基于熵权模糊综合评价的故障模式危害性分析方法研究

传统的故障模式危害性分析方法是风险优先数法或危害性矩阵法 ，这两种方法存在两方面不足：(1)评价指标不够全面.仅考虑了严酷度类别、故障发生概率和检测难度3个因素；(2)不同指标采用等权重处理 ，评价方法不合理。评价指标方面，文献 吩别采用了故障概率、严重度 、未能检测出的概率、维修难易程度、故障发生频度、严重程度、检测难度、维修难易程度、故障发生频弓墨、维修时间、维修费用、对相关部件的影响程度等指标，综合起来可归纳为故障发生概率、严重程度、检测难度和维修难度 4个方面的指标，这些评价指标仅体现了故障模式的直接危害性，没有考虑到采壤正措施的难度。评价方法方面，文献 采用了基于评语确值表达的理想解逼近法(.rPSIs法)，方法难以体现评语的模糊性，且 TOPSIS法本身计算步骤较繁琐；文献 采用模糊综合评判法较好地体现了评语的模糊性，但该方法要求不同指标的评语个数相同，且难以求取数据信息的客观权重；文献 采用了基于梯形模糊数的TOPSIS法，采用的梯形模糊数既体现了评语的模糊性 ，又解决了评语个数不-致的问题.但由于决策矩阵中含有模糊数，也不能求取数据信息的客观权重。为此，提出增加故障模式纠正难度的评价指标，尝试采用熵权模糊综合评价法计算故障模式危害陛的综合评价值。通过某型综合传动装置的故障模式危害性分析实例验证该方法的可行眭与合理性。

2模糊数明晰化模糊数明晰化的实质是将模糊数转化为非模糊数，而最能代表模糊数本质特征的是其中心。梯形模糊数A(o，b，C，d)的中-。 cd )-(a2abb )心坐标公式如式(1)所示 。r 3dc)- 叶6 (1)I -3-。(d竹)-(叶6)J关于模糊数明晰化的度量指标 ，Cheng C H和 Chu T C分别来稿日期：2012-08-l0基金项目：国家自然科学基金资助项H(51075396)；武器装备预先研究项H0402060104作者简介：徐保荣，(1980-)，男，山西洪洞人，博士研究生，工程师，主要研究方向：军用车辆测试性研究丛 华，(1966～)，男，山东文登人，博土，教授，主要研究方向：军用车辆机电液控制技术268 徐保荣等：基于熵权模糊综合评价的故障模式危害性分析方法研究 第6期提出了距离法和面积法～21，度量指标分别如式(2)、(3)所示。

蚵 ， (2)(3)式中：三-模糊数中心到坐标原点的距离 ；S-以模糊数中心与坐标原点连线为对角线的矩形的面积。

但这两个指标存在着明显的缺陷。假定有三个模糊数A、口、C，其中心点坐标分别为(0.3，0.4)、(0.2，0.6)、(0.2，0.4583)，这三个模糊数的比较结果 ，如表 1所示。

表 1模糊数A、B、C的比较结果Tab.1 Comparing Results of Fuzzy Number A.B and C由表 1可以看出.采用面积法比较A、曰两个模糊数，其指标值均为0.12，无法排序；采用距离法比较A、c两个模糊数，其指标值均为0.50，也无法排序。当两个模糊数中心的 值或s值相等时，这两种方法均失效。因此，提出将两种方法综合，得出新的排序指标D，其计算公式如式(4)所示。，] 、/ (4)按照新的指标对A、B、C三个模糊数进行排序，结果为日>A>C，克服了距离法和面积法的不足。

3熵权计算模型熵是系统包含信息量的-种测度。-个系统有序程度越高，熵就越小，所含的信息量就越大。当不同评价对象对某-指标的取值所携带的信息量高于其它指标时，这-指标在决策中所起作用必然高于其它指标。因此，可以根据各指标数据的有序程度，通过求熵的方法确定指标权重，但该方法要求决策矩阵的元素均为明晰数，其计算过程如下 ：设在某决策问题中有m个评价对象和n评价指标，第i个评价对象的第 个评价指标取值为h (1≤≤m，1 ≤n)，则初始决策矩阵为 ( )-。

