基于FMECA和DEMATEL的協調器故障排序新方法

傅建平，毛志俊，馮國飛（軍械工程學院火炮工程系，河北石家莊 050003）

基于FMECA和DEMATEL的協調器故障排序新方法

傅建平，毛志俊，馮國飛
（軍械工程學院火炮工程系，河北石家莊 050003）

協調器作為供輸彈機的關鍵部件之一，要求其具有較高的可靠性。基于協調器結構原理，綜合運用FMECA（故障模式、危害度分析）和DEMATEL（決策實驗室）方法，充分考慮故障模式影響概率的不確定性、危害度計算貢獻因子的不同性，以及故障之間的聯系與影響程度，對協調器的故障模式、故障原因進行排序，并結合傳統(tǒng)危害度法、改進危害度法的比較，找到協調器薄弱環(huán)節(jié)，為協調器的研制、結構改進和科學維修提供指導意義。

協調器；故障；FMECA；熵權；決策實驗室方法

現代火炮廣泛采用供輸彈機，完成自動裝填彈丸與藥筒，以提高火炮射速和自動化水平，并減輕炮手強度。協調器是供輸彈機重要組成部分，主要用于接受供彈機提供的彈丸，并協調到火炮射角后翻入，供輸彈機輸彈。協調器結構新穎，技術先進，故障率較高，部隊技術保障困難[1]。為了提高協調器的使用可靠性，協調器的故障排序其可靠性設計和部隊使用維修均具有重要的指導意義。

傳統(tǒng)故障模式、影響度及危害性分析技術（FMECA）能夠對系統(tǒng)出現的各種故障模式進行危害性分析和排序，找出其薄弱環(huán)節(jié)，方法簡單實用被廣泛應用于裝備研制、改進和維修工作[2-3]，但易出現排序并列現象。通過故障模式對危害度的灰關聯度[4]、故障因果鏈的故障模式與影響分析［5］、模糊FMECA分析[6]，對FMECA分析作了改進，但上述方法沒有考慮因素β的多樣性和不確定性，沒有考慮因素α、β、λ對危害度的不同權重，也沒有考慮故障間的復雜關系，因而排序結果不盡科學。而決策實驗室分析法（DEMA?TEL）充分考慮每個因素的聯系與影響程度[7]，本文綜合FMECA分析和DEMATEL方法的優(yōu)點，提出了協調器故障模式與故障原因排序的新方法，以合理確定協調器的薄弱環(huán)節(jié)，為提高協調器的可靠性和科學維修提供指導作用。

1 危害度計算

FMECA可用來分析協調器的故障模式及其將產生的影響，并按每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發(fā)生概率予以分類。危害度是指產品中每個故障模式發(fā)生的概率及其危害的綜合度量。

故障模式i的危害度用CRi表示[2]，其值可用下式計算。

式（1）中αi為協調器將以故障模式i發(fā)生故障的百分比，可由試驗或使用數據得到，∑αi=1；βi為協調器以故障模式i發(fā)生故障而導致系統(tǒng)任務喪失的條件概率，由分析人員根據經驗判斷得到；λ為協調器的故障率。

基于協調器結構原理、部隊使用中出現的故障，根據FMECA方法與步驟，協調器的故障模式、故障原因及其危害度分析計算結果如表1所示，其中“一故障有多原因”、“一原因多故障”現象，增加了依據危害度進行故障排序的難度。

表1 協調器FMECA分析表

2 改進危害度的計算

FMECA分析中，故障模式頻比α與部件的故障率λ為客觀參量，而故障模式影響概率β為主觀參量，由專家憑經驗確定。傳統(tǒng)FMECA假設β為確定值，但實際上由于協調器各部件的功能、結構與工作環(huán)境不同；專家專業(yè)水平不同，經常會出現不同的評價結果。另外，式（1）危害度計算時，不同的α、β、λ組合可能產生同樣的危害度值，而潛在的失效風險會完全不同，即三個因素無權重的相乘計算危害度也是不現實的。

因此故障模式的改進危害度定義如下[8]：

式（2）中：w=(w1,w2,…,w3)為α、β、λ組合的權重，0＜wj＜1,j=1,2,3，且

2.1 影響概率β

FMECA分析中，對于故障模式影響概率β評估信息的不確定性，設團隊有N個專家評估，每個專家對故障模式 i的權重為kni＞0,(n=1,2,…,N)，且因此加權后的βi值能通過下式得到［9］：

