基于質(zhì)量功能展開的狀態(tài)參數(shù)確定方法

封會(huì)娟，閆 旭，劉祥凱，唐彥峰，李志威

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

隨著裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和技術(shù)含量的提高，以及監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單的以預(yù)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(shí)施過程可歸納為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、壽命預(yù)測(cè)及維修決策4個(gè)步驟。狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為CBM實(shí)施的第一步，需要依賴于對(duì)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行近似實(shí)時(shí)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(yàn)化，缺乏科學(xué)的分析計(jì)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(duì)裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)評(píng)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(yùn)用傳感器、人工智能、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)等多種先進(jìn)技術(shù)，通過外部檢測(cè)設(shè)備或裝備內(nèi)部植入的傳感器獲得裝備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，準(zhǔn)確地判定部件的實(shí)際狀態(tài)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與維修決策技術(shù)對(duì)裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或周期性的評(píng)價(jià)，最終作出科學(xué)化的維修決策，從而實(shí)現(xiàn)裝備維修管理工作的科學(xué)化、合理化。

1.2 狀態(tài)參數(shù)定義

裝備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生能夠表征其狀態(tài)的物理現(xiàn)象(如振動(dòng)、溫度變化等)，并引起相應(yīng)參數(shù)(如轉(zhuǎn)矩、壓力等)的變化，這為裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可能。在實(shí)際應(yīng)用中，這些被選擇用于對(duì)裝備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(yàn)來確定，少數(shù)學(xué)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(yīng)遵循的原則。

(1)可測(cè)性。狀態(tài)參數(shù)應(yīng)具有一定的物理意義，能夠量化表示且便于測(cè)量。

(2)多能性。即參數(shù)能全面地表征設(shè)備運(yùn)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(yīng)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(shí)，應(yīng)選擇隨劣化或故障趨勢(shì)變化更為明顯的參數(shù)。如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活塞副磨損較為嚴(yán)重時(shí)，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(dá)40% ～50%，則應(yīng)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(yīng)選擇在相同監(jiān)測(cè)條件下數(shù)據(jù)離散度小、重復(fù)性好，在指示設(shè)備狀態(tài)的有效測(cè)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(jì)和開發(fā)的計(jì)劃過程，是質(zhì)量工程的核心技術(shù)。該方法最早由日本學(xué)者于1966年首次提出，如今在日本和美國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。近年來，QFD方法的研究趨勢(shì)正向解決武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)決策問題的方向邁進(jìn)，逐漸成為一種重要的關(guān)鍵技術(shù)評(píng)價(jià)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(jì)指標(biāo)之間的關(guān)系，并進(jìn)行量化分析，確定描述需求的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而設(shè)計(jì)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(cè)需求及需求權(quán)重。監(jiān)測(cè)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)的必須保證和實(shí)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(guó)家和軍用標(biāo)準(zhǔn)中獲取。

(3)房間:相關(guān)關(guān)系矩陣。表示各監(jiān)測(cè)需求和各參數(shù)之間的相關(guān)程度，由相關(guān)法則計(jì)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(píng)價(jià)矩陣。該項(xiàng)是質(zhì)量屋的輸出項(xiàng)，表示各參數(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)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(cè)需求與參數(shù)之間關(guān)系，借助相關(guān)計(jì)算得到各參數(shù)對(duì)于產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要程度，進(jìn)而可以確定狀態(tài)參數(shù)。運(yùn)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(cè)需求。經(jīng)過調(diào)研及對(duì)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(duì)CBM對(duì)象的指定故障模式確定監(jiān)測(cè)需求，用i和j表示(i，j=1，2，…，m)，如狀態(tài)參數(shù)對(duì)故障的敏感性、與故障的關(guān)聯(lián)性、監(jiān)測(cè)傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關(guān)性、監(jiān)測(cè)成本等。

(2)獲取監(jiān)測(cè)參數(shù)。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20471《機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷——基于應(yīng)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(dòng)、功率等。

(3)利用AHP法計(jì)算各需求重要度權(quán)重。

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

(b)運(yùn)用數(shù)字1～9標(biāo)度確定各相對(duì)重要程度值，標(biāo)度含義見表1。

表1 標(biāo)度含義

(c)根據(jù)判斷矩陣，求最大特征根λmax所對(duì)應(yīng)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

首先，計(jì)算判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)C.I.，方程為

其次，由表2確定平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.的取值。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

最后，計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率C.R.:

當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)，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(cè)實(shí)際情況，根據(jù)狀態(tài)參數(shù)和監(jiān)測(cè)需求間的關(guān)系，按照各狀態(tài)參數(shù)滿足監(jiān)測(cè)需求的情況rnm按照0～5分的標(biāo)度打分，強(qiáng)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(jì)算參數(shù)重要度。根據(jù)HoQ模型中的監(jiān)測(cè)需求重要度權(quán)重和關(guān)系矩陣，運(yùn)用式(5)計(jì)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(duì)于監(jiān)測(cè)需求的滿足程度，可據(jù)此按從大到小順序排列，即對(duì)應(yīng)得到狀態(tài)參數(shù)排序［5］。

3 實(shí)例分析

現(xiàn)以往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)為例，設(shè)置實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本研究提出的方法是否科學(xué)可行。

經(jīng)過對(duì)裝備產(chǎn)品和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料的分析以及對(duì)相關(guān)專家和工程人員的調(diào)研，確定往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火故障的監(jiān)測(cè)需求為:狀態(tài)參數(shù)對(duì)故障的敏感性、與故障的關(guān)聯(lián)性、監(jiān)測(cè)傳感器的可用性、與其他參數(shù)的相關(guān)性、監(jiān)測(cè)成本，分別記為監(jiān)測(cè)需求1～5(見表3)。

表3 監(jiān)測(cè)需求示例

根據(jù)GB/T 20471獲取點(diǎn)火故障模式常用的狀態(tài)參數(shù)集:發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、汽缸壓力、燃料流量、排氣溫度、振動(dòng)、輸出功率、油損耗，標(biāo)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(jì)算各監(jiān)測(cè)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)，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(qǐng)多名操作人員和維修技術(shù)人員對(duì)參數(shù)滿足監(jiān)測(cè)需求的情況進(jìn)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(jì)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(duì)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，狀態(tài)參數(shù)推薦排序?yàn)檎駝?dòng)、油損耗、輸出功率、燃料流量、汽缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、排氣溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)狀態(tài)參數(shù)確定方法普遍經(jīng)驗(yàn)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(cè)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(shí)例分析，該方法能夠客觀、充分反映參數(shù)的重要程度，為實(shí)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(yīng)用研究［D］.石家莊:軍械工程學(xué)院，2008:5-19.

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

［3］ 機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷:基于應(yīng)用性能參數(shù)的一般指南:GB/T 20471—2006［S］.北京:中國(guó)國(guó)家質(zhì)檢總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管委會(huì)，2006.

［4］ 楊雪，張振鵬，楊恩鋒.基于AHP的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的選取方法研究［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，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(jì)模糊綜合評(píng)價(jià)［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(3):4-7.