辛井超，蘭 翔，郭曉輝，王旭平，李 浩，袁曉靜

（1.火箭軍士官學(xué)校，山東濰坊 262500；2.火箭軍工程大學(xué)，陜西西安 710025）

0 引言

未來戰(zhàn)爭中，火箭軍將發(fā)揮重要的戰(zhàn)略威懾作用，也將成為重點(diǎn)打擊目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時的裝備快速精準(zhǔn)搶修對于保持戰(zhàn)斗力非常關(guān)鍵。備件的科學(xué)供應(yīng)是有效搶修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而對裝備的受損研判和損傷的準(zhǔn)確定位是備件準(zhǔn)確提供的重要前提。

近年來，以此為核心的備件需求研究的內(nèi)容有很多：潘顯俊等建立了一種分?jǐn)?shù)階離散灰色模型來研究備件需求問題[1]；李樹廣等采用粗糙集方法對備件需求進(jìn)行預(yù)測[2]；陶小創(chuàng)等建立了備件保障概率模型，增強(qiáng)了備件需求預(yù)測的可操作性[3]；劉任洋等提出了一種基于壽命分布等效的表決系統(tǒng)備件需求量計(jì)算方法[4]；胡起偉等基于備件需求率模型研究了考慮預(yù)防性維修的備件需求量計(jì)算問題[5]，但所建立的模型僅考慮了工齡更換維修策略，有待考慮成組更換、狀態(tài)維修等更多維修策略下備件需求量計(jì)算建模。

還有一些文獻(xiàn)綜合運(yùn)用多種方法確定備件需求，林琳等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時間聚合法對間斷型備件需求進(jìn)行計(jì)算[6]，提出了相應(yīng)的預(yù)測方法，但存在誤差較大的風(fēng)險(xiǎn)；趙建忠等采用粗糙集—熵權(quán)—支持向量機(jī)方法對導(dǎo)彈備件需求進(jìn)行預(yù)測[7]；董驍雄等采用相似系統(tǒng)理論和Bayes 方法計(jì)算初始備件需求[8]；宋光浩等針對故障相對頻繁的設(shè)備部件，根據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)預(yù)測備件需求量[9]；Babai M.Z 等提出了一種新的基于復(fù)合泊松分布的貝葉斯方法來對備件需求預(yù)測[10]。貝葉斯法的主要缺點(diǎn)是要求有非常多的樣本，而且各種可能的需求量值必須在樣本中出現(xiàn)過。對于間斷需求序列，貝葉斯法對樣本的要求很高，因此該方法只能適用于一些特殊的情況，通用性不高。

當(dāng)前，特種車輛是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)無依托機(jī)動發(fā)射的重要根基，隨著實(shí)戰(zhàn)化的深入，發(fā)射單元接受到作戰(zhàn)任務(wù)后，需要進(jìn)行機(jī)動實(shí)施作戰(zhàn)。執(zhí)行任務(wù)時，某特種車輛在復(fù)雜環(huán)境下受損的可能性大，特別是機(jī)動過程中底盤變速系統(tǒng)容易受損。因此，研究復(fù)雜環(huán)境攜帶資源有限的情況下，特種車輛備件能否精確攜帶直接影響作戰(zhàn)行動需求。本文以某型特種車輛為例，首先利用故障樹分析法對損傷模式和部位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，再運(yùn)用運(yùn)用層次分析法對這些故障進(jìn)行定性定量分析，獲得各故障危害等級，為指揮員科學(xué)決策備件的攜帶種類及數(shù)量提供理論依據(jù)。

1 運(yùn)用故障樹分析法進(jìn)行故障分析

1.1 故障樹分析法原理

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是安全關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行安全性、可靠性分析的重要方法[10]，主要采用邏輯方法進(jìn)行危險(xiǎn)的定量與定性分析，體現(xiàn)出系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性、預(yù)測性。通過定量及定性的分析方法，對系統(tǒng)的可靠性以及相關(guān)因素進(jìn)行深入分析，對于有關(guān)頂層事件發(fā)生的因素，可以通過故障樹進(jìn)行分析對系統(tǒng)的失效情況進(jìn)行判斷，最終目的是利用故障樹進(jìn)行的分析調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的安全性以及可靠性。

