斷矩陣的一般一致性指標C.I.，方程為

其次，由表2確定平均隨機一致性指標R.I.的取值。

表2 平均隨機一致性指標取值

最后，計算判斷矩陣的隨機一致性比率C.R.:

當C.R.＜0.1時，即確定判斷矩陣滿意的一致性，說明權重合理［4］。

(4)構建質量屋模型。利用HoQ模型，結合狀態監測實際情況，根據狀態參數和監測需求間的關系，按照各狀態參數滿足監測需求的情況rnm按照0～5分的標度打分，強相關5分，中等相關3分，弱相關1分，不相關0分，建立QFD的HoQ模型(如圖2所示)。

圖2 HoQ模型

(5)計算參數重要度。根據HoQ模型中的監測需求重要度權重和關系矩陣，運用式(5)計算參數重要度，即

參數重要度矩陣中各元素的數值即為參數重要度，表示各參數對于監測需求的滿足程度，可據此按從大到小順序排列，即對應得到狀態參數排序［5］。

3 實例分析

現以往復式內燃機為例，設置實驗，驗證本研究提出的方法是否科學可行。

經過對裝備產品和相關標準資料的分析以及對相關專家和工程人員的調研，確定往復式內燃機點火故障的監測需求為:狀態參數對故障的敏感性、與故障的關聯性、監測傳感器的可用性、與其他參數的相關性、監測成本，分別記為監測需求1～5(見表3)。

表3 監測需求示例

根據GB/T 20471獲取點火故障模式常用的狀態參數集:發動機溫度、汽缸壓力、燃料流量、排氣溫度、振動、輸出功率、油損耗，標記為參數1～7(見表4)。

表4 參數示例

利用AHP法，根據式(1)和式(2)計算各監測需求重要度權重，得到結果為 α=(0.310 2，0.238 1，0.047 6，0.214 5，0.142 8)。經式(3)和式(4)進行一致性檢驗，得 C.R.=0.081 3 ＜0.1，即表示權重合理。

根據質量屋模型，邀請多名操作人員和維修技術人員對參數滿足監測需求的情況進行打分。經數據處理后建立質量屋模型，利用式(5)計算參數重要度v(如圖3所示)。

圖3 HoQ模型示例

由圖3可知，針對往復式內燃機的狀態監測，狀態參數推薦排序為振動、油損耗、輸出功率、燃料流量、汽缸壓力、發動機溫度、排氣溫度。

4 結語

本文針對狀態參數確定方法普遍經驗化的現狀，在研究確定基本原則的基礎上，采用質量功能展開的方法建立了狀態監測的質量屋模型，提出了一種確定狀態參數的定量分析方法。經實例分析，該方法能夠客觀、充分反映參數的重要程度，為實施裝備基于狀態的維修提供了技術支撐。

［1］ 牛曉磊.基于狀態信息的裝備維修決策系統與應用研究［D］.石家莊:軍械工程學院，2008:5-19.

［2］ 李朝玲.質量功能展開的系統建模及應用研究［D］.青島:青島大學，2009:10-14.

［3］ 機器狀態監測與診斷:基于應用性能參數的一般指南:GB/T 20471—2006［S］.北京:中國國家質檢總局國家標準化管委會，2006.

［4］ 楊雪，張振鵬，楊恩鋒.基于AHP的液體火箭發動機地面試驗監測參數的選取方法研究［J］.航空動力學報，2006，21(3):615-620.

［5］ 鄧麗，劉階萍，查建中.基于質量功能展開(QFD)的產品設計模糊綜合評價［J］.現代制造工程，2005(3):4-7.