融合FMEA与BN的钻井永磁同步电机改进型模糊风险评估方法

《Results in Engineering》：An Improved Fuzzy Risk Assessment Method Fusing FMEA and BN for Drilling Permanent Magnet Synchronous Motors

　　

研究人员通过贝叶斯网络（Bayesian Network, BN）获取系统的风险概率与各故障模式的后验概率；分别依据后验概率和关键重要度确定风险矩阵（Risk Matrix, RM）中的发生度（Occurrence）与严重度（Severity）；将各故障模式的发生度与严重度融合为风险指数R_OS；通过模糊隶属函数将故障模式的风险指数R_OS映射到模糊评价矩阵；该方法可用于获得系统及各故障模式的故障概率和风险水平。

**融合FMEA与BN的钻井永磁同步电机风险模糊评估方法改进研究解读**

**一、研究背景与问题**

工业领域的风险评估方法主要分为定量评估、定性评估与综合评估三类。定量评估依赖统计数据，包括贝叶斯网络（Bayesian Network, BN）、因子分析、马尔可夫过程分析等；定性评估包括专家调查和故障模式与影响分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA），其可快速识别风险但主观性较强；综合评估结合定性与定量手段，如模糊综合评价（Fuzzy Comprehensive Evaluation, FCE）。然而，单一评估方法难以从多角度对复杂系统进行全面评估：定量评估可确定故障模式发生概率，但无法评估后果严重性，而一些低概率故障模式可能具有严重后果；定性评估虽能弥补这一不足，但结果高度主观且缺乏精度。风险矩阵（Risk Matrix, RM）可直观展示发生度与严重度，却无法评估系统级风险。因此，工程实践中需要一种融合多种范式、实现优势互补的综合评估策略。本研究正是基于这一需求，提出一种融合FMEA、BN、RM与FCE的改进风险评估方法，以期在单次评估中同时获得系统及每个故障模式的故障概率和风险水平，并降低主观因素的影响。

**二、研究内容与意义**

研究人员将该方法应用于钻井永磁同步电机（Drilling Permanent Magnet Synchronous Motor, DPMSM）。在恶劣工作条件下，DPMSM结构复杂、部件精密，易发生故障。研究人员通过故障模式分析、贝叶斯网络推理、重要度分析、风险矩阵构建和模糊综合评价等步骤，系统评估了DPMSM的故障风险，提出改进措施并重新评估。结果显示，改进后系统故障概率从0.428降至0.394，中等偏高风险的隶属度从0.351降至0.245，验证了该集成方法的有效性和工程适用性。该方法能够实现系统可靠性的综合协同评估，减少重复评估对结果的干扰，可为复杂机电系统的风险管控提供新的技术途径。

**三、主要技术方法**

研究人员采用的关键技术方法包括：基于OREDA（Offshore and Onshore Reliability Data）数据库与专家经验确定20个故障模式的先验概率，通过故障树向贝叶斯网络映射，利用前向推理获得系统故障概率，后向推理获得各故障模式后验概率；计算概率重要度、结构重要度和关键重要度，以后验概率与关键重要度分别确定风险矩阵中的发生度（O）与严重度（S），并加权融合为风险指数R_OS；采用广义抛物线隶属函数将R_OS映射为模糊综合评价的模糊评价矩阵，并以重要度平均值归一化得到权重。此外，还进行了敏感性分析、蒙特卡洛（Monte Carlo）不确定性模拟、鲁棒性指数评估、熵权法与CRITIC方法验证权重合理性、K-means聚类验证风险分级边界等。

**四、研究结果**

**改进前（Before Improvement）**

通过贝叶斯网络前向推理得到系统故障概率为0.428，表明系统易发生故障。模糊综合评价显示，系统处于低、中低、中、中高、高风险等级的概率分别为0.006、0.104、0.498、0.351、0.041，依据最大隶属度原则，系统整体为中等风险，但中等偏高风险的隶属度也较高。后验概率分析表明，最可能导致系统故障的前八个故障模式为X5（轴承磨损）、X2（转子动态偏心）、X10（绕组相间短路）、X14（永磁体局部退磁）、X8（轴承腐蚀）、X17（输出信号漂移）、X18（机械密封摩擦环磨损）和X20（橡胶老化）。关键重要度分析显示，X10、X3（转子断裂）、X7（轴承断裂）、X15（永磁体断裂）等故障模式严重度最高。风险指数R_OS结果显示，X10为高风险（R_OS=4.2），X2与X14为中高风险（R_OS=3.6），X3、X5、X7、X9、X11、X12、X15等为中风险。部分低概率但后果严重的故障模式（如X3、X7、X15）虽发生可能性极小，但会导致电机停机甚至毁坏，须优先处理。

**改进后（After Improvement）**

实施改进措施后，系统故障概率降至0.394。重新评估的模糊综合评价结果为低、中低、中、中高、高风险概率分别为0.027、0.187、0.515、