本文取小組成員為5人，即N=5，其對故障模 式 i的 權 重 為 ：（k1，k2，…，k5）=（0.3,0.3,0.2,0.1,0.1），每個成員給出的 βin及各故障模式的影響概率βi如表2。

表2 協調器βi值

2.2 權重

信息熵理論可用于度量數據所提供的有效信息量[10]，熵權法能利用α、 β、λ數據中的隱藏的固有信息，確定權重w。對于一組數據，在某指標上區(qū)別越大，則熵值就越小，即所提供信息較多，該指標權重應該更大[11]。

令

式（4）中：rij為第i個選項中第j個因素值；j=1,2,3分別代表α、β、λ；m=8。

則rj的熵值：

rj的熵權：

根據式（2）-（6），對于協調器FMECA表中的數據，可得改進危害度，計算結果如表3所示。

表3 協調器ICR計算表

3 故障排序

傳統(tǒng)FMECA只考慮到失效模式本身對系統(tǒng)的影響，沒有考慮到故障模式、故障原因之間的關系。決策與試驗評價實驗室（Decision Making and Trial Evaluation Laboratory，DEMATEL），是一種運用圖論和矩陣工具進行系統(tǒng)因素分析的方法[12-14]。通過矩陣演算，直觀地顯示問題間的邏輯關系，將復雜的問題簡單化。這種方法可以充分利用專家的經驗和知識來處理復雜問題，克服了傳統(tǒng)方法中忽略失效模式間聯系和對含多子系統(tǒng)或元件的系統(tǒng)很難分析的缺點。

為充分考慮有關故障間的直接、間接關系及其嚴重程度，在進行FMECA之后采用DEMATEL方法來排列協調器各故障的順序。

設協調器故障模式與故障原因共有n個因素，它們之間相互聯系、相互影響。由n個因素的關系值可以得到一個n×n的直接關系矩陣M，此矩陣作為DEMATEL分析的原始數據。

式（7）中：M是一個n×n階矩陣，由mij組成。mij代表因素Di對因素Dj的影響程度。M的所有主對角線元素mii都為0。

設M的標準化矩陣X，可以通過下式得出：

得到X矩陣后，由于矩陣X也是M的規(guī)范化版本。DIRSM是由因素間直接和間接關系組成的總關系矩陣T，可以通過下式獲得

式（10）中：T是DIRSM；I是單位矩陣。

通過公式（10）的計算，矩陣T中各節(jié)點與其它節(jié)點的影響程度值被相乘并累加，而在相乘時通過矩陣的性質，即矩陣某一行乘以對應列，這樣剛好是兩個節(jié)點的對應關系，從而就獲得了兩節(jié)點間的影響程度值。矩陣T包含了直接聯系和間接聯系在內的節(jié)點間的所有聯系。一般情況下，tij＞0，意味著節(jié)點i對節(jié)點j有著程度為tij的直接或間接的影響。矩陣T中可得出一些原本不存在直接聯系的節(jié)點間因間接路徑所獲得的影響。

將行和、列和分別用向量R和向量C代表，可由式（11）-（13）得到。

計算出各節(jié)點的R值和C值后，通過計算水平軸向量（R＋C）和縱軸向量為（R－C）的值來確定故障模式之間的聯系程度和影響程度。（R＋C）值表明了與其他故障模式的聯系程度，其值越大，此故障模式與其他故障模式的聯系越深；（R－C）值表明了對其他故障模式影響的嚴重程度，其值越大，此故障模式對其他故障模式影響的嚴重程度越高。通常，R－C值比R+C值均可作為故障模式優(yōu)先級排序的重要準則。本文以（R＋C）值對故障模式排序，以（R－C）值對故障原因排序。

協調器FMECA分析可知，共有6種故障模式與7個故障原因，它們之間既相互聯系，又相互影響。將以上ICR計算結果為輸入，應用DEMA?TEL方法分析協調器故障間關系，首先得到協調器的初始矩陣M如表4所示。

