艦船裝備生命力與安全狀態(tài)評(píng)估體系構(gòu)建研究

1 引 言

隨著艦船裝備現(xiàn)代化程度不斷提高，提高其生命力的要求也越來(lái)越高[1]。艦船生命力是艦船的綜合性能,艦船裝備生命力和安全性研究更是一項(xiàng)極其復(fù)雜并受到多種因素影響的系統(tǒng)性工程。在作戰(zhàn)環(huán)境下艦船面臨來(lái)自空中、水面和水下等各種常規(guī)武器的攻擊，艦船受損屬非常狀態(tài)。為了保證艦船裝備在海上安全使用及發(fā)生故障戰(zhàn)損后的安全和提高艦船生命力，需要建立一個(gè)科學(xué)完善的艦船安全狀態(tài)評(píng)估體系[2]。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，安全技術(shù)也不斷發(fā)展、更新，大大增強(qiáng)了人類控制不安全因素的能力。但是實(shí)踐告訴我們,世界上任何事物都不可能做到絕對(duì)安全,安全性設(shè)計(jì)就是要把危險(xiǎn)(即可能出現(xiàn)的事故)降低至可接受的水平[3]。隨著安全檢測(cè)與信息處理技術(shù)的發(fā)展，艦船裝備安全狀態(tài)評(píng)估方法也有了新的發(fā)展，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式安全評(píng)估的弊端已日益明顯，智能化安全狀態(tài)評(píng)估已得到了高度的重視。

2 艦船裝備生命力與安全性

艦船裝備生命力是一個(gè)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，要保持其良好的技術(shù)狀態(tài)，發(fā)揮其應(yīng)有的戰(zhàn)斗力，必須在裝備的全壽期服役過(guò)程中進(jìn)行科學(xué)的使用和維護(hù)，從而確保其處于良好的狀態(tài)，保障艦船裝備生命力。

安全性一向是各類艦船至關(guān)重要的性能。艦船安全性是指在研制各階段中，以使用效能、時(shí)間和費(fèi)用為約束條件，運(yùn)用工程管理的原則和專業(yè)技術(shù)，識(shí)別、評(píng)價(jià)、消除或控制危險(xiǎn)的能力。

在第二次世界大戰(zhàn)后期，一些國(guó)家開(kāi)始系統(tǒng)地研究安全性概念和安全性保障技術(shù)，并將安全性保障技術(shù)應(yīng)用到武器裝備的研制、生產(chǎn)和使用中。近年來(lái)，國(guó)外在基于安全性進(jìn)行艦船設(shè)計(jì)方面也取得了進(jìn)展，利用綜合安全性評(píng)估(FSA)方法制定出的艦船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，已經(jīng)能夠用于艦船設(shè)計(jì)工作。FSA是一種在工程技術(shù)與工程運(yùn)行管理中，用于制定合理可行的規(guī)則和提供風(fēng)險(xiǎn)控制的綜合性、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)性和可行性的分析辦法，也是系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)思想和程序的優(yōu)化整合。通過(guò)系統(tǒng)工程的方法,考察各系統(tǒng)組成要素的相互作用以及對(duì)艦船事故發(fā)生發(fā)展的影響,作出對(duì)整個(gè)艦船事故的安全性能評(píng)估[4]。運(yùn)用安全系統(tǒng)工程方法，將安全性和生命力結(jié)合起來(lái)開(kāi)展專項(xiàng)技術(shù)研究，解決重大的安全問(wèn)題。如美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)下設(shè)的“安全性與生命力技術(shù)中心”在“尼米茲”號(hào)事故后， 開(kāi)展過(guò)航母飛行甲板消防對(duì)策和設(shè)備鑒定試驗(yàn)專項(xiàng)研究，為評(píng)價(jià)CVNX損管系統(tǒng)和驗(yàn)證CVNX機(jī)庫(kù)及彈庫(kù)的消防措施，正在開(kāi)展真實(shí)火災(zāi)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)工作。

目前， 國(guó)內(nèi)外的艦船安全技術(shù)已經(jīng)朝著智能化的方向發(fā)展。對(duì)于未來(lái)艦船裝備生命力和安全性來(lái)說(shuō)，主要要解決的問(wèn)題有：減少由于對(duì)人員配置相對(duì)較高的需求引起的艦船全壽期費(fèi)用的居高不下；提高損害管制行動(dòng)的效率和效果。智能化艦船的損管系統(tǒng)應(yīng)該是以先進(jìn)傳感技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、智能決策技術(shù)和先進(jìn)損管技術(shù)為核心的實(shí)時(shí)艦船安全狀態(tài)管理系統(tǒng)[5]。