(1)对初始决策矩阵作规范化处理，得规范化决策矩阵R：( ) 。其中， ，、/ ，(il，2，m；jl，2，n) (5)(2)对规范化决策矩阵作标准归-化处理，得标准矩阵(p )-。其中，Pe / ，(i1，2，m；jl，2，，n) (6)(3)根据熵的定义计算第 个指标的熵值：1 二 - 击 p lap ，u：1 2-，It) (7)(4)计算第. 个指标的权重： -l (8)n-∑ejl4熵权模糊综合评价模型传统的模糊综合评价法的特点是对于多个不同的评价指标采用相同个数的评语等级，用隶属函数表示评语的模糊性，而且对于指标权重的确定多采用层次分析法、专家评分法等主观方法。事实上，由于不同评价指标具有不同的特点，其评语个数可能不尽相同，采用梯形模糊数表示评语即体现了评语的模糊性，又解决了评语个数不相同的问题。采用熵权法计算不同评价指标的客观权重，有效减少了人为因素对评价结果的影响。

熵权模糊综合评价法是指在多属性决策问题中，用经过明晰化的模糊数描述评语 ，用熵权法求取不同指标的客观权重，用线性加权法计算不同评价对象的综合评价值，其计算模型如下：4.1确定因素集因素集是影响评价对象的各因素组成的集合，也就是评价指标的集合，用 表示。若有n个评价指标，则因素集为：Ul，1，2，，U (9)4.2确定评价集评价集是由不同因素评语等级组成的集合，用 表示。若第n个评价指标有后个评语，则对应的评价集为： l， ，·。。， (1o)4.3确定评语对应的模糊数并将其明晰化按照不同评语等级的特点及其与相邻评语之间的模糊关系确定评语对应的模糊数。所采用梯形模糊数A(。，b，C，d)的特征参数 a，b、C、d的取值范围为0 口≤6sc d 1。

4.4构造初始决策矩阵日Hh ，(il，2，m；j1，2，n)式中： i个评价对象在第。

4.5决策矩阵规范化初始决策矩阵中，不同指标的取值-般会存在变化范围不同的问题，可根据式(5)对决策矩阵进行规范化处理，得出规范化矩阵R。

4.6确定各因素权重集在进行综合评价时，不同因素的地位不尽相同，需要对各因素进行加权。不同因素权重的集合组成权重集：1 ( l 2 L∞ )其中， l，O<-ws1， 表示因素 在综合评价时影响程度的度量。为避免人为因素的影响，采用熵权法计算不同因素U 的客观权重 cEJ，。

4。7综合评价值的计算和评价采用线性加权法，将权重集 与规范化决策矩阵 按(·，)模型进行计算，可得到不同评价对象的综合评价值。计算公式如式(11)所示。c · [c C L c ] (11)其中，Ci 山 ，(il，2，m)。式中：c广第 i个评价对象的综合评价值。c 值越大，所对应的评价对象越优。

5实例验证与分析随着综合传动装置在高速履带车辆上的广泛应用，使用过程中出现的故障现象日益突出。本例采用模糊熵权综合评价法对某型综合传动装置在使用阶段的故障模式进行危害性分析。

5.1评价指标体系的建立目前，故障模式性分析的评价指标主要有故障发生概率、严重程度、检测难度和维修难度4个方面的评价指标，这些指标只体现了故障模式的直接危害性。对于在使用过程中出现的关键故障，除了要通过检测维修进行排除外，还必须采取相应的纠正措施杜绝类似故障的发生。因此，从装备全寿命周期角度出发，提出增加纠正难度这-评价指标。综合以上情况，建立故障模式危害性分析的评价指标体系，如图1所示。并选用梯形模糊数来表示指标难度或等级。根据不同指标的特点，确定了指标的分类准则和相应的梯形模糊数，并计算出模糊数对应的明晰值，如表2所示。

