鄭鳳翥，寧 飛，王惠林，吳雄雄，王 冠，趙志草，周 云，王 樂

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電系統(tǒng)是載機(jī)的重要任務(wù)設(shè)備之一，利用可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測距機(jī)等關(guān)鍵光學(xué)傳感器，可實現(xiàn)對特定區(qū)域、特定景物的遠(yuǎn)程、高清成像，而伺服穩(wěn)定平臺是光電系統(tǒng)的骨架、神經(jīng)，其可靠性水平將嚴(yán)重影響光電系統(tǒng)的功能、性能。因此，對伺服穩(wěn)定平臺開展可靠性分析至關(guān)重要。故障模式、影響及危害性分析（FMECA）是一種有效的可靠性定性分析方法，它通過系統(tǒng)地分析，確定元器件、零部件、設(shè)備、軟件在設(shè)計和制造過程中所有潛在的故障模式，以及每一個故障模式的原因和影響，并按故障影響的后果對每一個潛在故障模式劃等分類，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施[1]。然而，在利用FMECA 得到關(guān)鍵故障模式及可靠性關(guān)重產(chǎn)品后，在后續(xù)的可靠性設(shè)計、可靠性指標(biāo)分配中，人為主觀判斷的影響較大。因此，為降低人為主觀判斷對設(shè)計、分配結(jié)果的影響，提高可靠性定性分析對可靠性設(shè)計、可靠性指標(biāo)分配的指導(dǎo)作用，在得到可靠性關(guān)鍵故障模式及關(guān)重產(chǎn)品后，將繼續(xù)深入分析關(guān)重產(chǎn)品對可靠性影響的重要度排序。

1 伺服穩(wěn)定平臺FMECA

伺服穩(wěn)定平臺，作為光電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐，為光電傳感器、圖像處理單元、減振裝置等提供安裝平臺；同時，在任務(wù)計算機(jī)板、電源板、伺服接口板、伺服驅(qū)動板、電機(jī)、旋變、陀螺等組件的協(xié)調(diào)配合下，響應(yīng)操控人員指令，驅(qū)動光電系統(tǒng)在方位向、俯仰向運(yùn)動[2]。

機(jī)械結(jié)構(gòu)件雖然采用無限壽命設(shè)計，但機(jī)械組件的裝配精度、磨損等可影響伺服穩(wěn)定平臺可靠性，故本文將機(jī)械組件作為單獨硬件單元，參與伺服穩(wěn)定平臺FMECA，并以此為依據(jù)，要求在后續(xù)可靠性分配中，對其分配相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

1.1 故障嚴(yán)酷度類別及發(fā)生概率

根據(jù)伺服穩(wěn)定平臺的每個故障模式對光電系統(tǒng)的最終影響程度，確定其嚴(yán)酷度類別。光電系統(tǒng)嚴(yán)酷度類別及定義如表1所示。

表1 光電系統(tǒng)嚴(yán)酷度類別及定義Table 1 Severity category and definition of electro-optical system

危害度等級嚴(yán)格按照GJB/Z 1391—2006 《故障模式、影響及危害性分析指南》，定性危害性矩陣分析時，將每個故障模式發(fā)生概率的等級劃分為A、B、C、D、E 五級。

1.2 可靠性關(guān)重產(chǎn)品

通過對伺服穩(wěn)定平臺硬件故障模式、影響及危害性分析，伺服穩(wěn)定平臺共24 個故障模式中，沒有嚴(yán)酷度為Ⅰ類的故障，嚴(yán)酷度為Ⅱ類的有17個。得到伺服穩(wěn)定平臺可靠性關(guān)重件清單如表2所示。

表2 可靠性關(guān)重產(chǎn)品清單Table 2 List of reliability critical products

從表2 可知：平臺機(jī)械組件10、電機(jī)20、旋變30、陀螺40、電源板50、任務(wù)計算機(jī)板60、伺服接口板70、伺服驅(qū)動板80 為伺服穩(wěn)定平臺可靠性關(guān)重產(chǎn)品，對關(guān)重產(chǎn)品對應(yīng)的關(guān)鍵故障模式應(yīng)通過設(shè)計改進(jìn)、使用補(bǔ)償?shù)却胧┯枰韵?/p>

2 可靠性關(guān)重產(chǎn)品重要度分析

雖然，借助FMECA 得到了伺服穩(wěn)定平臺的可靠性關(guān)重產(chǎn)品，但受限于技術(shù)水平、體積質(zhì)量、成本控制等，無法對關(guān)重產(chǎn)品的每個關(guān)鍵故障模式采用設(shè)計改進(jìn)、使用補(bǔ)償?shù)却胧┮灰幌?。因此，需對關(guān)重產(chǎn)品的重要度進(jìn)行深入分析，將重要度高的關(guān)重產(chǎn)品對應(yīng)的關(guān)鍵故障模式采用設(shè)計改進(jìn)、使用補(bǔ)償?shù)却胧┯枰韵?，對無法通過該措施予以消除的關(guān)鍵故障模式，其對應(yīng)的關(guān)重產(chǎn)品在后續(xù)可靠性分配時應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)，以提高伺服穩(wěn)定平臺可靠性。

