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1軍用氣象物資包裝可靠性分析

軍品包裝可靠性是指軍品包裝在規定的條件下和時間內，完成規定功能的能力［2］，因而，軍品包裝可靠性和一般可靠性具有相同點，即需要完成規定的功能。同時，軍品包裝可靠性又與一般可靠性有不同之處，一般可靠性的焦點是產品本身，而軍品包裝可靠性的焦點不單單只是包裝本身，更強調的是包裝軍品的安全可靠性［3］。我軍氣象物資是我軍實施軍事大氣探測和軍事氣象保障的各種技術設備總稱，是軍事氣象保障的物質基礎。其包裝最主要的功能就是實現對氣象物資的保護。許多氣象物資從離開生產線到裝配部隊開始服役，不僅要經歷相當長的儲存時間，而且要做多次搬運。在此期間包裝應起防水、防潮、防沖擊、防震、防菌、防污染、防光、防氧化、防電磁干擾等多方面的保護作用，且氣象物資最大限度地分散在各種類型氣候條件下使用，工作在廣泛的地域，要經常、連續不斷地對千變萬化的大氣物理過程及其規律進行探測，處于多種氣象要素綜合變化的作用下，影響因素相互交錯，其工作條件的應力因素錯綜復雜，因此軍用氣象物資包裝可靠性就變得相當復雜。現有的包裝可靠性研究常集中于運輸包裝可靠性方面，利用包裝動力學理論對產品的包裝進行可靠性分析。這些方法著眼于產品運輸過程中沖擊、振動及跌落等外界機械力對包裝的影響，而由于環境要素、人為等因素的不確定性，所需的可靠性數據極難獲取，無法精確量化，導致這部分因素的影響常常被忽略，而對于氣象物資而言，這些因素的影響無法忽略。由此可知，運輸包裝可靠性分析方法無法全面、真實地反應產品包裝的可靠性。專家判斷和模糊故障樹方法可以很好地解決環境、人為等因素無法精確量化的問題，且可以全面地考慮影響可靠性的所有因素，為軍用氣象物資包裝可靠性研究提供了一種有效的途徑。模糊故障樹分析方法將常規的FTA方法與模糊數學理論相結合，不僅能對系統的各種危險性進行辨識和評價，分析系統故障的直接和潛在的原因，并且能夠很好地處理頂事件、底事件發生概率模糊的情形。它采用模糊數對底事件、頂事件進行描述，并進行定性、定量分析。目前，在軍事氣象業務中主要涉及的氣象物資種類繁多、型號不一、數量巨大，主要有氣象車輛、氣象雷達、氣象信息傳輸處理設備、地面氣象觀測設備、高空氣象探測設備、氣象儀器檢定設備等。文中以典型的濕度測量設備，國瑞智技術有限公司生產的“TFS-1通風干濕表”的包裝為例，利用專家判斷和模糊故障樹方法對其包裝可靠性進行分析。

