田 磊，楊文鉑，葛 蓁

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

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基于模糊理論的聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性分析與評(píng)價(jià)

田 磊1，楊文鉑1，葛 蓁2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

針對谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性影響因素復(fù)雜，考核指標(biāo)、評(píng)估方法多及難以開展定量化評(píng)估的問題，將谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)估試驗(yàn)中得到的多個(gè)指標(biāo)，結(jié)合可能影響谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性的人為和環(huán)境因素，采用模糊理論，對谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為客觀地評(píng)價(jià)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性提供依據(jù)。基于樣本等級(jí)區(qū)間抽樣和可拓理論的模糊理論可靠性評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型。該模型能夠有效解決谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)價(jià)問題，特別在進(jìn)行可靠性對比時(shí)，模糊綜合評(píng)價(jià)將可以解決多個(gè)單因素指標(biāo)所無法解決的綜合指標(biāo)技術(shù)難題。

聯(lián)合收獲機(jī)；可靠性；模糊理論；等級(jí)區(qū)間

0 引言

谷物聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境和人為因素等影響因素較多，其可靠性評(píng)價(jià)相對較為困難。機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6287-2008《谷物聯(lián)合收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》中規(guī)定了谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性試驗(yàn)方法，明確了谷物聯(lián)合收獲機(jī)械的可靠性指標(biāo)計(jì)算方法。然而，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏，可靠性考核方法不統(tǒng)一，如何科學(xué)、客觀地對谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)一直是困擾研制和鑒定單位的難題。本文充分考慮了谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)價(jià)的各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)融合考慮影響谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性的各種因素，基于樣本等級(jí)區(qū)間抽樣和可拓理論的模糊理論可靠性評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型。該模型能夠有效解決谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)價(jià)問題，特別是在進(jìn)行可靠性對比的時(shí)候，模糊綜合評(píng)價(jià)將可以解決多個(gè)單因素指標(biāo)所無法解決的綜合指標(biāo)技術(shù)難題，對解決谷物聯(lián)合收獲機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備可靠性評(píng)價(jià)方法不統(tǒng)一問題具有重要的理論意義和參考價(jià)值。

1 聯(lián)合收割機(jī)可靠性考核方法

當(dāng)前，我國聯(lián)合收獲機(jī)可靠性考核主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括有農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2613-2014《農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性評(píng)價(jià)通則》和機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6287- 2008《谷物聯(lián)合收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》。

NY/T 2613-2014 《農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性評(píng)價(jià)通則》中，對農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性評(píng)價(jià)的故障分級(jí)及記錄、考核指標(biāo)、考核辦法、考核方法選擇和評(píng)價(jià)規(guī)則均進(jìn)行了規(guī)定。對于農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的試驗(yàn)鑒定，可參考該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)中給出考核方法有生產(chǎn)試驗(yàn)法、跟蹤考核法、模擬試驗(yàn)法、生產(chǎn)查定法和用戶調(diào)查法等5種，用平均首次故障前作業(yè)時(shí)間、平均故障間隔時(shí)間、平均當(dāng)量故障間隔時(shí)間、有效度和用戶滿意度等5項(xiàng)指標(biāo)作為考核的內(nèi)容。對于考核方法的選擇有3個(gè)原則：

1)根據(jù)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)和試驗(yàn)鑒定要求，選擇相應(yīng)的考核方法；

2)生產(chǎn)試驗(yàn)法、跟蹤考核法和模擬試驗(yàn)法可獨(dú)立用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)；

3)生產(chǎn)查定法和用戶調(diào)查法在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)中應(yīng)結(jié)合使用。

JB/T 6287-2008《谷物聯(lián)合收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》針對聯(lián)合收獲機(jī)械性能試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)實(shí)施所需的基本條件均進(jìn)行了規(guī)定，對可靠性試驗(yàn)方法的故障統(tǒng)計(jì)判定原則、故障分類原則、可靠性指標(biāo)計(jì)算等均有詳細(xì)的說明。其中，對于可靠性指標(biāo)規(guī)定了平均故障間隔時(shí)間MTBF、有效度A和損壞件費(fèi)用率3個(gè)指標(biāo)。

從以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性試驗(yàn)要求可以看出：當(dāng)前聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性主要是通過考核計(jì)算平均故障間隔時(shí)間MTBF或有效度A等單個(gè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)，各個(gè)指標(biāo)之間相對獨(dú)立；而在實(shí)際實(shí)施過程中，各個(gè)可靠性指標(biāo)之間并無法建立起相應(yīng)關(guān)系，造成對該收獲機(jī)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)出現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)品有多個(gè)可靠性指標(biāo)，在對多個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性比對時(shí)各個(gè)指標(biāo)參差不齊，無法進(jìn)行綜合比較的問題，需要對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，給出產(chǎn)品的可靠性綜合評(píng)價(jià)結(jié)論。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)理論基礎(chǔ)

