改進(jìn)FMEA模型在棉種質(zhì)量改善中的應(yīng)用

侯曉曉 趙永滿 胡斌

摘要：新疆精量播種方式的推廣對(duì)精播棉種的質(zhì)量要求更高，必須滿足發(fā)芽率高于90%、破籽率低于4%的要求。采用改進(jìn)的故障模式及影響分析（failure mode & effect analysis，F(xiàn)MEA）法可以很好提高種子質(zhì)量。基于模糊證據(jù)推理和灰色關(guān)聯(lián)投影法，識(shí)別棉種的潛在故障，計(jì)算其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)，確定破籽為棉種的關(guān)鍵故障，并用魚(yú)骨圖分析出影響種子破碎的關(guān)鍵因素為員工質(zhì)量意識(shí)不足、毛籽破碎多、分選不徹底及機(jī)械磨損，從根源上制定相應(yīng)改進(jìn)措施。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐達(dá)到精播棉種的要求。本方法還適用水果、蔬菜、稻谷等作物種子的質(zhì)量升級(jí)。

關(guān)鍵詞：棉種質(zhì)量；FMEA；模糊證據(jù)推理；灰色關(guān)聯(lián)投影；風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)

中圖分類號(hào)： S339；S562.038 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0444-03

新疆作為中國(guó)最重要的棉區(qū)，原棉年生產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的50%。精量播種方式隨著機(jī)械化水平的提高深受棉農(nóng)喜愛(ài)，同時(shí)對(duì)棉種質(zhì)量提出了更高要求，應(yīng)使發(fā)芽率高于90%、破籽率低于4%[1]。但是，新疆許多棉種種業(yè)公司并不能滿足以上要求，生產(chǎn)的種子發(fā)芽率低，田間出苗率低，質(zhì)量穩(wěn)定性差，頻發(fā)的質(zhì)量事故不僅損害農(nóng)民利益，更危害社會(huì)穩(wěn)定[2]，種子質(zhì)量升級(jí)勢(shì)在必行，F(xiàn)MEA作為一種工程技術(shù)，能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)、服務(wù)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中潛在的故障模式，通過(guò)評(píng)價(jià)嚴(yán)重度、發(fā)生度、檢測(cè)度得到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)，繼而識(shí)別故障產(chǎn)生的原因，最后針對(duì)問(wèn)題提出預(yù)防和改進(jìn)措施，避免或減少故障的發(fā)生[3]。FMEA分析法已在醫(yī)療衛(wèi)生、航空、船舶、汽車工業(yè)、奶產(chǎn)品加工中廣泛應(yīng)用[4-5]，在棉種加工中尚未采用。

國(guó)外學(xué)者對(duì)FMEA做了很多改進(jìn)，Gargama 等提出了模糊風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先排序理論來(lái)解決認(rèn)知不確定性問(wèn)題[6]。Pillay等利用灰色關(guān)聯(lián)決策對(duì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行排序[7]。盡管FMEA的應(yīng)用有了很大改進(jìn)，但無(wú)法解決評(píng)估過(guò)程中評(píng)價(jià)信息的多樣性和不確定性問(wèn)題[8]。針對(duì)以上問(wèn)題，Du等分別提出了基于理想點(diǎn)與證據(jù)推理法和灰色關(guān)聯(lián)影與D算數(shù)法來(lái)解決失效模式評(píng)價(jià)結(jié)果不全面及不準(zhǔn)確問(wèn)題的方法[9-10]。

本研究在前人研究工作的基礎(chǔ)上采用模糊證據(jù)推理與灰色關(guān)聯(lián)投影法來(lái)控制新疆棉種加工質(zhì)量，以種子加工過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)專家打分計(jì)算每個(gè)故障的相對(duì)投影值，確認(rèn)種子主要缺陷和造成種子出苗差、苗勢(shì)弱、棉花產(chǎn)量低的關(guān)鍵因素，并制定改進(jìn)措施提高種子質(zhì)量安全與可靠性。

