新型装甲装备复杂系统故障分析建模方法

2015-02-02罗九林李爱民邓正春

兵器装备工程学报 2015年12期

关键词：故障分析建模

郭　镇，罗九林，李爱民，邓正春

(1.装甲兵工程学院技术保障工程系，北京　100072； 2.石家庄陆军指挥学院军事训练系，石家庄　100072)

新型装甲装备复杂系统故障分析建模方法

郭镇1，罗九林1，李爱民1，邓正春2

(1.装甲兵工程学院技术保障工程系，北京100072； 2.石家庄陆军指挥学院军事训练系，石家庄100072)

摘要：针对新型装甲装备复杂系统故障的特点，建立了新型装甲装备复杂系统故障表示模型，有效解决传统分析方法主观性强、运算量大等问题。以车辆不能启动故障为例，进行了建模分析。结果表明：该模型能够直观、全面、量化地描述复杂系统故障，便于故障数据的记录、储存和管理，分析过程可以通过计算机辅助技术运用实现。

关键词：复杂系统；故障分析；建模

本文引用格式：郭镇，罗九林，李爱民，等.新型装甲装备复杂系统故障分析建模方法[J].四川兵工学报，2015(12):54-58.

Citation format:GUO Zhen，LUO Jiu-lin， LI Ai-min, et al.Modeling Approach for Faults Analysis of Complex Systems for New-Type Armored Vehicle[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):54-58.

Modeling Approach for Faults Analysis of Complex Systems

for New-Type Armored Vehicle

GUO Zhen1，LUO Jiu-lin1，LI Ai-min1，DENG Zheng-chun2

(1.Department of Technical Repair Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；

2. Department of Military Training, Shijiazhuang Army Command College, Shijiazhuang 100072, China)

Abstract:According to the features of the complex systems faults for new-type armored vehicle, this paper established the complex systems faults presentation model for new-type armored vehicle, which overcomes the problems such as large computing and subjectivity of traditional analytical method and so on. The fault of that the vehicle can not be started was studied with establishing the model. It shows that the complex systems faults can be presented by the model directly, overall and quantizing, and the data is easier to be found, used and stored with computer aided technology. The analysis process can be achieved through the application of computer assistant technology.

Key words：complex system；faults analysis；modeling

故障分析是指发生故障后，通过对产品及其结构、使用和技术文件等进行逻辑系统地研究，以鉴别故障模式，确定故障原因和失效机理的过程[1]。为提高产品的可靠性，在可靠性设计阶段，通常采用故障模式、影响及危害性分析(FMECA)和故障树分析(FTA)的方法进行故障分析。在产品使用阶段，由于设计缺陷、工艺限制、违规操作等因素影响，系统的故障会不断发生。FMECA分析，可以确定故障对零部件本身、上一级和系统的影响等级(灾难、致命、临界、轻微)，但这种影响等级的划分主观性强，不同的划分判断可能造成不同的分析结论。FTA分析，可以直观演绎故障的传播，但对于大型复杂系统运算量巨大，同时，对于多种原因引起的故障的判断不准确。新型装甲装备是一个复杂的机电液大系统，同时，其工作环境极度恶劣，影响因素不确定性强，给系统的故障分析更增加了难度。

1新型装甲装备复杂系统故障特点

新型装甲装备是一个构成复杂的机电液大系统，其系统故障特点主要包括：① 层次性，不同结构功能的层次对应出现各层次的故障特征;② 传播性，故障在系统中纵向传播的同时也存在同一层次间的横向传播;③ 相关性，同一故障原因可能出现不同故障模式，同一故障模式也可能对应不同故障原因;④ 放射性，自身特征不明显的故障放射引起其他故障;⑤ 模糊性，故障描述难度大，故障信息具有不确定性。

2新型装甲装备复杂系统故障模型[2]

