基于AHP与FMEA的卫星综合电子分系统风险管理

刘之超 李军祥

摘  要： 综合电子分系统若出现失效，将对卫星运行造成严重影响。如何对研制过程的风险项进行识别并应对是研究的重点。首先使用故障模式和影响分析（FMEA）对卫星综合电子分系统的风险项进行识别评估，再将评估出的重点风险项采用层次分析法（AHP）对风险项失效原因进行排序，找出风险因素的权重，最后根据权重大小识别出技术的薄弱环节，以便制定相应的应对措施。该方法不仅可为卫星领域的风险管理提供参考，也可为其他工程领域的风险管理提供参考。

关键词： 综合电子分系统; 层次分析法; 故障模式和影响分析; 风险管理

中图分类号：TP306+.3          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）05-16-04

Abstract： The failure of integrated electronic subsystem will cause a serious impact on satellite operation. How to identify and deal with the risk items in the process of development is the focus of the research. In this method， Firstly， the risk items of satellite integrated electronic subsystem are identified and evaluated by fault mode and effect analysis （FMEA）. Then， the analytic hierarchy process （AHP） is used to the important risk items to rank the causes of the failure of the risk items and find out the risk weights of the risk factors. Finally， according to the weights， weak items of technology are identified to take corresponding handling measures. The method can not only provide reference for risk management of the satellite field， but also for that of other engineering areas.

Key words： integrated satellite electronic subsystems; AHP; FMEA; risk management

0 引言

航天卫星研制作为我国极具战略性与高科技特性的产业，无论是在政治、经济、军事、科技领域还是文化领域，都具有广泛的带动作用。航天卫星研制工程是一个极为庞大而复杂的系统工程，具有技术涉及面广、参与人员众多、资金消耗量大、系统环节复杂、研制生产周期长等特点[1-2]。而综合电子分系统作为整星的主要组成部分，不仅具有以上特点，而且其担负完成整星的信息调度与管理、遥测数据采集与处理、遥控指令调度与执行、时间产生与维护、热控程控和加热器驱动、数传程控等功能。由于综合电子分系统肩负的任务众多，服务于整个卫星平台，需要面对卫星任务和各个分系统总线数据传输和遥测遥控等功能需求。因此综合电子分系统犹如人的大脑和神经，其系统稳定可靠的运行不仅关系到卫星其他系统正常工作，更关系到卫星在轨任务的顺利完成。因此其所面对的风险更为严峻，而对此进行的风险管理犹为关键[3-4]。

贾文英于2017年提出综合电子分系统风险管理通常在研制方案阶段初期开展，提前识别在研制阶段和飞行试验过程中的薄弱环节和技术风险， 制定有效措施[5]。丁迎周于2008年提出一般综合电子分系统技术风险分析与控制工作策划的内容包括：确定技术风险管理目标和原则;分配风险管理职责和权限;确定风险管理程序和方法、评价准则、应对策略和监控方式等[6]。胡英于2015年提出综合电子分系统风险管理计划，将其内容包含在产品保证计划中，并且从方案阶段转下一阶段前根据需要修订风险管理计划[7]。由此可见，综合电子分系统在方案阶段开始就需要对研制和飞行阶段中的技术风险制定风险管理。史国栋于2018年提出风险管理的重点是依据研制和使用要求，对综合电子分系统任务特点、使用状态和环境条件等方面进行分析[8]。同时，邱成于2018年提出对综合电子分系统设计方案、研制过程、各类大型试验方案、关键技术攻关情况、采用的新技术、新工艺、新材料（含器件）情况，可靠性指标分配和传递情况等方面的技术风险进行识别分析[9]。由于综合电子分系统复杂的系统和运行环境条件，对技术风险的多种因素的识别分析是研究的重点。薛明慧于2011年提出确定风险项、合理的评价各个风险项的风险严重度、发生度和可检测度，为立项决策提供科学的依据[10]。Suo等则采用数据驱动故障诊断方法诊断卫星电子分系统的故障原因[11]。

综合电子分系统由于作为整星电子集成的中枢，其涉及的元器件、工艺、材料、人员、技术非常多，一种失效原因可能有多个方面因素造成。如何更好准确地识别技术风险的风险因素的权重、从多方面因素中分析技术风险发生的原因、从源头解决风险问题更加需要研究思考。尤其是近年来，航天任务快速增长，呈现出“系统更复杂、研制周期短、发射密度高”的新常态，这对于风险管理也带来了更高的挑战。

1 风险识别方法

故障模式与影响分析（failure mode and effect analysis，FMEA）法是分析综合电子分系统产品中每一个可能的故障模式并确定其对该产品及上层产品所产生的影响以及把每一个故障模式按其影響的严重程度予以分类的一种分析技术。实质上就是通过对故障的回想和预想，分析原因，采取防范措施，避免故障发生。在使用FMEA之前，要先为卫星综合电子分系统可能出现的风险项制定评估准则。