模糊綜合評(píng)價(jià)以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則兩種方法，系統(tǒng)地分析與評(píng)價(jià)對象關(guān)系密切的因素，進(jìn)而從多個(gè)方面對評(píng)價(jià)對象隸屬度等級(jí)狀況進(jìn)行綜合評(píng)判。只有了解各因素在系統(tǒng)中的重要程度，建立合理的數(shù)學(xué)模型，才能對這些因素綜合評(píng)價(jià)，做出合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。

模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型主要包括3個(gè)要素，可以分為4個(gè)步驟建立：

1)確定評(píng)價(jià)因素集。評(píng)價(jià)因素集U={u1,u2,…,un}為所有影響評(píng)價(jià)對象結(jié)果的因素ui的有限論域。

2)進(jìn)行單因素評(píng)判。單因素評(píng)判f:U→F[V]可以表示為

ui→f(ui)=(ri1,ri2,…,rim)∈F(V)

(1)

其中，ri1,ri2, …,rim分別代表ui對v1、v2、 …、vm的隸屬度，即可誘導(dǎo)出模糊關(guān)系Rf∈F(U×V)，即

Rf(ui,vi)=f(ui)(vi)=rij

(2)

因此，Rf可由模糊矩陣R∈un×m表示為

(3)

其中，R稱為單因素評(píng)判矩陣。

模糊關(guān)系R可誘導(dǎo)出U到V的模糊變換Tf(U,V,R)構(gòu)成一個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，U、V、R是此模型的3個(gè)要素。

3)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，由于各因素對結(jié)果的影響未必都相等，需要對各因素進(jìn)行加權(quán)分析，因此設(shè)計(jì)一個(gè)因素權(quán)重集A，A=(a1,a1,…,an)表示各因素的權(quán)重分配，它與評(píng)判矩陣R的合成就是對各因素的綜合評(píng)價(jià)。引入模糊變換為

AR=B

(4)

采用線性變換方法運(yùn)算，可得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

=(b1,b2,…,bm)

(5)

其中，B為評(píng)判結(jié)果。

3 谷物聯(lián)合收獲機(jī)綜合可靠性評(píng)價(jià)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)綜合可靠性評(píng)價(jià)主要包括建立評(píng)價(jià)對象因素集、建立評(píng)價(jià)矩陣、建立權(quán)重集和進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)4個(gè)部分。谷物聯(lián)合收獲機(jī)綜合可靠性評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 谷物聯(lián)合收獲機(jī)綜合可靠性評(píng)價(jià)流程

combine harvester

3.1 建立評(píng)價(jià)對象因素集

對谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行可靠性分析，需要確定綜合、設(shè)計(jì)或使用等方面的總評(píng)價(jià)方向,并選定對可靠性影響較大者作為評(píng)價(jià)因素。具體看來，JB/T 6287-2008《谷物聯(lián)合收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》中谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性試驗(yàn)方法對可靠性指標(biāo)的計(jì)算主要包括以下兩點(diǎn)：

1)平均故障間隔時(shí)間。平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure)又稱平均無故障時(shí)間，指可修復(fù)產(chǎn)品兩次相鄰故障之間的平均時(shí)間，主要采用計(jì)算點(diǎn)估計(jì)和單邊置信區(qū)間下限方式進(jìn)行計(jì)算。其中，點(diǎn)估計(jì)計(jì)算公式為

(6)

單邊置信區(qū)間下限為

(7)

式(7)中，MTBF表示點(diǎn)估計(jì)的平均故障間隔時(shí)間(h)；(MTBF)L表示單邊置信區(qū)間下限的平均故障間隔時(shí)間(h)；∑ti表示各臺(tái)試驗(yàn)谷物聯(lián)合收獲機(jī)累積工作時(shí)間之和(h)；∑r各臺(tái)試驗(yàn)谷物聯(lián)合收獲機(jī)的故障之和(個(gè))。

2)有效度。谷物聯(lián)合收獲機(jī)零部件有效度表達(dá)式為

(8)

