典型環(huán)境條件下裝備環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)估方法

武月琴，傅耘，敖亮

（中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

環(huán)境適應(yīng)性要求是一個(gè)十分復(fù)雜的戰(zhàn)技指標(biāo)，由于這一要求的多樣性和復(fù)雜性，在以往裝備的立項(xiàng)論證中往往只能將這一要求系統(tǒng)化和原則化。由于要求過(guò)于籠統(tǒng)，承制方不得不根據(jù)這一原則要求，自己將其落實(shí)到系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備各個(gè)等級(jí)[1]。各系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備針對(duì)各種因素分別提出相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性要求，構(gòu)成了型號(hào)工程下層產(chǎn)品合同或協(xié)議書中環(huán)境適應(yīng)性要求的內(nèi)容。由于目前對(duì)環(huán)境適應(yīng)的評(píng)價(jià)尚不夠明確、沒有制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前這一要求在研制任務(wù)書和合同中往往提得不夠全面和合理，影響了裝備研制和生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境工程工作開展，因此迫切需要解決環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)問題[2]。筆者在系統(tǒng)分析航空裝備環(huán)境適應(yīng)的特點(diǎn)及環(huán)境適應(yīng)性要求類型的基礎(chǔ)上，建立了裝備環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了裝備環(huán)境適應(yīng)性的有效評(píng)估。

1 環(huán)境適應(yīng)性要求的類型及特點(diǎn)

裝備的環(huán)境適應(yīng)性主要取決于兩方面的因素：1）選用的材料、構(gòu)件、元器件的耐環(huán)境能力；2）采用的耐環(huán)境設(shè)計(jì)措施是否有效。對(duì)于航空裝備來(lái)說(shuō)，其環(huán)境適應(yīng)性要求可以分為對(duì)材料及其涂鍍層、結(jié)構(gòu)件、連接件的環(huán)境適應(yīng)性要求和功能件(整機(jī)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備)的環(huán)境適應(yīng)性要求兩種類型。筆者將材料及其涂鍍層的環(huán)境適應(yīng)性放到功能件的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估中，對(duì)于結(jié)構(gòu)件與連接件可采用其耐久性評(píng)估指標(biāo)。環(huán)境適應(yīng)性要求具有以下特點(diǎn)∶唯一性、綜合性和半定量性。

2 多級(jí)模糊綜合評(píng)估模型

影響航空裝備的環(huán)境因素主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面∶1）裝備執(zhí)行任務(wù)隨機(jī);2）工作環(huán)境描述模糊;3）環(huán)境參數(shù)的變化不確定[3]。運(yùn)用模糊理論建立各因素的模糊隸屬度函數(shù)，并采用模糊綜合評(píng)估方法對(duì)航空裝備的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。建立裝備環(huán)境適應(yīng)性的多級(jí)模糊綜合評(píng)估模型的具體步驟如下。

2.1 建立因素集及因素類集

因素集是影響裝備環(huán)境適應(yīng)性的各種因素所組成的集合。當(dāng)因素很多時(shí)，首先需要根據(jù)各因素的特點(diǎn)將因素分為類，記為：

U={u1，u2，…，um}

式中：ui={ui1，ui2，…，uj}，i=1，2，…，m，u表示影響裝備環(huán)境適應(yīng)性的因素，如振動(dòng)、溫度和鹽霧等。

2.2 建立權(quán)重集

在多級(jí)模糊綜合評(píng)判中,確定權(quán)重是其中很重要的一個(gè)步驟,直接影響到最后評(píng)判結(jié)果的準(zhǔn)確性。權(quán)重集包括因素類權(quán)重集和因素權(quán)重集。

2.2.1 建立因素類權(quán)重集

根據(jù)每個(gè)類的重要程度，賦予每個(gè)因素類以相應(yīng)的權(quán)數(shù)。設(shè)第i 類因素類ui的權(quán)數(shù)記為ai=（1，2，…，m），則因素類權(quán)重集為：

A={a1，a2，…，am}

2.2.2 因素權(quán)重集

每一類因素中，根據(jù)各個(gè)因素的重要程度，賦予每個(gè)因素以相應(yīng)的權(quán)數(shù)。設(shè)第i類中第j個(gè)因素uij的權(quán)數(shù)記為aij={1，2，…，m}；j=1，2，…，ni，其中ni為第i類元素的個(gè)數(shù)，則因素權(quán)重集為：

