民機(jī)貨運(yùn)系統(tǒng)維修性定性屬性排序方法

史永勝, 周 鑫

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300)

近年來，中國航空貨運(yùn)發(fā)展迅猛。由于航空運(yùn)輸十分重視時(shí)間成本，各航空公司為了滿足日益增長的運(yùn)輸需求通過要求不斷減少停機(jī)時(shí)間以提高出勤率。因此，提高貨機(jī)現(xiàn)場維修效率已十分迫切。某新型民機(jī)貨運(yùn)裝載系統(tǒng)(簡稱貨運(yùn)系統(tǒng))作為實(shí)現(xiàn)航空貨物快速裝卸的主要裝置，其在設(shè)計(jì)時(shí)通過建立維修性定性屬性構(gòu)建定性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，確定最優(yōu)定性屬性排序方案，為維修性設(shè)計(jì)決策提供指導(dǎo)。

構(gòu)建維修性定性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵是將定性指標(biāo)量化處理，指標(biāo)量化普遍采用專家評(píng)分的方法。黃德所等[1]運(yùn)用指數(shù)法融合多種度量形式的指標(biāo)值，以增加專家評(píng)分的可信度；徐達(dá)等[2-4]、焦慶龍等[5]分別利用多層次灰色關(guān)聯(lián)度模型、逼近理想點(diǎn)排序法、模糊多準(zhǔn)則法和物元可拓模型對(duì)維修性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過主觀和客觀綜合評(píng)價(jià)提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性；這些方法都只比較了指標(biāo)權(quán)重關(guān)系，對(duì)權(quán)重分配結(jié)果對(duì)維修效率的影響效果沒有直觀的體現(xiàn)。苗佳雨等[6]通過多因素綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，但無法體現(xiàn)不同指標(biāo)排序結(jié)果的優(yōu)劣，評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏說服力。為此，提出利用層次分析法對(duì)所有可能的定性屬性排序方案進(jìn)行組合賦權(quán)的量化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方法，并結(jié)合維修性分配模型，利用先驗(yàn)故障概率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)結(jié)果評(píng)價(jià)排序方案分析得出定性屬性最優(yōu)排序方案，以期解決了通過專家打分方法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果存在主觀因素影響較大的問題，還通過并行故障模式下的維修性預(yù)計(jì)結(jié)果，對(duì)比可能發(fā)生故障的全部情況，驗(yàn)證該評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性與適用性。

1 構(gòu)建方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 貨運(yùn)系統(tǒng)定性屬性排序方案

通過維修性設(shè)計(jì)工作提高維修作業(yè)效率要求是制定合理的維修性定性指標(biāo)。定性指標(biāo)與定量要求相互影響。為確立定性指標(biāo)，首先要對(duì)定性屬性按重要度進(jìn)行排序，貨運(yùn)系統(tǒng)維修性定性需求可分為按照維修過程屬性的可達(dá)性(a)、可操作性(b)、測試與診斷性(c)、和按照產(chǎn)品屬性的防差錯(cuò)設(shè)計(jì)(d)、模塊化與互換性設(shè)計(jì)(e)、維修安全性設(shè)計(jì)(f)[4]。

定性屬性重要度是評(píng)價(jià)定性指標(biāo)對(duì)維修效率影響大小的尺度。指標(biāo)層的重要度越高，則該指標(biāo)設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)越高，維修性設(shè)計(jì)時(shí)考慮這些屬性重要度先后順序不同，維修性定量分配結(jié)果就會(huì)不同。針對(duì)現(xiàn)場維修作業(yè)，以貨運(yùn)系統(tǒng)維修性定性屬性重要度排序生成對(duì)比方案，分別假設(shè)以可達(dá)性重要度最高的情況下的兩種排序方案a>b>c>d>e>f、a>c>b>d>e>f；可操作性重要度最高的情況下的兩種排序方案b>a>c>d>e>f、b>c>a>d>e>f和測試與診斷特性重要度最高的情況下的兩種排序方案c>a>b>d>e>f、c>b>a>d>e>f共六種排序方案。為量化評(píng)價(jià)結(jié)果，采用層次分析法對(duì)各方案定性屬性進(jìn)行權(quán)重分配，并通過維修性分配模型將權(quán)重結(jié)果定量表示，通過比較評(píng)價(jià)結(jié)果，得出最優(yōu)排序方案。