其中，A表示為有效度；∑ti表示各臺(tái)試驗(yàn)谷物聯(lián)合收獲機(jī)故障排除和修復(fù)時(shí)間之和(h)。

3.2 建立評(píng)價(jià)矩陣

分析谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性，包括一系列的試驗(yàn)結(jié)果，還含有統(tǒng)計(jì)值、評(píng)語等因素。這些因素往往不完全符合評(píng)價(jià)所具備條件而不能直接用于評(píng)價(jià)，因此必須對無法直接使用的資料按照有利于確定出隸屬度的原則進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),包括分類、量化等工作。然后，根據(jù)各因素的特性,找出各自的隸屬度函數(shù),再確定出各參加評(píng)價(jià)因素的隸屬度,建立模糊關(guān)系矩陣,即評(píng)價(jià)矩陣。

3.3 建立權(quán)重集

在模糊綜合評(píng)價(jià)中，權(quán)重確定的恰當(dāng)與否將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要請有關(guān)專家或有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員對影響谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)因素設(shè)定權(quán)重。權(quán)重值一般由專家組設(shè)定。例如，專家組對可靠性影響因素A、B、C、D的重要程度進(jìn)行判斷，認(rèn)為A比較重要的占專家總數(shù)的40%，其他B、C、D依次為33%、11%、16%，則各個(gè)因素的權(quán)重值為[0.4,0.33,0.11,0.16]?？梢愿鶕?jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)對權(quán)重值進(jìn)行判斷，各個(gè)綜合評(píng)價(jià)因素對可靠性得影響越大,則權(quán)重值越高。

3.4 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)前文對谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性影響因素分析和權(quán)值構(gòu)成的模糊向量，在已經(jīng)獲得谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性影響因素權(quán)重集合單因素評(píng)價(jià)矩陣d前提下，通過模糊變換即可對谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)主要包括一級(jí)綜合評(píng)價(jià)和二級(jí)綜合評(píng)價(jià)，一般都是根據(jù)自身因素與人為因素對谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性程度進(jìn)行分析。

4 建立谷物收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型

4.1 可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和等級(jí)劃分

對谷物聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行可靠性分析，需要確定綜合、設(shè)計(jì)或使用等方面的總評(píng)價(jià)方向,并盡量選擇最能反映和度量評(píng)價(jià)好壞程度者作為評(píng)價(jià)因素。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6287-2008《谷物聯(lián)合收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》，谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性試驗(yàn)方法對可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為平均故障間隔時(shí)間MTBF和有效度A。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合谷物收獲機(jī)底盤可靠性實(shí)際情況，本文將評(píng)價(jià)結(jié)果體系劃分為不合格、合格、二等品和一等品4個(gè)級(jí)別。評(píng)價(jià)結(jié)果體系劃分如表1所示。

表1 谷物聯(lián)合收獲機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果體系等級(jí)劃分

在谷物收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)中，如果其中一項(xiàng)為不合格，則該收獲機(jī)底盤可靠性判定為不合格。在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)中，谷物聯(lián)合收獲機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果選取抽樣區(qū)間如表2所示。

表2 谷物聯(lián)合收獲機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果選取抽樣區(qū)間表

在MTBF和A的優(yōu)等品區(qū)間沒有上限，本研究中上限值設(shè)定為90h，當(dāng)實(shí)際值大于90h時(shí)，以90h進(jìn)行計(jì)算。因此，谷物聯(lián)合收獲機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果抽樣區(qū)間也可以劃分為合格、二等品和一等品3個(gè)等級(jí)。等級(jí)區(qū)間和網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出值如表3所示。

表3 谷物聯(lián)合收獲機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)區(qū)分及網(wǎng)絡(luò)輸出值

4.2 模糊評(píng)價(jià)樣本的生成

在谷物收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)中，每個(gè)指標(biāo)和每個(gè)等級(jí)中選擇5個(gè)樣本數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行模糊組合。每個(gè)指標(biāo)的相同等級(jí)一共有3×52+(3+3)=81的組合，其中相同等級(jí)間的組合有3×52，指標(biāo)間的組合有6個(gè)，相同等級(jí)間的模糊評(píng)價(jià)樣本如表4所示。

表4 相同等級(jí)間的模糊評(píng)價(jià)樣本

不同等級(jí)間樣本組合共有150個(gè)，在進(jìn)行谷物收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)時(shí)，可以采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理確定其等級(jí)，可以觀察出：A與MTBF等級(jí)有關(guān)。本文將MTBF和A兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)定為0.33和0.67，從而可構(gòu)建出不同等級(jí)間的評(píng)判樣本。

由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理確定的等級(jí)評(píng)價(jià)機(jī)制可能存在一定指數(shù)的誤差系數(shù)，在設(shè)計(jì)和研究過程中可以根據(jù)穩(wěn)定性判斷值和樣本間的關(guān)系，對等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正。

