基于FUZZY FMEA的機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王翊菲 江 波

基于FUZZY FMEA的機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王翊菲 江 波

機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面安全是影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的主要因素，而跑道系統(tǒng)的影響更是重中之重，針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程，提出基于模糊理論的FMEA分析方法。以科學(xué)的模糊數(shù)學(xué)為理論依據(jù)，優(yōu)化傳統(tǒng)的RPN風(fēng)險(xiǎn)因子算法，增加FMEA專(zhuān)家小組的重要性權(quán)重，建立機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判模型，運(yùn)用基于α截集的解模糊化方法，獲得精確的FRPN風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排序值，簡(jiǎn)化系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估過(guò)程，提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精確程度。通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例研究，基于模糊邏輯理論建立模糊綜合評(píng)判模型，針對(duì)FUZZY FMEA分析方法運(yùn)用MATLAB軟件編程仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性。

安全乃民航生存之本。近年來(lái)，隨著我國(guó)民航實(shí)力明顯增強(qiáng)，空中交通流量持續(xù)增長(zhǎng)，發(fā)生在機(jī)場(chǎng)的航空安全事故呈現(xiàn)出快速增加的態(tài)勢(shì)。根據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）對(duì)全球商業(yè)航空運(yùn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)全球航空事故中，約1/2的航空運(yùn)輸事故和事故征候都發(fā)生在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面區(qū)域內(nèi)，約1/4的航空運(yùn)輸事故和事故征候都與沖出偏出跑道有關(guān)。因此，機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的安全問(wèn)題成為整個(gè)民航運(yùn)輸系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的運(yùn)行工作進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，對(duì)于提高整個(gè)行業(yè)安全水平具有重要意義。

FMEA（失效模式與影響分析）為英文“Failure Modes and Effects Analysis”的詞頭縮寫(xiě)，已廣泛應(yīng)用于策略研究及實(shí)施、新系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)用等多個(gè)重要的領(lǐng)域，但國(guó)內(nèi)基于該理論進(jìn)行機(jī)場(chǎng)航空安全風(fēng)險(xiǎn)管理評(píng)估的研究還甚少。近些年，雖然一些專(zhuān)家學(xué)者采用定性或者定性與定量相結(jié)合的方法對(duì)失效模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程進(jìn)行了研究，但是，在評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)分等級(jí)設(shè)定的局限性使得評(píng)價(jià)過(guò)程無(wú)法具備足夠的客觀性，且計(jì)算量比較大。本文采用基于FUZZY FMEA理論的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，將各失效模式看作模糊變量建立綜合評(píng)判模型，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程，提高了評(píng)估過(guò)程的客觀性和計(jì)算結(jié)果的精度。

模糊FMEA方法

模糊FMEA方法的基本過(guò)程是：首先利用模糊理論將FMEA定量分析過(guò)程中的三因素模糊化；然后通過(guò)確定專(zhuān)家權(quán)重以達(dá)到主觀量化模糊語(yǔ)言的目的；最后再使用重心法將模糊數(shù)清晰化得到新的故障模式排序，從而得到正確結(jié)果。

FMEA決策過(guò)程

FMEA評(píng)估產(chǎn)品或制造過(guò)程的潛在風(fēng)險(xiǎn)水平的方式主要是，根據(jù)問(wèn)題的嚴(yán)重度來(lái)決定優(yōu)先解決順序。其決策的原則是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先值（Risk Priority Number，RPN ）大小作為排序的基準(zhǔn)。FMEA評(píng)估的三要素為發(fā)生度、嚴(yán)重度，檢測(cè)度：①發(fā)生度（0）：某失效模式會(huì)發(fā)生的概率大小程度；②嚴(yán)重度（S）：失效對(duì)于系統(tǒng)任務(wù)所造成的沖擊；③檢測(cè)度（D）：某失效的因素能被檢測(cè)出來(lái)的概率。