2故障樹的建立與定性分析

TFS-1通風干濕表外包裝箱采用鋁合金外殼，箱體內為EVA減震內襯。根據其包裝故障原因，構建了以“包裝失效事件”為頂事件的故障樹，見圖1。定性分析的主要目的是尋找導致頂事件發生的所有可能的故障模式，也就是分析清楚導致系統頂事件發生的所有可能的底事件或底事件的組合，這些底事件或底事件的組合稱為故障樹割集。定性分析的關鍵就是找到故障樹所有的最小割集，任一最小割集中所有的底事件發生必然導致頂事件的發生，因此，最小割集代表了導致該系統頂事件發生的所有可能的故障模式。故障樹最小割集的求解通常采用上行法或下行法，利用故障樹結構中的邏輯關系從頂事件向下或從底事件向上逐級分析。TFS-1通風干濕表包裝可靠性研究以包裝失效引起產品故障為頂事件。由圖1故障樹可知，該故障樹全部由“或門”組成，利用下行法可求出全部最小割集為:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}。由此可知，任一底事件的發生均會導致頂事件的發生。假設底事件相互獨立，頂事件可以表示為:T=X1+X2+…X10(1)2．3故障樹定量分析故障樹的定量分析是在定性分析的基礎上展開的，主要包括2個方面的內容:計算頂事件的發生概率;計算底事件的重要度。根據故障樹的定性分析知，頂事件等同于所有最小割集的并事件。假設所有最小割集為Ki(i=1，2，…，NK)，NK為最小割集的個數，在所有底事件相互獨立的條件下，利用容斥公式可得頂事件T發生概率，可用式(2)表示［4］:P(T)=P∪ni=1K()j=∑ni=1P(Ki)－∑ni＜j=2P(KiKj)+∑ni＜j＜k=3P(KiKjKk)+…+(－1)n－1P(K1K2…Kn)P(Kj)=∏i∈KiQi(2)其中Qi為底事件Xi的發生概率。一般情況下，底事件的發生概率很小，對于較為復雜的系統(最小割集數量較多且階次較高)，在實際計算中可近似地取(2)式的前一項或幾項。底事件的重要度通常包括底事件概率重要度、結構重要度、相對概率重要度及相關割集重要度，這4個重要度從不同的角度描述了底事件在故障樹中的定位和關鍵程度。文中結合模糊數學理論，僅對底事件的概率重要度進行分析和計算。其定義是，在已知各基本事件可靠度(或不可靠度)的情況下，基本事件不發生時(假設發生概率為0)與發生時(假設發生概率為1)相比，系統不可靠度的減少量，是頂事件的發生概率對底事件發生概率的偏導數［1］。設頂事件的發生概率為P(T)，則基本事件Xi的概率重要度為P(T)/［P(Xi)］。底事件概率重要度反映了底事件發生概率的變化對頂事件發生概率的影響程度，它可以用來定量衡量降低各底事件的發生概率對于降低頂事件發生概率的貢獻程度，從而確定對頂事件發生概率影響最大的底事件。這對于用有限的人力和物力最大的提高系統可靠性有較大的意義。

