黃 燕 宋保維

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院 西安 710072)

1 引言

隨著水下航行器(UUV)在深水勘探、沉船打撈、水下電纜鋪設(shè)及維修、水下聲源探測(cè)、水下偵查、水下通信和反潛、反水雷、信息戰(zhàn)等領(lǐng)域得到廣泛使用[1],用戶對(duì)UUV的性能和可靠性要求越來越高。UUV導(dǎo)航系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著導(dǎo)引航行方向的重要任務(wù)。導(dǎo)航系統(tǒng)由航向姿態(tài)陀螺裝置、速度測(cè)量組件、控制微機(jī)、深度傳感組件、殼體等組成,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)任何組件出現(xiàn)故障時(shí),將導(dǎo)致UUV出現(xiàn)一系列故障,輕則出現(xiàn)計(jì)劃外維修、不能圓滿完成任務(wù),重則UUV丟失、甚至將戰(zhàn)斗部攜帶至非預(yù)定海域。在投入資金有限的情況下對(duì)UUV導(dǎo)航系統(tǒng)故障模式進(jìn)行危害性分析(CA),找出危害性最大的故障模式對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),可以達(dá)到合理利用有限資源解決關(guān)鍵問題的目的。

CA是基于FMEA(故障模式及影響分析)評(píng)價(jià)故障模式危害性的方法[2],由設(shè)計(jì)人員和專家根據(jù)產(chǎn)品故障模式發(fā)生的頻率和影響嚴(yán)重程度給出評(píng)估或畫出危害性矩陣圖,再比較出危害性的嚴(yán)重程度,給出“嚴(yán)重、較嚴(yán)重”等定性結(jié)論。目前的方法存在以下問題:1)僅用發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度來描述故障模式危害性;2)在分析中所用的信息是不確定或不完全的。當(dāng)被分析對(duì)象較簡(jiǎn)單、需考慮的項(xiàng)目不多、對(duì)分析結(jié)論要求不高時(shí),可以采用目前的方法進(jìn)行定性分析。

但在工程實(shí)際中,僅用發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度來描述故障模式危害性是不夠的,還應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)品的測(cè)試性、維修性、維修費(fèi)用等多種特性,另外分析中所用的信息、環(huán)境條件不確定,實(shí)際情況較為復(fù)雜。如:控制微機(jī)的故障模式有多種,有些故障模式危害性不大,有些卻是致命的;維修方法、級(jí)別也有多種,有時(shí)僅需更換個(gè)插頭,有時(shí)卻需更換整個(gè)CPU芯片;在基層的維修和在基地的維修辦法也不同[3];維修的時(shí)間和費(fèi)用差異極大[4]。采用語言描述難以得到定量的計(jì)算結(jié)果,另一方面在復(fù)雜情況下,用語言較難理順各種模式與方法間的關(guān)系,屬多目標(biāo)、不確定性的決策問題?；疑到y(tǒng)理論[5]多用于解決不確定性問題,近年來許多文獻(xiàn)[6～9]在該領(lǐng)域做了大量研究。運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的各種故障模式進(jìn)行綜合評(píng)估,把評(píng)估者給出的不確定信息量化,最終得到確切的數(shù)值結(jié)論,可為故障改進(jìn)決策提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。

2 導(dǎo)航系統(tǒng)主要故障模式

導(dǎo)航系統(tǒng)的主要故障模式有:

1)航向姿態(tài)陀螺裝置無信息輸出、輸出錯(cuò)誤信號(hào);

2)速度測(cè)量組件無信息輸出、輸出錯(cuò)誤信息;

3)控制微機(jī)工作異常、死機(jī);

4)深度傳感組件無信息輸出、輸出錯(cuò)誤信息;

5)殼體損壞,不能密封;

6)各組件間的信息通訊不正常。

以上組件的故障模式都將導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)無法正常工作,或無法對(duì)UUV進(jìn)行正確導(dǎo)航,最終導(dǎo)致UUV漏水、內(nèi)部因進(jìn)水損壞甚至沉沒,或航向錯(cuò)誤甚至UUV丟失。

3 評(píng)估內(nèi)容定量化

為實(shí)現(xiàn)故障模式危害性的定量分析,需確定各種危害性因素的量值,需要考慮的因素(以下稱指標(biāo))如下:

1)故障發(fā)生的頻率;2)影響的嚴(yán)重程度;3)未被檢測(cè)出的概率,即測(cè)試性;4)維修的難易程度,即維修性;5)維修的成本。

各種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分的分值如表1～5所示。

表1 故障模式危害性指標(biāo)的等級(jí)劃分(故障頻率)

表2 故障模式危害性指標(biāo)的等級(jí)劃分(嚴(yán)重度)

表3 故障模式危害性指標(biāo)的等級(jí)劃分(測(cè)試性)

表4 故障模式危害性指標(biāo)的等級(jí)劃分(維修性)

表5 故障模式危害性指標(biāo)的等級(jí)劃分(維修費(fèi)用)

4 評(píng)估指標(biāo)體系中指標(biāo)的權(quán)重

將以上評(píng)價(jià)因素作為評(píng)估指標(biāo)體系的指標(biāo),各指標(biāo)的相對(duì)重要程度在不同的時(shí)機(jī)(級(jí)別)是不一樣的,有時(shí)維修費(fèi)用顯得重要,而有時(shí)維修時(shí)間長(zhǎng)短更為重要,為此需要請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家和使用部門對(duì)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行評(píng)分,對(duì)眾專家的評(píng)分進(jìn)行綜合后可以得到各指標(biāo)的權(quán)重。具體評(píng)分收集表如表6所示。

