基于專家評分和蒙特卡羅模擬的車輛裝備零部件重要度評價(jià)方法

趙星賀，周斌，許凱，周玄

（1.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院 投送裝備保障系，天津 300161）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛裝備由約一萬個(gè)不可拆卸的零部件構(gòu)成。其中不同零部件由于功能和故障模式不同，其發(fā)生故障時(shí)對車輛裝備的影響程度也不同。因此，在對車輛裝備進(jìn)行預(yù)防性維修決策時(shí)，對待不同零部件不能一概而論，應(yīng)當(dāng)根據(jù)零部件在車輛裝備中的重要程度有針對性地采取不同的維修策略。當(dāng)前確定零部件重要度主要分為兩種思路，一種是基于概率統(tǒng)計(jì)方法對零部件重要度進(jìn)行定量計(jì)算，2012年，張恒在文獻(xiàn)[1]中通過建立機(jī)床設(shè)備故障樹，從故障底事件開始對設(shè)備故障頂事件進(jìn)行全概率分解，根據(jù)底事件對頂事件的影響大小，計(jì)算零部件相對概率重要度。2018年，夏侯唐凡在文獻(xiàn)[2]中針對工程實(shí)際中車床設(shè)備故障規(guī)律較難收集的問題，基于證據(jù)理論和馬爾可夫模型，提出了在認(rèn)知不確定下Birnbaum重要度的計(jì)算方法。另一種是基于FMECA分析定量估計(jì)零部件重要度。2017年，劉華新在文獻(xiàn)[3]中確定了評價(jià)風(fēng)電機(jī)組重要度的6個(gè)決策因素，構(gòu)建了重要度評價(jià)體系，并利用灰色模糊綜合評判法降低了由決策因素不確定對零部件重要度造成的影響。2018年，羅亞平在文獻(xiàn)[4]中針對民用轎車，將零部件風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)、危害度和維修費(fèi)用作為零部件關(guān)鍵度決策因素，并利用ABC分類法將零部件按重要度歸類。

基于概率統(tǒng)計(jì)方法定量確定零部件重要度，結(jié)果較為準(zhǔn)確，理論性更強(qiáng)，但是在工程實(shí)際中大量的零部件劣化或故障規(guī)律較難準(zhǔn)確歸納，降低了方法的可操作性。且由此確定的重要度僅與設(shè)備和零部件的故障率相關(guān)，沒有考慮零部件故障對設(shè)備的影響程度，因此不適合作為車輛裝備的維修決策的依據(jù)。基于FMECA分析定量估計(jì)零部件重要度，降低了對故障歷史數(shù)據(jù)的要求，適用性更強(qiáng)，但通常不同專家對不同評價(jià)項(xiàng)目的考量不同，造成評價(jià)結(jié)果較為主觀，存在一定誤差。并且對于零部件數(shù)量較多的設(shè)備，進(jìn)行模糊綜合評判的任務(wù)量較大，影響了工作效率。本文針對上述方法存在的問題，結(jié)合車輛裝備特性和維修保障實(shí)際，構(gòu)建了車輛裝備零部件重要度評價(jià)體系。在專家評價(jià)的基礎(chǔ)上，利用層次分析法確定各個(gè)評價(jià)項(xiàng)目的權(quán)重，并利用蒙特卡羅模擬降低由人工誤差對零件重要度計(jì)算造成的影響。相比于傳統(tǒng)方法，在保證較強(qiáng)可操作性的同時(shí)，一定程度上避免了由大量主觀數(shù)據(jù)造成的負(fù)面影響。

2 車輛裝備零部件重要度評價(jià)體系

2.1 重要度評價(jià)項(xiàng)目

通常車輛裝備中某一零部件故障可能會(huì)造成車輛裝備整體可靠性降低，導(dǎo)致車輛裝備需要執(zhí)行計(jì)劃之外的維修保養(yǎng)活動(dòng)，增加車輛裝備維修保障費(fèi)用，降低車輛裝備可用度。因此，對于車輛裝備的預(yù)防性維修決策而言，一個(gè)零部件重要與否取決于其故障對于車輛裝備整體可靠度的影響，以及零部件故障后的維修性強(qiáng)弱。此外，考慮到不同零部件故障的明顯程度不同，當(dāng)故障表現(xiàn)較為明顯即可檢測性較強(qiáng)時(shí)，駕駛員可以較為直觀的發(fā)現(xiàn)故障隱患，在零部件故障隱患未演化成功能故障前，及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免功能故障發(fā)生所造成的一系列后果（例如駕駛員在出車前檢查車況時(shí)，較為容易發(fā)現(xiàn)輪胎漏氣的故障隱患。此時(shí)及時(shí)更換備胎，即可在很大概率上避免由于車輪爆胎造成的故障后果）。綜上，本文將可靠性因素、維修性因素、測試性因素作為評價(jià)車輛裝備零部件重要度的決策因素。

