張佳棟，夏蓓鑫

(上海大學(xué)機電與自動化工程學(xué)院，上海 200072)

基于模糊理論的汽車?yán)淠鱌FMEA改進

張佳棟，夏蓓鑫

(上海大學(xué)機電與自動化工程學(xué)院，上海 200072)

為了解決傳統(tǒng)PFMEA中RPN分析存在的分辨率和準(zhǔn)確性不高的問題，提出一種利用權(quán)重賦予法和模糊分析的綜合評價方法。通過引入專家組構(gòu)建評價指標(biāo)的判斷矩陣，基于一致性檢驗及算術(shù)平均法計算得到各評價指標(biāo)的權(quán)重，以提高RPN的分辨率；綜合考慮評價指標(biāo)權(quán)重集對指標(biāo)的模糊評價矩陣的影響，賦予專家組的模糊評價矩陣不同的權(quán)重，以量化不確定的主觀判斷因素。研究結(jié)果表明：在汽車空調(diào)冷凝器制造PFMEA中出現(xiàn)工序RPN值相同和其風(fēng)險順序不能反映實際情況的問題時，該綜合評價方法能夠?qū)ば蝻L(fēng)險程度進行正確排序，加強了PFMEA對風(fēng)險控制和預(yù)判的作用。

機械制造工藝與設(shè)備其他學(xué)科；PFMEA；汽車空調(diào)冷凝器；風(fēng)險順序；RPN；模糊分析

作為一種風(fēng)險評估工具，PFMEA主要應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程，是一種識別生產(chǎn)過程中失效潛在影響的重要方法[1]。管理者可以通過PFMEA實現(xiàn)風(fēng)險排序，進而將有限的資源投入到最高風(fēng)險的控制措施中，從而有效降低整個過程風(fēng)險[2-3]。傳統(tǒng)的PFMEA一般使用RPN來確定風(fēng)險順序，其中RPN=嚴(yán)重度(S，Severity)×發(fā)生頻度(O，Occurrence)×探測度(D，Detectability)[4]。

隨著市場競爭動態(tài)化、全球化和用戶驅(qū)動的趨勢加劇，制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴(yán)峻，PFMEA的作用開始凸顯[5]。然而，使用RPN來衡量風(fēng)險的傳統(tǒng)PFMEA方法暴露出一系列問題[6-7]。其中一個重要問題是在一些情況下RPN值無法表征風(fēng)險順序，具體包括：當(dāng)RPN值相同時，無法判斷應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采取哪一項措施；RPN值越大并不意味著優(yōu)先采取措施。例如在汽車空調(diào)冷凝器生產(chǎn)PFMEA中有A和B兩道工序，A釬焊工序的RPN為90，嚴(yán)重度為9，B氦檢工序的RPN為112，嚴(yán)重度為7。在這樣的情況下，即使B工序的RPN值比A工序的高，也不能確定是否應(yīng)該對B工序先采取措施，因為A釬焊工序是全鋁式冷凝器制造過程中的核心工序[8]。另一個重要問題是，傳統(tǒng)風(fēng)險分析的過程帶有很強的主觀判斷，如有時小組成員在評定風(fēng)險時試圖通過設(shè)定一個較低的數(shù)值來降低RPN值[9]。這種行為雖然可以使措施的工作量減少，但是會使產(chǎn)品的風(fēng)險大大增加。

鑒于以上情況，本文提出模糊綜合評價方法以解決上述問題。模糊綜合評價方法的優(yōu)點在于能對信息呈現(xiàn)模糊性的資料作出比較科學(xué)、合理、貼近實際的量化評價[10]。因此，根據(jù)該方法，在綜合考慮嚴(yán)重度、發(fā)生頻度、探測度差異的基礎(chǔ)上，通過引入專家組，量化專家組的主觀因素，并對結(jié)論進行評分來確定風(fēng)險優(yōu)先級別[11]，從而加強PFMEA對風(fēng)險控制和預(yù)判的作用。

1 模糊綜合評價法的PFMEA分析

1.1 收集PFMEA數(shù)據(jù)

收集PFMEA數(shù)據(jù)，建立PFMEA表格，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該包括：

