《Computers & Industrial Engineering》：An improved dynamic reliability analysis method for heavy-duty CNC lathes considering maintenance
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动态可靠性分析框架融合专家模糊评估与维护数据驱动方法，通过区间值球面模糊集量化不确定性，利用讨价还价博弈协调专家分歧，结合维护效应可靠性建模反映时间演变，提升风险排序准确性与时效性。
邱云生浩|田海龙|陈传海|刘志峰|孙玉芝|李浩源|李宇飞
吉林大学机械与航空航天工程学院，教育部数控设备可靠性重点实验室，中国吉林省长春市130022
摘要
作为关键的制造资产，重型计算机数控（CNC）车床的可靠性直接影响产品质量、生产效率和操作安全性。本研究提出了一个动态的、基于维护信息的可靠性分析框架。该框架将主观专家评估与客观故障数据相结合，以提高风险优先级的准确性和及时性。通过从故障数据构建基于维护效应的可靠性模型来整合客观信息，并将估计的故障强度动态映射到风险因素“发生概率O”上。使用区间值球形模糊集（IVSFSs）来表示主观专家判断，以捕捉不确定性。采用讨价还价博弈机制来修正不一致的专家评估，从而增强共识并减少个人偏见。为了反映可靠性的演变状态，评估可信度衰减方法会随时间调整过去评估的影响。使用Dombi运算符聚合当前和历史专家输入，计算更新后的风险优先级数值，以便在每次维护事件后及时跟踪风险演变。通过将专家知识与操作故障数据融合，该方法提供了更具适应性和理性的可靠性分析，为可靠性设计和维护规划提供了有意义的支持。通过对W公司的一款D型重型卧式车床进行的案例研究，证明了所提出方法的有效性。
引言
CNC（计算机数控）机床在现代工业制造中发挥着重要作用。其中，重型CNC机床由于能够加工大型和高精度部件，在航空航天、造船和能源领域得到广泛应用（Liang等人，2022年；Zhou等人，2017年）。作为典型的大型CNC机床，重型CNC车床常用于加工高精度和复杂的大型旋转部件。其运行可靠性直接影响产品质量、生产效率和操作安全性（Tian等人，2022年）。由于在高压和高转速下运行，重型车床容易发生频繁故障，且维护成本较高（Li等人，2023年）。因此，对这些设备进行可靠性研究不仅有助于提高经济效益，还有助于减少故障导致的安全事故。这对于保护操作人员安全、减少工业事故以及确保重型车床的高效稳定运行和最大化经济效益至关重要。
重型车床不同子系统的故障影响差异显著，可能导致设备运行效率降低。识别关键子系统并将可靠性改进工作和维护资源集中在这些子系统上，可以显著提高整体设备可靠性。可靠性分析已被广泛用于工程领域，作为确定影响复杂设备性能和稳定性的关键子系统的战略工具。在各种方法中，故障模式与效应分析（FMEA）及其扩展——故障模式、效应与临界性分析（FMECA）因其在系统性和结构化方面的优势而在CNC机床的维护和管理中得到越来越多应用（Li等人，2019年；Alkabaa等人，2023年；Thoppil等人，2019年；Tian等人，2024年）。FMEA的一个关键优势在于它能够评估设备故障的多个维度，包括发生概率O、严重程度S和可检测性D。在传统的FMEA/FMECA应用中，专家根据这三个维度为每个CNC机床子系统打分，然后计算风险优先级数值（RPN），从而实现基于风险的子系统排序。这种排序为可靠性导向的设计、维护资源分配、故障诊断和剩余使用寿命预测提供了重要指导（Deng等人，2023a；Deng等人，2020年；Deng等人，2021年；Deng等人，2023b；Jia等人，2022年；Wang等人，2025a；Wang等人，2025b），从而提高机床性能并增强经济效益。
尽管FMEA/FMECA为重型车床的可靠性分析提供了宝贵支持，但目前的方法仍存在一些局限性：
1.传统的FMEA/FMECA方法通常依赖专家对发生概率、严重程度和可检测性的评分，这些评分基于预定义的离散数值尺度来计算RPN。这种刚性结构未能反映专家判断中的主观模糊性，可能导致结果出现偏差（Durán等人，2024年；Liu等人，2024年；Grabill等人，2024年；Huang等人，2024年；Cardiel-Ortega和Baeza-Serrato，2024年）。
2.由于重型车床的结构复杂性和子系统故障的多样性，风险优先级的确定通常依赖于多个专家评估的聚合，以提高准确性和全面性。作为群体决策问题（GDMP），专家在知识范围、领域关注点和经验方面的差异可能导致对特定风险因素存在较大分歧。如果仅通过简单平均或基本加权聚合来处理这种分歧，而不进行任何协商或评估修正，可能会导致有偏的聚合结果，从而造成误导性的优先级排序（Huang等人，2024年；Cardiel-Ortega和Baeza-Serrato，2024年；Zhang等人，2024年）。
