基于RCM和綜合賦權法的柴油機維修方式決策

歐陽中輝，胡道暢，陳青華，樊輝錦

(海軍航空大學， 山東 煙臺 264001)

1 引言

目前，國內外學者對以可靠性為中心的維修策略已經做出了大量的研究，張友鵬等[1]引入灰關聯-理想解法提出了基于設備分類邏輯決斷和模糊綜合評判的軌道電路維修決策模型，解決了維修工作中主觀性強、缺少維修側重點等問題；江秀紅等[2]提出了一種基于GO法和RCM的慣性導航系統預防性維修平臺設計方法，為維修計劃的制定提供了一定的參考依據；馬智星等[3]將RCM引入建筑設備系統維護策略的制定過程中，有效的減少了維修成本的支出；劉相新等[4]將RCM應用于發射車的維修分析，闡明了RCM方法在發射車的設計、研制和維護保障方面的重要意義；李偉等[5]結合領結法(Bowtie)和RCM提出一種風險控制方法，該方法對拖航作業各個重要流程的風險進行了有效地進行識別、分析和控制，大大提高了平臺拖航作業的安全性；王景春等[6]將RCM運用于隧道監控維修管理中，生成維修方案，提高了隧道維修的社會效益和安全性，降低了維修開銷；童晟[7]將RCM應用于工業設備維修領域，構建了RCM-計算機化維修管理系統(CMSS)綜合模型，根據設備運行狀況實時改變維修方案，提升了維修方案的適用性。

結合以上研究成果，本文提出一種基于RCM和綜合賦權法的維修方式決策模型，采用工作結構分解(WBS)對柴油機進行結構分解，將對柴油機正常工作的安全性和可靠性產生重大影響或造成嚴重經濟損失的設備單元確定為重要功能單元(FSI)，采用一種改進的FMEA方法分析重要設備單元可能出現的故障模式、故障原因以及故障造成的影響并進行風險排序，根據排序結果將設備單元按重要度進行，綜合采用RCM邏輯決斷和綜合賦權法對不同等級設備單元進行維修方式的定性和定量分析，確定最終維修方式。

2 維修方式決策模型

車輛維修方式一般分為故障后維修、計劃維修和基于狀態維修[8]。故障后維修是一種當故障產生后進行的一種維修方式，一般適用于對安全性、任務性和經濟性產生較小影響的故障。計劃維修是根據維修計劃每隔固定的時間(里程)對未產生故障的設備進行維修的一種預防性維修方式，包括定期保養、定期拆修、定期報廢等，定期保養是保持產品固有設計性能而進行的表面清洗、擦拭、通風、添加油液或潤滑劑、充氣等作業；定期拆修是指產品使用到規定的時間予以拆修，使其恢復到規定狀態；定期報廢是指產品使用到規定的時間予以廢棄。基于狀態維修是一種基于設備實時或接近實時運行狀態進行的一種預防性維修方式，維修人員可以通過感官、監測設備、健康管理系統等途徑掌握設備運行狀態，根據維修經驗或維修手冊采取相應的故障預防措施。

柴油機維修方式決策模型流程如圖1所示。

圖1 柴油機維修方式決策流程框圖Fig.1 Decision flow chart of diesel engine maintenance mode

3 確定重要功能構件并分類

柴油發動機結構復雜，需要對其工作結構進行詳細分解，挑選出會影響車輛安全運行或造成重大經濟損失的部件為重要功能單元，采用一種基于模糊集理論和TOPSIS的FMEA分析方法對單元故障模式、故障產生原因和故障后果進行分析和風險排序，結合排序結果，采用一種基于重要度的分類方法對單元進行分類，以便于進行RCM邏輯決斷。

3.1 WBS和FSI

工作分解結構分析是指把一個系統，按一定的原則分解，系統分解成設備，設備再分解成一個個組件，直到分解不下去為止[9]。要確定專用車輛柴油機所要進行的維修項目，首先需要明確柴油機的結構組成，在此可以參考相關設計圖紙、文檔等資料，對柴油機進行工作結構分解。

重要功能單元是指設備發生故障時，會對系統的任務和安全性產生影響，或產生重大經濟性后果的系統組成單元[10]。根據柴油機工作結構分解結果，參考不重要單元特點[11]，剔除影響性較小的單元，確定最終需要研究的對象。

3.2 FMEA分析及風險排序

FMEA是對整個系統進行分析的一種歸納分析方法，分析系統中所有可能的故障模式及其可能產生的影響，并按每個故障模式產生影響的嚴重程度及發生概率予以分類，是屬于單因素的分析方法[12]