1) 潛在的產(chǎn)品失效模式，是指過程中可能出現(xiàn)的不滿足設(shè)計要求和性能的問題點；

2) 潛在的后果，是指失效模式對產(chǎn)品質(zhì)量可能引發(fā)的不良影響；

3)潛在的失效原因，是指失效是怎樣引起的，針對每個潛在的失效模式列出盡可能多的失效原因；

4) 現(xiàn)行控制的方式，是指在當(dāng)前過程中，盡可能防止失效模式發(fā)生的控制方法的描述；

5) 風(fēng)險順序，是指該項特性對于產(chǎn)品性能影響的嚴(yán)重程度。

1.2OSD權(quán)重評估

成立專家小組，對評價指標(biāo)嚴(yán)重度(S)、發(fā)生頻度(O)、探測度(D)進行比較分析，建立判斷矩陣，行、列按照O，S，D3個元素排列，可通過表1選取O，S，D之間的比較數(shù)值Vij，其中用整數(shù)表示前者和后者比的重要程度，倒數(shù)表示后者和前者比的重要程度[12]。

表1 O，S，D比較數(shù)值

注：*選取數(shù)值2，4，6，8表示介于上述比較程度之間。

式(1)是第i個專家對O，S，D的判斷矩陣

(1)

對判斷矩陣Zi進行一致性檢驗，要求CR<0.1，否則需要對判斷矩陣進行修正，直到通過一致性檢驗。

CR=CI/RI，

(2)

1.3 確立各權(quán)重值

設(shè)評價指標(biāo)權(quán)重向量為A，

A=(a1a2… an) 。

(3)

使用算術(shù)平均法對判斷矩陣Zi的每列進行平整化處理，分別得到O，S，D的權(quán)重分配[13]

(4)

1.4 建立模糊評價矩陣

首先對各工序中的失效因素的評價指標(biāo)給予不同的評價等級Vj，讓專家組對各項指標(biāo)進行評定，設(shè)V為評價等級集，它包含j個由專家組對指標(biāo)的主觀評定信息的評分結(jié)果。

V={V1,V2,…,Vj} 。

(5)

一般取j=5，即極低、較低、一般、較高、極高5級評價等級：

V={V1,V2,V3,V4,V5}={極低，較低，一般，較高，極高} 。

(6)

然后由專家組對項目中的失效因素依據(jù)O，S，D3個指標(biāo)進行打分，用Vij表示對第i項指標(biāo)的第j級評價等級，再計算出不同評價等級在各項指標(biāo)評價等級中的比例，用rij表示

(7)

最后，將上述專家組的主觀評價信息匯總，建立指標(biāo)的模糊評價矩陣[14]

(8)

1.5 模糊綜合評價

(b1b2…bn)。

(9)

(10)

為了方便風(fēng)險順序的排序，設(shè)M為模糊評價結(jié)論等級值，再建立等級矩陣C，矩陣中包含n項等級的評分?jǐn)?shù)值，將模糊評價矩陣B點乘等級矩陣C的轉(zhuǎn)置矩陣，賦值后即得到結(jié)論等級值M：

C=(C1C2…Cn) ，

(11)

(12)

2 模糊綜合評價法的PFMEA應(yīng)用

根據(jù)以上分析，以某汽車空調(diào)制造商為例[15]，按照客戶和TS16949要求制作冷凝器產(chǎn)品的PFMEA，如表2所示。

表2 冷凝器PFMEA

在該傳統(tǒng)的PFMEA表中存在2個問題。其一，存在A1工序和A2工序RPN值相同的情況。難以區(qū)分采取措施的優(yōu)先順序。其二，存在不合理的情況。以A3工序和A5工序為例，兩者只在D上稍有偏差，使得A3工序比A5工序的RPN值高，但是A3工序的失效不會對冷凝器的性能有任何影響，而A5工序的失效則會使冷凝器性能下降。

現(xiàn)在使用模糊綜合評價法對表2中工序的風(fēng)險進行重新排序。

1)建立項目專家小組，小組成員由質(zhì)量經(jīng)理、工藝經(jīng)理、生產(chǎn)經(jīng)理、項目工藝工程師、產(chǎn)品工程師、現(xiàn)場生產(chǎn)工程師組成，對表2中的評價指標(biāo)O，S，D進行權(quán)重評估，根據(jù)評價結(jié)果建立判斷矩陣，見表3。