機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)作為一個(gè)已經(jīng)構(gòu)建完成投入使用的系統(tǒng)，屬于FMEA方法應(yīng)用過(guò)程中的使用階段，在機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)中，失效模式的RPN定義是，由于系統(tǒng)中潛在危險(xiǎn)源的存在，造成跑道系統(tǒng)運(yùn)行安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)值，其中，失效模式可能是尚未發(fā)生事故但在系統(tǒng)巡檢維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，或是對(duì)于系統(tǒng)組件曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的失效情況進(jìn)行總結(jié)得到的危險(xiǎn)源。所以RPN中發(fā)生度與檢測(cè)度分別是對(duì)與失效風(fēng)險(xiǎn)的潛在發(fā)生率與發(fā)生后對(duì)于潛在失效風(fēng)險(xiǎn)是否容易檢測(cè)出的概率，嚴(yán)重度是指在前兩項(xiàng)的決定因素發(fā)生之后，依據(jù)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)造成的損失大小，作為評(píng)定失效風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的RPN計(jì)算公式由三因素相乘求得如下式1所示，本文基于模糊邏輯理論對(duì)原有的三因素評(píng)價(jià)值進(jìn)行模糊加權(quán)，構(gòu)成的模糊綜合評(píng)判模型如下式2所示，其中，針對(duì)各失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)的模糊函數(shù)如下式3所示。

模糊化三因素等級(jí)

模糊集合理論（Fuzzy Set Theory）是美國(guó)加州大學(xué)Zadeh教授在1965年提出，為解決現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不精確問(wèn)題的分析方法。所謂模糊數(shù)是指設(shè)論域X為實(shí)數(shù)域，模糊集A為凸規(guī)范集。常用的模糊數(shù)的隸屬函數(shù)有三角形及梯形隸屬函數(shù)。

本文綜合機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)特性，為了進(jìn)一步提高評(píng)估時(shí)失效模式的參數(shù)精度，將每個(gè)失效模式的三參數(shù)評(píng)估對(duì)應(yīng)三角形模糊隸屬函數(shù)，并劃分為五種尺度來(lái)表示其語(yǔ)義項(xiàng)，其中，五種尺度所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)上的界定如下表所示。

表1　評(píng)估尺度模糊數(shù)

計(jì)算三因素模糊數(shù)

在此設(shè)故障模式FMi（i=1，2，…，m）表示第i個(gè)故障模式，成立n個(gè)FMEA專(zhuān)家小組TMj（j=1.2....n）對(duì)失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，每一個(gè)專(zhuān)家小組共有J名專(zhuān)家組成，每位專(zhuān)家針對(duì)各個(gè)故障模式，給出故障模式三因素及權(quán)重評(píng)價(jià)等級(jí)值，參照三角形模糊隸屬函數(shù)可以得到故障模式三因素及權(quán)重的模糊數(shù)為：

其中Hj表示每個(gè)FMEA專(zhuān)家小組的重要性權(quán)重，依據(jù)FMEA小組專(zhuān)家所具有的資質(zhì)級(jí)別，工作經(jīng)驗(yàn)，和對(duì)該領(lǐng)域的熟悉程度給出相應(yīng)的等級(jí)評(píng)價(jià)值，進(jìn)行匯總評(píng)估之后得到權(quán)重hj，進(jìn)行歸一化處理，得到每一個(gè)FMEA專(zhuān)家小組的重要性權(quán)重值。

綜合考慮各個(gè)專(zhuān)家小組給出的故障模式評(píng)價(jià)值和其自身重要性權(quán)值之后，按如下公式計(jì)算可以得到各個(gè)故障模式所對(duì)應(yīng)的三因素模糊數(shù)。

基于α截集的解模糊化

得到三因素模糊數(shù)后，需要通過(guò)解模糊化來(lái)將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化。解模糊化的方法沒(méi)有一定的程序，為提高解模糊化的計(jì)算精度，結(jié)合FMEA決策模型中的冪指函數(shù)特性，本研究采用基于α截集的重心法來(lái)進(jìn)行解模糊化，具體步驟如下：

1.計(jì)算三因素模糊數(shù)及權(quán)重模糊數(shù)的α截集區(qū)間

2.計(jì)算各失效模式的α截集區(qū)間

重心法計(jì)算各失效模式的FRPN值

其中，當(dāng)A的隸屬函數(shù)未知，但α截集已知時(shí)，解模糊值可以被1，2兩式確定，重心法解各個(gè)失效模式的質(zhì)心值時(shí)通過(guò)3式計(jì)算，本文中α=0.1，n=11。

式中，F(xiàn)RPN即為解模糊化后得到的質(zhì)心清晰值。

機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)失效模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本文以某機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)為例進(jìn)行基于模糊理論的FMEA方法分析，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)失效模式進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)模型和算法進(jìn)行驗(yàn)證。

跑道FMEA分析

針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)，結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查和專(zhuān)家訪談的方式，匯總整理得到八項(xiàng)失效模式，按照過(guò)程功能將失效模式分為兩大類(lèi)，一種是供航空器進(jìn)行著陸和起飛，另一種是向起飛、著陸、滑行中的航空器提供目視引導(dǎo)。具體跑道FMEA表如表2所示。