Ai={ai1，ai2，…，ain} i=1，2，…，m

2.3 建立評(píng)價(jià)集

在模糊綜合評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)集是以評(píng)判的各種可能的結(jié)果為元素所組成的集合。因?yàn)槟壳暗沫h(huán)境適應(yīng)性霉菌及鹽霧的環(huán)境適應(yīng)性分析是定性的，是根據(jù)長(zhǎng)霉程度及腐蝕程度而定的。而振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)或不通過(guò)，即使通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)，外場(chǎng)使用還會(huì)出現(xiàn)不適應(yīng)環(huán)境的情況。為了綜合分析各單因素的影響，將產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性分為5 個(gè)等級(jí){0，1，2，3，4}，因此評(píng)價(jià)集可表為：

V={v1，v2，v3，v4，v5}

2.4 一級(jí)模糊綜合評(píng)判

按每類中的各個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)判。設(shè)按第i類中第j 個(gè)因素uij評(píng)判，評(píng)判對(duì)象隸屬于評(píng)價(jià)集中的第 k 個(gè)元素的隸屬度為 rijk（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；k=1，2，…，5），則可得一級(jí)模糊綜合評(píng)判的單因素評(píng)判矩陣。于是，可得各類因素的模糊綜合評(píng)判結(jié)果。

2.5 二級(jí)模糊綜合評(píng)判

一級(jí)模糊綜合評(píng)判僅是對(duì)一類中的各因素進(jìn)行綜合。為了考慮各類因素的綜合影響，還必須在類與類之間進(jìn)行綜合，這便是二級(jí)模糊綜合評(píng)判。二級(jí)模糊綜合評(píng)判時(shí)的單因素評(píng)判，應(yīng)為相應(yīng)的一級(jí)模糊綜合評(píng)判。因此二級(jí)模糊綜合評(píng)判的單因素評(píng)判矩陣應(yīng)為一級(jí)模糊綜合矩陣。

3 案例分析

某機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行了低溫貯存、低溫工作、高溫工作、高溫貯存、溫度沖擊、加速度、沖擊、振動(dòng)、濕熱、霉菌和鹽霧試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估此產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

3.1 建立因素集

根據(jù)產(chǎn)品的各種試驗(yàn)結(jié)果，來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。因素集為各種試驗(yàn)組成的集合表示為{低溫貯存，低溫工作，高溫工作，高溫貯存，溫度沖擊，加速度，沖擊，振動(dòng)，濕熱，霉菌，鹽霧}。根據(jù)各因素的特點(diǎn)將因素分為3類，記為：

U={u1，u2，u3}

其中u1={低溫工作，低溫貯存，高溫工作，高溫貯存，濕熱，溫度沖擊}；u2={霉菌，鹽霧}；u3={沖擊，加速度，振動(dòng)}。

3.2 確定各層次權(quán)重

根據(jù)各環(huán)境因素的特點(diǎn)，采用基于判斷矩陣的權(quán)重確定方法。具體步驟如下：

1）每次取 2 個(gè)因素 xi和 xj，以 pij表示 xi和 xj對(duì)環(huán)境適應(yīng)性影響大小之比，全部比較結(jié)果用判斷矩陣p=（pij）n×n表示。

2）將判斷矩陣p 的n個(gè)行向量歸一化后的算術(shù)平均值，作為權(quán)重向量，即權(quán)向量為：p=（a1，a2，…，an），滿足：

3）建立因素類權(quán)重集

設(shè)因素類ui的權(quán)數(shù)為ai（i=1，2，3），則因素類權(quán)重集為：

A=（a1，a2，a3）

根據(jù)分析得因素類權(quán)重集對(duì)應(yīng)的判斷矩陣為：

4）因素權(quán)重集

每一類因素中，根據(jù)各個(gè)因素的重要程度，賦予每個(gè)因素以相應(yīng)的權(quán)數(shù)。設(shè)第i類中第j個(gè)因素的權(quán)數(shù)為aij，則因素權(quán)重集為：

A1={a11，a12，a13，a14，a15，a16}，A2={a21，a22}，A3={a31，a32，a33}

為了得到因素權(quán)重集，構(gòu)建每個(gè)因素集對(duì)應(yīng)的判斷矩陣。

因素集u1={低溫工作，低溫貯存，高溫工作，高溫貯存，濕熱，溫度沖擊}對(duì)應(yīng)的判斷矩陣為：

因素集u1的權(quán)重集為：A1=[0.366，0.293，0.166，0.089，0.055，0.033]

因素集u2={霉菌，鹽霧}對(duì)應(yīng)的判斷矩陣為：

因素集u3={沖擊，加速度，振動(dòng)}對(duì)應(yīng)的判斷矩陣為：

因素集 u3的權(quán)重集為：A3=[0.106 1，0.633 4，0.260 5]