使用算術(shù)平均法計算每個專家的O，S，D權(quán)重矩陣Z，見表4。

對6個專家的權(quán)重結(jié)果進行平均化，得到權(quán)重向量A=(0.149 9 0.663 2 0.187 0)

專家組對失效模式從O，S，D3方面進行等級評價，見表5。

表3 O，S，D判斷矩陣

表4 O，S，D權(quán)重矩陣

表5 等級評價矩陣

統(tǒng)計各等級評分?jǐn)?shù)量在評分總量上所占的比例，建立如下模糊評價矩陣。

分別與權(quán)重矩陣A相乘，得到如下每個工序風(fēng)險的模糊評價。

B1=[0.03 0.16 0.1 0.05 0.66] ，

B2=[0 0.09 0.64 0.27 0]，

B3=[0 0.26 0.41 0.33 0] ，

B4=[0.10 0.11 0.13 0.11 0.55] ，

B5=[0 0.23 0.44 0.33 0] ，

B6=[0.12 0.06 0.16 0.55 0.11]。

利用等級矩陣C=[1 2 3 4 5]對以上模糊評價賦值，得到等級值M：

M1=4.15；M2=3.18；M3=3.07；M4=3.90；M5=3.10；M6=3.47。

匯總以上數(shù)據(jù)見表6，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的RPN分析法相比，使用該方法得到結(jié)論等級值M都是不相同的，符合實際情況。

根據(jù)表6數(shù)據(jù)繪制帕累托圖(見圖1)，可以看到A1，A4，A6，A2工序的失效頻率占總失效頻率的70%以上，是產(chǎn)品失效的主要原因，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采取措施預(yù)防風(fēng)險。

圖1 工序失效帕累托圖Fig.1 Process failure Pareto diagram

3 結(jié) 論

改進后的PFMEA方法一方面利用O，S，D權(quán)重賦予法，通過專家組的評價矩陣、一致性檢驗及算術(shù)平均法確定評價矩陣的權(quán)重，從而將RPN中3項指標(biāo)的差異因素凸顯出來，提高了RPN值的分辨率；另一方面引入模糊理論，綜合考慮評價指標(biāo)權(quán)重集對指標(biāo)的模糊評價矩陣的影響，進而賦予專家組的模糊評價矩陣不同的權(quán)重，從而大幅降低以往PFMEA方法中專家組存在的主觀判斷問題，提升了RPN值的準(zhǔn)確性。汽車空調(diào)冷凝器制造的實例驗證表明該PFMEA在實際應(yīng)用中能發(fā)揮更大作用。

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Improvement of PFMEA for automobile condenser based on fuzzy theory

ZHANG Jiadong, XIA Beixin

(School of Electrical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Aiming at the problems of low resolution and low accuracy of RPN(risk priority number) analysis in traditional PFMEA (process failure mode and effects analysis), a comprehensive evaluation method based on weight given and fuzz analysis techniques is proposed. Expert group is introduced to establish judgment matrix of evaluation indexes, then the weights are calculated based on consistency check and arithmetic method to improve the resolution of RPN. The effect of weight set on fuzzy judgment matrix is overall considered, and the fuzzy judgment matrixes of the expert group are assigned with different weights to quantize uncertain subjective factors. The results indicate that the proposed method can correctly sort the degrees of process risks when process RPN value is equal or the risk order cannot reflect actual condition in automobile air conditioning condenser, which strengthens the PFMEA’s abilities in risk control and prognosis.

other discipline of manufacturing processes and equipment; PFMEA; automobile air conditioning condenser; risk order; RPN; fuzz analysis

1008-1534(2016)04-0324-05

2016-03-15;

2016-04-01；責(zé)任編輯：馮 民

國家自然科學(xué)基金(71401098)；上海市高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項目(ZZSD15047)

張佳棟(1985—)，男，上海人，碩士研究生，主要從事風(fēng)險控制方面的研究。

夏蓓鑫博士，講師。E-mail: bxxia@shu.edu.cn

TH165.3

A

10.7535/hbgykj.2016yx04011

張佳棟，夏蓓鑫.基于模糊理論的汽車?yán)淠鱌FMEA改進[J].河北工業(yè)科技,2016,33(4):324-328. ZHANG Jiadong, XIA Beixin.Improvement of PFMEA for automobile condenser based on fuzzy theory[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):324-328.