基于专家评分和蒙特卡罗模拟的车辆装备零部件重要度评价方法

赵星贺，周斌，许凯，周玄

（1.陆军军事交通学院 研究生队，天津 300161；2.陆军军事交通学院 投送装备保障系，天津 300161）

1 引言

据统计，车辆装备由约一万个不可拆卸的零部件构成。其中不同零部件由于功能和故障模式不同，其发生故障时对车辆装备的影响程度也不同。因此，在对车辆装备进行预防性维修决策时，对待不同零部件不能一概而论，应当根据零部件在车辆装备中的重要程度有针对性地采取不同的维修策略。当前确定零部件重要度主要分为两种思路，一种是基于概率统计方法对零部件重要度进行定量计算，2012年，张恒在文献[1]中通过建立机床设备故障树，从故障底事件开始对设备故障顶事件进行全概率分解，根据底事件对顶事件的影响大小，计算零部件相对概率重要度。2018年，夏侯唐凡在文献[2]中针对工程实际中车床设备故障规律较难收集的问题，基于证据理论和马尔可夫模型，提出了在认知不确定下Birnbaum重要度的计算方法。另一种是基于FMECA分析定量估计零部件重要度。2017年，刘华新在文献[3]中确定了评价风电机组重要度的6个决策因素，构建了重要度评价体系，并利用灰色模糊综合评判法降低了由决策因素不确定对零部件重要度造成的影响。2018年，罗亚平在文献[4]中针对民用轿车，将零部件风险优先数、危害度和维修费用作为零部件关键度决策因素，并利用ABC分类法将零部件按重要度归类。

基于概率统计方法定量确定零部件重要度，结果较为准确，理论性更强，但是在工程实际中大量的零部件劣化或故障规律较难准确归纳，降低了方法的可操作性。且由此确定的重要度仅与设备和零部件的故障率相关，没有考虑零部件故障对设备的影响程度，因此不适合作为车辆装备的维修决策的依据。基于FMECA分析定量估计零部件重要度，降低了对故障历史数据的要求，适用性更强，但通常不同专家对不同评价项目的考量不同，造成评价结果较为主观，存在一定误差。并且对于零部件数量较多的设备，进行模糊综合评判的任务量较大，影响了工作效率。本文针对上述方法存在的问题，结合车辆装备特性和维修保障实际，构建了车辆装备零部件重要度评价体系。在专家评价的基础上，利用层次分析法确定各个评价项目的权重，并利用蒙特卡罗模拟降低由人工误差对零件重要度计算造成的影响。相比于传统方法，在保证较强可操作性的同时，一定程度上避免了由大量主观数据造成的负面影响。

2 车辆装备零部件重要度评价体系

2.1 重要度评价项目

通常车辆装备中某一零部件故障可能会造成车辆装备整体可靠性降低，导致车辆装备需要执行计划之外的维修保养活动，增加车辆装备维修保障费用，降低车辆装备可用度。因此，对于车辆装备的预防性维修决策而言，一个零部件重要与否取决于其故障对于车辆装备整体可靠度的影响，以及零部件故障后的维修性强弱。此外，考虑到不同零部件故障的明显程度不同，当故障表现较为明显即可检测性较强时，驾驶员可以较为直观的发现故障隐患，在零部件故障隐患未演化成功能故障前，及时采取相应措施，避免功能故障发生所造成的一系列后果（例如驾驶员在出车前检查车况时，较为容易发现轮胎漏气的故障隐患。此时及时更换备胎，即可在很大概率上避免由于车轮爆胎造成的故障后果）。综上，本文将可靠性因素、维修性因素、测试性因素作为评价车辆装备零部件重要度的决策因素。

车辆装备可靠性是指车辆装备在规定工作条件下和规定时间内完成规定功能的能力[5]，与各个零部件故障率和各个零部件故障后果相关。因此可以用零部件故障率、故障对于车辆装备执行任务及对驾驶员行驶安全的影响程度评价可靠性因素。维修性是指车辆装备在规定的条件下和规定的时间内，按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力[6]。通常由车辆装备零部件的维修性设计决定，例如在设计时是否考虑了标准化、通用性和互换性，是否考虑了零部件在维修过程中的可达性，维修过程对维修技术人员是否安全等等。维修性的高低可以间接利用维修停机时间和维修费评价。测试性是指车辆装备能及时准确确定其工作状态（可工作、不可工作或工作性能下降）并隔离其内部故障的能力[7]，可以结合故障表现是否明显、隐患是否易于检测进行评价。综上，车辆装备零部件重要度具体评价项目如图1所示。

图1 车辆装备零部件重要度评价项目

为统一评价标准，降低主观因素对车辆装备零部件重要度的影响，本文结合车辆装备特性和维修保障实际建立了评价项目的评分标准（见表1）。车辆装备设计工程师、维修保障专家、维修技术人员和驾驶员参考车辆装备设计指标、故障历史数据、实际工作任务依据评分标准对零部件重要度评价项目进行评分。

表1 重要度评价项目评分标准

2.2 评价项目权重

考虑到在不同的任务需求下，各个评价项目对车辆装备零部件重要度的影响程度不同，需要为各个决策因素分配适当的权重以衡量各个决策因素对零部件重要度的贡献。常用于确定权重的方法有特尔菲测定法、因素成对对比法和层次分析法[8]。其中层次分析法所需定量数据较少、实用性较强。因此，本文利用层次分析法分析确定各个评分项目的权重值。