3.3 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集為：V={v1，v2，v3，v4，v5}，其中vk=k-1，k=1，2，3，4，5。

3.4 單因素模糊評(píng)估

根據(jù)每種試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，分別評(píng)估產(chǎn)品對(duì)單因素的環(huán)境適應(yīng)性，并分別得到產(chǎn)品對(duì)單環(huán)境因素適應(yīng)性的評(píng)價(jià)矩陣，如下：

1）低溫工作：工作溫度為：-55 ℃，單因素評(píng)價(jià)值為：r11=0.422。

2）濕熱：相對(duì)濕度為：85%，單因素評(píng)價(jià)值為：r12=0.012。

3）霉菌：按照MIL-STD-810F 中長(zhǎng)霉程度評(píng)定準(zhǔn)則建立模糊集：

A4={μ（0），μ（1），μ（2），μ（3），μ（4）}

式中：μ（i）表示該航空裝備材料的長(zhǎng)霉程度隸屬于等級(jí)i的概率（可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)或相似產(chǎn)品的信息得到）。由專家確定的各等級(jí)對(duì)應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)程度為：

B=（1，0.6，0.3，0，0）

則該航空裝備材料對(duì)環(huán)境因素霉菌的適應(yīng)程度為：

將評(píng)估結(jié)果等級(jí)1帶入，求得r21=0.6。

4）鹽霧：建立鹽霧（沙塵）的梯形隸屬函數(shù)為∶

式中：x為腐蝕程度。將腐蝕程度按照從輕到嚴(yán)重劃分為4 個(gè)等級(jí)：a=1，b=2，c=3，Smax=4。在此試驗(yàn)中x=1.6，求得r22=0.85。

5）振動(dòng)：振動(dòng)量級(jí)為18，單因素評(píng)價(jià)值為r33=0.078。

3.5 一級(jí)模糊評(píng)估

利用單因素評(píng)估結(jié)果，按照因素類的劃分，對(duì)每個(gè)因素集分別調(diào)用其對(duì)應(yīng)的一級(jí)權(quán)重向量，進(jìn)行一級(jí)模糊評(píng)估。各因素集的一級(jí)評(píng)估結(jié)果如下：

r1=a11r11+a12r12+L+a16r16=0.4，r2=a21r21+a22r22=0.66，r3=a31r31+a32r32+a33r33=0.11

3.6 二級(jí)模糊綜合評(píng)估

一級(jí)模糊評(píng)估僅是對(duì)一類中的各個(gè)因素進(jìn)行綜合。為了考慮各類因素的綜合影響，還必須在類之間進(jìn)行綜合，這便是二級(jí)模糊綜合評(píng)估。利用一級(jí)模糊評(píng)估的結(jié)果，再調(diào)用二級(jí)權(quán)重向量，完成二級(jí)模糊綜合評(píng)估。

r=a1r1+a2r2+a3r3=0.392

因此，該產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性為2級(jí)。

4 案例分析

裝備環(huán)境適應(yīng)性雖然取決于選材和采取的耐環(huán)境措施，但對(duì)不同的環(huán)境，產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境的程度不同。在產(chǎn)品不適應(yīng)環(huán)境時(shí)定義其環(huán)境適應(yīng)程度為0，然后用0與1之間的數(shù)描述產(chǎn)品適應(yīng)環(huán)境的程度。為了說(shuō)明方法的有效性，將案例中產(chǎn)品的一些環(huán)境條件改善，看產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性變化情況。將低溫工作試驗(yàn)中的溫度由-55 ℃升高到-40 ℃；將高溫工作試驗(yàn)中的溫度由70 ℃降到50 ℃，振動(dòng)由18降到5，其他試驗(yàn)條件不變，然后評(píng)估此產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

表1 不同環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估結(jié)果的影響對(duì)比Table 1 Influence of environmental condition on evaluation results of product environmental worthiness

從表1可知案例中的產(chǎn)品在改善后的環(huán)境下的得到的綜合評(píng)估結(jié)果為：0.549是3級(jí)，而原來(lái)的評(píng)價(jià)結(jié)果為0.392 是2 級(jí)。很明顯環(huán)境適應(yīng)性比原來(lái)提高了。

[1]祝耀昌，常文君，傅耘.武器裝備環(huán)境適應(yīng)性與環(huán)境工程[J].裝備環(huán)境工程，2005，2（1）：14—19.

[2]武月琴，傅耘.裝備環(huán)境適應(yīng)性表征方法研究[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（6）：52—55.

[3]李安貴，張志宏，孟艷，等.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社，2005.