封會娟，閆 旭，劉祥凱，唐彥峰，李志威

(1.軍事交通學院軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161)

隨著裝備結(jié)構(gòu)復雜程度和技術(shù)含量的提高，以及監(jiān)測診斷技術(shù)的發(fā)展，裝備的維修方式也發(fā)生了變化，由簡單的以預防為主轉(zhuǎn)向更為精確的基于狀態(tài)的維修(condition based maintenance，CBM)，以提高裝備可靠性，節(jié)約維修保障成本和資源。CBM的實施過程可歸納為狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、壽命預測及維修決策4個步驟。狀態(tài)監(jiān)測作為CBM實施的第一步，需要依賴于對狀態(tài)參數(shù)進行近似實時的監(jiān)控，狀態(tài)參數(shù)選擇的重要性顯而易見。然而，目前狀態(tài)參數(shù)的確定普遍經(jīng)驗化，缺乏科學的分析計算，本文正是基于此問題展開相關(guān)研究。

1 狀態(tài)參數(shù)概述

1.1 CBM 定義

基于狀態(tài)的維修(CBM)是一種建立在對裝備狀態(tài)實時或近實時評估基礎(chǔ)上的維修方式。它是在傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合運用傳感器、人工智能、計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)等多種先進技術(shù)，通過外部檢測設(shè)備或裝備內(nèi)部植入的傳感器獲得裝備運行時的狀態(tài)信息，準確地判定部件的實際狀態(tài)，并運用數(shù)據(jù)分析與維修決策技術(shù)對裝備狀態(tài)進行實時或周期性的評價，最終作出科學化的維修決策，從而實現(xiàn)裝備維修管理工作的科學化、合理化。

1.2 狀態(tài)參數(shù)定義

裝備在運行過程中會產(chǎn)生能夠表征其狀態(tài)的物理現(xiàn)象(如振動、溫度變化等)，并引起相應參數(shù)(如轉(zhuǎn)矩、壓力等)的變化，這為裝備狀態(tài)監(jiān)測提供了可能。在實際應用中，這些被選擇用于對裝備運行狀態(tài)進行監(jiān)測的參數(shù)，稱為狀態(tài)參數(shù)［1］。

1.3 基本確定原則

目前，狀態(tài)參數(shù)大多依賴專家的使用經(jīng)驗來確定，少數(shù)學者在相關(guān)研究中也涉及了定量決策方法。在此基礎(chǔ)上，本文提出狀態(tài)參數(shù)的確定應遵循的原則。

(1)可測性。狀態(tài)參數(shù)應具有一定的物理意義，能夠量化表示且便于測量。

(2)多能性。即參數(shù)能全面地表征設(shè)備運行狀態(tài)的能力。設(shè)備性能狀態(tài)劣化或故障可能引起許多參數(shù)的變化，應選擇包含更多狀態(tài)信息、反映更多性能的參數(shù)。

(3)靈敏性。裝備性能劣化或故障時，應選擇隨劣化或故障趨勢變化更為明顯的參數(shù)。如發(fā)動機汽缸活塞副磨損較為嚴重時，功率下降僅5%～7%，然而壓縮空氣泄漏率反映更為靈敏，降幅達40% ～50%，則應選擇后者為狀態(tài)參數(shù)，前者可作為備選參數(shù)輔助判斷。

(4)穩(wěn)定性。應選擇在相同監(jiān)測條件下數(shù)據(jù)離散度小、重復性好，在指示設(shè)備狀態(tài)的有效測量范圍內(nèi)不出現(xiàn)突變的參數(shù)為狀態(tài)參數(shù)。

2 基于QFD的狀態(tài)參數(shù)確定方法

2.1 QFD 定義

質(zhì)量功能展開(quality function deployment，QFD)是一種面向需求的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的計劃過程，是質(zhì)量工程的核心技術(shù)。該方法最早由日本學者于1966年首次提出，如今在日本和美國已得到廣泛應用。近年來，QFD方法的研究趨勢正向解決武器系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)決策問題的方向邁進，逐漸成為一種重要的關(guān)鍵技術(shù)評價與決策的方法和工具。

