新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障分析建模方法

郭　鎮(zhèn)，羅九林，李愛民，鄧正春

(1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京　100072； 2.石家莊陸軍指揮學(xué)院軍事訓(xùn)練系，石家莊　100072)

新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障分析建模方法

郭鎮(zhèn)1，羅九林1，李愛民1，鄧正春2

(1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京100072； 2.石家莊陸軍指揮學(xué)院軍事訓(xùn)練系，石家莊100072)

摘要：針對新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障的特點，建立了新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障表示模型，有效解決傳統(tǒng)分析方法主觀性強、運算量大等問題。以車輛不能啟動故障為例，進行了建模分析。結(jié)果表明：該模型能夠直觀、全面、量化地描述復(fù)雜系統(tǒng)故障，便于故障數(shù)據(jù)的記錄、儲存和管理，分析過程可以通過計算機輔助技術(shù)運用實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜系統(tǒng)；故障分析；建模

本文引用格式：郭鎮(zhèn)，羅九林，李愛民，等.新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障分析建模方法[J].四川兵工學(xué)報，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

故障分析是指發(fā)生故障后，通過對產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)、使用和技術(shù)文件等進行邏輯系統(tǒng)地研究，以鑒別故障模式，確定故障原因和失效機理的過程[1]。為提高產(chǎn)品的可靠性，在可靠性設(shè)計階段，通常采用故障模式、影響及危害性分析(FMECA)和故障樹分析(FTA)的方法進行故障分析。在產(chǎn)品使用階段，由于設(shè)計缺陷、工藝限制、違規(guī)操作等因素影響，系統(tǒng)的故障會不斷發(fā)生。FMECA分析，可以確定故障對零部件本身、上一級和系統(tǒng)的影響等級(災(zāi)難、致命、臨界、輕微)，但這種影響等級的劃分主觀性強，不同的劃分判斷可能造成不同的分析結(jié)論。FTA分析，可以直觀演繹故障的傳播，但對于大型復(fù)雜系統(tǒng)運算量巨大，同時，對于多種原因引起的故障的判斷不準確。新型裝甲裝備是一個復(fù)雜的機電液大系統(tǒng)，同時，其工作環(huán)境極度惡劣，影響因素不確定性強，給系統(tǒng)的故障分析更增加了難度。

1新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障特點

新型裝甲裝備是一個構(gòu)成復(fù)雜的機電液大系統(tǒng)，其系統(tǒng)故障特點主要包括：① 層次性，不同結(jié)構(gòu)功能的層次對應(yīng)出現(xiàn)各層次的故障特征;② 傳播性，故障在系統(tǒng)中縱向傳播的同時也存在同一層次間的橫向傳播;③ 相關(guān)性，同一故障原因可能出現(xiàn)不同故障模式，同一故障模式也可能對應(yīng)不同故障原因;④ 放射性，自身特征不明顯的故障放射引起其他故障;⑤ 模糊性，故障描述難度大，故障信息具有不確定性。

2新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障模型[2]

針對新型裝甲裝備系統(tǒng)故障的特點，其系統(tǒng)故障可有故障模式m、故障特征t、影響因素f、故障信息i和它們相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系r組合進行描述。

在新型裝甲裝備系統(tǒng)故障中，一般同時出現(xiàn)若干個故障模式，記作故障模式集合M={mi},i=1,2,…,nm。

系統(tǒng)故障所有特征的集合，記作故障特征集合T={tj},j=1，2,…,nt。

每個故障特征都有若干影響因素，系統(tǒng)故障所有影響因素的集合，記作影響因素集F={fk},k=1，2,…,nf。

系統(tǒng)故障所有故障信息的集合，記作故障信息集I={il},l=1，2,…,ni。

所有的關(guān)聯(lián)關(guān)系的集合(主要考慮因果關(guān)系)，記作關(guān)聯(lián)關(guān)系集R。則，有故障模式集M、特征集T、影響因素集F、故障信息集I和關(guān)聯(lián)關(guān)系集R5個集合，建立系統(tǒng)故障的表示模型，記作O={M,T,F,I,R}

其中:

M={mi},i=1，2,…,nm，nm為系統(tǒng)故障模式的數(shù)目；

T={tj},j=1，2,…,nt，nt為故障特征的數(shù)目；

F={fk},k=1，2,…,nf，nf為故障影響因素的數(shù)目；

I={il},l=1，2,…,ni，ni為故障信息的數(shù)目；

R={rn},n=1，2,…,nr，nr為關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)目。

3新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障模型的模糊化[3]

為準確表述工程實踐中存在的故障描述難度大、故障信息不確定的情況，對故障模型進行模糊化。根據(jù)模糊理論，得到每個因素的模糊度或存在度，用隸屬度參數(shù)b表示其故障模式、故障特征、影響因素、故障信息的不確定性；用隸屬度參數(shù)s表示關(guān)聯(lián)關(guān)系的強度，實現(xiàn)故障模型的模糊化。

