基于AHP與FMEA的衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理

劉之超 李軍祥

摘? 要： 綜合電子分系統(tǒng)若出現(xiàn)失效，將對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。如何對(duì)研制過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別并應(yīng)對(duì)是研究的重點(diǎn)。首先使用故障模式和影響分析（FMEA）對(duì)衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別評(píng)估，再將評(píng)估出的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)采用層次分析法（AHP）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)失效原因進(jìn)行排序，找出風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，最后根據(jù)權(quán)重大小識(shí)別出技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)，以便制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。該方法不僅可為衛(wèi)星領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考，也可為其他工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

關(guān)鍵詞： 綜合電子分系統(tǒng); 層次分析法; 故障模式和影響分析; 風(fēng)險(xiǎn)管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP306+.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）05-16-04

Abstract： The failure of integrated electronic subsystem will cause a serious impact on satellite operation. How to identify and deal with the risk items in the process of development is the focus of the research. In this method， Firstly， the risk items of satellite integrated electronic subsystem are identified and evaluated by fault mode and effect analysis （FMEA）. Then， the analytic hierarchy process （AHP） is used to the important risk items to rank the causes of the failure of the risk items and find out the risk weights of the risk factors. Finally， according to the weights， weak items of technology are identified to take corresponding handling measures. The method can not only provide reference for risk management of the satellite field， but also for that of other engineering areas.

Key words： integrated satellite electronic subsystems; AHP; FMEA; risk management

0 引言

航天衛(wèi)星研制作為我國(guó)極具戰(zhàn)略性與高科技特性的產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技領(lǐng)域還是文化領(lǐng)域，都具有廣泛的帶動(dòng)作用。航天衛(wèi)星研制工程是一個(gè)極為龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有技術(shù)涉及面廣、參與人員眾多、資金消耗量大、系統(tǒng)環(huán)節(jié)復(fù)雜、研制生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[1-2]。而綜合電子分系統(tǒng)作為整星的主要組成部分，不僅具有以上特點(diǎn)，而且其擔(dān)負(fù)完成整星的信息調(diào)度與管理、遙測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理、遙控指令調(diào)度與執(zhí)行、時(shí)間產(chǎn)生與維護(hù)、熱控程控和加熱器驅(qū)動(dòng)、數(shù)傳程控等功能。由于綜合電子分系統(tǒng)肩負(fù)的任務(wù)眾多，服務(wù)于整個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)，需要面對(duì)衛(wèi)星任務(wù)和各個(gè)分系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)傳輸和遙測(cè)遙控等功能需求。因此綜合電子分系統(tǒng)猶如人的大腦和神經(jīng)，其系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行不僅關(guān)系到衛(wèi)星其他系統(tǒng)正常工作，更關(guān)系到衛(wèi)星在軌任務(wù)的順利完成。因此其所面對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)更為嚴(yán)峻，而對(duì)此進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)管理猶為關(guān)鍵[3-4]。

賈文英于2017年提出綜合電子分系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理通常在研制方案階段初期開(kāi)展，提前識(shí)別在研制階段和飛行試驗(yàn)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)， 制定有效措施[5]。丁迎周于2008年提出一般綜合電子分系統(tǒng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析與控制工作策劃的內(nèi)容包括：確定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理目標(biāo)和原則;分配風(fēng)險(xiǎn)管理職責(zé)和權(quán)限;確定風(fēng)險(xiǎn)管理程序和方法、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、應(yīng)對(duì)策略和監(jiān)控方式等[6]。胡英于2015年提出綜合電子分系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃，將其內(nèi)容包含在產(chǎn)品保證計(jì)劃中，并且從方案階段轉(zhuǎn)下一階段前根據(jù)需要修訂風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃[7]。由此可見(jiàn)，綜合電子分系統(tǒng)在方案階段開(kāi)始就需要對(duì)研制和飛行階段中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)制定風(fēng)險(xiǎn)管理。史國(guó)棟于2018年提出風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)是依據(jù)研制和使用要求，對(duì)綜合電子分系統(tǒng)任務(wù)特點(diǎn)、使用狀態(tài)和環(huán)境條件等方面進(jìn)行分析[8]。同時(shí)，邱成于2018年提出對(duì)綜合電子分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、研制過(guò)程、各類(lèi)大型試驗(yàn)方案、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況、采用的新技術(shù)、新工藝、新材料（含器件）情況，可靠性指標(biāo)分配和傳遞情況等方面的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別分析[9]。由于綜合電子分系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境條件，對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的多種因素的識(shí)別分析是研究的重點(diǎn)。薛明慧于2011年提出確定風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)、合理的評(píng)價(jià)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度、發(fā)生度和可檢測(cè)度，為立項(xiàng)決策提供科學(xué)的依據(jù)[10]。Suo等則采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷方法診斷衛(wèi)星電子分系統(tǒng)的故障原因[11]。

綜合電子分系統(tǒng)由于作為整星電子集成的中樞，其涉及的元器件、工藝、材料、人員、技術(shù)非常多，一種失效原因可能有多個(gè)方面因素造成。如何更好準(zhǔn)確地識(shí)別技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重、從多方面因素中分析技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的原因、從源頭解決風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題更加需要研究思考。尤其是近年來(lái)，航天任務(wù)快速增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出“系統(tǒng)更復(fù)雜、研制周期短、發(fā)射密度高”的新常態(tài)，這對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)管理也帶來(lái)了更高的挑戰(zhàn)。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法