表6 指標(biāo)權(quán)重評(píng)分收集表

將表6分發(fā)給每個(gè)專家1份,專家對(duì)每個(gè)指標(biāo)的重視程度打“√”,收集后統(tǒng)計(jì)每個(gè)指標(biāo)所得的“√”數(shù)目,直接按表6中的順序構(gòu)成矩陣,即指標(biāo)重要度得分矩陣K9×5,再計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣:

式中:n為參加評(píng)價(jià)打分的專家人數(shù),R為指標(biāo)等級(jí)分值:R=(9,8,7,6,5,4,3,2,1)

5 各故障模式的危害性指標(biāo)評(píng)估矩陣

設(shè)系統(tǒng)有k種故障模式,每個(gè)故障模式有5種評(píng)價(jià)指標(biāo),共有j位專家按表1進(jìn)行評(píng)分,經(jīng)統(tǒng)計(jì)得評(píng)分矩陣:

6 評(píng)價(jià)灰類

6.1 灰數(shù)的分類

將故障模式危害性指標(biāo)得分所屬灰類分為四類,即 1、2、3、4類對(duì)應(yīng)“高”、“較高”、“一般”“低”類。設(shè) 1類下限為H,2類中限為Z,3類中限為G,4類上限為L(zhǎng)。1類灰數(shù)?∈[Z,10),白化權(quán)函數(shù)如圖1所示,計(jì)算公式為:

圖1 白化權(quán)函數(shù)

2類灰數(shù)?∈[G,H),白化權(quán)函數(shù)如圖1所示,計(jì)算公式為:

3類灰數(shù)?∈[L,Z),白化權(quán)函數(shù)如圖1所示,計(jì)算公式為:

4類灰數(shù)?∈[1,G),白化權(quán)函數(shù)如圖1所示,計(jì)算公式為:

6.2 灰類的權(quán)重及評(píng)估系數(shù)

將以上4種灰類的權(quán)重設(shè)定為:

計(jì)算危害性灰色評(píng)估系數(shù):對(duì)第k個(gè)故障模式的指標(biāo)i屬于g灰類的灰色評(píng)估系數(shù)為,計(jì)算公式為:

7 綜合灰色評(píng)估值

取故障模式所屬灰類的最大值:

可知故障模式k、指標(biāo) i屬于g灰類,對(duì)應(yīng)的灰類權(quán)重為qg,因此,故障模式K的全部危害性指標(biāo)i得到所屬灰類的灰類權(quán)重向量:

由灰類權(quán)重向量和危害性指標(biāo)權(quán)重可得第k個(gè)故障模式危害性的綜合灰色評(píng)估值Zk,

將故障模式危害性的綜合灰色評(píng)估值Zk進(jìn)行比較,即可知道各種故障模式的危害性大小。

8 實(shí)例分析

某UUV導(dǎo)航系統(tǒng)有5種主要的故障模式:姿態(tài)陀螺故障、測(cè)速組件故障、控制微機(jī)故障、傳感器故障、殼體密封故障,共有20名專家參加評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,根據(jù)表2指標(biāo)權(quán)重評(píng)分收集表得到打分的情況:

計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣:

在對(duì)故障模式的危害性進(jìn)行評(píng)分時(shí),有j=5個(gè)專家參加了打分,i=5個(gè)指標(biāo),k=5種故障模式,得評(píng)估樣本矩陣如下:

第一種故障模式,姿態(tài)陀螺故障:

第二種故障模式,測(cè)速組件故障:

第三種故障模式,控制微機(jī)故障:

第四種故障模式,傳感器故障:

第五種故障模式,殼體密封故障:

根據(jù)評(píng)估灰類:高、較高、一般和低,設(shè):H=9,Z=7,G=5,L=3?；翌惖臋?quán)重為:

計(jì)算灰色評(píng)估系數(shù):第k=1種故障模式對(duì)應(yīng)指標(biāo)i=1(發(fā)生頻率)屬于各灰類的系數(shù)為:

故障模式1各指標(biāo)的灰類權(quán)重為:X1=[9.5,7,5,5,7]T。

同理可得到故障模式2～5對(duì)各指標(biāo)的灰類權(quán)重為:X2=[2,9.5,2,7,9.5]T;X3=[2,9.5,7,7,5]T;X4=[5,7,2,2,2]T;X5=[2,9.5,7,7,5]T。

在計(jì)算中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大值不唯一,即所屬灰類有2個(gè)的情況,針對(duì)危害性的改進(jìn)需要,可取較小的灰類。

計(jì)算灰色綜合評(píng)估值:

由計(jì)算結(jié)果可知:5種故障模式中,危害性較大的是模式1,模式3和5的危害性相等,模式4的危害性最小。如果要進(jìn)行改進(jìn),需先采取措施解決故障模式1。

9 結(jié)語

應(yīng)用灰色綜合評(píng)估方法進(jìn)行故障模式危害性分析,能將涉及多種復(fù)雜項(xiàng)目、評(píng)估不確切的問題定量化,可從多方面考慮故障模式的危害性。由于計(jì)算過程繁瑣,對(duì)于涉及多種復(fù)雜指標(biāo)或參與評(píng)估的專家眾多的情況,可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。文中只討論了導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部件級(jí)的故障模式,如需再到零件一級(jí)或上一級(jí),還可以擴(kuò)展,可將本級(jí)的計(jì)算結(jié)果帶入下一級(jí)計(jì)算。

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