基于改進FMEA和灰色關聯理論的機載彈藥技術保障安全風險分析?

葉 文 趙建忠 呂曉峰

（海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001）

基于改進FMEA和灰色關聯理論的機載彈藥技術保障安全風險分析?

葉 文 趙建忠 呂曉峰

（海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001）

論文通過對失效模式與影響分析與灰色關聯理論的概念、應用分析，并嘗試通過兩種方法的融合形成一種改良的分析，建立基于改進FMEA和灰色關聯理論的機載彈藥技術保障安全風險分析模型。案例分析表明該方法可以有效地解決機載彈藥技術保障安全風險分析問題。

機載彈藥技術保障；安全風險分析；改進FMEA；灰色關聯理論

ClassNum ber TP391

1 引言

機載彈藥技術保障安全風險分析，就是了解機載彈藥實彈訓練技術保障任務，分析保障任務特點，明確任務實施過程中的重要階段和關鍵環節［1～2］。分析保障過程當中各類安全風險事件發生的可能性以及如果風險事件發生，其可能產生的后果與影響范圍，并根據風險產生的概率及其后果，確定各類風險等級，制定應對措施。

安全風險分析方法總體上可以分為兩類［3～5］：一是定性分析方法：常見的主要有專家調查打分法、事故樹分析、事件樹分析等；二是定量分析方法：常用的方法有層次分析法、事故樹分析、模糊數學綜合評價法、事件樹分析等。作為一種常用的可靠性分析方法——失效模式與影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，FMEA），其能夠在深入分析系統的硬件或功能的基礎上，確定系統潛在的故障、原因以及其對系統的影響，從而判斷出系統潛在的薄弱環節，進而有針對性地采取預防、改進或補償等措施，促進可靠性的提升［6～7］。

雖然FMEA可以直接應用于機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析問題求解中，但是直接應用還存在許多問題［8～9］，主要表現在如下幾個方面。1）將FMEA方法中的術語直接照搬用于機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析之中，由于使用場景的差異，術語的含義很難被理解，很難直接使用，需要重新界定。2）FMEA方法中的嚴重度、探測度、頻度的確定需要通過大量的歷史數據和實例分析來完成。而當FMEA應用于機載彈藥實彈訓練技術保障的特定場景時，在數據獲取上，由于機載彈藥實彈訓練技術保障的條件限制，無法獲取大量具體的統計數據，只能依賴于專家的知識和經驗。而傳統的FMEA無法對專家的知識和經驗作出準確判斷，因為這些知識和經驗都是主觀或定性的描述，因而限制了FMEA在機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析上的使用。3）FMEA中嚴重度、頻率、探測度三者的乘積就是風險順序數（Risk Priority Number，RPN），并且在模型應用過程中該三者的重要性是等同的。但實際上當RPN值相同而S、O、D不同時，無法客觀決定風險因素排列的前后順序［10～11］。

2 FMEA法的改進

2.1 FMEA關鍵術語的置換與確認

1）失效模式置換為風險模式

傳統FMEA中失效模式可以通過詢問“過程怎么會失效”來確定。在機載彈藥實彈訓練技術保障中用失效一詞則在概念上很難作出判斷，故根據機載彈藥實彈訓練技術保障的特點和風險管理的要求，本文將其定義為風險模式，重點集中在機載彈藥實彈訓練技術保障系統的功能失效和使用失效上。即在界定機載彈藥實彈訓練技術保障關鍵活動的基礎上，找出每一個關鍵活動可能出現的問題。

2）失效起因置換為風險因素

傳統FMEA中的失效模式起因主要是指引起問題的可能原因。這里，根據機載彈藥實彈訓練技術保障風險分析的特點和要求，將失效起因置換為風險因素。風險因素指導致技術保障中關鍵活動風險的原因。

3）嚴重度S、頻度O、探測度D置換為影響度E、頻度O、不可預知度P

嚴重度S是評價失效模式對“最終使用者”影響效果嚴重程度的重要指標。在機載彈藥實彈訓練技術保障風險分析中，將其置換為影響度E（Effect），表示風險因素對風險模式產生的影響。

頻度O是表示某種失效起因發生的可能性，繼續沿用這個術語，解讀為導致機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險的風險因素發生的可能性大小。

探測度D是表示用現有方法識別發生失效起因的可能性大小。針對機載彈藥實彈訓練技術保障的特性，將其定義為不可預知度P（Puzzle），即機載彈藥實彈訓練技術保障人員對機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險模式及風險因素進行識別時不可預知的概率大小。

2.2 E/O/P值的獲取

1）建立模糊語言術語集

風險模式的E、O、P三個變量作為模糊語言變量。根據機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險的特點，用5級Likert量表進行測量。｛很低VL，較低L，一般M，較高H，很高VH｝為每個變量的5種評價語言術語，具體含義如表1所示。

表1 模糊語言術語含義表

2）建立對應的模糊數

對不精確的信息的描述采用“一般”、“很高”等模糊性語言。模糊數的形式有很多種，通常根據安全工程中常用的規則來確定，如表2所示。

3）三角模糊數的非模糊化

（1）給定最大模糊集合與最小模糊集合：

（2）決定各模糊數A的左右邊界值

（3）由左右邊界值計算出此模糊數的總值

表2 安全風險分析各指標評分標準

3 機載彈藥技術保障安全風險分析模型

在機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析中，將FMEA和灰色關聯理論相結合，首先根據已建立的模糊語言術語集對各種風險模式作出評價，得到風險因素的評價矩陣。應用經典灰色關聯決策理論確定各評價矩陣與排序基準之間的關聯度，得到風險因素的排序［12～13］。基本分析流程如圖1所示。

