祝天宇，李煥良，申金星，王 祥

（1.陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，湖北武漢 430075；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇南京 210007；3.中國人民解放軍65739 部隊(duì)，遼寧丹東 118006）

0 引言

未來戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，在戰(zhàn)略戰(zhàn)役級的兩軍對壘中，工程兵部隊(duì)通過布設(shè)雷場能夠有效遲滯敵方大規(guī)模行動的速度，從而爭取戰(zhàn)爭主動權(quán)。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的演進(jìn)和裝備技術(shù)的發(fā)展，快速布雷裝備在各個軍事強(qiáng)國不斷發(fā)展和改進(jìn)，某型火箭布雷車是我軍用于遠(yuǎn)距離、快速布設(shè)雷場的工程兵裝備，能夠讓敵方的軍事行動摁下“慢放”鍵。

在戰(zhàn)場中，為了發(fā)揮出裝備的技戰(zhàn)術(shù)性能、完成作戰(zhàn)任務(wù)，裝備的完好率、可靠性以及故障修復(fù)能力就顯得尤為重要，如何在戰(zhàn)前保持裝備良好的技術(shù)性能、在戰(zhàn)時精準(zhǔn)快速地完成搶修任務(wù)，對于保持部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力非常關(guān)鍵。這就需要對裝備故障原因有準(zhǔn)確詳細(xì)的梳理、對裝備部件發(fā)生故障的概率有科學(xué)的研判、對裝備備件需求有針對性的儲備，從而有效提升部隊(duì)的戰(zhàn)斗力和保障力。

1 工程裝備故障研究綜述

從國內(nèi)外對于工程裝備故障的研究文獻(xiàn)來看，大多數(shù)研究者從裝備內(nèi)在性和人為性兩個方面進(jìn)行研究，裝備內(nèi)在性因素主要包括裝備設(shè)計合理性、使用可靠性、材料工藝科學(xué)性等，裝備人為性因素主要包括裝備后期使用中操作和保養(yǎng)的合規(guī)性、維修和管理的適當(dāng)性等。按照裝備故障發(fā)生的時間邏輯，可以劃分為預(yù)防性維修、裝備故障診斷及修復(fù)、戰(zhàn)場損傷后搶修等階段，覆蓋工程裝備的整個生命周期。

隨著工程裝備中先進(jìn)技術(shù)的不斷融入，裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，智能水平日益提升，導(dǎo)致工程裝備出現(xiàn)故障時的檢測診斷、故障排除越加困難。尤其在液壓系統(tǒng)中，故障點(diǎn)可能涉及電氣控制線路、液壓線路和機(jī)械聯(lián)動組件，單純運(yùn)用傳統(tǒng)的“望聞問切”方法來判斷排除故障往往很難做到有效的“對癥下藥”，對裝備維修人員提出了更高要求。本文將FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析法）和AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）結(jié)合起來，旨在探索一種快速有效的工程裝備液壓系統(tǒng)故障診斷方法，以準(zhǔn)確預(yù)測的裝備故障點(diǎn)，指導(dǎo)部隊(duì)針對性開展日常維護(hù)保養(yǎng)，精準(zhǔn)儲備液壓系統(tǒng)維修器材，提升裝備可靠性、完好率。

2 FTA-AHP 方法

FTA 法是從頂事件開始向下逐層搜索其并最終找到其發(fā)生的原始事件（基本事件），在搜索過程中可以獲得頂事件發(fā)生的直接原因和潛在原因。故障樹分析方法是裝備維修保障領(lǐng)域故障分析的有效方法，具有因果關(guān)系分析全面、邏輯關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)、定性與定量相結(jié)合等優(yōu)勢。但是，存在基本事件發(fā)生概率難量化的問題，如果僅采用FTA 法對裝備故障進(jìn)行分析研究，容易產(chǎn)生較大誤差。因此，在FTA 法的定性分析基礎(chǔ)上，融入AHP 法進(jìn)行定量分析。AHP 法是將決策目標(biāo)或評價對象分成多個層級，并對方案或評價指標(biāo)進(jìn)行量化，再計算出各層級、各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，從而給出方案的優(yōu)秀次序或評價指標(biāo)的權(quán)重組合。