1.2 特種車輛變速系統(tǒng)損傷故障

在遂行發(fā)射任務(wù)時，某型特種車輛通常需要進(jìn)行長距離公路機(jī)動，尤其跨區(qū)域機(jī)動時，應(yīng)對的復(fù)雜環(huán)境多種多樣，容易發(fā)生故障。梳理相關(guān)資料，對變速系統(tǒng)損傷故障進(jìn)行分析定位。

特種車輛變速系統(tǒng)損傷的主要原因有液力變矩器故障、變速器故障、液力緩行器故障、取力器損傷、冷卻系統(tǒng)損傷。為此，以特種車輛變速系統(tǒng)損傷作為頂層事件，建立該故障模式的故障樹（圖1）：自頂而下，頂事件為特種車輛不能正常行駛故障T，中間故障為N1～N5，最底層故障為M1～M26（表1）。

圖1 特種車輛變速系統(tǒng)損傷故障樹

表1 特種車輛變速系統(tǒng)損傷故障明細(xì)

根據(jù)故障樹及表1 可知，特種車輛變速系統(tǒng)損傷的原因主要由N1～N5 五類中間故障導(dǎo)致，與其相對應(yīng)的M1～M9、M10～M18、M19～M21、M22～M24、M25～M26 等26 類底層基本故障是造成中間故障的根本原因。當(dāng)變速系統(tǒng)發(fā)生損傷時，首先檢查確認(rèn)底層故障M1～M9，即前蓋、鎖止離合壓片、鎖止離合摩擦片、減振器、單向離合器、渦輪、導(dǎo)輪、推力軸承、泵輪是否損傷，確定液力變矩器是否發(fā)生故障；其次檢查確認(rèn)底層故障M10～M18，即變速箱殼體、齒圈、太陽輪、行星輪、行星架、快慢檔控制氣路、軟軸、執(zhí)行氣缸、變速箱離合器是否損傷，確定變矩器是否發(fā)生故障；同理，對底層故障M19～M26 進(jìn)行檢查，確定是否為液力緩行器故障、取力器損傷或冷卻系統(tǒng)損傷，達(dá)到故障定位的目的。

2 基于層次分析法的變速系統(tǒng)損傷故障分析

2.1 層次分析法原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將與目標(biāo)層總是相關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，而后進(jìn)行定性定量分析的決策方法，可以通過YAAHP 軟件進(jìn)行可視化建模與計(jì)算[11]。使用YAAHP 軟件可以創(chuàng)建模型、生成AHP 調(diào)查問卷、輸入判斷矩陣，進(jìn)行輸入矩陣的一致性檢驗(yàn)和底層對目標(biāo)層影響權(quán)重計(jì)算，并且還能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的靈敏度分析，以及數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。層次關(guān)系可以顯示出某型特種車輛底盤變速系統(tǒng)在戰(zhàn)場情況下的損傷與各種因素之間的關(guān)系。尤其是可靠性研究方面，不同分系統(tǒng)、不同零部件之間與特種車輛戰(zhàn)場損傷的權(quán)重關(guān)系可以通過圖形清楚地表達(dá)出來。

2.2 判斷矩陣的構(gòu)建

考慮到要素層的因素較多，專家評分難以得到客觀的評價，因此對層次模型進(jìn)行分析時采用Santy 提出的一致矩陣，可以將不同的因素兩兩比較，降低不同種因素比較的難度，從而提高準(zhǔn)確性。

根據(jù)模型情況，邀請6 名專家評分，分別是教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的姚春江教員、彭濤教員，教練團(tuán)負(fù)責(zé)操作維修保養(yǎng)的4 名高級士官，他們經(jīng)歷過某型裝備列裝之前的多種適應(yīng)性試驗(yàn)。根據(jù)德爾菲法的思路對模型進(jìn)行處理打分，將數(shù)據(jù)處理后錄入矩陣模型，得到圖2 的判斷矩陣。

圖2 層次模型矩陣錄入（B2-C2m）

利用根據(jù)“1—9 尺度表”的專家評分表，得到以下6 個判斷矩陣，其中Wi為相對權(quán)重（圖3～圖8）。

圖3 變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷判斷矩陣

圖3 是通過比較液力變矩器、取力器、冷卻系統(tǒng)、變速器、液力緩行器5 個分系統(tǒng)的相對重要程度，獲得對特種車輛底盤變速系統(tǒng)的重要程度的相對權(quán)重（Wi），由圖可知液力變矩器、取力器、冷卻系統(tǒng)變速器、變速器、液力緩行器的影響權(quán)重分別為0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2。