在此基于已有的研究成果，采用改進的失效模式及其影響分析方法(FMEA)對其進行可靠性評估，該方法通過模糊語言術語和三角模糊數對專家經驗和評價進行量化，模糊語言變量與模糊數的對應關系如表1所示，建立失效模式規范化評估矩陣，采用基于理想點理論的組合賦權法分配風險因子權重并構建加權規范化矩陣，最后基于逼近理想解排序法(TOPSIS)計算出各設備單元的相對貼近度，依據相對貼近度大小對失效模式進行風險排序。

表1 模糊語言變量與模糊數的對應關系

3.3 重要度分類

根據風險排序結果計算柴油發動機設備單元的重要度排序比，重要度排序比計算公式如下：

(1)

式中：α為柴油機設備單元重要度排序比；Ci為第i個設備相對貼近度；Ci，max為柴油機設備單元最大相對貼近度。

根據柴油機設備單元重要度排序比α將設備劃分為Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ三個類別[13]，如表2所示。

表2 基于重要度評價的設備分類

4 RCM邏輯決斷

邏輯決斷圖是邏輯決斷法的一種應用形式，將邏輯決斷過程用流程圖的形式直觀表述，不僅具有較強的規范性和直觀性，并且可以靈活配置，適合在設計關鍵特性識別過程中應用[14]。

重要設備單元的邏輯決斷分析是RCM的核心，需要充分考慮設備單元的故障模式特點以選擇合適的維修方式。對此，以維修的技術適用性和經濟性為指導準則，根據專家意見設置A、B、C、D、E、F六個環節問題；針對不同三類不同重要程度的設備單元采用不同流程的維修方式邏輯決斷，以提高工作效率，減少不必要的分析流程，具體邏輯決斷分析工過程如圖2～圖4所示。

圖2 Ⅲ類關鍵設備單元維修方式邏輯決斷過程框圖Fig.2 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅲ key equipment unit

圖3 Ⅱ類關鍵設備單元維修方式邏輯決斷過程框圖Fig.3 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅱ key equipment uni

圖4 Ⅰ類關鍵設備單元維修方式邏輯決斷過程框圖Fig.4 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅰ key equipment unit

5 基于理想點綜合賦權法

常見的綜合賦權法有線性加權合成法、乘法合成法、混合法和代換法等[15]。本文采用一種基于理想點理論的組合賦權法，使目標向量與評估問題的理想點偏差最小，從而減少主客觀因素對結果造成的影響。

首先，根據基層相關維修單位專家意見，建立從目標層A到準則層B到指標層C再到方案成D的分層次評價體系，準則層從可靠性B1、維修性B2、經濟性B33個方面進行分析，并引入相應的評價指標，建立了如圖5所示的柴油機設備單元維修方式適用性評價體系。

圖5 柴油機設備單元維修方式適用性評價體系框圖Fig.5 Applicability evaluation system of diesel engine equipment unit maintenance mode

然后，采用層次分析法(AHP)[16]得到的主觀權重α=(α1，α2，…，αn)，采用熵權法[17]得到的客觀權重β=(β1，β2，…，βn)，假設n個評估指標的綜合權重為ε=(ε1，ε2，…，εn)，各個指標屬性的理想值為γj(j=1，2，…，n)，從而定義理想評估結果zj=(z1，z2，…，zn)=(ε1γ1，ε2γ2，…，εnγn)，計算第i個評估結果到理想點的距離為：

(1)

根據上式可以得出主觀、客觀、綜合權重各評估結果到理想結果的距離為：

(2)

為了使權重分配更合理，要求綜合權重與主客觀權重的距離盡可能小，為此構造綜合權重、主觀權重和客觀權重評估結果與理想結果之間距離的非線性規劃模型，即：

(3)

6 實例分析

本文數據來源于某團車隊對配備有該種柴油機的車型兩年來所進行的故障統計，維修方式決策小組由基層部隊士官、高工、院校教員五名專家組成。

6.1 重要功能單元確定以及FMEA分析

通過設計手冊和文檔可以得到柴油機工作分解結構結果，該型柴油機由柴油機機體組、柴油機曲柄連桿機構、柴油機配氣機構、柴油機燃油供給系、柴油機冷卻系、柴油機潤滑系、柴油機進、排氣及EGR系統七大部分組成，參考柴油機設備單元維修方式適用性評價體系，確定重要設備單元，并進行FMEA分析，結果如表3所示。

表3 曲軸FMEA分析

續表(表3)