車輛裝備可靠性是指車輛裝備在規(guī)定工作條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[5]，與各個(gè)零部件故障率和各個(gè)零部件故障后果相關(guān)。因此可以用零部件故障率、故障對于車輛裝備執(zhí)行任務(wù)及對駕駛員行駛安全的影響程度評價(jià)可靠性因素。維修性是指車輛裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按照規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[6]。通常由車輛裝備零部件的維修性設(shè)計(jì)決定，例如在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了標(biāo)準(zhǔn)化、通用性和互換性，是否考慮了零部件在維修過程中的可達(dá)性，維修過程對維修技術(shù)人員是否安全等等。維修性的高低可以間接利用維修停機(jī)時(shí)間和維修費(fèi)評價(jià)。測試性是指車輛裝備能及時(shí)準(zhǔn)確確定其工作狀態(tài)（可工作、不可工作或工作性能下降）并隔離其內(nèi)部故障的能力[7]，可以結(jié)合故障表現(xiàn)是否明顯、隱患是否易于檢測進(jìn)行評價(jià)。綜上，車輛裝備零部件重要度具體評價(jià)項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 車輛裝備零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目

為統(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，降低主觀因素對車輛裝備零部件重要度的影響，本文結(jié)合車輛裝備特性和維修保障實(shí)際建立了評價(jià)項(xiàng)目的評分標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。車輛裝備設(shè)計(jì)工程師、維修保障專家、維修技術(shù)人員和駕駛員參考車輛裝備設(shè)計(jì)指標(biāo)、故障歷史數(shù)據(jù)、實(shí)際工作任務(wù)依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)對零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行評分。

表1 重要度評價(jià)項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評價(jià)項(xiàng)目權(quán)重

考慮到在不同的任務(wù)需求下，各個(gè)評價(jià)項(xiàng)目對車輛裝備零部件重要度的影響程度不同，需要為各個(gè)決策因素分配適當(dāng)?shù)臋?quán)重以衡量各個(gè)決策因素對零部件重要度的貢獻(xiàn)。常用于確定權(quán)重的方法有特爾菲測定法、因素成對對比法和層次分析法[8]。其中層次分析法所需定量數(shù)據(jù)較少、實(shí)用性較強(qiáng)。因此，本文利用層次分析法分析確定各個(gè)評分項(xiàng)目的權(quán)重值。

將圖1中所示的6個(gè)評價(jià)項(xiàng)目按照由上至下順序映射為項(xiàng)目1至項(xiàng)目6。定義相對重要性參數(shù)βij（i，j=1，2，3…,6），且βij*βji=1。采取專家打分的方法確定在某一任務(wù)需求下，兩個(gè)評分項(xiàng)目間的相互重要程度，構(gòu)建相互重要度量化矩陣Q。相對重要性參數(shù)和定性評價(jià)關(guān)系見表2。

表2 相對重要性參數(shù)

相對重要度量化矩陣Q的最大特征值λmax所對應(yīng)的一組特征向量，在進(jìn)行歸一化處理后，即可一一對應(yīng)為項(xiàng)目1至項(xiàng)目6的權(quán)重。為了檢驗(yàn)權(quán)重分配是否正確，需要確定重要度量化矩陣Q的隨機(jī)一致性比率μ，判斷其一致性，檢驗(yàn)公式如下：

其中μN(yùn)為矩陣的一般一致性指標(biāo)，。μS為矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，見表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)μ＜0.1時(shí)，則認(rèn)定判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)重分配是正確的，否則需要調(diào)整判斷矩陣，直到符合要求為止[9]。

2.3 零部件重要度計(jì)算

本文定義車輛裝備零部件重要度計(jì)算公式如下：

在確定了零部件各個(gè)評分項(xiàng)目分值和評分項(xiàng)目權(quán)重后，即可計(jì)算車輛裝備零部件重要度。重要度數(shù)值越大，則零部件在維修決策時(shí)的重要程度越高。