1 棉花種子主要故障及影響分析

毛籽經(jīng)檢驗(yàn)合格，進(jìn)入棉種加工廠后，通過(guò)泡沫酸脫絨加工成光籽[11]，加工過(guò)程如圖1所示。

組建5人FMEA小組，包括質(zhì)量工程師、工藝工程師、技術(shù)指導(dǎo)員、檢驗(yàn)員、高校老師。考慮棉農(nóng)需求和歷史數(shù)據(jù)確定棉種主要故障為殘酸超標(biāo)、含水率高、破籽、純度差、發(fā)芽率低，并對(duì)其進(jìn)行影響分析。（1）殘酸超標(biāo)。酸含量偏高會(huì)侵蝕種子，影響種子發(fā)育。合格種子的殘酸量應(yīng)低于0.15%。（2）含水率高。種子含水量大會(huì)發(fā)生霉變，影響種子發(fā)芽。水分含量應(yīng)保持在12%左右。（3）破籽率高。破損的種子發(fā)芽率低，甚至不發(fā)芽，使產(chǎn)量下降。精播種子的破碎率應(yīng)控制在4%以內(nèi)[1]。（4）純度差。劣質(zhì)品種的參入會(huì)使種苗抗旱、抗病蟲(chóng)害、抗倒伏性能下降，成苗壯苗率降低。 （5）發(fā)芽率低。發(fā)芽率是評(píng)價(jià)種子質(zhì)量的重要指標(biāo)，應(yīng)確保精播棉種發(fā)芽率在90%以上[1]。

2 確定棉種關(guān)鍵失效模式

傳統(tǒng)FMEA法忽略了故障嚴(yán)重度S、發(fā)生度O和探測(cè)度D的相對(duì)重要性，評(píng)價(jià)信息的多樣性和不確定性也使評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)不符[12]。本研究擬模糊數(shù)據(jù)推理和灰色關(guān)聯(lián)投影法來(lái)確認(rèn)棉種的關(guān)鍵失效模式。

2.1 建立風(fēng)險(xiǎn)因子模糊評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)FMEA成員的專業(yè)知識(shí)、工作部門和職業(yè)背景，將其權(quán)重μ分別設(shè)為0.25、0.20、0.20、0.20、0.15。同時(shí)將評(píng)價(jià)指標(biāo)S、O、D的評(píng)價(jià)等級(jí)表示為模糊集合：

{Hii}={H11，H22，H33，H44，H55}={很低，低，中等，高，很高}。（1）

{Hii}（i=1，2，…，5）之間相互獨(dú)立，僅相鄰評(píng)價(jià)等級(jí)相交，且區(qū)間模糊評(píng)價(jià)等級(jí)為{Hij}（i=1，2，…，4；j=i+1，…，5）[13]。語(yǔ)言變量模糊等級(jí)與FMEA評(píng)價(jià)等級(jí)取值關(guān)系準(zhǔn)則參考文獻(xiàn)[12]。

2.2 基于模糊置信結(jié)構(gòu)確定專家評(píng)價(jià)信息

本研究采用模糊證據(jù)推理置信結(jié)構(gòu)法[13]對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子S、O、D進(jìn)行評(píng)價(jià)。定義評(píng)估人員TMx對(duì)故障模式FMq關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)因子RFy的置信結(jié)構(gòu)為{Hij，βxij（FMq，RFy）}，其中 βxij（FMq，RFy） 為故障模式FMq關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)因子RFy的置信度，則綜合置信結(jié)構(gòu)為：

Z～q（y）={Hij，βij（FMq，RFy）}。（2）

式中：βij（FMq，RFy）=∑xx=1μxβxij（FMq，RFy），i=1，2，…，5；j=1，…，5；x=1，2，…，5；y=1，2，3；q=1，2，…，5。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和歷史數(shù)據(jù)，F(xiàn)MEA 小組對(duì)棉種故障的評(píng)價(jià)信息如表1所示。

2.3 確定風(fēng)險(xiǎn)因子綜合權(quán)重

采用D算數(shù)法確定風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)棉種故障的相對(duì)權(quán)重[10]，評(píng)估人員TMx對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子RFy的置信結(jié)構(gòu)為：

Dx={（bxy1，vxy1），（bxy2，vxy2）…（bxyn，vxyn）}。（3）

式中：bxyn為評(píng)估人員TMx對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子RFy的評(píng)價(jià)等級(jí)，vxyn為相應(yīng)的置信度。風(fēng)險(xiǎn)因子重要度評(píng)價(jià)等級(jí)參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。經(jīng)過(guò)調(diào)研及討論得到風(fēng)險(xiǎn)因子重要度評(píng)價(jià)信息（表2）。

根據(jù)表1、表2信息，得到綜合評(píng)價(jià)信息和綜合權(quán)重，并

2.4 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)投影值

灰色關(guān)聯(lián)投影可以準(zhǔn)確反映決策方案與理想方案的逼近程度，在棉種FMEA中運(yùn)用此方法可以準(zhǔn)確地確認(rèn)出種子的關(guān)鍵故障。

2.4.1 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)等級(jí)比較矩陣 FMEA評(píng)價(jià)中，比較矩陣由風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)等級(jí)的明確置信決策矩陣Zq（y）構(gòu)成。公式如下：