2.2 質(zhì)量屋模型

QFD方法借助矩陣圖表來描述需求與設(shè)計指標之間的關(guān)系，并進行量化分析，確定描述需求的關(guān)鍵設(shè)計指標，進而設(shè)計出滿足需求的產(chǎn)品。其核心部分為“質(zhì)量屋(house of quality，HoQ)”模型(如圖1所示)。

圖1 質(zhì)量屋

本研究建立的質(zhì)量屋模型包括下列部分。

(1)左墻:監(jiān)測需求及需求權(quán)重。監(jiān)測需求是由產(chǎn)品狀態(tài)及故障特征決定的參數(shù)特性。需求權(quán)重是各參數(shù)特性重要程度的定量表示。這兩項是質(zhì)量屋最基本的輸入，可通過調(diào)查和專家打分等方法獲取。

(2)天花板:狀態(tài)參數(shù)。技術(shù)特征是所輸入需求得以實現(xiàn)的必須保證和實施的手段和措施，在本研究中即為待決策的狀態(tài)參數(shù)，可從商業(yè)慣例及相關(guān)國家和軍用標準中獲取。

(3)房間:相關(guān)關(guān)系矩陣。表示各監(jiān)測需求和各參數(shù)之間的相關(guān)程度，由相關(guān)法則計算得到。

(4)屋頂:參數(shù)自相關(guān)關(guān)系矩陣。表示參數(shù)間的相關(guān)程度。

(5)地下室:參數(shù)評價矩陣。該項是質(zhì)量屋的輸出項，表示各參數(shù)對于監(jiān)測需求整體的重要程度［2］。

2.3 狀態(tài)參數(shù)確定方法

建立質(zhì)量屋模型，直觀地描述各監(jiān)測需求與參數(shù)之間關(guān)系，借助相關(guān)計算得到各參數(shù)對于產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測的重要程度，進而可以確定狀態(tài)參數(shù)。運用質(zhì)量功能展開QFD方法確定狀態(tài)參數(shù)的步驟如下。

(1)獲取監(jiān)測需求。經(jīng)過調(diào)研及對裝備產(chǎn)品和故障資料的分析，結(jié)合狀態(tài)參數(shù)確定原則，對CBM對象的指定故障模式確定監(jiān)測需求，用i和j表示(i，j=1，2，…，m)，如狀態(tài)參數(shù)對故障的敏感性、與故障的關(guān)聯(lián)性、監(jiān)測傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關(guān)性、監(jiān)測成本等。

(2)獲取監(jiān)測參數(shù)。參照國家標準GB/T 20471《機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷——基于應用性能參數(shù)的一般指南》［3］中提供的指示典型故障的性能參數(shù)慣例，獲取指定故障模式常用的狀態(tài)參數(shù)集，如溫度、壓力、空氣流量、振動、功率等。

(3)利用AHP法計算各需求重要度權(quán)重。

(a)假設(shè)eij為需求i相對于j的重要程度值，構(gòu)造判斷矩陣E:

(b)運用數(shù)字1～9標度確定各相對重要程度值，標度含義見表1。

表1 標度含義

(c)根據(jù)判斷矩陣，求最大特征根λmax所對應的特征向量α＇，方程如下:

所求特征向量α＇經(jīng)歸一化得到權(quán)重向量α=(α1，α2，…，αm)T，即為各需求重要度權(quán)重。

(d)為保證權(quán)重分配的合理性，需要進行一致性檢驗。

首先，計算判斷矩陣的一般一致性指標C.I.，方程為

其次，由表2確定平均隨機一致性指標R.I.的取值。

表2 平均隨機一致性指標取值

最后，計算判斷矩陣的隨機一致性比率C.R.:

當C.R.＜0.1時，即確定判斷矩陣滿意的一致性，說明權(quán)重合理［4］。

(4)構(gòu)建質(zhì)量屋模型。利用HoQ模型，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測實際情況，根據(jù)狀態(tài)參數(shù)和監(jiān)測需求間的關(guān)系，按照各狀態(tài)參數(shù)滿足監(jiān)測需求的情況rnm按照0～5分的標度打分，強相關(guān)5分，中等相關(guān)3分，弱相關(guān)1分，不相關(guān)0分，建立QFD的HoQ模型(如圖2所示)。