3 利用蒙特卡羅模擬確定零部件重要度

蒙特卡羅模擬也稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是指以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)、以實(shí)驗(yàn)為手段，用事件出現(xiàn)的頻率估計(jì)該事件發(fā)生概率的方法[10]。為了避免在確定評價(jià)項(xiàng)目權(quán)重過程中，由于評價(jià)項(xiàng)目權(quán)重?cái)?shù)值誤差對車輛裝備零部件重要度的影響，本文在專家打分確定各個(gè)評價(jià)項(xiàng)目分值和評價(jià)項(xiàng)目權(quán)重大小順序后，利用蒙特卡羅模擬進(jìn)行大量模擬實(shí)驗(yàn)確定零部件重要度。在MATLAB程序中，每一次模擬實(shí)驗(yàn)生成6個(gè)和為1的隨機(jī)數(shù)，按照從大到小的順序依次作為6個(gè)評價(jià)項(xiàng)目的權(quán)重（將最大的隨機(jī)數(shù)作為權(quán)重?cái)?shù)值，賦值給由專家評分確定的排序最高的評價(jià)項(xiàng)目，其次依次類推），之后按照重要度計(jì)算公式計(jì)算儲存零部件重要度。重復(fù)進(jìn)行2 000次模擬實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合不同需求采取不同的統(tǒng)計(jì)方法對模擬試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)。例如，需要確定零部件重要度具體數(shù)值時(shí)，可以統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果重要度平均值；需要基于零部件重要性進(jìn)行分組維修決策時(shí)，可以統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果重要度排序累計(jì)概率。綜上，蒙特卡羅模擬流程圖如圖2所示。

4 示例分析

本文以某型車輛裝備行車制動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行示例分析。對該型車輛裝備行車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行wbs分解，直至部隊(duì)級維修單位可直接更換維修的最小零部件。得到其行車制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)燈、制動(dòng)踏板、制動(dòng)油管、制動(dòng)鉗、制動(dòng)總泵、制動(dòng)分泵、制動(dòng)盤、制動(dòng)摩擦片、ABS控制器組成。通過向車輛裝備設(shè)計(jì)工程師、維修保障專家、維修技術(shù)人員和駕駛員咨詢調(diào)研，得到該型車輛裝備行車制動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)的各個(gè)零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目評分和相對重要性量化矩陣Q，制動(dòng)系統(tǒng)零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目評分具體見表4。

圖2 基于蒙特卡羅模擬確定零部件重要度流程

表4 制動(dòng)系統(tǒng)零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目評分

圖3 行車制動(dòng)系統(tǒng)零部件重要度排序累計(jì)頻率

經(jīng)計(jì)算后，μN(yùn)=0.022 3，μS=1.24，μ=0.018＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。得到故障率、安全性影響、任務(wù)型影響、停機(jī)時(shí)間、維修費(fèi)用和可檢測性的權(quán)重分別為0.28，0.29，0.18，0.11，0.08，0.06。

在MATLAB中進(jìn)行蒙特卡羅模擬，得到各零部件重要度及重要度排序累計(jì)頻率，見表5和圖3。

表5 行車制動(dòng)系統(tǒng)零部件重要度

對圖表進(jìn)行分析，可以較為直觀地觀察到該型車輛裝備行車制動(dòng)系統(tǒng)中零部件按重要度大小依次排序?yàn)橹苿?dòng)摩擦盤、制動(dòng)分泵、制動(dòng)總泵、制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗、制動(dòng)踏板、制動(dòng)油管、ABS控制器和制動(dòng)燈。

制動(dòng)摩擦盤是制動(dòng)系統(tǒng)中主要的磨損件，在車輛裝備日常使用過程中通常實(shí)施定時(shí)保養(yǎng)和更換的預(yù)防性維修工作，可視作重要度極高；制動(dòng)分泵發(fā)生橡膠件老化、剎車油泄露的概率較高，通常實(shí)施定期檢測和保養(yǎng)的預(yù)防性維修工作，可視作重要度較高；制動(dòng)總泵雖然故障率不高，但故障較為隱蔽且故障后果較為嚴(yán)重，維修成本較高且維修時(shí)間較長，通常實(shí)施定期檢測和保養(yǎng)的預(yù)防性維修工作，可視作重要度較高；制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗、制動(dòng)踏板、制動(dòng)油管故障率不高，維修成本較低，通常實(shí)施定期保養(yǎng)的預(yù)防性維修工作，可視作重要度一般；ABS控制器雖然維修成本較高且維修時(shí)間較長，但故障率極低，通常采取故障后維修，可視作重要度低；制動(dòng)燈故障率較高，但故障后果輕微，維修成本較低且維修時(shí)間較短，通常采取故障后維修，可視作重要度低。因此，利用本文所述的方法評價(jià)的零部件重要度和日常維修決策中認(rèn)為的零部件重要度基本一致，該方法直觀、有效。

5 總結(jié)

本文通過專家評分，確定車輛裝備零部件重要度評價(jià)項(xiàng)目分值及其權(quán)重，利用蒙特卡羅模擬，降低由人工確定權(quán)重?cái)?shù)值的誤差對零部件重要度造成的影響。最后通過示例驗(yàn)證和經(jīng)驗(yàn)分析，證明基于文章所述方法可以有效確定車輛裝備零部件重要度，進(jìn)而為車輛裝備預(yù)防性維修決策提供依據(jù)。