1.2 層次分析法

層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)是將定性指標(biāo)與定量分析相結(jié)合的多屬性決策方法。被廣泛地應(yīng)用于決策復(fù)雜的指標(biāo)權(quán)重問題。層次分析法應(yīng)用于貨運(yùn)系統(tǒng)維修性定性指標(biāo)權(quán)重分配的主要步驟為建立關(guān)于目標(biāo)層、指標(biāo)層和對(duì)象層的多層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重向量。

1.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

貨運(yùn)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)重要度評(píng)估涉及目標(biāo)層、指標(biāo)層和對(duì)象層三個(gè)層次，其中定性指標(biāo)的重要度對(duì)于目標(biāo)層部件采用單排順序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)。通常參考Saaty提出的判斷矩陣賦值表[7]，采用兩兩比較法，并結(jié)合維修性設(shè)計(jì)需求確定的定性屬性之間的重要度關(guān)系，每次只對(duì)貨運(yùn)系統(tǒng)六個(gè)定性屬性的其中兩項(xiàng)的重要度進(jìn)行兩兩比較。建立關(guān)于定性屬性重要度排序的六種設(shè)計(jì)方案分別建立指標(biāo)層對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣A1～A6:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2.2 一致性檢驗(yàn)

為避免兩兩比較時(shí)對(duì)a、b、c三個(gè)定性指標(biāo)出現(xiàn)a比b重要，b比c重要而c又比a重要的情況，在求解權(quán)重向量前需要驗(yàn)證各層級(jí)重要度關(guān)系是否協(xié)調(diào)，既需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，定義一致性指標(biāo)CCI和隨機(jī)一致性比率CCR：

(7)

(8)

式中：n表示參與排序的屬性個(gè)數(shù)即判斷矩陣的階數(shù)；λAMAX為判斷矩陣Ai的最大特征根；RRI為矩陣Ai的一致性指標(biāo)，可通過表1查到。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)RRI的數(shù)值Table 1 Values of random consistency index RRI

構(gòu)造判斷矩陣是一個(gè)反復(fù)的過程，當(dāng)CCR=0時(shí)，認(rèn)為一致性最好，CCR的臨界值是0.1，當(dāng)CCR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，若CCR≥0.1時(shí)，則認(rèn)為不滿足一致性檢驗(yàn)，需要修改判斷矩陣。

1.2.3 重要度權(quán)重向量和組合一致性檢驗(yàn)

表2 各方案定性指標(biāo)權(quán)重Table 2 Qualitative indicator weights for each projects

再檢驗(yàn)對(duì)象層相對(duì)于指標(biāo)層的判斷矩陣一致性檢驗(yàn)，方法同上，確定對(duì)象層與指標(biāo)層以及指標(biāo)層與目標(biāo)層的一致性檢驗(yàn)均符合要求后，再通過式(9)～式(11)檢驗(yàn)對(duì)象層對(duì)目標(biāo)層一致性檢驗(yàn)即第三層對(duì)第一層的組合一致性比率CCR(3)是否符合一致性要求。

(9)

(10)

(11)

若一致性檢驗(yàn)均滿足要求，則認(rèn)為系統(tǒng)一致性評(píng)價(jià)符合要求，可以進(jìn)一步求得子系統(tǒng)可更換單元的定性指標(biāo)權(quán)重向量W為

(12)

2 定量化指標(biāo)

2.1 維修性分配和估計(jì)

維修性分配通過將貨運(yùn)系統(tǒng)的維修性定性屬性按重要度排序的評(píng)價(jià)矩陣權(quán)重向量結(jié)合子系統(tǒng)的故障率數(shù)值定量表示。

(13)

(14)

2.2 并行故障模式下的修復(fù)時(shí)間

考慮到該機(jī)械系統(tǒng)為并行系統(tǒng)，其在一個(gè)任務(wù)周期內(nèi)的偶發(fā)故障是隨機(jī)的，則在偶發(fā)故障模式下該系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間模型表示為[12]

