基于模糊FMECA的地鐵車門可靠性分析

夏軍，任金寶，季海燕

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

基于模糊FMECA的地鐵車門可靠性分析

夏軍，任金寶，季海燕

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

利用傳統的FMECA方法對地鐵車門進行可靠性分析，會因為評價因素多且故障描述語言及評判指標的不確定性和模糊性，難以得出精確有效的分析結果。利用模糊綜合評判方法對傳統FMECA方法進行改進，形成模糊FMECA方法。將模糊FMECA方法應用于地鐵車門系統三個部件的可靠性分析中，根據危害度評判結果得出車門部件各故障模式的危害等級排序，從而找出車門系統的可靠性改進和維修的重點。分析結果與實際情況吻合，驗證了該方法的有效性，說明模糊FMECA方法對提高車門系統可靠性有重要價值。

車門系統；可靠性；模糊綜合評判；FMECA

0 引言

隨著地下軌道交通的大力發展，地鐵列車在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。地鐵車門系統作為乘客上下地鐵列車的通道，其可靠性關系到乘客的人身安全能否得到保障和地鐵列車能否正常安全運營。FMECA方法是一種常用的系統可靠性分析的方法，采用表格的形式統計分析出系統各個零部件的故障模式、故障原因、故障影響、嚴重度以及補償措施等信息，然后根據現場故障數據進行危害性分析，進而求得系統各零部件的關鍵故障模式或薄弱環節。

但是，傳統的FMECA是界限分明的確定性方法，“非此即彼”、“非好即壞”，忽略了實際存在的中間態不確定性以及語言描述的模糊性、影響因素的復雜性等問題，對各部件進行定量分析時存在一定難度，需要有經驗的工作技術人員將模糊指標定量化。文中將模糊綜合評判的方法融入到傳統的FMECA方法中形成模糊FMECA方法[1]，用定量方法處理定性問題，將各部件的故障模式的危害性清楚表示出來，使傳統的FMECA方法變得更加科學化，并將其應用到地鐵車門系統的可靠性分析中。

1 模糊FMECA方法基本原理

模糊FMECA主要應用模糊關系的特性，從多因素角度對被評估事物隸屬等級狀況進行綜合評估，從而對傳統FMECA方法進行改進形成的更科學化的方法。模糊FMECA的基本流程圖如圖1所示：

圖1 模糊FMECA基本流程圖

模糊FMECA方法的基本步驟[2-3]如下：

1) 建立因素集

因素集是影響評估對象的各因素集合，不同元素代表不同影響因素。因素集通常用U表示，如故障模式k評估分析的因素集可以表示為：

(1)

2) 建立評價集

評價集是由對評價對象可能做出的評價結果所組成的集合，通常用V表示，即

V={V1,V2,…,Vj…Vm}

(2)

式中：Vj表示評價等級的第j個等級，m為評價分級數。

3) 建立模糊評價矩陣

(3)

將第k個故障模式的各因素評價集寫成故障模式k模糊因素水平評價矩陣為：

(4)

4) 確定各影響因素權重集

權重集是為了反映各影響因素的重要程度而賦予的相應權數所組成的集合。權重確定的恰當與否，直接影響綜合評判結果。通常運用層次分析法求權重集，具體步驟如下[6]：

(5)

在文中采用最常用的方根法求各影響因素權重。方根法的基本過程是將判斷矩陣A的各行向量進行幾何平均，然后歸一化，得到排序權重向量。計算步驟如下：

a) 計算判斷矩陣A各行元素乘積的n次方根：

(6)

b) 對向量M歸一化：

(7)

c) 計算判斷矩陣A的最大特征值：

(8)

式中:(AW)i為AW的第i個分量。

計算出判斷矩陣的最大特征根λmax及其所對應的特征向量之后，再進行一致性檢驗，計算一致性比率Rc：

Rc=IC/IR

(9)

式(9)中，指數IC為一致性指標，IC=(λmax-n)/(n-1)，IR表示判斷矩陣的平均隨機一致性指標，通過查找文獻得知，當n=3時，IR=0.58；n=4時，IR=0.90；n=5時，IR=1.12。

當Rc<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當修正。

5) 1級模糊綜合評估

將故障模式k的因素權重集改寫為向量形式。則:

(10)

式中：Bk為故障模式k的模糊綜合評價向量。

6) 綜合危害等級的確定

為了更直觀地看出結果，通過加權平均法對Bk進行處理，得到一個簡單數值C來表示評價結果，即：

C=B·VT

(11)

7) 多級模糊綜合評價

實際的復雜系統由多級子系統構成，進行多級模糊綜合評價時，首先對底層子系統各故障模式分別進行l級模糊綜合評價[7-8]，得到其模糊綜合評價向量和綜合危害等級分，然后將子系統的各故障模式作為2級模糊綜合評價的影響因素，即:

U={故障模式1，故障模式2，…，故障模式k}因素水平集V不變，再用層次分析法求出各影響因素的權重集，利用模糊綜合評價法對系統進行綜合評價。采用此方法可以得到2級模糊綜合評價，再依此類推，便可以得到系統的多級模糊評價。

3 地鐵車門的模糊FMECA分析

通過對國內某地鐵二號線車門系統故障數據的統計分析，可以得知門控器EDCU、車門關閉行程開關和螺母組件是車門系統中故障率最高的三個部件，現以此三個部件為例，利用模糊FMECA方法對其進行可靠性分析。