故障模式與影響分析（failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA）法是分析綜合電子分系統(tǒng)產(chǎn)品中每一個(gè)可能的故障模式并確定其對(duì)該產(chǎn)品及上層產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響以及把每一個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度予以分類(lèi)的一種分析技術(shù)。實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)對(duì)故障的回想和預(yù)想，分析原因，采取防范措施，避免故障發(fā)生。在使用FMEA之前，要先為衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)制定評(píng)估準(zhǔn)則。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別基礎(chǔ)上展開(kāi)的對(duì)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的概率、帶來(lái)的損失大小等方面進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程。為此，需要建立風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度、發(fā)生度、可檢測(cè)度等級(jí)分類(lèi)以及綜合評(píng)價(jià)矩陣，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步生成風(fēng)險(xiǎn)清單。然后根據(jù)以往型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別失效模式以及失效原因進(jìn)行FMEA分析并改進(jìn)建立的評(píng)估準(zhǔn)則。其中各失效模式、失效原因的嚴(yán)重度、發(fā)生度以及可檢測(cè)度需要進(jìn)行量化后，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度等級(jí)從1-10量化，分別對(duì)應(yīng)從無(wú)到災(zāi)難級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生度同樣進(jìn)行量化為1-10，對(duì)應(yīng)極少發(fā)生到極有可能發(fā)生。風(fēng)險(xiǎn)可檢測(cè)度也進(jìn)行相同操作。因此，為得到更量化可靠的數(shù)據(jù)，擬通過(guò)專家調(diào)查法對(duì)嚴(yán)重度、發(fā)生度、可檢測(cè)度三個(gè)維度進(jìn)行定性分析，以獲得量化數(shù)值，完成后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

在對(duì)專家進(jìn)行調(diào)查前，根據(jù)衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)實(shí)際情況，在生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)領(lǐng)域選擇具有一定代表性、權(quán)威性的專家，將其加入專家組。選擇前充分考慮到組建的專家隊(duì)伍應(yīng)既清楚生產(chǎn)過(guò)程失效風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率、失效檢測(cè)手段以及檢測(cè)效果，同時(shí)，也要評(píng)估出失效風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于型號(hào)任務(wù)的最終完成所造成的影響。專家團(tuán)隊(duì)是由分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、單機(jī)設(shè)計(jì)師、工藝人員、型號(hào)副總師、項(xiàng)目計(jì)劃經(jīng)理、管理人員和可靠性人員組成，并且交待衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)任務(wù)背景、特點(diǎn)的同時(shí)，準(zhǔn)備各失效原因（機(jī)理）發(fā)生的歷史記錄作為背景材料供專家參考，并利用FMEA進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別（表1）。

分析表1，按風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（risk priority number， RPN）從大到小排序，前四項(xiàng)FPGA芯片損壞、CPU芯片損壞、通信芯片損壞、遙測(cè)PCM輸出故障為衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，需重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)。現(xiàn)以FPGA芯片損壞為例，使用AHP對(duì)造成其失效模式的原因進(jìn)行分析，尋求對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控的措施。

2 風(fēng)險(xiǎn)原因分析

2.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析法。將決策者的經(jīng)驗(yàn)給予量化，這在對(duì)目標(biāo)（因素）結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下較為實(shí)用。

現(xiàn)使用AHP將FPGA芯片損壞對(duì)多個(gè)失效的原因進(jìn)行排序，找到其影響的嚴(yán)重程度（權(quán)重），并以各個(gè)權(quán)重不同，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。

2.2 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)層次分析法，建立的FPGA芯片損壞原因遞階層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.3 構(gòu)造判斷（成對(duì)比較）矩陣

判斷矩陣是以矩陣的形式來(lái)表述每一層次中各要素相對(duì)其上層要素的相對(duì)重要程度。為使各因素之間進(jìn)行兩兩比較得到量化的判斷矩陣，引入1～9的標(biāo)度對(duì)應(yīng)i與j之間相互的重要程度。為了構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)六個(gè)專家進(jìn)行了咨詢，得到四個(gè)準(zhǔn)則下的兩兩比較矩陣分別為和如下：

2.4 決策結(jié)果

通過(guò)上述比較矩陣代入評(píng)價(jià)公式[10]后，計(jì)算可得關(guān)系矩陣w0、權(quán)向量w1和評(píng)價(jià)向量w：

可知C1=0.427，C2=0.292，C3=0.103，C4=0.124，C5=0.054。

由結(jié)果可見(jiàn)，風(fēng)險(xiǎn)排序中C1>C2>C3>C4>C5，多余物原因、封裝工藝和工人操作失誤是造成FPGA芯片損壞風(fēng)險(xiǎn)的大概率因素，可以此權(quán)重進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制策略調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用FMEA對(duì)衛(wèi)星綜合電子分系統(tǒng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，判斷出重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)。采用AHP分析出重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的失效原因。然后從原因入手對(duì)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行源頭控制，以此來(lái)達(dá)到控制該風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的目的。該方法希望對(duì)其他技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的全面管理有所幫助。

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