圖2 HoQ模型

(5)計算參數(shù)重要度。根據(jù)HoQ模型中的監(jiān)測需求重要度權(quán)重和關(guān)系矩陣，運用式(5)計算參數(shù)重要度，即

參數(shù)重要度矩陣中各元素的數(shù)值即為參數(shù)重要度，表示各參數(shù)對于監(jiān)測需求的滿足程度，可據(jù)此按從大到小順序排列，即對應得到狀態(tài)參數(shù)排序［5］。

3 實例分析

現(xiàn)以往復式內(nèi)燃機為例，設(shè)置實驗，驗證本研究提出的方法是否科學可行。

經(jīng)過對裝備產(chǎn)品和相關(guān)標準資料的分析以及對相關(guān)專家和工程人員的調(diào)研，確定往復式內(nèi)燃機點火故障的監(jiān)測需求為:狀態(tài)參數(shù)對故障的敏感性、與故障的關(guān)聯(lián)性、監(jiān)測傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關(guān)性、監(jiān)測成本，分別記為監(jiān)測需求1～5(見表3)。

表3 監(jiān)測需求示例

根據(jù)GB/T 20471獲取點火故障模式常用的狀態(tài)參數(shù)集:發(fā)動機溫度、汽缸壓力、燃料流量、排氣溫度、振動、輸出功率、油損耗，標記為參數(shù)1～7(見表4)。

表4 參數(shù)示例

利用AHP法，根據(jù)式(1)和式(2)計算各監(jiān)測需求重要度權(quán)重，得到結(jié)果為 α=(0.310 2，0.238 1，0.047 6，0.214 5，0.142 8)。經(jīng)式(3)和式(4)進行一致性檢驗，得 C.R.=0.081 3 ＜0.1，即表示權(quán)重合理。

根據(jù)質(zhì)量屋模型，邀請多名操作人員和維修技術(shù)人員對參數(shù)滿足監(jiān)測需求的情況進行打分。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后建立質(zhì)量屋模型，利用式(5)計算參數(shù)重要度v(如圖3所示)。

圖3 HoQ模型示例

由圖3可知，針對往復式內(nèi)燃機的狀態(tài)監(jiān)測，狀態(tài)參數(shù)推薦排序為振動、油損耗、輸出功率、燃料流量、汽缸壓力、發(fā)動機溫度、排氣溫度。

4 結(jié)語

本文針對狀態(tài)參數(shù)確定方法普遍經(jīng)驗化的現(xiàn)狀，在研究確定基本原則的基礎(chǔ)上，采用質(zhì)量功能展開的方法建立了狀態(tài)監(jiān)測的質(zhì)量屋模型，提出了一種確定狀態(tài)參數(shù)的定量分析方法。經(jīng)實例分析，該方法能夠客觀、充分反映參數(shù)的重要程度，為實施裝備基于狀態(tài)的維修提供了技術(shù)支撐。

［1］ 牛曉磊.基于狀態(tài)信息的裝備維修決策系統(tǒng)與應用研究［D］.石家莊:軍械工程學院，2008:5-19.

［2］ 李朝玲.質(zhì)量功能展開的系統(tǒng)建模及應用研究［D］.青島:青島大學，2009:10-14.

［3］ 機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷:基于應用性能參數(shù)的一般指南:GB/T 20471—2006［S］.北京:中國國家質(zhì)檢總局國家標準化管委會，2006.

［4］ 楊雪，張振鵬，楊恩鋒.基于AHP的液體火箭發(fā)動機地面試驗監(jiān)測參數(shù)的選取方法研究［J］.航空動力學報，2006，21(3):615-620.

［5］ 鄧麗，劉階萍，查建中.基于質(zhì)量功能展開(QFD)的產(chǎn)品設(shè)計模糊綜合評價［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(3):4-7.