风险评估是在风险识别基础上展开的对风险产生的概率、带来的损失大小等方面进行评估的过程。为此，需要建立风险严重度、发生度、可检测度等级分类以及综合评价矩阵，并对风险项进行评估，进一步生成风险清单。然后根据以往型号经验，识别失效模式以及失效原因进行FMEA分析并改进建立的评估准则。其中各失效模式、失效原因的严重度、发生度以及可检测度需要进行量化后，对风险度进行计算。风险严重度等级从1-10量化，分别对应从无到灾难级。风险发生度同样进行量化为1-10，对应极少发生到极有可能发生。风险可检测度也进行相同操作。因此，为得到更量化可靠的数据，拟通过专家调查法对严重度、发生度、可检测度三个维度进行定性分析，以获得量化数值，完成后续的风险评价。

在对专家进行调查前，根据卫星综合电子分系统实际情况，在生产过程各个领域选择具有一定代表性、权威性的专家，将其加入专家组。选择前充分考虑到组建的专家队伍应既清楚生产过程失效风险的发生概率、失效检测手段以及检测效果，同时，也要评估出失效风险对于型号任务的最终完成所造成的影响。专家团队是由分系统设计师、单机设计师、工艺人员、型号副总师、项目计划经理、管理人员和可靠性人员组成，并且交待卫星综合电子分系统任务背景、特点的同时，准备各失效原因（机理）发生的历史记录作为背景材料供专家参考，并利用FMEA进行风险识别（表1）。

分析表1，按风险系数（risk priority number， RPN）从大到小排序，前四项FPGA芯片损坏、CPU芯片损坏、通信芯片损坏、遥测PCM输出故障为卫星综合电子分系统重点风险项，需重点对其进行风险应对。现以FPGA芯片损坏为例，使用AHP对造成其失效模式的原因进行分析，寻求对其进行风险管控的措施。

2 风险原因分析

2.1 層次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一种定量与定性相结合的多目标决策分析法。将决策者的经验给予量化，这在对目标（因素）结构复杂且缺乏必要数据的情况下较为实用。

现使用AHP将FPGA芯片损坏对多个失效的原因进行排序，找到其影响的严重程度（权重），并以各个权重不同，制定相应的风险对策。

2.2 建立递阶层次结构

根据层次分析法，建立的FPGA芯片损坏原因递阶层次结构见图1。

2.3 构造判断（成对比较）矩阵

判断矩阵是以矩阵的形式来表述每一层次中各要素相对其上层要素的相对重要程度。为使各因素之间进行两两比较得到量化的判断矩阵，引入1～9的标度对应i与j之间相互的重要程度。为了构造判断矩阵，对六个专家进行了咨询，得到四个准则下的两两比较矩阵分别为和如下：

2.4 决策结果

通过上述比较矩阵代入评价公式[10]后，计算可得关系矩阵w0、权向量w1和评价向量w：

可知C1=0.427，C2=0.292，C3=0.103，C4=0.124，C5=0.054。

由结果可见，风险排序中C1>C2>C3>C4>C5，多余物原因、封装工艺和工人操作失误是造成FPGA芯片损坏风险的大概率因素，可以此权重进行风险控制策略调整。

3 结束语

采用FMEA对卫星综合电子分系统技术风险进行识别评估风险项，判断出重点风险项。采用AHP分析出重点风险项的失效原因。然后从原因入手对风险项进行源头控制，以此来达到控制该风险项的目的。该方法希望对其他技术风险的全面管理有所帮助。

参考文献（References）：

[1] 马泽雯.我国卫星应用项目的风险管理研究[D].中国科学院大学硕士学位论文，2017.

[2] 张丹.风险管理在航天项目中的应用研究[J].现代商贸工业，2017.21：100-101

[3] 彭本红，孙绍荣，沈运红.企业动态联盟的风险因素及评价研究[J].上海理工大学学报，2006.28（1）：39-43

[4] 符志民.航天项目风险管理及其面临的挑战[J].航空工业管理，2006.6：13-16

[5] 贾文英，李丹.航天型号研制技术风险管理研究[J].质量探索，2017.4：95-103

[6] 丁迎周，宋春雨.风险管理及其在航天项目中的应用[J].装备制造技术，2008.9：32-34

[7] 胡英，李妍.航天型号的技术风险分析与管理[J].航天工业管理，2015.9：13-15

[8] 史国栋，翟源景.航天试验任务风险管理研究现状分析[J].科技信息，2012.33：444-448

[9] 邱成，谌泽俊.应急管理的本质属性[J].技术与创新管理，2018.39（04）：474-477

[10] 薛明慧，樊一阳.技术创新项目风险分析与评价-基于模糊层次分析法[J].技术与创新管理，2011.32（02）：111-116

[11] M.L. Suo， B.L. Zhu.， R.L. An， H.M. Sun. Data-driven fault diagnosis of satellite power system using fuzzy Bayes risk and SVM[J]. Aerospace Science and Technology，2018.84（1）：1092-1105