6.2 風險排序及重要度分類

采用表1規定的模糊術語集對各失效模式進行評價，評價結果如表4所示，根據文獻[18]風險因子O、S、D的最終權重為0.55、0.17、0.28。根據該文獻提出的方法計算出各設備單元的相對貼近度分別為0.787、0.616、0.598、0.320、0.667、0.433、0.335、0.396、0.313、0.497。

表4 專家評價結果

風險排序結果為：單元1>單元5>單元2>單元3>單元10>單元6>單元8>單元7>單元4>單元9。

根據式(1)對設備單元進行分類，分類結果如表5所示。

表5 柴油機重要設備單元分類

6.3 維修方式RCM定性分析

根據分類，采用圖2～圖4的RCM邏輯決斷對設備單元的不同失效模式進行維修方式進行定性分析。以Ⅲ類關鍵設備單元曲軸的軸頸磨損失效模式為例，通過圖2 RCM邏輯決斷對其進行維修方式定性分析，通過回答A～F環節問題，確定曲軸該失效模式的維修方式為基于狀態維修。其他設備單元各失效模式的維修方式定性分析結果如表6所示。

表6 柴油機重要設備單元RCM邏輯決斷結果Table 6 RCM logic decision results of important equipment units of diesel engine

6.4 維修方式綜合賦權法定量分析

針對表4中維修方式決斷結果不一致的設備單元進行綜合評判，以確定最終的維修方式。在此以曲軸為例進行定量分析。

1) 計算主觀權重

采用的1～9相對重要性標度定義法，由維修方式決策小組進行打分，建立判斷矩陣。

① 準則層B關于目標層A的評判矩陣

根據式(3)～式(5)可以計算出準則層主觀權重αB=(0.637，0.258，0.105)，通過式(6)和式(7)進行一致性檢驗，λmax=3.038，CR=0.033<0.10，結果符合一致性。同理可以計算出指標層關于目標層評判矩陣

② 指標層C關于準則層B的評判矩陣

αC1=(0.614，0.268，0.117)，λmax=3.074，CR=0.064<0.10，結果符合一致性。

αC2=(0.122，0.230，0.648)，λmax=3.004，CR=0.003<0.10，結果符合一致性。

αC3=(0.258，0.637，0.105)，λmax=3.039，CR=0.033<0.10，結果符合一致性。

③ 指標層C關于目標層A的權重

α=(αB1αC1，αB2αC2，αB3αC3)=

(0.391，0.171，0.075，0.0315，0.0593，

0.1672，0.0271，0.0669，0.011)

2) 計算客觀權重

根據建立的柴油機設備單元維修方式適用性評價體系確定各層指標集VB={可靠性，維修性，經濟性}，VC1={安全影響，功能影響，故障率}，VC2={停機時間，可監測性，維修難度}，VC3={維修費用，任務損失，設備原值}；評判集S={基于狀態維修，定期保養，定期報廢，故障后維修}，根據維修方式決策小組打分構建指標層各指標集模糊評判矩陣：

根據式(8)～式(10)可以計算出指標層客觀權重為βC1=(0.5，0.25，0.25)，βC2=(0.316，0.228，0.456)，βC3=(0.048，0.635，0.317)

3) 計算綜合權重并確定維修方式

已知指標層主觀權重αC1～αC3和客觀權重βC1～βC3，由4.3節可以計算出指標層綜合權重ωC1=(0.749，0.160，0.091)，ωC2=(0.135，0.124，0.741)，ωC3=(0.070，0.817，0.113)，則準則層指標集模糊評判矩陣可以求出：

根據式(8)～式(10)可以計算出準則層客觀權重為βB=(0.347 8，0.266 3，0.385 9)，已知準則層主觀權重αB，則可以計算出準則層綜合權重ωB=(0.639 1，0.166 8，0.194 1)，最終可得綜合評判模糊集結果N=ωB·R=[0.606 0 0.269 2 0.049 8 0.075 0]，根據結果可知基于狀態維修方式所占權重最大，則曲軸的最佳維修方式為基于狀態維修。

7 結論

1) 對專用柴油機結構進行了工作分解結構和重要功能單元確定，對其進行了FMEA分析和風險排序，根據重要度進行了分類，根據不同類型設備單元進行了相應的RCM邏輯決斷，結合綜合賦權法進行維修方式決策，以曲柄連桿機構的曲軸為例，確定了其維修方式為基于狀態維修。

2) 采用基于理想點的綜合賦權法，通過層次分析法和熵權法確定主客觀權重，克服了層次分析法人為因素影響較大和熵權法專業知識性不強的缺陷。

3) 提出一種基于RCM和綜合賦權法的維修方式決策模型，建立定性分析和定量分析相結合的共決機制，使維修方式決策結果更加合理科學。