其中：

該系統(tǒng)故障模型通過描述故障模式、故障特征、影響因素、故障信息和它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以全面細致地表述復(fù)雜系統(tǒng)故障，并針對新型裝甲裝備系統(tǒng)故障的模糊性，對各構(gòu)成要素進行了模糊化處理，可以更加科學(xué)合理地描述系統(tǒng)故障。

4新型裝甲裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障表示模型

為了直觀表述故障模型中的關(guān)聯(lián)關(guān)系集R，在故障模型中應(yīng)用有向模糊圖論將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為圖的形式，具有較強的直觀性和操作性。

4.1　有向圖及鄰邊矩陣[4]

當一條邊e(i,j)具有方向，并用箭頭由端點i指向端點j，則邊e(i,j)稱作有向邊，端點i稱作該邊的起點，端點j稱作該邊的終點。所有邊均為有向邊組成的圖稱作有向圖。一個有n個結(jié)點的有向圖，其鄰接矩陣

4.2　有向模糊圖

uij表示由結(jié)點ui指向結(jié)點uj的連接強度，當uij≠0時， 存在結(jié)點ui指向結(jié)點uj的一條連接邊，且連接強度為uij。

4.3　系統(tǒng)故障的有向模糊圖

5示例分析

以車輛不能啟動故障為例，故障模式M={m1:車輛不能啟動}。

5.1　故障信息分析

故障信息集

I={i1:啟動電機有聲音，i2:發(fā)動機無聲音，

i3:排煙管無煙，i4:油量表指示正常，i5:水

溫正常，i6:自然環(huán)境正常，i7:油溫正常，

i8:油壓正常}通過存在度計算，得集合I上的模糊集

i6( 0.7),i7( 0.6)}。

分析信息層關(guān)聯(lián)關(guān)系集

即

通過關(guān)聯(lián)關(guān)系的連接強度計算，得該層集合R的模糊集

即

圖1　信息層模型

5.2　故障特征分析

從信息集合I入手分析得出故障特征集合

T={t1:啟動電機工作正常，t2:發(fā)動機不工作，t3:油量表指示有油}

即

通過關(guān)聯(lián)關(guān)系的連接強度計算，得特征層集合R的模糊集

即

圖2　特征、模式層模型

5.3　故障因素分析

車輛不能啟動涉及到啟動系、動力系和燃油供給系3個子系統(tǒng)，系統(tǒng)故障因素具有放射性，分析過程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)故障因素放射分析過程

其中，故障特征t1{啟動電機工作正常}的影響因素集合

F1={f1:啟動按鈕正常,f2:啟動電機正常,f3:啟動電路正常}

故障特征t2{發(fā)動機不工作}的影響因素集合

F2={f4:發(fā)動機本體故障,f5:增壓系統(tǒng)故障,f6:油箱無油,f7:燃油泵故障,f8:油路故障}

故障特征t3{油表指示有油}的影響因素集合

F3={f9:油箱有油,f10:無油油表壞,f11:傳感器故障}

可得，

故障模式M={m1:車輛不能啟動}的影響因素集合

F={f1:啟動按鈕正常,f2:啟動電機正常,f3:啟動電路正常,f4:發(fā)動機本體故障,f5:增壓系統(tǒng)故障,f6:油箱無油,f7:燃油泵故障,f8:油路故障,f9:油箱有油,f10:無油油表壞,f11:傳感器故障}

通過存在度計算，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)}

分析因素層關(guān)聯(lián)關(guān)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)}

圖4　因素、特征、模式層模型

5.4　建立系統(tǒng)故障表示模型

分析各層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)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}

對于故障模式M={m1:車輛不能啟動}，可用系統(tǒng)故障表示模型表述，其論閾

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上的模糊關(guān)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)}

則故障模式M={m1:車輛不能啟動}的系統(tǒng)故障表示模型

通過濾波處理，把隸屬度bK小于λ(取值0.6)的影響因素fK都過濾掉，同時把連接邊去除掉。

綜上所述，可得系統(tǒng)故障表示模型如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)故障表示模型

6結(jié)束語

該表示模型能夠直觀、量化地描述故障模式、故障特征、影響因素、故障信息和它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于復(fù)雜系統(tǒng)故障原因的診斷分析。能較好地應(yīng)對新型裝甲裝備復(fù)雜惡劣的使用環(huán)境，科學(xué)、準確地分析查找產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為改進性維修提供有益指導(dǎo)。同時，模型的數(shù)學(xué)描述便于故障數(shù)據(jù)的記錄、存儲和建立數(shù)據(jù)庫，可以應(yīng)用編程、計算機輔助設(shè)計等技術(shù)。

參考文獻：

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[3]汪小珍,李龍澍.基于模糊集的信息檢索方法[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010,20(2):37-40.

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【后勤保障與裝備管理】

中圖分類號：TJ81

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)12-0054-05

doi:10.11809/scbgxb2015.12.014

作者簡介：郭鎮(zhèn)(1988—)，男，碩士，主要從事裝備維修保障研究。

收稿日期：2015-07-09