NO.6June.2013 机械设计与制造 269图 1故障模式危害性评价指标体系Fig.1 Evaluation Indicator System of Failure Mode Criticality表 2故障模式危害性评价指标等级分类表Tab.2 Ranks of Evaluation Indicators ofFailure Mode Criticality分类准则 标 类别 梯形模糊数 蔷 鳌极少(V级) 工作期何总故障概率 嚣 。-458很少(Ⅳ级) 作期 故障概 率的 [o.3o.155，0.6585偶然(Ⅲ级)为产(1-10品I)%作期 障概率韵 [0.50.305，07986半有时(Ⅱ级) 蠹 期间总故障概率的 [o0-75. ll260经常(I级)奋 肛作期 撇障概率[1o触.8o10删.90， 1-436甓 嚣 需 o，o-zo，o20.25 31V o-s4 0 (类)要更换部件，很快就能修复 ～严 n界ix 垦毳蓑 警妻 l i 统 0.620 0 635 0.s4z ( )的轻微伤害或导致任务延误 ，.] ”-爱 果毳 萋 造成系统 0 80 0 85 o -(Ⅱ类)不能工作或损失重大 .，.] ”～1 翁 整个。1 O 01 O0 I.463o f 、 磊缔不能T作曲榀类巨女 I实时检测，发生故障立即报警 [o，0'0.15'o.20]0.5263容易(Ⅳ级)定期检测可查出检- 般(Ⅲ级)不 矧佥查有可 蝴0出来熳难(Ⅱ级)薏嘉瞀檗并造成-定影响才能很 级) 艨到基层 I级 由乘载员借助随车工具在短时(Ⅳ级) 间内即可修复维 基层 Ⅱ级 需由修理连采用专用工具进行(Ⅲ级) -般部件的更换或维修中继级 需由修理营采用专用设备进行缴 (I级) 主要部件的拆装和维修基地级 需由大修厂采用专用设备进行(I级 ) 重要机构的分解和维修0.15，0.20，0.35，0.40jO.35，0.40，0.55，0.60 Jl0.55，0.60，0.75，0.85 J0.75，0.85，I.00，I.o0J0.66050.87781.12601.4196[O，0，0.30，0.35]0.5930[O·3 0.0.3-5， 0.8199 0.50.55 l0 0 90 .85.. 1 00 00 l-4836 1. .1. I 篷[o，o，o.15，o.25 30.5164 纵 主要由使用操作不当引起纠容易(Ⅳ级)霾修订产品使用、维修操作正难 -般(HI级)需要修改产品装配工艺或工序度难(Ⅱ级)需要修改产品制造技术条件很难(I级)需要改进或调整产品设计方案l0.20，0.25，0.40，0.45 jl0.40，0.45，0.60，0.70 Jl0.60，0.70，0.85，O.90 JlO.80，0.95，1.00，1.00 J0.71090.93801.21971.42765.2故障模式危害性分析因篇幅所限，选取供油系统堵塞、传感器信号线及电源线接触异常、变速机构或汇流排部件断裂、箱体(壳体)裂纹、磨擦片烧蚀5种典型故障模式作为分析对象。通过分析不同故障模式的表现形式，根据指标的分类准则，得到 5种故障模式的评价指标值 ，如表 3所示。

表 3典型故障模式评价指标值Tab.3 Evaluation Indicator Values of Typical Failure Modes霉 故 式 辜 襞1 供油系统堵塞 I Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ2传感器信号线及电源线接触异常 I Ⅲ Ⅱ Ⅲ I3 变速机构或汇流排部件断裂 Ⅱ I I I Ⅱ4 箱体(壳体)裂纹 Ⅱ I Ⅳ Ⅱ Ⅲ5 磨擦片烧蚀 Ⅲ I I I I首先，根据不同评语所对应的梯形模糊数明晰值建立初始决策矩阵：H1.4336 0.1900 0.8778 0.8109 0.93801.4336 0.8429 1.1260 0.8199 1.42761.1260 1.4630 1.4196 1.4836 1.21971.1260 1.4630 0.6605 1.1799 0.93800.7986 1.4630 1.4196 1.4836 1.4276由熵权法求得各指标的客观权重为： [0.0854 0.5636 0.1526 0.1330 0.0683]计算5种典型故障模式危害性的综合评价值，结果如表4所示。

表 4典型故障模式危害性综合评价值Tab.4 Comprehensive Evaluation Values ofCriticality of Typical Failure Modes6结束语通过增加纠正难度这-评价指标完善了评价指标体系，提出的熵权模糊综合评价法保留了梯形模糊数的模糊评价优势，通过引入模糊数中心解决了模糊数据信息难以求取数据信息客观权重的问题，通过线性加权简化了计算步骤。某型综合传动装置典型故障模式危害性分析实例证明模糊熵权综合评价法是合理的，该方法还可扩展为多级综合评价。