3 艦船裝備安全狀態(tài)評(píng)估存在的問(wèn)題

目前， 國(guó)內(nèi)外艦船生命力和安全狀態(tài)評(píng)估方法主要有：作圖分析計(jì)算法及邏輯代數(shù)組合法；蒙特卡洛隨機(jī)模擬—層次分析法；損傷樹(shù)分析法；三維網(wǎng)絡(luò)破損失效概率法；加權(quán)模糊評(píng)估法等[6]。艦船裝備安全狀態(tài)評(píng)估根本任務(wù)是掌握裝備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和使用情況，采用各種測(cè)量、分析和判斷方法，并結(jié)合歷史狀況來(lái)定量識(shí)別裝備及其部件的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)。常見(jiàn)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型有函數(shù)型、邏輯型、檢查表型等。函數(shù)型評(píng)價(jià)模型主要是通過(guò)對(duì)對(duì)象的統(tǒng)計(jì)回歸，找到其性能表征參數(shù)和狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系。邏輯型評(píng)價(jià)模型主要采用故障樹(shù)、模糊邏輯等表達(dá)方法,是一種結(jié)構(gòu)清晰、關(guān)系嚴(yán)密的評(píng)價(jià)模型。檢查表法的實(shí)質(zhì)是將評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍內(nèi)影響其狀態(tài)的組成因素加以排列,然后逐一評(píng)價(jià)。這類評(píng)價(jià)方法操作比較簡(jiǎn)單,其缺點(diǎn)是對(duì)組成因素間結(jié)構(gòu)關(guān)系的揭示不夠明確。對(duì)于裝備的安全技術(shù)狀態(tài)評(píng)估主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

1) 效能評(píng)估指標(biāo)的無(wú)限定性

艦船裝備可評(píng)價(jià)的參數(shù)指標(biāo)很多，選擇不同的評(píng)估指標(biāo)會(huì)得到不同的評(píng)估結(jié)果，這些結(jié)果之間缺乏對(duì)比性。所選擇的指標(biāo)不夠，就不能反映系統(tǒng)的全面特性，或者所選指標(biāo)過(guò)于龐大，不利于評(píng)估。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，首先要建立一個(gè)合理的評(píng)估指標(biāo)體系，這樣才能對(duì)系統(tǒng)的綜合效能進(jìn)行全面的評(píng)估。

2) 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)化

由于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的理解不一，不同的人有著不同的觀點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；而且這種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的非標(biāo)準(zhǔn)化、多元化造成的一個(gè)直接結(jié)果就是評(píng)估過(guò)程中主觀因素太多。

3) 評(píng)估過(guò)程的不可重復(fù)性

如果評(píng)估過(guò)程不具有可重復(fù)性，不能很好地反映系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展變化和演化的規(guī)律，就會(huì)使評(píng)估結(jié)果失去必然性，也會(huì)極大地降低評(píng)估結(jié)果的可信度。

為此，艦船裝備安全狀態(tài)評(píng)估模型需要能夠科學(xué)、完整并且正確地反映評(píng)價(jià)系統(tǒng)所處狀態(tài)的內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，能夠反映評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)質(zhì)要素及其相互之間的關(guān)聯(lián)狀態(tài),盡量做到簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用必須滿足某些要求[7],如圖1所示。

圖1 安全狀態(tài)評(píng)估過(guò)程模型范例

為此，為了能更好地開(kāi)展實(shí)施裝備安全狀態(tài)評(píng)估，必須要能科學(xué)地反映評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)組成因素及其相互之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在確定評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)構(gòu)成要素的基礎(chǔ)上,正確地分析構(gòu)成要素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是衡量該評(píng)價(jià)模型優(yōu)劣的重要依據(jù)，是完整地描述評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)程度的度量指標(biāo)。其次，要具有正確地反映評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)及其因素狀態(tài)程度的確定途徑，并在此基礎(chǔ)上尋找科學(xué)地對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)構(gòu)成要素的特征進(jìn)行合成處理的技術(shù)方法。

4 艦船裝備智能化狀態(tài)安全評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)各級(jí)艦船質(zhì)量管理部門需求，確定基于艦船裝備狀態(tài)評(píng)估決策支持系統(tǒng)的主要功能，可輔助決策者分析設(shè)備的狀態(tài)變化情況、發(fā)現(xiàn)當(dāng)前問(wèn)題、預(yù)測(cè)將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，作出相應(yīng)的決策。將系統(tǒng)按照功能模塊劃分，主要提供如下功能：