圖1 基于FMEA和灰色關聯理論的分析流程圖

1）計算FMEA中的E、O、P值

對每一安全風險因素的影響度E、頻度O、不可預知度P三個指標的模糊語義進行描述，再對這三個指標進行非模糊化處理。

2）建立排序基準矩陣

這里選擇最差值作為參考建立基準矩陣：

3）建立各決策矩陣

假設機載彈藥實彈訓練技術保障系統的某個活動有 n 個風險因素，分別記為 x1，x2，…，xj，…，xn，其中xj為第 j個風險因素。

根據每個風險因素的E、O、P三個變量，用xj={xj(1)，xj(2)，xj(3)} 表示第 j個風險因素的數據列。

其中 xj(t)(t=1，2，3)表示專家小組對3個變量的評價，應用非模糊化公式，得到其代表的模糊數，最終獲取反映n個風險因素的決策矩陣：

4）計算對應元素絕對差值的最值

計算每個評價對象指標序列與基準序列對應元素之間的絕對差值，即

其中，x0(t)為標準序列中第t個因素對應值；xj(t)為比較序列矩陣中第 j個故障模式第t個因素對應值；n為被評價對象的個數，即機載彈藥實彈訓練技術保障中安全風險因素的個數。

然后確定

5）計算灰色關聯系數：

式中，ζ為分辨系數，ζ∈(0，1)，ζ越小，通常取0.5。

6）計算灰色關聯度并排序：

式中，lt為各因素的權重系數，且滿足由專家根據實際情況事先確定，也可由AHP法得到。如果γ(x0，xj)越接近1，說明此風險因素帶來的風險越大。

4 案例分析

在機載導彈實彈訓練技術保障活動中，人是活動主體，是起決定作用的因素。因此，為保證安全順利地完成機載導彈技術保障任務，降低導彈技術保障任務實施過程中各種人為過失的影響，需要事先進行人員安全風險分析。現在以某場站導彈技術隊參加某次重大實彈演練任務為例，通過與裝備管理人員、工程技術人員、科研機構專家討論，明確了由人員引起安全風險模式的風險因素主要有：工作態度（FM1）、應急能力（FM2）、生理狀況（FM3）、文化程度（FM4）、心理素質理（FM5）、操作能力（FM6）。

1）確定風險因素模糊數總值。由專家利用模糊語言術語給出6個風險因素的評價值（見表3），可以得出其模糊數總值（見表4）。

表3 人員安全風險因素評價結果

表4 模糊語言術語的明確值

2）確 定 參 考 數 列 ：{x0}={10.000，10.000，10.000}。

表5 |x0(t)-xj(t)|的計算結果

4）求出最值

5）計算關聯系數ξ[x0(t)，Xj(t)]，取ζ=0.5 。結果如表6所示。

6）計算灰色關聯度并排序，結果如表7所示。

可 見 ，γ(x0，x1)＞γ(x0，x6)＞γ(x0，x3)＞γ(x0，x5)＞γ(x0，x2)＞γ(x0，x4)。則人員安全風險因素的解決順序應為：FM1→FM6→FM3→FM5→FM2→FM4。從排序結果來看，在機載導彈實彈訓練技術保障人為因素分析與管理中，工作態度是導致技術保障安全風險的首要風險因素；其次是操作能力不佳，技術水平較差；其它依次是生理狀況、心理素質、應急能力、文化程度。根據分析結果有重點的采取措施，有利于降低機載導彈技術保障活動中人為因素引起的安全風險。

表6 關聯系數計算結果

表7 灰色關聯度排序

5 結語

根據機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析需要，重新界定了傳統FMEA中的一些關鍵術語，采用模糊數學分析方法對改進了數據的獲取方法，并提出了一種基于經典灰色關聯度理論的風險順序數（RPN）排序方法，并且可以作為管理工具應用于機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析之中。實例證明該方法科學、有效，可以很好地適用于機載彈藥實彈訓練技術保障安全風險分析。

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Security Risk Assessmentof Airborne Ammunition Technical Support Based on Im proved FMEAand G rey Conjunction Theory

YEWen ZHAO Jianzhong LV Xiaofeng
（DepartmentofOrdnance Science and Technology，NAEI，Yantai 264001）

airborne ammunition technicalsupport,security risk assessment,improved FMEA,grey conjunction theory

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.019

2017年3月9日，

2017年4月27日

葉文，男，博士，副教授，研究方向：裝備綜合保障。趙建忠，男，博士，講師，研究方向：裝備綜合保障。呂曉峰，男，碩士，講師，研究方向：裝備綜合保障。

Abstraet The concept and application of failure mode and effects analysis(FMEA)and grey conjunction theory are introduced.The study provides an improved analysismethod by the fusion of twomethods.This paperestablishes the security risk assessmentmodel of the airborne ammunition technical support security based on improved FMEAand grey conjunction theory.Example isgiven to prove themethod can be effectively applied to the security risk assessmentofairborne ammunition technicalsupport.