EDCU、車門關閉行程開關和螺母組件的FMEA分析結果如表2所示。

在FMEA分析的基礎上，對故障模式分別進行模糊綜合評價，其步驟如下：

1) 建立因素集

在對車輛塞拉門系統進行故障危害性評價時采用因素集[9]：

U={故障概率，嚴重度，檢測難易程度，維修難易程度}

2) 建立評價集

3) 建立故障模式的模糊評價矩陣

應用同樣的方法可以確定故障模式2-10的模糊評價矩陣分別為：

；；

表3 因素水平等級劃分表

4) 確定各故障模式的因素權重集

經過十位專家的評定，故障模式1各個影響因素的判斷矩陣及權重如表4所示。

表4 故障模式1的各影響因素權重

計算可得Rc=0.0438<0.1，說明判斷矩陣的一致性可以接受。因此，可以確定故障模式1的因素集對應的權重向量為：W1=[0.564,0.263,0.055,0.018]。

其余各故障模式的影響因素均采用與故障模式1相同的權重向量，即：

5) 各故障模式的1級模糊綜合評價

故障模式1的一級模糊綜合評價向量為：

應用同樣的方法可以求出其余故障模式2-10的一級模糊綜合評價向量分別為：

6) 綜合危害等級的確定

故障模式1的綜合危害度等級為C1=B1VT=2.106。

應用同樣的方法可以計算出其余各故障模式的綜合危害等級分別為C2=3.233，C3=2.426，C4=1.886，C5=2.154，C6=2.364，C7=1.187，C8=1.388，C9=1.79，C10=1.994。

7) 2級模糊綜合評價

根據綜合危害度大小，可知地鐵車門系統故障率最高的三個部件中，危害度最大的是門控器EDCU，其次是關閉行程開關S1，螺母組件最小。

門控器EDCU中，危害度最大的故障模式是功能失效，其次是插頭松動。關閉行程開關中，危害度最大的故障模式是破損，其次是功能失效，危害度最小的是間隙異常。螺母組件中，故障模式危害度從大到小排列為：破損、功能失效、松動、安裝角度失調、潤滑不良。因此門控器EDCU需要重點關注，是可靠性改進的重點，而門控器EDCU子系統中的功能失效問題更是重中之重。經某地鐵現場調研分析發現，這一評判結果與事實相符。

利用同樣方法可以計算車門系統其他組成部件的故障綜合危害等級，并進行危害度優先排序，從中找出危害性最大的部件，對其提出相應的可靠性改進措施，為提高車門系統的可靠性提供有價值的參考。

4 結語

提出了基于模糊綜合評判的模糊FMECA方法，能有效解決傳統FMECA中的難以處理的模糊性和不確定性問題，將定性評價指標定量化，使可靠性分析結果更科學、準確、合理。利用模糊FMECA方法對車門系統故障率最高的三大組成部件的可靠性進行分析，得出門控器EDCU、車門關閉行程開關和螺母組件的各故障模式和此三部件的綜合危害等級的排序。經地鐵公司現場調查分析，此評判結果與實際情況相符合。根據此結果有針對性的進行可靠性改進，有利于提高車門系統的可靠性水平，并為將模糊FMECA方法推廣到整個列車系統提供了一定的借鑒意義。

[1] 周真,馬德仲,于曉洋, 等. 用于產品可靠性分析的模糊FMECA方法[J]. 電機與控制學報, 2010, 14(10): 89-93.

[2] 劉濤, 蔡增杰. 基于FMECA和模糊綜合評判的飛機起動電磁閥安全性評估[J]. 機械, 2009, 36(12): 65-68.

[3] 戴城國, 王曉紅, 張新, 等. 基于模糊綜合評判的電液伺服閥FMECA[J]. 北京航空航天大學學報, 2011,37(12): 1575-1578.

[4] Keller A Z, Kara-Zaitri. Further application of fuzzy logic to reliability assessment and safely analysis [J]. Micro-electron Reliab,1981,29(3): 399-404.

[5] 李浩, 邱超凡. 模糊FMECA方法在液壓系統可靠性分析中的應用[J]. 液壓氣動與密封, 2012, (1):38-41.

[6] 陳源. 基于模糊FMECA方法的飛機供電系統可靠性分析研究[D]. 成都：電子科技大學， 2011.5.

[7] Xu K, Tang L C, Xie M. Fuzzy assessment of FMEA for engine systems[J]. Reliability Engineering and System Safety,2010,14(10): 89-94.

[8] Bowles J B, Pelaez C E. Fuzzy logic prioritization of failures in a system failure mode, effects and criticality analysis[J].Reliability Engineering and System Safety,1995,50(2): 203-213.

[9] 黃華梁,趙小蓮,李小. 甘蔗壓榨機系統可靠性的失效模式影響模糊評估分析[J].中國機械工程, 2002,13(19): 1669-1672.

[10] TAY KM,LIM C P.Fuzzy FMEA with a guided rules reduction system for prioritization of failures[J]. International Journals of Qualit & Reliability Management,2006,(8):1047-1066.

Reliability Analysis of Metro Door System Based on Fuzzy FMECA

XIA jun, REN Jin-bao, JI Hai-yan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The traditional FMECA is used to analyze the reliability of metro door system,Due to many fuzzy and uncertain evaluation indexes, it is difficult to obtain an accurate and effective result. This paper uses the fuzzy comprehensive evaluation to improve the traditional FMECA which is formed into a fuzzy FMECA. Then, the fuzzy FMECA method is applied in the reliability analysis of the door’s three components. According to the criticality, all failure modes are ranked and the emphases of reliability improvement and maintenance are found. The analysis result shows that the fuzzy FMECA method is helpful to the improvement of metro door reliability.

door system; reliability; fuzzy comprehensive evaluation; FMECA

國家自然科學基金資助項目(1074151)；國家科技支撐計劃項目(T1DB300020，T1DB200010)；鐵道部科技研究計劃項目(2010X008)

夏軍(1988-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，從事城市軌道交通車輛的可靠性分析。

U231+.92；TP273+.4

B

1671-5276(2014)02-0184-04

2013-02-12