1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理，即進(jìn)行數(shù)據(jù)凈化，檢測(cè)沖突；

2) 建立數(shù)據(jù)集合，即根據(jù)不同的評(píng)估對(duì)象，裝載多種格式的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸約、數(shù)據(jù)綜合力度劃分、數(shù)據(jù)綜合管理；

3) 建立數(shù)據(jù)的多維邏輯分析模型，提供多維視圖；

4) 知識(shí)的可視化工具,提供設(shè)備狀態(tài)信息和決策工具。

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上提出的一種能進(jìn)行有效、快速分析的數(shù)據(jù)管理技術(shù),是支持管理決策過(guò)程的、面向主題的、集成的、與時(shí)間有關(guān)的、持久的數(shù)據(jù)集合；而信息融合和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是信息處理領(lǐng)域前沿的技術(shù)。所謂信息融合就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來(lái)自多源的信息和數(shù)據(jù),在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析和綜合,以完成所需要的決策和估計(jì)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程[8]。信息融合方法按其融合算法的不同,主要可分為:貝葉斯定理信息融合故障診斷方法;模糊信息融合故障診斷方法;DS證據(jù)理論信息融合故障診斷方法;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合故障診斷方法;集成信息融合故障診斷方法等。數(shù)據(jù)挖掘則致力于知識(shí)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的潛在模式，并以這些模式為基礎(chǔ)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，綜合運(yùn)用信息融合和數(shù)據(jù)挖掘理論，構(gòu)建了艦船裝備智能化安全狀態(tài)評(píng)估平臺(tái),并在此基礎(chǔ)上建立艦船裝備智能化的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)[9]。

艦船裝備智能化狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)的設(shè)計(jì)，充分結(jié)合了信息融合和數(shù)據(jù)挖掘的長(zhǎng)處，其組成框圖如圖2所示。

圖2 艦船裝備智能化安全狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)

信息融合體系中，數(shù)據(jù)層融合的主要功能是對(duì)匹配的傳感器數(shù)據(jù)直接融合，而后對(duì)融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和狀態(tài)屬性說(shuō)明。數(shù)據(jù)挖掘通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的知識(shí)積累，可以對(duì)信息的輸入進(jìn)行選擇，發(fā)現(xiàn)各信息的權(quán)重，剔除對(duì)最終評(píng)估結(jié)果貢獻(xiàn)不大的信息，減少冗余信息，并能提高評(píng)估精度。

特征層融合需要檢測(cè)層的融合結(jié)果,同時(shí)需要有關(guān)描述對(duì)象評(píng)估知識(shí)的融合結(jié)果。評(píng)估知識(shí)的來(lái)源主要是各種先驗(yàn)的各種知識(shí),為此可以通過(guò)數(shù)據(jù)采掘系統(tǒng)得到有關(guān)對(duì)象運(yùn)行的新的知識(shí),例如規(guī)則、分類、分簇和序列匹配等。對(duì)照已建立的假設(shè)(已知的評(píng)估模式),對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行檢驗(yàn),以確定哪一種評(píng)估假設(shè)與觀測(cè)量匹配。

在決策層融合時(shí),不同信息處理模塊各自給出推理結(jié)果，完成評(píng)估艦船裝備狀態(tài)的初步結(jié)論及決策層融合判決，最終獲得聯(lián)合推斷結(jié)果。然后加以融合決策,數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以用于決策器的建模。同時(shí),對(duì)策使用后,其典型案例仍是寶貴的經(jīng)驗(yàn),要存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)必要的數(shù)據(jù)采掘?yàn)橐院蟮臎Q策融合作必要的準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)挖掘是系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其結(jié)果直接影響決策。通過(guò)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，對(duì)它們進(jìn)行歸納性的推理和聯(lián)想，尋找數(shù)據(jù)間內(nèi)在的某些關(guān)聯(lián)，從中發(fā)掘出潛在的、對(duì)信息預(yù)測(cè)和決策行為起著十分重要作用的模式，從而建立新的決策模型。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了艦船裝備安全狀態(tài)評(píng)估中常遇到的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了其安全狀態(tài)評(píng)估范式。針對(duì)現(xiàn)代艦船裝備大都配備了較為完善的監(jiān)控系統(tǒng)，但缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理手段等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于信息技術(shù)理論的艦船裝備智能化安全狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)。該平臺(tái)可以推廣到整個(gè)艦船平臺(tái)的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，從而大大促進(jìn)艦船的信息化水平，提高其生命力與戰(zhàn)斗力。

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