针对新型装甲装备系统故障的特点，其系统故障可有故障模式m、故障特征t、影响因素f、故障信息i和它们相互间的关联关系r组合进行描述。

在新型装甲装备系统故障中，一般同时出现若干个故障模式，记作故障模式集合M={mi},i=1,2,…,nm。

系统故障所有特征的集合，记作故障特征集合T={tj},j=1，2,…,nt。

每个故障特征都有若干影响因素，系统故障所有影响因素的集合，记作影响因素集F={fk},k=1，2,…,nf。

系统故障所有故障信息的集合，记作故障信息集I={il},l=1，2,…,ni。

所有的关联关系的集合(主要考虑因果关系)，记作关联关系集R。则，有故障模式集M、特征集T、影响因素集F、故障信息集I和关联关系集R5个集合，建立系统故障的表示模型，记作O={M,T,F,I,R}

其中:

M={mi},i=1，2,…,nm，nm为系统故障模式的数目；

T={tj},j=1，2,…,nt，nt为故障特征的数目；

F={fk},k=1，2,…,nf，nf为故障影响因素的数目；

I={il},l=1，2,…,ni，ni为故障信息的数目；

R={rn},n=1，2,…,nr，nr为关联关系的数目。

3新型装甲装备复杂系统故障模型的模糊化[3]

为准确表述工程实践中存在的故障描述难度大、故障信息不确定的情况，对故障模型进行模糊化。根据模糊理论，得到每个因素的模糊度或存在度，用隶属度参数b表示其故障模式、故障特征、影响因素、故障信息的不确定性；用隶属度参数s表示关联关系的强度，实现故障模型的模糊化。

其中：

该系统故障模型通过描述故障模式、故障特征、影响因素、故障信息和它们之间的关联关系，可以全面细致地表述复杂系统故障，并针对新型装甲装备系统故障的模糊性，对各构成要素进行了模糊化处理，可以更加科学合理地描述系统故障。

4新型装甲装备复杂系统故障表示模型

为了直观表述故障模型中的关联关系集R，在故障模型中应用有向模糊图论将系统模型转化为图的形式，具有较强的直观性和操作性。

4.1　有向图及邻边矩阵[4]

当一条边e(i,j)具有方向，并用箭头由端点i指向端点j，则边e(i,j)称作有向边，端点i称作该边的起点，端点j称作该边的终点。所有边均为有向边组成的图称作有向图。一个有n个结点的有向图，其邻接矩阵

4.2　有向模糊图

uij表示由结点ui指向结点uj的连接强度，当uij≠0时，存在结点ui指向结点uj的一条连接边，且连接强度为uij。

4.3　系统故障的有向模糊图

5示例分析

以车辆不能启动故障为例，故障模式M={m1:车辆不能启动}。

5.1　故障信息分析

故障信息集

I={i1:启动电机有声音，i2:发动机无声音，

i3:排烟管无烟，i4:油量表指示正常，i5:水

温正常，i6:自然环境正常，i7:油温正常，

i8:油压正常}通过存在度计算，得集合I上的模糊集

i6( 0.7),i7( 0.6)}。

分析信息层关联关系集

即

通过关联关系的连接强度计算，得该层集合R的模糊集

即

图1　信息层模型

5.2　故障特征分析

从信息集合I入手分析得出故障特征集合

T={t1:启动电机工作正常，t2:发动机不工作，t3:油量表指示有油}

即

通过关联关系的连接强度计算，得特征层集合R的模糊集

即

图2　特征、模式层模型

5.3　故障因素分析

车辆不能启动涉及到启动系、动力系和燃油供给系3个子系统，系统故障因素具有放射性，分析过程如图3所示。

图3　系统故障因素放射分析过程

其中，故障特征t1{启动电机工作正常}的影响因素集合

F1={f1:启动按钮正常,f2:启动电机正常,f3:启动电路正常}

故障特征t2{发动机不工作}的影响因素集合

F2={f4:发动机本体故障,f5:增压系统故障,f6:油箱无油,f7:燃油泵故障,f8:油路故障}

故障特征t3{油表指示有油}的影响因素集合

F3={f9:油箱有油,f10:无油油表坏,f11:传感器故障}

可得，

故障模式M={m1:车辆不能启动}的影响因素集合

F={f1:启动按钮正常,f2:启动电机正常,f3:启动电路正常,f4:发动机本体故障,f5:增压系统故障,f6:油箱无油,f7:燃油泵故障,f8:油路故障,f9:油箱有油,f10:无油油表坏,f11:传感器故障}

