基于FMEA和相似度的裝備維修決策

李新月，葛彥斌，安學廣，王帥，王延文，姚翔天

(1.中國人民解放軍32161部隊，新疆庫爾勒 841009；2.中國人民解放軍63618部隊，新疆庫爾勒 841009)

0 前言

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)是可靠性工程中最為有效的定性分析方法之一，它通過分析各設備的功能、故障模式、原因及后果，并對可能的失效模式進行風險評估，以此制定科學合理的維修策略，從而盡可能減少和消除故障的產生，提高裝備的可靠性和可維修性。

當前FMEA中確定維修策略的主要依據是風險優先順序數RPN，它的計算公式為εRPN=S(嚴重度) ×O(發生率) ×D(探測度)。該方法簡單、易操作，但存在以下不足：(1)很難精確地評估3個風險因子[1]；(2)RPN值表示的是風險程度，與維修策略的關聯性較低，用它確定維修策略不具有說服力[2]。

針對上述缺陷，很多學者做了相關的研究。歐氏陽中輝等[3-4]將模糊理論引入到風險因素評估中。孫致遠等[2]以模糊貼近度為依據選擇維修方法，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、韓國晨[5]將FMEA引入到艦船的維修需求級別的確定中，但是計算過程中三因子采用五分制的形式，主觀性大、評估困難。王天博等[7]對機器人焊槍進行了FMEA分析，評估發生率時運用了概率衡量，但是對于歷史故障數據比較少的產品來說，不具有可行性。張勇軍等[6]預估電力系統可靠性原始參數時，引入新的綜合指標——相似度，并驗證了其有效性。

綜合考慮上述問題，結合現在的研究方法，本文作者提出一種基于模糊理論和相似度的FMEA風險評估方法，并將該方法應用到武器裝備維修中，從而更好地指導維修保障體系的構建，為裝備的維護保養提供科學依據，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品的有關使用信息、運行文書、技術說明和維修保養信息等；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，由專家組分別根據各風險因子的模糊評分標準給出所有可能失效模式的風險因子的三角模糊數；最后計算模糊集間的相似度，并據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

傳統方法采用RPN數值的大小作為選擇維修方式的依據，沒有考慮故障模式的特點，缺乏說服力。而文中采用的相似度，可以很好地刻畫實際故障和標準故障之間的相似程度。通過實際故障風險因子模糊數集之間的相似度，選取維修策略，更加符合工程實際。

相似度的計算步驟如下：

(1)失效模式風險因子的模糊評估

傳統的風險因子評分等級為十分制，采用此種標準評價較為困難。因此采用三角模糊數對風險因子進行評估。

(2)確定參考矩陣

系統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，總結適用3種維修方式的故障特征[2]，并由此建立虛擬的標準失效模式庫Q，如表1所示。對它進行風險評估，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)計算相似度

①歐氏貼近度

②模糊貼近度

③灰色關聯度

灰色關聯分析的基本思想是依據問題的實際背景，找出理想最優方案對應的效果評價向量，根據決策問題中各個方案的評價向量與理想最優方案的評價向量間關聯度的大小確定問題的最優方案及其優劣排序[9]。因此可以用它來衡量比較矩陣與參考矩陣之間的相似度。

由兩三角模糊數的距離公式得到各故障模式風險評估比較矩陣和標準矩陣的距離矩陣為D=(dit)n×3，其中：

灰色關聯系數為

ξ(x0(t),xi(t))是第t個指標比較數列xi對于參考數列x0的相對差值，這種形式的相對差值稱為x0在t指標的關聯系數。ξ為分辨系數，取值在0～1之間，一般取0.5。

xi對于x0的關聯度為

④計算相似度

計算模糊集之間相似度的3種方法各有優劣，將這三者結合起來，綜合反映模糊集之間的接近程度，形成新的指標——相似度。

ψ=aδ+bγ+cλ

式中：a、b、c為權重系數，滿足a+b+c=1。

2 實例驗證

以某高炮火力系統的自動機為對象進行FMEA分析，得到分析報告[2]，如表2所示。

為了驗證方法的可靠性和準確性，按照貼近度和相似度2種方法進行計算，計算結果如表3所示。

表3 各方法分析結果

由表3可知：貼近度和相似度2種計算方法得到的維修策略基本一致，符合工程實際。但是文中方法充分考慮了三因子的模糊度、故障特點，并用綜合的方法——相似度來衡量實際故障與標準故障庫三因子貼近程度，從而得到維修策略。

3 結論

傳統方法根據RPN值確定維修策略，雖然計算簡單，但是存在很多缺陷。文中所提方法用三角模糊數對3個風險因子進行評估，在一定程度上解決了三因素不能被精確評估的缺陷，并且評估難度低；其次，建立標準故障庫，通過實際故障與標準故障庫之間的對比，將具體的故障模式與維修方法有效聯系起來；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，更符合工程實際。