Zq（y）=∑5i=1∑5j=1hij（FMq，RFy）。（4）

式中：hij=∑5i=1Hijβijj-i+1，i=1，2，…，5；j=1，2，…，5。

整理數(shù)據(jù)得到風(fēng)險(xiǎn)因子比較矩陣：

Zq（y）=FM1FM2FM3FM4FM5=2.538 2.100 1.4503.750 1.225 1.2504.400 2.900 1.0003.700 3.900 4.2504.150 2.360 2.150。（5）

2.4.2 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因子參考矩陣 將最優(yōu)水平Z+0和最劣水平Z-0作為風(fēng)險(xiǎn)因子的參考矩陣，如下所示：

2.4.3 確定灰色關(guān)聯(lián)值

2.4.3.1 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù) 棉種FMEA評(píng)價(jià)中風(fēng)險(xiǎn)因子的正負(fù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為γ+qy（Z+0（y），Zq（y））和γ-qy（Z-0（y），Zq（y）），計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

2.4.3.2 確定加權(quán)后灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣S+和S-

S+=∑3y=1ωyR+，

S-=∑3y=1ωyR-。（8）

式中：ωy為風(fēng)險(xiǎn)因子歸一化的權(quán)重值。

2.4.3.3 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)投影值 灰色關(guān)聯(lián)投影值表示潛在失效模式與失效影響的關(guān)系，值越高，表明失效模式對(duì)棉種質(zhì)量的危害度越大。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，灰色關(guān)聯(lián)投影計(jì)算公式如下：

RPq=S-qS+q+S-q。（9）

式中：S+q=‖R′+q‖cos（R′+q，R′+0），S-q=‖R′-q‖cos（R′-q，R′-0）計(jì)算的最終結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，棉種破碎為最關(guān)鍵的失效模式，須借助魚(yú)刺圖找出引起故障的關(guān)鍵原因。

3 棉種破碎率分析

3.1 確認(rèn)失效原因

采用頭腦風(fēng)暴法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6個(gè)方面進(jìn)行分析，通過(guò)魚(yú)刺圖得出影響棉種破碎的主要因素為破損、毛籽破碎、員工質(zhì)量意識(shí)不足及分選不凈。

3.2 棉種破碎關(guān)鍵因素分析

（1）破損。在收獲、脫酸、烘干、摩擦、分選工藝中，一些破籽、裸籽、不成熟籽受物理與化學(xué)作用被破損。

（2）毛籽破碎。造成毛籽破碎率高的原因之一是采棉機(jī)摩擦作用，另外是毛籽的破碎率檢驗(yàn)不夠。

（3）員工質(zhì)量意識(shí)薄弱。操作人員在上崗前沒(méi)有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，忽視種子質(zhì)量。

（4）分選不凈。生產(chǎn)線設(shè)備與技術(shù)限制導(dǎo)致一些破籽不能被完全識(shí)別。

3.3 制定預(yù)防措施和對(duì)策

3.3.1 減小種子損傷 采用柔性摘錠或降低采棉機(jī)的行車速度；利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)找出各設(shè)備的最優(yōu)溫度、工作轉(zhuǎn)速與時(shí)間；關(guān)注破籽率變化，找出造成種子破碎的關(guān)鍵參數(shù)。

3.3.2 加強(qiáng)檢驗(yàn)與培訓(xùn) 破籽率大的棉花不予收購(gòu)，將棉花按等級(jí)分批次進(jìn)行軋花，對(duì)破籽率高的批次增加分選次數(shù)；加強(qiáng)種子生產(chǎn)相關(guān)人員的質(zhì)量意識(shí)與工作技能的培訓(xùn)；引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的色選技術(shù)與設(shè)備。

3.3.3 企業(yè)規(guī)?；c專業(yè)化 借鑒國(guó)外的成功案例，將我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的中小型企業(yè)合并，保留整合各自的核心競(jìng)爭(zhēng)力[14]。

4 結(jié)論

首次提出的改進(jìn)FMEA質(zhì)量控制法具有以下特點(diǎn)：（1）FMEA法結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，能夠解決種子加工系統(tǒng)中復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)多變性、不易控制等難題。（2）利用FMEA法，根據(jù)棉種歷史數(shù)據(jù)和專家打分，通過(guò)計(jì)算殘酸率高、水分含量大、破籽率高、純度合格率和發(fā)芽率低等5個(gè)故障模式的RPN值，方便快捷確定危害最大的缺陷，即棉種破碎率高。（3）對(duì)棉種故障模式采用模糊置信結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)方式，使評(píng)價(jià)人員工作更加簡(jiǎn)便?？紤]棉種評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性，對(duì)各指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。（4）采用魚(yú)骨圖確定棉種破碎因素為破損、毛籽破碎、員工質(zhì)量意識(shí)不足及分選不凈。

（5）通過(guò)改進(jìn)FMEA質(zhì)量控制法的生產(chǎn)實(shí)踐，種子質(zhì)量得到很大改善，能夠滿足精播要求。

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