3底事件發生概率的確定

底事件發生概率的確定是對系統故障樹進行定量分析計算的基礎，一旦底事件的發生概率確定后，就可以對頂事件的發生概率進行定量計算，并可以計算底事件的概率重要度。底事件發生概率數據一般是通過可靠性試驗、現場使用反饋得到的，數據本身帶有較大的隨機性和統計性。由于可靠性試驗要求真實地模擬實際典型環境，在模擬實際使用的工作條件及真實使用的環境條件下長期工作［5］，因此所需的周期相當漫長，獲取代價極大。對于氣象物資包裝而言，其發生的故障與環境、儲運條件、使用等環境客觀因素緊密相關，通過實驗獲取的數據的代表性不強，并且人為的因素影響較大，純粹的依靠抽樣的概率方法難以奏效。采用專家判斷法對底事件的發生概率進行模糊評價。通過調查該領域專家對各個底事件發生概率大小的評價，利用模糊集理論將模糊評價語言轉化為相應的模糊數據。專家根據自己的經驗等對某底事件的發生概率作出類似“很小”、“較小”等的模糊語言評價。評價分為“很小、小、較小、中等、較大、大、很大”(用“VL，L，FL，M，FH，H，VH”表示)7個等級，用三角或梯形模糊數代替這些自然語言，見圖2［6］。這些評價語言對應的模糊數形式和λ截集描述見表2［7］。為提高專家評價數據的質量，必須選取適當的專家進行評價，并且由于專家個人學識、經驗等的不同，對每位專家的評價不能作等同處理，必須對他們的評價賦予不同的權重［8］。文中從級別、工作經驗、對領域的熟悉程度等3個方面對專家進行賦值，3個方面不同的等級對應不同的分數，見表3。則每位專家的權值可利用式(3)得到，其中WSi(i=1，2，…n)(n為專家數)為專家i的得分。ωi=WSi∑ni=1WSi(3)3．3底事件發生概率計算1)計算平均模糊數W。對于底事件X1，由5位專家對其發生可能性進行判斷，5位專家的權重值可利用式(3)和表3求出，分別為0．2314，0．2066，0．1901，0．1653，0．2066，對應的評估意見分別為“中等、較大較大、中等、較大”。可得底事件X1的平均模糊數為:W1=ω1f1ω2f2…ω5f5=［0．2314(0．1λ+0．4)+0．2066(0．1λ+0．5)+0．1901(0．1λ+0．5)+0．1901(0．1λ+0．5)+0．1653(0．1λ+0．4)+0．2066•(0．1λ+0．5)，0．2314(－0．1λ+0．6)+0．2066(－0．1λ+0．8)+0．1901(－0．1λ+0．8)+0．1653(－0．1λ+0．6)+0．2066(－0．1λ+0．8)］=［0．1λ+0．46033，－0．1λ+0．72066］(4)由模糊擴展理論知，W也為模糊集。令Wλ1=［z1，z2］可得，λ=(z1－0．46033)/0．1，λ=(0．72066－z2)/0．1，則W1的關系函數為:fw1=z－0．460330．1(0．46033＜z≤0．56033)1(0．56033＜z≤0．62066)0．72066－z0．1(0．62066＜z≤0．72066)0(其他)(5)2)將模糊數轉化為模糊可能性值FPS。模糊可能性值FPS是模糊數的清晰值表示，利用Cheng和Hwang所提出的左右模糊排序法可實現該轉化［6］，該方法定義最大模糊集和最小模糊集為:fmax=x(0＜x＜1)0(其他{)fmin=1－x(0＜x＜1)0(其他{)則模糊數W的左右模糊可能性值分別為:FPSR=supx［fw(x)∧fmax(x)］=0．6551FPSL=supx［fw(x)∧fmin(x)］=0．4906(7)W的模糊可能性值為:FPS(W)=12［FPSR(W)+(1－FPSL(W)］=0．5823(8)3)將FPS轉化為模糊失效率FFR。故障樹底事件的發生概率是由專家評價與模糊理論相結合得到的，模糊可能性值FPS并不能表示底事件的發生概率，但卻與其存在著對應的關系，利用式(9)可將FPS轉化為模糊失效率［9］FFR，即底事件的發生概率:FFR=1/10K(FPS≠0)0(FPS=0{)(9)其中K=1－FPS()FPS13×0．301。從而可以得到故障樹中底事件X1的發生概率為0．008712。通過類似的方法可依次求出X2…X10的發生概率。各底事件的發生概率、概率重要度及重要度排序見表4。利用式(2)可得頂事件的發生概率為0．0705。由定量分析結果可知，沖擊和振動是最易引起“TFS-1通風干濕表”包裝失效的底事件，其次是野蠻裝卸和緩沖材料不合理。由此可見，人為因素是引起其包裝失效的重要因素，在包裝件的儲運和裝卸過程中應當加以適當的防范。光照、化學腐蝕、溫度和濕度是包裝失效事件中概率重要度較高的因素，是包裝失效的薄弱環節。為了更好地提高“TFS-1通風干濕表”的包裝可靠性，應在其包裝中增加對此類因素的防護措施。

模糊故障樹分析方法克服了常規故障樹分析法將故障發生概率視為精確值的缺點，既考慮了故障發生概率本身的模糊性，又可將實驗數據與工程技術人員的經驗相結合，具有較強的靈活性與實用性。在軍用氣象物資包裝的可靠性分析中，由于環境復雜和人為因素等的影響，基本事件的發生概率很難用一個精確值表示出來，且所需的可靠性數據極難獲取。把模糊集合理論引入到故障樹分析中，利用專家判斷和模糊故障樹分析方法，能夠在一定程度上科學地評價其包裝發生故障的模糊概率及基本事件的重要程度，對明確其包裝的薄弱環節及制定防護措施有極為重要的意義。

本文作者：劉高飛藺東偉王冬冬段黎明工作單位：解放軍理工大學