光電系統伺服穩定平臺可靠性定性分析

鄭鳳翥，寧 飛，王惠林，吳雄雄，王 冠，趙志草，周 云，王 樂

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電系統是載機的重要任務設備之一，利用可見光攝像機、紅外熱像儀、激光測距機等關鍵光學傳感器，可實現對特定區域、特定景物的遠程、高清成像，而伺服穩定平臺是光電系統的骨架、神經，其可靠性水平將嚴重影響光電系統的功能、性能。因此，對伺服穩定平臺開展可靠性分析至關重要。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，它通過系統地分析，確定元器件、零部件、設備、軟件在設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節，提出改進措施[1]。然而，在利用FMECA 得到關鍵故障模式及可靠性關重產品后，在后續的可靠性設計、可靠性指標分配中，人為主觀判斷的影響較大。因此，為降低人為主觀判斷對設計、分配結果的影響，提高可靠性定性分析對可靠性設計、可靠性指標分配的指導作用，在得到可靠性關鍵故障模式及關重產品后，將繼續深入分析關重產品對可靠性影響的重要度排序。

1 伺服穩定平臺FMECA

伺服穩定平臺，作為光電系統的結構支撐，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，在任務計算機板、電源板、伺服接口板、伺服驅動板、電機、旋變、陀螺等組件的協調配合下，響應操控人員指令，驅動光電系統在方位向、俯仰向運動[2]。

機械結構件雖然采用無限壽命設計，但機械組件的裝配精度、磨損等可影響伺服穩定平臺可靠性，故本文將機械組件作為單獨硬件單元，參與伺服穩定平臺FMECA，并以此為依據，要求在后續可靠性分配中，對其分配相應的可靠性指標。

1.1 故障嚴酷度類別及發生概率

根據伺服穩定平臺的每個故障模式對光電系統的最終影響程度，確定其嚴酷度類別。光電系統嚴酷度類別及定義如表1所示。

表1 光電系統嚴酷度類別及定義Table 1 Severity category and definition of electro-optical system

危害度等級嚴格按照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，將每個故障模式發生概率的等級劃分為A、B、C、D、E 五級。

1.2 可靠性關重產品

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

表2 可靠性關重產品清單Table 2 List of reliability critical products

從表2 可知：平臺機械組件10、電機20、旋變30、陀螺40、電源板50、任務計算機板60、伺服接口板70、伺服驅動板80 為伺服穩定平臺可靠性關重產品，對關重產品對應的關鍵故障模式應通過設計改進、使用補償等措施予以消除。

2 可靠性關重產品重要度分析

雖然，借助FMECA 得到了伺服穩定平臺的可靠性關重產品，但受限于技術水平、體積質量、成本控制等，無法對關重產品的每個關鍵故障模式采用設計改進、使用補償等措施一一消除。因此，需對關重產品的重要度進行深入分析，將重要度高的關重產品對應的關鍵故障模式采用設計改進、使用補償等措施予以消除，對無法通過該措施予以消除的關鍵故障模式，其對應的關重產品在后續可靠性分配時應分配較高的可靠性指標，以提高伺服穩定平臺可靠性。

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：將復雜分析對象分解為目標層、準則層和指標層，對同一層的指標，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重要性程度的權重，得到判斷矩陣對應的權重向量，為最優選擇提供依據。它能利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，進而為多目標、多準則和無結構特性的復雜決策問題提供基于數學理論的分析方法[3-13]。

2.2 重要度分析

1）建立多級遞階結構

目標層A 為伺服穩定平臺可靠性，準則層B 為快速性（響應的快速性）、精準性（控制的精準性）、平穩性（運動的平穩性），方案層C 為平臺機械組件、電機、旋變、陀螺、電源板、任務計算機板、伺服接口板、伺服驅動板。建立的多級遞階結構如圖1所示。

圖1 伺服穩定平臺多級遞階結構Fig.1 Multilevel hierarchical structure of servo stabilization platform

2）建立模糊互補判斷矩陣

根據已建立的伺服穩定平臺多級遞階結構，采用0.1～0.9 標度法，對2 個因素的相對重要程度做出定量表示，得到各級互補判斷矩陣如下：

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

3）判斷矩陣權重向量計算

權重向量的計算采用文獻[14]中的公式：

利用該公式計算以上互補判斷矩陣對應的權重向量如下：

3 個判斷準則對伺服穩定平臺可靠性影響的權重向量為

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

各判斷準則下8 個方案單元的權重向量為

4）判斷矩陣對應的特征矩陣計算

各判斷矩陣對應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，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的相容性指標采用文獻[15]中的公式計算。

當相容性指標I(A,B)≤α時，認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的特征矩陣的相容性指標如下：

由計算可知：每個判斷矩陣與其對應的特征矩陣的相容性指標均小于0.1，認為每個模糊互補判斷矩陣是滿意一致的，其權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 精準性；B3為平穩性。

6）各方案單元對伺服穩定平臺可靠性影響重要度的總排序

總排序結果計算如下：

式中的算子“ O”采用模糊數學的加權平均型運算法則（見公式4），它可以兼顧到各方案單元對伺服穩定平臺可靠性的影響，更能體現對伺服穩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 的方案單元為：電機＞平臺機械組件＞伺服驅動板＞旋變＞電源板＞伺服接口板＞陀螺＞任務計算機板。

3 結論

本文將傳統的FMECA 和模糊層次分析法相結合，提出了一種可有效降低人為主觀判斷對可靠性設計、分配影響的解決思路。在此基礎上，以光電系統伺服穩定平臺為研究對象，深入分析了關重產品對伺服穩定平臺可靠性影響的重要度排序，該重要度排序將作為后續可靠性設計、可靠性分配的重要依據和參考。因此，可將重要度對可靠性設計與分配的指導研究作為后續研究的方向。