表4 協調器初始矩陣M

利用式（7）-（13）便可計算（R+C）值及（R-C）值，計算結果如表5、表6所示。

4 結果分析

針對某協調器的故障數據，將傳統(tǒng)危害度（CR）法、改進危害度（ICR）法、DEMATEL法對協調器的故障模式及故障原因分別進行排序，并進行對比分析。協調器的故障模式排序結果對比分析如表5所示，故障原因排序結果對比分析如表6所示。

表5 故障模式排序對比表

通過表5和表6，對于CR法、ICR法與DE? MATEL法這三種排序方法得到的排序結果可得以下結論。

（1）由表5中可知，傳統(tǒng)危害度CR的排序（按危害程度從大到?。椋篎M1(FC2對應)= FM3、FM4、FM1（FC1對應）、FM2（FC3對應）=FM6、FM2（FC4對應）、FM6（其中“＝”號表示危害程度相同），其中不同的故障模式具有相同的CR值，這些相同CR值的故障模式難以排序；而且同一故障模式具有不同的CR值；改進危害度ICR的排序（按危害程度從大到小）為：FM4、FM3、FM1(FC2對應)、FM1（FC1對應）、FM2（FC4對應）、FM2（FC3對應）、FM5、FM6，改進危害度合理地整合了所有團隊成員的評估值并且綜合了數據固有信息和專家的經驗判斷。盡可能地為每個因素分配不同的ICR。雖然做到了不同故障模式具有不同的CR值，不同故障模式排序明確，但同一故障模式仍然具有不同的確CR值。這兩種方法都會出現排序困難現象。

DEMATEL法的排序（按危害程度從大到?。椋篎M1、FM2、FM4、FM3、FM6與FM5，它以ICR為輸入，具有改進危害度所具有的全部優(yōu)點，即合理地綜合所有團隊成員的評估值，并且結合了數據固有信息和專家經驗判斷。能夠分析各種類因素間關系和影響嚴重程度，每個故障模式都分配一個單獨的R+C值，因而同種故障模式只有一個順序，排序明確。

（2）同樣由表6可知，三種排序方法按故障原因排序，存在同樣的特點和結論。

（3）由表5可知，DEMATEL法的故障模式排序中，協調器無動作故障模式（FM1）具有最高的優(yōu)先順序，這是因為該故障模式的故障頻比數較高，且嚴重影響系統(tǒng)任務的完成。動作困難（FM2）列第二位優(yōu)先順序，是由于它的故障模式比數最高引起的。因此，協調器生產和使用過程中應該采用相關措施來降低故障率，裝備研制單位需要提高零件加工和裝配質量，加強外購件質量控制；部隊使用中定期對協調器檢查與維護保養(yǎng)，調整運動部件的間隙，及時緊固松動部件。

（4）本文綜合運用FMECA和DEMATEL方法，提出了協調器一套新的故障排序方法：即首

表6 故障原因排序對比表

先進行FMECA分析，然后計算改進危害度，最后進行以ICR為輸入的DEMATEL排序。該方法具有以下特點：使用群體決策方法來合理綜合各團隊成員的評估值；使用熵權法確定權重，最大程度地為每個因素分配一個單獨的ICR值；用DEMA?TEL方法考慮故障間關系和嚴重程度。本方法也可用供輸彈機整系統(tǒng)的故障排序。

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第一作者簡介：傅建平，男，1966年生，江蘇蘇州人，碩士，副教授。研究領域：火炮與自動武器技術保障。已發(fā)表論文50篇。

(編輯：向 飛)

A New Method of Prioritizing Failures of Harmony Device Based on FMECA and DEMATEL Method

FU Jian-ping，MAO Zhi-jun，FENG Guo-fei
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang050003，China）

The harmony device is one of important parts of auto-loading system，and its high reliability has been required.The priority analysis of failure modes and failure causes for harmony device has been made by failure，effect，and criticality analyses（FMECA）and Decision Making and Trial Evaluation Laboratory（DEMATEL）technique，with fully considering effect probability of failure mode uncertainty，difference of criticality contribution factors，and the links between the failure modes and effects of the harmony device.The weak of harmony device taches are found comparing with the conventional FMECA and improved criticality method.The research fruit can provide guidance for manufacture，structure improvement and servicing of harmony device.

harmony device；failure；FMECA；entropy weight；DEMATEL method

TJ8

A

1009－9492(2014)05－0096－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.024

2013－11－23