將AHP 法中的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層與FTA 法中的頂事件、子事件、基本事件有機(jī)融合，并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和裝備維修數(shù)據(jù)對故障基本事件賦值，確定裝備故障樹各事件綜合權(quán)重系數(shù)，既能對裝備故障進(jìn)行邏輯清晰、系統(tǒng)全面的梳理，又能對各個可能性故障進(jìn)行量化處理。

2.1 建立故障樹

首先確定頂事件，并通過查閱資料、現(xiàn)場訪談等方法分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的子事件，再逐一分析子事件，直至無法繼續(xù)分解子事件，此時子事件即為基本事件。對于整個故障樹而言，只有找到所有的基本事件，故障樹模型才構(gòu)建完畢。

2.2 建立層次分析模型

按照故障樹模型構(gòu)建的邏輯關(guān)系，適當(dāng)整合不同子事件下的相同基本事件，將故障樹的頂事件、子事件、基本事件對應(yīng)將AHP 模型中的的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，完成相應(yīng)層次分析模型的建立。

2.3 影響因素權(quán)重

影響因素權(quán)重計算主要分為構(gòu)造判斷矩陣、計算各因素相對權(quán)重、一致性檢驗(yàn)等，具體過程如下：

（1）構(gòu)造判斷矩陣。在確定遞歸層次模型之后，要對相同層次中元素進(jìn)行兩兩比較，并將比較結(jié)果進(jìn)行賦值。本文采用Saaty 標(biāo)度對比較結(jié)果進(jìn)行賦值，即兩個指標(biāo)重要性對比賦值從“1”到“9”逐漸遞增，其中“1”表示兩個指標(biāo)同樣重要，倒數(shù)表示兩個指標(biāo)重要性倒置。將該層次中所有元素進(jìn)行兩兩比較之后，即可得到判斷矩陣。

從抽采效果分析，布置在煤層頂板向上38 m位置的1#～3#鉆孔抽采效果良好。經(jīng)分析，上分層布置在厚層砂巖中，鉆孔成孔狀態(tài)較好；下分層鉆孔雖位于砂巖中，但與鉆孔下方花斑泥巖較近，存在鉆孔塌孔、堵孔等情況。鉆孔布置首選巖性較好的層位，以提高鉆孔成孔質(zhì)量和抽采效果。

（2）計算因素的相對權(quán)重。在技術(shù)各因素相對權(quán)重時，不僅要構(gòu)建好判斷矩陣，還要對其進(jìn)行歸一化處理，需要得到模型中各層次所有指標(biāo)的相對權(quán)重才能反映出各個指標(biāo)的重要性程度，可有采用算數(shù)平均數(shù)、幾何平均數(shù)、特征根等方法進(jìn)行求解，本文應(yīng)用特征根法求得權(quán)重。

2.4 一致性檢驗(yàn)

在構(gòu)建判斷矩陣時，模型中系統(tǒng)的復(fù)雜性、專家經(jīng)驗(yàn)和決策者在賦值時的主觀性，有可能不同層級或不同指標(biāo)評價時會產(chǎn)生不一致現(xiàn)象，如果不一致性過大，會導(dǎo)致較大誤差，影響模型整體判斷質(zhì)量。因此需要檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。一致性評價指標(biāo)CI（Consistency Index），矩陣具有完全一致性時CI=0。

其中，n 為判斷矩陣的階數(shù)，λmax為最大特征值。

引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，通過公式CR=CI/RI 得到，其值越小則說明判斷矩陣一致性越好。

一般情況下，CR 值小于0.1，判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)；CR值大于0.1，則說明不具有一致性。

3 某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障實(shí)例應(yīng)用與分析

3.1 建立故障樹模型

通過查閱資料，研究某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)原理構(gòu)造，采用故障樹分析法構(gòu)建故障樹圖，建立某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障樹模型（圖1）。其中，基本事件符號所代表的具體含義見表1。

表1 某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障基本事件及其含義

圖1 某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障樹

3.2 建立層次分析模型

結(jié)合故障樹模型，建立層次分析模型。其中，以某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障（A）作為層次分析模型中的目標(biāo)層；以液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低（B1）、千斤頂不翻轉(zhuǎn)（B2）、千斤頂翻轉(zhuǎn)不到位（B3）、千斤頂支撐不到位（B4）、彈架沒有到位即可操縱推彈缸（B5）構(gòu)建準(zhǔn)則層，以故障樹中的15 個基本事件構(gòu)建指標(biāo)層（圖2）。