2.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法是基于模糊一致關(guān)系和模糊一致矩陣的模糊集合理論，它是在層次分析法的基礎(chǔ)上，充分考慮了人為主觀判斷的模糊性，是一種更好地處理含有模糊性的決策問題的分析方法。該方法的分析思路是：將復(fù)雜分析對象分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，對同一層的指標(biāo)，兩兩之間的重要程度做出判斷，建立判斷矩陣，并計算出每一因素對高一層指標(biāo)重要性程度的權(quán)重，得到判斷矩陣對應(yīng)的權(quán)重向量，為最優(yōu)選擇提供依據(jù)。它能利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，進(jìn)而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則和無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供基于數(shù)學(xué)理論的分析方法[3-13]。

2.2 重要度分析

1）建立多級遞階結(jié)構(gòu)

目標(biāo)層A 為伺服穩(wěn)定平臺可靠性，準(zhǔn)則層B 為快速性（響應(yīng)的快速性）、精準(zhǔn)性（控制的精準(zhǔn)性）、平穩(wěn)性（運(yùn)動的平穩(wěn)性），方案層C 為平臺機(jī)械組件、電機(jī)、旋變、陀螺、電源板、任務(wù)計算機(jī)板、伺服接口板、伺服驅(qū)動板。建立的多級遞階結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服穩(wěn)定平臺多級遞階結(jié)構(gòu)Fig.1 Multilevel hierarchical structure of servo stabilization platform

2）建立模糊互補(bǔ)判斷矩陣

根據(jù)已建立的伺服穩(wěn)定平臺多級遞階結(jié)構(gòu)，采用0.1～0.9 標(biāo)度法，對2 個因素的相對重要程度做出定量表示，得到各級互補(bǔ)判斷矩陣如下：

式中：PA為3 個判斷準(zhǔn)則對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響重要程度的互補(bǔ)判斷矩陣，即A級判斷矩陣；PBi(i=1,2,3)分別為各方案單元從快速性、精準(zhǔn)性和平穩(wěn)性3 個判斷準(zhǔn)則對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響重要程度的互補(bǔ)判斷矩陣，即B級判斷矩陣。

3）判斷矩陣權(quán)重向量計算

權(quán)重向量的計算采用文獻(xiàn)[14]中的公式：

利用該公式計算以上互補(bǔ)判斷矩陣對應(yīng)的權(quán)重向量如下：

3 個判斷準(zhǔn)則對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響的權(quán)重向量為

WA=(0.333 3,0.383 3,0.283 3)T

各判斷準(zhǔn)則下8 個方案單元的權(quán)重向量為

4）判斷矩陣對應(yīng)的特征矩陣計算

各判斷矩陣對應(yīng)的特征矩陣按如下公式計算：

式中：W=(W1,W2,···,Wn)T是判斷矩陣的權(quán)重向量；計算得到各特征矩陣如下：

5）判斷矩陣的一致性檢驗

一致性檢驗是檢驗判斷矩陣建立是否合理的依據(jù)，可用判斷矩陣的相容性來檢驗一致性。矩陣A=(ai j)n×n和矩陣B=(bij)n×n的相容性指標(biāo)采用文獻(xiàn)[15]中的公式計算。

當(dāng)相容性指標(biāo)I(A,B)≤α?xí)r，認(rèn)為判斷矩陣為滿意一致的。 α越小表明決策者對模糊判斷矩陣的一致性要求越高，一般取 α=0.1。

利用上述公式，計算各判斷矩陣與其相對應(yīng)的特征矩陣的相容性指標(biāo)如下：

由計算可知：每個判斷矩陣與其對應(yīng)的特征矩陣的相容性指標(biāo)均小于0.1，認(rèn)為每個模糊互補(bǔ)判斷矩陣是滿意一致的，其權(quán)重集的分配是合理的。

因此，有排序向量組成的評判矩陣R為

式中：B1為 快速性；B2為 精準(zhǔn)性；B3為平穩(wěn)性。

6）各方案單元對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響重要度的總排序

總排序結(jié)果計算如下：

式中的算子“ O”采用模糊數(shù)學(xué)的加權(quán)平均型運(yùn)算法則（見公式4），它可以兼顧到各方案單元對伺服穩(wěn)定平臺可靠性的影響，更能體現(xiàn)對伺服穩(wěn)定平臺可靠性研究時的全局觀。

由（4）式得出各方案單元對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響的重要度見表3。

表3 各方案單元對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響的重要度Table 3 Importance of influence of each scheme unit on reliability of servo stabilization platform

結(jié)合模糊理論中的最大隸屬度原則，確立的各方案單元對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響重要度的排序為：C2＞C1＞C8＞C3＞C5＞C7＞C4＞C6，對 應(yīng) 的方案單元為：電機(jī)＞平臺機(jī)械組件＞伺服驅(qū)動板＞旋變＞電源板＞伺服接口板＞陀螺＞任務(wù)計算機(jī)板。

3 結(jié)論

本文將傳統(tǒng)的FMECA 和模糊層次分析法相結(jié)合，提出了一種可有效降低人為主觀判斷對可靠性設(shè)計、分配影響的解決思路。在此基礎(chǔ)上，以光電系統(tǒng)伺服穩(wěn)定平臺為研究對象，深入分析了關(guān)重產(chǎn)品對伺服穩(wěn)定平臺可靠性影響的重要度排序，該重要度排序?qū)⒆鳛楹罄m(xù)可靠性設(shè)計、可靠性分配的重要依據(jù)和參考。因此，可將重要度對可靠性設(shè)計與分配的指導(dǎo)研究作為后續(xù)研究的方向。