圖4～圖8 是各個分系統(tǒng)的零部件對各分系統(tǒng)的重要性權(quán)重的影響，其表達(dá)方式與圖3 相同。

圖4 液力變矩器判斷矩陣

圖5 取力器損傷判斷矩陣

圖6 冷卻系統(tǒng)損傷判斷矩陣

圖7 變速器判斷矩陣

圖8 液力緩行器判斷矩陣

2.3 判斷矩陣的構(gòu)建

在YAAHP 軟件中，可以得到各個分系統(tǒng)層要素對于某個底層要素權(quán)重排序。具體可以通過軟件中的“層次結(jié)構(gòu)”計(jì)算和“關(guān)于此項(xiàng)的權(quán)重排序”兩種方式實(shí)現(xiàn)：如果判斷矩陣設(shè)定了自動調(diào)整一致性，軟件可以直接進(jìn)行相對權(quán)重計(jì)算并進(jìn)行排序；如果不一致或判斷矩陣補(bǔ)充不完整，則需要選定自動補(bǔ)全判斷矩陣選項(xiàng)，軟件將切換至結(jié)果頁面，顯示與子目標(biāo)相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。

在本模型中，構(gòu)建判斷矩陣，并通過一致性檢查完成對目標(biāo)層B 的權(quán)重排序計(jì)算（圖9、圖10）。

圖9 對目標(biāo)層的權(quán)重排序

圖10 對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷的權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.4 靈敏度分析

由于戰(zhàn)場環(huán)境是不斷變化的，并且隨著任務(wù)的進(jìn)行，零部件的可靠性會改變，為了能夠掌握在執(zhí)行任務(wù)過程中零部件的可靠性，需要進(jìn)行靈敏度的分析。

YAAHP 軟件通過改變某一要素的權(quán)重來進(jìn)行靈敏度分析，觀察權(quán)重產(chǎn)生怎樣的變化。當(dāng)改變某個要素權(quán)重后，其他的權(quán)重將會按照最初的權(quán)重比例來相應(yīng)改變。

在圖11 中，當(dāng)在研究冷卻系統(tǒng)對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷影響時，橫坐標(biāo)表示的是冷卻系統(tǒng)占變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷的權(quán)重，由圖11 可以看出，隨著冷卻系統(tǒng)的權(quán)重由0→1 逐漸遞增，其他系統(tǒng)對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷的影響權(quán)重越來越小，冷卻系統(tǒng)的散熱器和管路對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷的影響越來越大，當(dāng)冷卻系統(tǒng)損傷為1時，散熱器和管路的影響權(quán)重分別約0.66、0.33。

圖11 靈敏度分析下的冷卻系統(tǒng)對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷影響權(quán)重變化

2.5 評估結(jié)果分析

運(yùn)用YAAHP 軟件，進(jìn)行層次分析法評價，把原本的定性評價轉(zhuǎn)換成為定量的評價，其技術(shù)優(yōu)勢是規(guī)避了傳統(tǒng)純粹的打分主觀性強(qiáng)的難題，結(jié)果清晰，較好的解決了模糊、難以量化的問題。由圖11 計(jì)算結(jié)果可知，液力變矩器、取力器、冷卻系統(tǒng)、變速器、液力緩行器對變速系統(tǒng)的損傷權(quán)重分別是0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2，可見對變速系統(tǒng)戰(zhàn)場損傷影響最大的是冷卻系統(tǒng)。通過比較這些危害度的大小，就可以在實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)下對損傷進(jìn)行快速定位以及維修順序的安排管理。就此也與一線部隊(duì)交流，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相似度高。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用故障樹分析法對特種車輛變速系統(tǒng)損傷故障進(jìn)行分析，形成了特種車輛底盤典型的故障樹，獲得了對故障精準(zhǔn)定位的方法。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，特種車輛變速系統(tǒng)損傷時，各總成的損傷權(quán)重由高到低依次為冷卻系統(tǒng)、液力變矩器、變速器、取力器、液力緩行器，為特種車輛戰(zhàn)時維修保障提供了技術(shù)支持。