3.传统的FMEA/FMECA分析往往无法捕捉子系统故障的时变特性，导致评估仅反映系统在某一时间点的状态。在实际运行中，随着设备持续运行和维护，故障的概率和影响可能会随时间变化，从而影响子系统风险因素的优先级排序（Di Nardo等人，2022年；Appoh和Yunusa-Kaltungo，2021年；Okoro等人，2024年）。为了解决这个问题，一些动态FMEA/FMECA研究（Tian等人，2025年；Zhou等人，2021年）尝试通过在选定时点进行的专家评估来考虑时间依赖行为。然而，这些评估通常基于少量任意选择的时间点，缺乏时间节点选择的方法论严谨性。此外，这些方法通常仅依赖专家判断，而不整合实际故障数据，难以反映子系统的实时可靠性状态。由于维护措施即使在相同的服务年限内也可能导致系统状态的显著变化，忽略这些效应可能导致不准确或过时的风险评估。
总之，传统的重型机床FMEA/FMECA方法存在准确性有限、时效性差以及维护考虑不足的问题。为了克服这些缺点，本研究开发了一个改进的框架，该框架整合了区间值球形模糊集（IVSFS）、讨价还价博弈机制和评估可信度衰减方法。与传统方法中仅简单相乘O、S和D不同，所提出的方法采用多标准决策模型。专家评估主观风险因素，而从故障数据中得出的基于维护效应的可靠性模型提供客观的发生概率值。然后使用加权程序聚合这些因素，以优先考虑子系统风险，从而得到全面且具有时间敏感性的结果。具体来说：
1.为了实现全面可靠的风险评估，本研究将主观专家评估与客观操作数据相结合。使用区间值球形模糊集（IVSFSs）表达专家对严重程度和可检测性的评估，允许在语言评估中表达不确定性。同时，根据实际故障数据构建的子系统可靠性模型得出发生概率O，其中故障强度反映了故障发生的可能性的时变性。这种模糊专家判断与数据驱动的可靠性建模的融合提高了风险优先级排序的合理性和一致性，减少了对主观评分的依赖，并增强了分析对实际条件的适应性。
2.为了缓解由于知识和经验差异导致的专家间分歧，引入了讨价还价博弈框架。这一过程使专家意见逐渐趋同，减少了结果优先级排序中的个体偏见。
3.为了解决现有方法在反映子系统动态和维护效应方面的局限性，本研究开发了一种基于维护信息的可靠性分析方法。与依赖专家定义时间点的现有方法不同，该框架将风险评估与实际维护事件对齐，确保子系统可靠性基于真实的操作转换进行评估。每次维护活动后，更新故障强度函数以反映修订后的可靠性状态，并使用相应的强度值以数据驱动的方式量化发生概率O因素。同时，在每次维护事件后结合专家对严重程度和可检测性的评估，以捕捉对子系统行为的最新理解。然而，重型CNC车床通常是定制并在小批量场景中部署的，难以获得相同单元之间的可比较的历史故障数据。为了缓解这一限制，保留并通过评估可信度衰减方法整合历史专家评估，该方法根据时效性和可信度动态调整其影响。这种设计不仅能够持续跟踪子系统服务寿命期间的风险，还能在数据稀少条件下提高风险评估的代表性。
第2节回顾了CNC机床FMEA/FMECA和基于维护效应的可靠性建模的相关文献。第3节阐述了IVSFS、Dombi运算符、重型车床随机故障期间的基于维护效应的可靠性建模以及评估可信度衰减方法的定义和算法。第4节详细介绍了所提出的动态FMEA程序。第5节通过W公司的一款D型重型卧式车床案例研究来演示和评估该方法。第6节提出了结论。
章节摘录
文献综述
目前，专注于重型机床的可靠性分析文献有限。因此，研究范围扩大到了CNC机床。尽管本研究提出了一种改进的FMEA方法，但也回顾了FMECA，因为这两种方法经常结合基于RPN的优先级排序，对此已经提出了各种改进和替代公式。第2.1节综合了CNC机床应用中的改进FMEA/FMECA研究，确定了
方法论
本节介绍了所提出的FMEA中使用的算法和方法。第3.1节介绍了IVSFS的相关定义和算法以及Dombi聚合运算符。第3.2节概述了讨价还价博弈。第3.3节描述了考虑维护的重型车床的可靠性建模方法。第3.4节介绍了专家评估的评估可信度衰减方法。
考虑维护水平的重型车床FMEA方法、基于IVSFS的共识通过讨价还价博弈以及评估可信度衰减
为了解决现有重型车床FMEA/FMECA研究的局限性，包括无法准确表示专家评估中的主观模糊性、专家提供信息中的认知偏见、缺乏对子系统故障动态演变的考虑、专家评估的时效性低以及缺乏与维护相关的因素，本研究提出了一种考虑维护水平的重型车床FMEA方法，
案例研究
为了验证所提出方法的有效性，本节通过W公司的一款D型重型卧式CNC车床进行了案例研究。基于收集的故障数据和五位内部专家提供的评估，对子系统风险进行了动态优先级排序。在此案例中，发生概率O、严重程度S和可检测性D被选为每个时间点评估的风险因素。在整个评估过程中，专家小组保持不变
结论
总之，所提出的动态可靠性分析方法为重型CNC车床的子系统风险优先级排序提供了一种更加理性、适应性和准确的方法。通过将专家知识与实际故障数据融合，该方法能够捕捉主观不确定性和客观故障动态，从而在每次维护周期后及时更新风险排名。使用IVSFS提供了专家判断的灵活表示，而讨价还价博弈增强了
CRediT作者贡献声明
邱云生浩：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析。田海龙：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。陈传海：资源获取、资金获取、数据管理。刘志峰：可视化、资源管理、项目管理。孙玉芝：撰写——审阅与编辑、软件。李浩源：撰写——审阅与编辑。李宇飞：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