将图1中所示的6个评价项目按照由上至下顺序映射为项目1至项目6。定义相对重要性参数βij（i，j=1，2，3…,6），且βij*βji=1。采取专家打分的方法确定在某一任务需求下，两个评分项目间的相互重要程度，构建相互重要度量化矩阵Q。相对重要性参数和定性评价关系见表2。

表2 相对重要性参数

相对重要度量化矩阵Q的最大特征值λmax所对应的一组特征向量，在进行归一化处理后，即可一一对应为项目1至项目6的权重。为了检验权重分配是否正确，需要确定重要度量化矩阵Q的随机一致性比率μ，判断其一致性，检验公式如下：

其中μN为矩阵的一般一致性指标，。μS为矩阵的平均随机一致性指标，见表3。

表3 平均随机一致性指标

当μ＜0.1时，则认定判断矩阵具有满意的一致性，说明权重分配是正确的，否则需要调整判断矩阵，直到符合要求为止[9]。

2.3 零部件重要度计算

本文定义车辆装备零部件重要度计算公式如下：

在确定了零部件各个评分项目分值和评分项目权重后，即可计算车辆装备零部件重要度。重要度数值越大，则零部件在维修决策时的重要程度越高。

3 利用蒙特卡罗模拟确定零部件重要度

蒙特卡罗模拟也称统计模拟方法，是指以概率统计理论为指导、以实验为手段，用事件出现的频率估计该事件发生概率的方法[10]。为了避免在确定评价项目权重过程中，由于评价项目权重数值误差对车辆装备零部件重要度的影响，本文在专家打分确定各个评价项目分值和评价项目权重大小顺序后，利用蒙特卡罗模拟进行大量模拟实验确定零部件重要度。在MATLAB程序中，每一次模拟实验生成6个和为1的随机数，按照从大到小的顺序依次作为6个评价项目的权重（将最大的随机数作为权重数值，赋值给由专家评分确定的排序最高的评价项目，其次依次类推），之后按照重要度计算公式计算储存零部件重要度。重复进行2 000次模拟实验后，结合不同需求采取不同的统计方法对模拟试验的结果进行数学统计。例如，需要确定零部件重要度具体数值时，可以统计模拟结果重要度平均值；需要基于零部件重要性进行分组维修决策时，可以统计模拟结果重要度排序累计概率。综上，蒙特卡罗模拟流程图如图2所示。

4 示例分析

本文以某型车辆装备行车制动系统为例进行示例分析。对该型车辆装备行车制动系统进行wbs分解，直至部队级维修单位可直接更换维修的最小零部件。得到其行车制动系统由制动灯、制动踏板、制动油管、制动钳、制动总泵、制动分泵、制动盘、制动摩擦片、ABS控制器组成。通过向车辆装备设计工程师、维修保障专家、维修技术人员和驾驶员咨询调研，得到该型车辆装备行车制动系统在执行作战任务时的各个零部件重要度评价项目评分和相对重要性量化矩阵Q，制动系统零部件重要度评价项目评分具体见表4。

图2 基于蒙特卡罗模拟确定零部件重要度流程

表4 制动系统零部件重要度评价项目评分

图3 行车制动系统零部件重要度排序累计频率

经计算后，μN=0.022 3，μS=1.24，μ=0.018＜0.1，通过一致性检验。得到故障率、安全性影响、任务型影响、停机时间、维修费用和可检测性的权重分别为0.28，0.29，0.18，0.11，0.08，0.06。

在MATLAB中进行蒙特卡罗模拟，得到各零部件重要度及重要度排序累计频率，见表5和图3。

表5 行车制动系统零部件重要度

对图表进行分析，可以较为直观地观察到该型车辆装备行车制动系统中零部件按重要度大小依次排序为制动摩擦盘、制动分泵、制动总泵、制动盘、制动钳、制动踏板、制动油管、ABS控制器和制动灯。

制动摩擦盘是制动系统中主要的磨损件，在车辆装备日常使用过程中通常实施定时保养和更换的预防性维修工作，可视作重要度极高；制动分泵发生橡胶件老化、刹车油泄露的概率较高，通常实施定期检测和保养的预防性维修工作，可视作重要度较高；制动总泵虽然故障率不高，但故障较为隐蔽且故障后果较为严重，维修成本较高且维修时间较长，通常实施定期检测和保养的预防性维修工作，可视作重要度较高；制动盘、制动钳、制动踏板、制动油管故障率不高，维修成本较低，通常实施定期保养的预防性维修工作，可视作重要度一般；ABS控制器虽然维修成本较高且维修时间较长，但故障率极低，通常采取故障后维修，可视作重要度低；制动灯故障率较高，但故障后果轻微，维修成本较低且维修时间较短，通常采取故障后维修，可视作重要度低。因此，利用本文所述的方法评价的零部件重要度和日常维修决策中认为的零部件重要度基本一致，该方法直观、有效。

5 总结

本文通过专家评分，确定车辆装备零部件重要度评价项目分值及其权重，利用蒙特卡罗模拟，降低由人工确定权重数值的误差对零部件重要度造成的影响。最后通过示例验证和经验分析，证明基于文章所述方法可以有效确定车辆装备零部件重要度，进而为车辆装备预防性维修决策提供依据。