通过存在度计算，得集合F上的模糊集

f5( 0.4),f6( 0.1),f7( 0.1),f8( 0.3)，

f9( 0.9),f10( 0.1),f11( 0.1)}

分析因素层关联关系集

R={r7:t1→f1,r8:t1→f2,r9:t1→f3,r10:t2→f4,

r11:t2→f5,r12:t2→f6,r13:t2→f7,r14:t2→f8,

r15:t3→f9,r16:t3→f10,r17:t3→f11}

模糊集

r12(0.5),r13(0.5),r14(0.5),r15(0.4),r16(0.5),

r17(0.4)}

图4　因素、特征、模式层模型

5.4　建立系统故障表示模型

分析各层之间的关联关系集

R={r1:i4→i3,r2:i6→i5,r3:i6→i7,r4:m1→t1,

r5:m1→t2,r6:m1→t3,r7:t1→f1,r8:t1→f2,

r9:t1→f3,r10:t2→f4,r11:t2→f5,r12:t2→f6,

r13:t2→f7,r14:t2→f8,r15:t3→f9,r16:t3→f10,

r17:t3→f11}

对于故障模式M={m1:车辆不能启动}，可用系统故障表示模型表述，其论阈

V=M∪T∪F∪I={m1;t1,t2,t3;f1,f2,f3,

f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10,f11;i1,i2,i3,i4,i5,i6,i7}

V上的模糊集

f1(0.8),f2( 0.8),f3( 0.6),f4( 0.6),f5( 0.4),

f6( 0.1),f7( 0.1),f8( 0.3),f9( 0.9),f10( 0.1),

f11( 0.1);i1( 0.9),i2( 0.8),i3( 0.8),i4( 1),

i5( 0.7),i6( 0.7),i7( 0.6)}

V上的模糊关系

r5( 0.9),r6( 0.6),r7(0.3),r8(0.6),r9(0.4),

r10(0.5),r11(0.4),r12(0.5),r13(0.5),r14(0.5),

r15(0.4),r16(0.5),r17(0.4)}

则故障模式M={m1:车辆不能启动}的系统故障表示模型

通过滤波处理，把隶属度bK小于λ(取值0.6)的影响因素fK都过滤掉，同时把连接边去除掉。

综上所述，可得系统故障表示模型如图5所示。

图5　系统故障表示模型

6结束语

该表示模型能够直观、量化地描述故障模式、故障特征、影响因素、故障信息和它们之间的关联关系，便于复杂系统故障原因的诊断分析。能较好地应对新型装甲装备复杂恶劣的使用环境，科学、准确地分析查找产品的薄弱环节，为改进性维修提供有益指导。同时，模型的数学描述便于故障数据的记录、存储和建立数据库，可以应用编程、计算机辅助设计等技术。

参考文献：

[1]GJB—451—90,可靠性维修性术语[S].

[2]孙德福,李骏,乔梁,等.装甲车辆复杂系统故障诊断方法[M].北京：国防工业出版社,2009：26-31.

[3]汪小珍,李龙澍.基于模糊集的信息检索方法[J].计算机技术与发展,2010,20(2):37-40.

[4]丘东元,彭锦凤,张波.电力电子变换器结构性故障的有向图诊断方法[J].电机与控制学报,2010,14(8):13-18.(责任编辑唐定国)