基于FTA-AHP 的液壓系統故障分析方法研究

祝天宇，李煥良，申金星，王 祥

（1.陸軍工程大學軍械士官學校，湖北武漢 430075；2.陸軍工程大學，江蘇南京 210007；3.中國人民解放軍65739 部隊，遼寧丹東 118006）

0 引言

未來戰爭中戰場環境瞬息萬變，在戰略戰役級的兩軍對壘中，工程兵部隊通過布設雷場能夠有效遲滯敵方大規模行動的速度，從而爭取戰爭主動權。隨著現代戰爭的演進和裝備技術的發展，快速布雷裝備在各個軍事強國不斷發展和改進，某型火箭布雷車是我軍用于遠距離、快速布設雷場的工程兵裝備，能夠讓敵方的軍事行動摁下“慢放”鍵。

在戰場中，為了發揮出裝備的技戰術性能、完成作戰任務，裝備的完好率、可靠性以及故障修復能力就顯得尤為重要，如何在戰前保持裝備良好的技術性能、在戰時精準快速地完成搶修任務，對于保持部隊戰斗力非常關鍵。這就需要對裝備故障原因有準確詳細的梳理、對裝備部件發生故障的概率有科學的研判、對裝備備件需求有針對性的儲備，從而有效提升部隊的戰斗力和保障力。

1 工程裝備故障研究綜述

從國內外對于工程裝備故障的研究文獻來看，大多數研究者從裝備內在性和人為性兩個方面進行研究，裝備內在性因素主要包括裝備設計合理性、使用可靠性、材料工藝科學性等，裝備人為性因素主要包括裝備后期使用中操作和保養的合規性、維修和管理的適當性等。按照裝備故障發生的時間邏輯，可以劃分為預防性維修、裝備故障診斷及修復、戰場損傷后搶修等階段，覆蓋工程裝備的整個生命周期。

隨著工程裝備中先進技術的不斷融入，裝備系統結構更加復雜，智能水平日益提升，導致工程裝備出現故障時的檢測診斷、故障排除越加困難。尤其在液壓系統中，故障點可能涉及電氣控制線路、液壓線路和機械聯動組件，單純運用傳統的“望聞問切”方法來判斷排除故障往往很難做到有效的“對癥下藥”，對裝備維修人員提出了更高要求。本文將FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析法）和AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）結合起來，旨在探索一種快速有效的工程裝備液壓系統故障診斷方法，以準確預測的裝備故障點，指導部隊針對性開展日常維護保養，精準儲備液壓系統維修器材，提升裝備可靠性、完好率。

2 FTA-AHP 方法

FTA 法是從頂事件開始向下逐層搜索其并最終找到其發生的原始事件（基本事件），在搜索過程中可以獲得頂事件發生的直接原因和潛在原因。故障樹分析方法是裝備維修保障領域故障分析的有效方法，具有因果關系分析全面、邏輯關聯性較強、定性與定量相結合等優勢。但是，存在基本事件發生概率難量化的問題，如果僅采用FTA 法對裝備故障進行分析研究，容易產生較大誤差。因此，在FTA 法的定性分析基礎上，融入AHP 法進行定量分析。AHP 法是將決策目標或評價對象分成多個層級，并對方案或評價指標進行量化，再計算出各層級、各指標的權重系數，從而給出方案的優秀次序或評價指標的權重組合。

將AHP 法中的目標層、準則層、指標層與FTA 法中的頂事件、子事件、基本事件有機融合，并根據專家經驗和裝備維修數據對故障基本事件賦值，確定裝備故障樹各事件綜合權重系數，既能對裝備故障進行邏輯清晰、系統全面的梳理，又能對各個可能性故障進行量化處理。

2.1 建立故障樹

首先確定頂事件，并通過查閱資料、現場訪談等方法分析導致頂事件發生的子事件，再逐一分析子事件，直至無法繼續分解子事件，此時子事件即為基本事件。對于整個故障樹而言，只有找到所有的基本事件，故障樹模型才構建完畢。

2.2 建立層次分析模型

按照故障樹模型構建的邏輯關系，適當整合不同子事件下的相同基本事件，將故障樹的頂事件、子事件、基本事件對應將AHP 模型中的的目標層、準則層、指標層，完成相應層次分析模型的建立。

2.3 影響因素權重

影響因素權重計算主要分為構造判斷矩陣、計算各因素相對權重、一致性檢驗等，具體過程如下：

（1）構造判斷矩陣。在確定遞歸層次模型之后，要對相同層次中元素進行兩兩比較，并將比較結果進行賦值。本文采用Saaty 標度對比較結果進行賦值，即兩個指標重要性對比賦值從“1”到“9”逐漸遞增，其中“1”表示兩個指標同樣重要，倒數表示兩個指標重要性倒置。將該層次中所有元素進行兩兩比較之后，即可得到判斷矩陣。

從抽采效果分析，布置在煤層頂板向上38 m位置的1#～3#鉆孔抽采效果良好。經分析，上分層布置在厚層砂巖中，鉆孔成孔狀態較好；下分層鉆孔雖位于砂巖中，但與鉆孔下方花斑泥巖較近，存在鉆孔塌孔、堵孔等情況。鉆孔布置首選巖性較好的層位，以提高鉆孔成孔質量和抽采效果。

（2）計算因素的相對權重。在技術各因素相對權重時，不僅要構建好判斷矩陣，還要對其進行歸一化處理，需要得到模型中各層次所有指標的相對權重才能反映出各個指標的重要性程度，可有采用算數平均數、幾何平均數、特征根等方法進行求解，本文應用特征根法求得權重。