(15)

(16)

式(16)中:Tm為系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間;Qi為第i種LRU的數(shù)量。為簡化運(yùn)算，可近似認(rèn)為e-QiλiTm=QiλiTm+1，代入式(15)整理得：

(17)

圖1 貨運(yùn)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Hierarchy structure composition of cargo handling system

3 算例

某新型貨運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)維修性層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，考慮到故障因素，由于機(jī)械系統(tǒng)是貨運(yùn)系統(tǒng)中頻繁維修的部分，其在工作過程中主要的故障來源包括：重壓、磨損、沖擊、油污侵蝕等均是偶然失效的不可修復(fù)故障。故障率服從指數(shù)分布，且相互獨(dú)立[13]。在實(shí)際維修作業(yè)中，一般維修方式為更換LRU。以該貨運(yùn)系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)為例，通過功能失效故障樹模型分析出LRU先驗(yàn)故障率如表3所示。每個(gè)LRU分別用L1～L5表示。通過《維修性分配與預(yù)計(jì)手冊》[14]提供的時(shí)間累積預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)出該貨運(yùn)系統(tǒng)中機(jī)械系統(tǒng)維修任務(wù)剖面TCT約為10 min。

表3 機(jī)械系統(tǒng)各LRU先驗(yàn)故障率Table 3 Prior failure probability of mechanical system of each LRU

現(xiàn)結(jié)合預(yù)先假設(shè)的定性屬性權(quán)重值和各LRU故障概率分別對(duì)三種方案進(jìn)行維修性分配，明確各部分維修性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

由于故障率越高的系統(tǒng)維修越頻繁，設(shè)計(jì)時(shí)該部分就應(yīng)當(dāng)越容易維修，故按故障率越高的系統(tǒng)重要度越高的原則。建立各定性屬性要求下LRU的判斷矩陣D1～D6：

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

表4 各方案LRU組合指標(biāo)權(quán)重Table 4 Combination index weights for each projects of LRU

表5 按故障率重要度加權(quán)分配結(jié)果Table 5 Weighted allocation results by failure rate importance

通過觀察分配結(jié)果(表5)也可以看出，盡管方案四只有L2修復(fù)時(shí)間低于其他方案，但由于L2是數(shù)量與故障發(fā)生率乘積值最高的單元。所以總的平均修復(fù)時(shí)間仍低于其他方案。說明故障率高的單元對(duì)維修效率影響較大，應(yīng)當(dāng)通過維修性設(shè)計(jì)減少該單元的維修時(shí)間。

圖2 并行故障模式下六種方案維修性分配結(jié)果Fig.2 Maintenance allocation results of six projects under parallel failure model

4 結(jié)論

針對(duì)維修性設(shè)計(jì)初期信息缺乏的情況,通過各方案的定量化結(jié)果對(duì)比，得出了貨運(yùn)系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)時(shí)定性屬性的最優(yōu)排序方案，為貨運(yùn)系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)工作提供了指導(dǎo)，并得出以下結(jié)論。

(1)提出的模型結(jié)合多方案決策對(duì)比和定量化模型適用于解決多屬性評(píng)價(jià)結(jié)果過于主觀的問題，評(píng)價(jià)結(jié)果更為精確可靠。

(2)該模型用于定性屬性不多的情況，結(jié)果更加精確，對(duì)于待評(píng)比屬性較多的情況，該模型用來對(duì)所有屬性按重要度的排序可能比較煩瑣，但是用來確定最重要的屬性較為方便。

(3)對(duì)于貨運(yùn)系統(tǒng)，可操作性在維修過程屬性中重要度最高，在裝備維修性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮以提高維修效率。

(4)故障率高的單元對(duì)維修效率影響最大，通過合理的維修性設(shè)計(jì)使其便于維修，能夠有效減少系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間。而故障率很低的單元，設(shè)計(jì)時(shí)可以為故障率高的單元讓步，甚至可以采用無維修設(shè)計(jì)。