模糊綜合評(píng)判

根據(jù)專(zhuān)家對(duì)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，模糊綜合評(píng)判，得到三因素模糊數(shù)如表3所示。

表2　跑道潛在失效模式與后果分析表

表3　失效模式及三因素權(quán)重的總體評(píng)價(jià)模糊數(shù)

計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

通過(guò)MATLAB進(jìn)行軟件編程仿真，計(jì)算得出各失效模式的α截集區(qū)間值，同時(shí)求解出清晰的質(zhì)心值，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　各失效模式的截集區(qū)間值

對(duì)各失效模式將三因素模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為a=0.1的截集，并使用的均衡幾何模糊評(píng)價(jià)模型對(duì)三因素的模糊數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到各故障模式基于α截集的FRPN值，如圖1所示。對(duì)于截集α取平均后得到個(gè)失效模式的FRPN值如圖2所示，矢量圖縱軸表示隸屬度，橫軸表示基于基于α截集的FRPN數(shù)值，其中α∈［0，1］，F(xiàn)M∈［1，8］。

結(jié)果分析

通過(guò)α截集以及質(zhì)心求解方法計(jì)算式（10｝一式（12｝來(lái)獲得的解模糊化計(jì)算結(jié)果FRPN數(shù)值，如下表第二列所示，傳統(tǒng)RPN算法得到的RPN數(shù)值如下表第四列所示，見(jiàn)表5。

表5　各失效模式風(fēng)險(xiǎn)排序表

圖1　基于α截集的各失效模式的FRPN值

圖2　各失效模式的FRPN值

通過(guò)對(duì)八項(xiàng)失效模式的風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出FRPN算法的如下優(yōu)點(diǎn)。

1.精確了風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果：在使用傳統(tǒng)RPN算法的情況下很難對(duì)FM2，F(xiàn)M3，F(xiàn)M4，F(xiàn)M8進(jìn)行準(zhǔn)確的排序。本文通過(guò)對(duì)失效模式三因素進(jìn)行模糊判定后獲得FRPN值，從而精確判定了各失效模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先程度排序。

2.明確了失效模式風(fēng)險(xiǎn)源：FM2，F(xiàn)M3，F(xiàn)M4，F(xiàn)M8的RPN數(shù)值相同，但這四個(gè)具有相同RPN的失效模式中隱藏的風(fēng)險(xiǎn)因素源并不相同。而本文提到的風(fēng)險(xiǎn)三因素模糊判定恰恰可以分析出各失效模式中所隱藏的風(fēng)險(xiǎn)源，便于針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防和改善。

3.提高了評(píng)估算法的精度：傳統(tǒng)的RPN算法通過(guò)將三因素評(píng)價(jià)值相乘直接獲得評(píng)價(jià)值。容易造成RPN數(shù)值相同，失效模式風(fēng)險(xiǎn)排序困難的問(wèn)題。本文基于模糊邏輯理論，給出模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表，并根據(jù)模糊綜合評(píng)判理論，進(jìn)行FRPN計(jì)算，使得結(jié)果更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

4.提高了評(píng)估過(guò)程的客觀性：對(duì)于不同F(xiàn)MEA專(zhuān)家小組，其所具備的資質(zhì)級(jí)別，工作經(jīng)驗(yàn)，和對(duì)該領(lǐng)域的熟悉程度各有不同，在本文采用的FRPN方法中通過(guò)組間相關(guān)重要性權(quán)重的設(shè)置，可以提高資深專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，提高整個(gè)評(píng)估過(guò)程的客觀性。

綜上所述，本文所采用的方法一定程度上解決了傳統(tǒng)RPN方法在進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)安全性分析，和失效模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中的一些不足。

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程，提出了基于模糊理論的FMEA分析方法。以科學(xué)的模糊數(shù)學(xué)為理論依據(jù)，優(yōu)化傳統(tǒng)的RPN風(fēng)險(xiǎn)因子算法，增加了FMEA專(zhuān)家小組的重要性權(quán)重，建立機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判模型，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估過(guò)程，通過(guò)運(yùn)用基于α截集的解模糊化方法，從而獲得精確的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排序值，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精確程度。結(jié)合本文所述的實(shí)例研究，可以看出對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，采用FUZZY FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析的新方法，能夠克服傳統(tǒng)RPN方法的不足，符合機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)安全性分析嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊蟆?/p>

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.013