圖2 某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障層次分析模型

3.3 影響因素權(quán)重的計算

根據(jù)模型情況，邀請院校教授、工廠專家、部隊(duì)技師等具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和裝備維修經(jīng)驗(yàn)的裝備維修專家，對模型中某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障重要性通過德爾菲法進(jìn)行評分，評分問卷按照Saaty 指數(shù)進(jìn)行設(shè)計，在要素層因素較多時，采取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。將數(shù)據(jù)處理后錄入矩陣模型，得到圖3 所示的判斷矩陣。

圖3 液壓系統(tǒng)故障判斷矩陣

通過比較千斤頂不翻轉(zhuǎn)、液壓油缸活塞桿處漏油、液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低、彈架沒有到位即可操縱推彈缸、千斤頂翻轉(zhuǎn)不到位等5 個故障的相對重要程度，獲得對液壓系統(tǒng)故障影響的相對權(quán)重Wi，Wi=［0.399 6 0.192 3 0.246 6 0.093 5 0.068 0］；CR=0.044 5（0.044 5<0.10）（圖4）；滿足一致性檢驗(yàn)要求。

圖4 A-B 準(zhǔn)則層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

圖5～圖9 是各個故障的基本事件對其重要性權(quán)重的影響，其計算原理、表達(dá)方式與圖4 相同。

圖5 B1-C 指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

圖6 B2-C 指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

圖7 B3-C 指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

圖8 B4-C 指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

圖9 B5-C 指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值

通過計算可知，本模型中一致性檢驗(yàn)均為通過，即可得到基事件對液壓系統(tǒng)故障的權(quán)重排序（表2）。

表2 方案層中要素對決策目標(biāo)的排序權(quán)重

3.4 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，液壓系統(tǒng)零部件的可靠性會改變，為了能夠掌握在執(zhí)行任務(wù)過程中液壓系統(tǒng)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)改變某個要素的權(quán)重后，其他的權(quán)重將會按照最初的權(quán)重比例發(fā)生相應(yīng)改變。

當(dāng)在研究液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低對液壓系統(tǒng)故障影響時，橫坐標(biāo)表示液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低故障占液壓系統(tǒng)故障的權(quán)重（圖10）。由圖10 可以看出，隨著液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低故障的權(quán)重由“0→1”逐漸遞增，其他系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)故障的影響權(quán)重越來越小，當(dāng)液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低故障為“1”時，液壓油泵失效、吸油濾油器或液壓油濾清器堵塞、溢流閥調(diào)整不當(dāng)或失效散熱器和管路的影響權(quán)重分別約0.141 6、0.524 7 和0.333 8。

圖10 靈敏度分析下的液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低對液壓系統(tǒng)故障影響權(quán)重變化

4 研究結(jié)論

運(yùn)用故障樹分析法對某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，形成了液壓系統(tǒng)故障樹，獲得對液壓故障精準(zhǔn)定位的方法。引入層次分析法將故障樹模型轉(zhuǎn)化為層次分析法模型進(jìn)行定量分析，把原本的定性評價轉(zhuǎn)換成為定量評價，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)清晰，規(guī)避了傳統(tǒng)打分方法主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)，較好地解決了模糊、難以量化的問題。

研究還發(fā)現(xiàn)，某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障發(fā)生時，故障現(xiàn)象出現(xiàn)的概率（即5 類故障對整個液壓系統(tǒng)影響的權(quán)重），由高到低依次為液壓系統(tǒng)無壓力或壓力偏低、千斤頂翻轉(zhuǎn)不到位、千斤頂不翻轉(zhuǎn)、液壓油缸活塞桿處漏油、彈架沒有到位即可操縱推彈缸等。

采用FTA-AHP 方法對某型火箭布雷車液壓系統(tǒng)故障原因進(jìn)行分析和評價，結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，證明該方法可以應(yīng)用在工程裝備維修保障中，有助于裝備故障精準(zhǔn)定位，提高裝備故障排除速率，有力支撐裝備保障備件儲供優(yōu)化，在工程裝備維修保障領(lǐng)域具有較高應(yīng)用價值。