基于FMEA和相似度的装备维修决策

李新月，葛彦斌，安学广，王帅，王延文，姚翔天

(1.中国人民解放军32161部队，新疆库尔勒 841009；2.中国人民解放军63618部队，新疆库尔勒 841009)

0 前言

故障模式影响分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)是可靠性工程中最为有效的定性分析方法之一，它通过分析各设备的功能、故障模式、原因及后果，并对可能的失效模式进行风险评估，以此制定科学合理的维修策略，从而尽可能减少和消除故障的产生，提高装备的可靠性和可维修性。

当前FMEA中确定维修策略的主要依据是风险优先顺序数RPN，它的计算公式为εRPN=S(严重度) ×O(发生率) ×D(探测度)。该方法简单、易操作，但存在以下不足：(1)很难精确地评估3个风险因子[1]；(2)RPN值表示的是风险程度，与维修策略的关联性较低，用它确定维修策略不具有说服力[2]。

针对上述缺陷，很多学者做了相关的研究。欧氏阳中辉等[3-4]将模糊理论引入到风险因素评估中。孙致远等[2]以模糊贴近度为依据选择维修方法，在一定程度上解决了上述问题，但是模糊贴近度仅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、韩国晨[5]将FMEA引入到舰船的维修需求级别的确定中，但是计算过程中三因子采用五分制的形式，主观性大、评估困难。王天博等[7]对机器人焊枪进行了FMEA分析，评估发生率时运用了概率衡量，但是对于历史故障数据比较少的产品来说，不具有可行性。张勇军等[6]预估电力系统可靠性原始参数时，引入新的综合指标——相似度，并验证了其有效性。

综合考虑上述问题，结合现在的研究方法，本文作者提出一种基于模糊理论和相似度的FMEA风险评估方法，并将该方法应用到武器装备维修中，从而更好地指导维修保障体系的构建，为装备的维护保养提供科学依据，提高武器装备的使用效能。

1 维修决策算法模型

维修决策算法模型的流程是：首先，收集该武器装备及同类产品的有关使用信息、运行文书、技术说明和维修保养信息等；其次，由专家组成员列出该装备使用中所有可能存在的故障模式、原因及后果；然后，由专家组分别根据各风险因子的模糊评分标准给出所有可能失效模式的风险因子的三角模糊数；最后计算模糊集间的相似度，并据此确定各失效模式的维修方式。该算法模型的流程如图1所示。

图1 维修决策算法模型流程

传统方法采用RPN数值的大小作为选择维修方式的依据，没有考虑故障模式的特点，缺乏说服力。而文中采用的相似度，可以很好地刻画实际故障和标准故障之间的相似程度。通过实际故障风险因子模糊数集之间的相似度，选取维修策略，更加符合工程实际。

相似度的计算步骤如下：

(1)失效模式风险因子的模糊评估

传统的风险因子评分等级为十分制，采用此种标准评价较为困难。因此采用三角模糊数对风险因子进行评估。

(2)确定参考矩阵

系统的维修方式主要分为事后维修、视情维修以及定期维修[8]。通过分析3种维修方式的特点，总结适用3种维修方式的故障特征[2]，并由此建立虚拟的标准失效模式库Q，如表1所示。对它进行风险评估，得到如下参考矩阵：

表1 各维修策略适用的故障特征

(3)建立比较矩阵

(4)计算相似度

①欧氏贴近度

②模糊贴近度

③灰色关联度

灰色关联分析的基本思想是依据问题的实际背景，找出理想最优方案对应的效果评价向量，根据决策问题中各个方案的评价向量与理想最优方案的评价向量间关联度的大小确定问题的最优方案及其优劣排序[9]。因此可以用它来衡量比较矩阵与参考矩阵之间的相似度。

由两三角模糊数的距离公式得到各故障模式风险评估比较矩阵和标准矩阵的距离矩阵为D=(dit)n×3，其中：

灰色关联系数为

ξ(x0(t),xi(t))是第t个指标比较数列xi对于参考数列x0的相对差值，这种形式的相对差值称为x0在t指标的关联系数。ξ为分辨系数，取值在0～1之间，一般取0.5。

xi对于x0的关联度为

④计算相似度

计算模糊集之间相似度的3种方法各有优劣，将这三者结合起来，综合反映模糊集之间的接近程度，形成新的指标——相似度。

ψ=aδ+bγ+cλ

式中：a、b、c为权重系数，满足a+b+c=1。

2 实例验证

以某高炮火力系统的自动机为对象进行FMEA分析，得到分析报告[2]，如表2所示。

为了验证方法的可靠性和准确性，按照贴近度和相似度2种方法进行计算，计算结果如表3所示。

表3 各方法分析结果

由表3可知：贴近度和相似度2种计算方法得到的维修策略基本一致，符合工程实际。但是文中方法充分考虑了三因子的模糊度、故障特点，并用综合的方法——相似度来衡量实际故障与标准故障库三因子贴近程度，从而得到维修策略。

3 结论

传统方法根据RPN值确定维修策略，虽然计算简单，但是存在很多缺陷。文中所提方法用三角模糊数对3个风险因子进行评估，在一定程度上解决了三因素不能被精确评估的缺陷，并且评估难度低；其次，建立标准故障库，通过实际故障与标准故障库之间的对比，将具体的故障模式与维修方法有效联系起来；最后，利用相似度确定具体故障的维修策略，使得维修方法的选择更具有可信度，更符合工程实际。