2.4 一致性檢驗

在構建判斷矩陣時，模型中系統的復雜性、專家經驗和決策者在賦值時的主觀性，有可能不同層級或不同指標評價時會產生不一致現象，如果不一致性過大，會導致較大誤差，影響模型整體判斷質量。因此需要檢驗判斷矩陣的一致性。一致性評價指標CI（Consistency Index），矩陣具有完全一致性時CI=0。

其中，n 為判斷矩陣的階數，λmax為最大特征值。

引入平均隨機一致性指標RI，通過公式CR=CI/RI 得到，其值越小則說明判斷矩陣一致性越好。

一般情況下，CR 值小于0.1，判斷矩陣滿足一致性檢驗；CR值大于0.1，則說明不具有一致性。

3 某型火箭布雷車液壓系統故障實例應用與分析

3.1 建立故障樹模型

通過查閱資料，研究某型火箭布雷車液壓系統原理構造，采用故障樹分析法構建故障樹圖，建立某型火箭布雷車液壓系統故障樹模型（圖1）。其中，基本事件符號所代表的具體含義見表1。

表1 某型火箭布雷車液壓系統故障基本事件及其含義

圖1 某型火箭布雷車液壓系統故障樹

3.2 建立層次分析模型

結合故障樹模型，建立層次分析模型。其中，以某型火箭布雷車液壓系統故障（A）作為層次分析模型中的目標層；以液壓系統無壓力或壓力偏低（B1）、千斤頂不翻轉（B2）、千斤頂翻轉不到位（B3）、千斤頂支撐不到位（B4）、彈架沒有到位即可操縱推彈缸（B5）構建準則層，以故障樹中的15 個基本事件構建指標層（圖2）。

圖2 某型火箭布雷車液壓系統故障層次分析模型

3.3 影響因素權重的計算

根據模型情況，邀請院校教授、工廠專家、部隊技師等具有豐富教學經驗和裝備維修經驗的裝備維修專家，對模型中某型火箭布雷車液壓系統故障重要性通過德爾菲法進行評分，評分問卷按照Saaty 指數進行設計，在要素層因素較多時，采取不同的因素兩兩比較，降低不同種因素比較的難度，從而提高準確性。將數據處理后錄入矩陣模型，得到圖3 所示的判斷矩陣。

圖3 液壓系統故障判斷矩陣

通過比較千斤頂不翻轉、液壓油缸活塞桿處漏油、液壓系統無壓力或壓力偏低、彈架沒有到位即可操縱推彈缸、千斤頂翻轉不到位等5 個故障的相對重要程度，獲得對液壓系統故障影響的相對權重Wi，Wi=［0.399 6 0.192 3 0.246 6 0.093 5 0.068 0］；CR=0.044 5（0.044 5<0.10）（圖4）；滿足一致性檢驗要求。

圖4 A-B 準則層判斷矩陣和各因素的權重值

圖5～圖9 是各個故障的基本事件對其重要性權重的影響，其計算原理、表達方式與圖4 相同。

圖5 B1-C 指標層判斷矩陣和各因素的權重值

圖6 B2-C 指標層判斷矩陣和各因素的權重值

圖7 B3-C 指標層判斷矩陣和各因素的權重值

圖8 B4-C 指標層判斷矩陣和各因素的權重值

圖9 B5-C 指標層判斷矩陣和各因素的權重值

通過計算可知，本模型中一致性檢驗均為通過，即可得到基事件對液壓系統故障的權重排序（表2）。

表2 方案層中要素對決策目標的排序權重

3.4 靈敏度分析

由于戰場環境是不斷變化的，并且隨著任務的進行，液壓系統零部件的可靠性會改變，為了能夠掌握在執行任務過程中液壓系統零部件的可靠性，需要進行靈敏度的分析。Yaahp 軟件通過改變某一要素的權重來進行靈敏度分析，觀察權重產生怎樣的變化。當改變某個要素的權重后，其他的權重將會按照最初的權重比例發生相應改變。

當在研究液壓系統無壓力或壓力偏低對液壓系統故障影響時，橫坐標表示液壓系統無壓力或壓力偏低故障占液壓系統故障的權重（圖10）。由圖10 可以看出，隨著液壓系統無壓力或壓力偏低故障的權重由“0→1”逐漸遞增，其他系統對液壓系統故障的影響權重越來越小，當液壓系統無壓力或壓力偏低故障為“1”時，液壓油泵失效、吸油濾油器或液壓油濾清器堵塞、溢流閥調整不當或失效散熱器和管路的影響權重分別約0.141 6、0.524 7 和0.333 8。

圖10 靈敏度分析下的液壓系統無壓力或壓力偏低對液壓系統故障影響權重變化

4 研究結論

運用故障樹分析法對某型火箭布雷車液壓系統故障進行分析，形成了液壓系統故障樹，獲得對液壓故障精準定位的方法。引入層次分析法將故障樹模型轉化為層次分析法模型進行定量分析，把原本的定性評價轉換成為定量評價，其優勢是結構清晰，規避了傳統打分方法主觀性強的缺點，較好地解決了模糊、難以量化的問題。

研究還發現，某型火箭布雷車液壓系統故障發生時，故障現象出現的概率（即5 類故障對整個液壓系統影響的權重），由高到低依次為液壓系統無壓力或壓力偏低、千斤頂翻轉不到位、千斤頂不翻轉、液壓油缸活塞桿處漏油、彈架沒有到位即可操縱推彈缸等。

采用FTA-AHP 方法對某型火箭布雷車液壓系統故障原因進行分析和評價，結果與實際情況相吻合，證明該方法可以應用在工程裝備維修保障中，有助于裝備故障精準定位，提高裝備故障排除速率，有力支撐裝備保障備件儲供優化，在工程裝備維修保障領域具有較高應用價值。