4.3 谷物聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)前文的分析和研究，在建立谷物聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型時(shí)選擇學(xué)習(xí)率α=0.5，學(xué)習(xí)率誤差系數(shù)λ=0.02，慣性指數(shù)μ=0.5。通過MatLab軟件的仿真分析，最終建立谷物聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-15-1。在試驗(yàn)中，經(jīng)過53次模糊評(píng)價(jià)的迭代計(jì)算達(dá)到收斂的精度范圍。模糊評(píng)價(jià)迭代誤差如圖2所示。

圖2 模糊評(píng)價(jià)迭代誤差圖

樣本指標(biāo)等級(jí)各層間的節(jié)點(diǎn)閾值和連續(xù)權(quán)重如表5所示。

表5 樣本指標(biāo)等級(jí)各層間節(jié)點(diǎn)閥值和連續(xù)權(quán)重

Table 5 The sample index level between each layer node threshold and continuous weight

連續(xù)權(quán)重輸入層中間層輸出層閾值中間層輸出層-0．7546-1．5468-2．56420．06780．39251．24370．8098-0．3662-0．5681-0．2452-0．8361-0．4836-0．6525-2．4315-3．8231．2202-0．9876-1．43700．6248-0．13830．4276-1．52870．4590-0．2144-0．32000．1969-1．9115-0．46090．2338-1．44780．9237-0．4166-0．66800．2379-0．03510．7793-0．3778-1．4385-3．11801．3294-0．2162-1．47390．6345-0．14990．2581-1．58640．9094-0．4995-0．32000．1969-1．9115-0．4609-0．75321．6972-2．64370．0754-0．2176-0．7824-1．26780．2756-2．1056

由圖2和表5可知：通過樣本指標(biāo)等級(jí)間無誤差評(píng)價(jià)能夠大大提高整體樣本評(píng)價(jià)精度，可以提高糊理論可靠性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建效率。由此驗(yàn)證了該方法的有效性，表明模糊理論在聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性分析中具有可行性。

5 結(jié)論

基于樣本等級(jí)區(qū)間抽樣和可拓理論的模糊理論可靠性評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)底盤可靠性評(píng)價(jià)模型。根據(jù)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系，通過區(qū)間抽樣和排列組合的方式生成可靠性指標(biāo)樣本，利用可拓原理和主觀修正法判斷各指標(biāo)組合樣本的評(píng)價(jià)等級(jí)，最終生成用以網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的可靠性數(shù)據(jù)樣本。該模型能夠有效解決谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)價(jià)問題，特別是在進(jìn)行可靠性對比的時(shí)候，模糊綜合評(píng)價(jià)將可解決多個(gè)單因素指標(biāo)所無法解決的綜合指標(biāo)技術(shù)難題。對于模糊綜合評(píng)價(jià)來說，考慮的影響因素越多，評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確；但在進(jìn)行各因素權(quán)值分配時(shí)，由于一般采用專家打分法進(jìn)行權(quán)值分配，需經(jīng)過充分的論證，以免由于權(quán)重不合理導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。

[1] 王秀葉,王蘭安.谷物聯(lián)合收獲機(jī)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究與探討[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008(1):64.

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Reliability Analysis and Evaluation of Combined Harvester Chassis Based on Fuzzy Theory

Tian Lei1, Yang Wenbo1, Ge Zhen2

( 1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.School of Information Engineering, Wuhan Technology and Business University, Wuhan 430065, China)

In view of the factors influencing the grain combine harvester reliability complex, assessment indicators, assessment methods, it is difficult to carry on the quantitative assessment of the problem, this paper proposes the grain combine harvester reliability evaluation test of a number of indicators, combining may influence of grain combined harvester man-made and environmental factors of the reliability of the machine, by using fuzzy theory, the reliability of grain combine harvester comprehensive evaluation, for the objective evaluation of grain combine harvester reliability provide the basis. The sample grade interval sampling and extension theory the theory of fuzzy reliability evaluation method to construct the combine harvester chassis reliability evaluation model based on, the model can effectively solve the grain combine harvester's reliability evaluation problem, especially in the reliability comparison, fuzzy comprehensive evaluation will be able to solve the multiple single factors which cannot be solved by comprehensive index of technical problems.

combine harvester; reliability; fuzzy theory; grade interval

2016-06-01

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102110161)；武漢工商學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(A2015005)

田 磊(1983-)，男，河南南陽人，講師，碩士。

葛 蓁(1983-)，女，河南商城人，講師，碩士，(E-mail)gezhen1983@sina.cn。

S225.3

A

1003-188X(2017)08-0043-05