艦艇主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)

曾魯山，曾凡明，孔慶福，李彥強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442)

艦艇主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)

曾魯山1，曾凡明1，孔慶福1，李彥強(qiáng)2

(1.海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442)

針對艦艇主動力裝置這一復(fù)雜系統(tǒng)的戰(zhàn)損評估與搶修國內(nèi)還沒有一個完善的解決方案，提出了戰(zhàn)損情況下主動力裝置生命力分析和艦艇航速計(jì)算的方法;利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和損傷樹的推理方法實(shí)現(xiàn)了裝備的損傷定位;探討了戰(zhàn)場環(huán)境下主動力裝置搶修決策的邏輯關(guān)系;構(gòu)建了系統(tǒng)的基本框架并提出較完善的解決方案，根據(jù)此方案開發(fā)了某型艦主動力裝置搶修決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用具有較強(qiáng)的軍事意義。

艦艇主動力裝置;戰(zhàn)損評估與修復(fù);損傷定位;搶修決策;支持系統(tǒng)

0 引言

戰(zhàn)場損傷評估與修復(fù)(Battlefield Damage Assessment and Repair，BDAR)，即在戰(zhàn)場搶修時，對裝備進(jìn)行損傷評估、狀態(tài)預(yù)測，并根據(jù)需要快速修復(fù)損傷部位［1］。西方國家戰(zhàn)場搶修比較有代表性的成果主要有美軍的坦克修復(fù)模型、英國空軍戰(zhàn)場損傷修復(fù)研究、美國飛機(jī)戰(zhàn)場損傷評估程序等。近年來，美軍對戰(zhàn)損數(shù)據(jù)的獲得有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，非常注重對戰(zhàn)斗損傷數(shù)據(jù)庫的管理工作，其戰(zhàn)損研究工作走在世界前列［2-3］。國內(nèi)分別對火炮、飛機(jī)等裝備的戰(zhàn)場損傷評估、戰(zhàn)斗損傷備件模型等進(jìn)行了有益探討［4-6］，但艦艇主動力裝置的戰(zhàn)損評估和搶修與火炮、飛機(jī)等裝備在運(yùn)行模式、搶修資源、戰(zhàn)場環(huán)境等方面有很多不同的地方，現(xiàn)還沒有看到一個完善的解決方案。隨著智能決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，其對知識和數(shù)據(jù)的處理能力逐漸增強(qiáng)，為研究艦艇主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)提供可借鑒的方法和便利的條件。本文針對某型主動力裝置這一復(fù)雜大系統(tǒng)進(jìn)行了BDAR的研究，提出了1個較為完善的解決方案，探討了各個功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法，并根據(jù)此方案開發(fā)了該型主動力裝置戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)。

1 主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)整體框架

主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)的主要功能包括主動力裝置戰(zhàn)損預(yù)測、主動力裝置生命力分析、搶修資源分析、裝備損傷定位、搶修方案制定、裝備狀態(tài)預(yù)測、裝備應(yīng)急使用方案分析等。包含的模塊主要有信息輸入模塊、系統(tǒng)管理模塊、知識庫模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、損傷定位模塊、內(nèi)置Matlab函數(shù)模塊、信息輸出模塊。其中信息輸入模塊主要包含損傷評估人員輸入系統(tǒng)所需的各類信息:艦艇受到攻擊的武器名稱和位置、易于觀察的主動力裝備損傷情況、戰(zhàn)場態(tài)勢信息、搶修結(jié)果等內(nèi)容;系統(tǒng)管理模塊主要包括對知識庫和數(shù)據(jù)庫的管理:添加修改數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、修改知識庫規(guī)則、系統(tǒng)備份與還原、用戶管理等內(nèi)容;損傷定位模塊根據(jù)信息輸入模塊輸入的信息、知識庫的規(guī)則和對數(shù)據(jù)庫的調(diào)用定位出可能損傷的裝備部件，為搶修找出對象;知識庫和數(shù)據(jù)庫模塊提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的各種邏輯規(guī)則和數(shù)據(jù)資料;內(nèi)置Matlab函數(shù)模塊提供戰(zhàn)損預(yù)測和艦艇航速計(jì)算的函數(shù)模型，供系統(tǒng)調(diào)用;信息輸出模塊輸出該系統(tǒng)評估的結(jié)果和制定的搶修對策等內(nèi)容。圖1說明了艦艇主動力裝置搶修決策支持系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容和各個模塊間的邏輯關(guān)系與流程。

2 主要功能模塊及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 戰(zhàn)損預(yù)測與狀態(tài)評估

炮彈、炸彈、飛航式導(dǎo)彈等空中爆炸和魚雷、水雷等武器的水下爆炸是由爆炸產(chǎn)物和沖擊波聯(lián)合作用下對艦艇有爆破作用、貫穿作用、震動作用、燃燒作用等。主動力裝置作為評估的對象，要考慮其各個設(shè)備的減震效果及其對武器的沖擊響應(yīng)值、防護(hù)性、在艦艇水密區(qū)間的布置等。根據(jù)武器的資料和主動力裝置布置的特點(diǎn)來直接計(jì)算主動力裝置的生命力要考慮的因素眾多，是非常復(fù)雜的。為簡化計(jì)算，本文主要考慮武器對主動力裝置造成的沖擊損傷和破損損傷2種主要危害模式。當(dāng)武器攻擊艦艇時，如果沒有造成主動力裝置所在艙室的破損，那么僅考慮沖擊損傷;如果造成主動力裝置破損，同時要考慮沖擊損傷和破損損傷。首先將艦艇可能受到的攻擊武器按照含彈量和攻擊模式不同劃分為不同的類型，統(tǒng)計(jì)不同含彈量武器對艦艇攻擊后艦艇的破損半徑［7］。咨詢有關(guān)專家各個設(shè)備的沖擊響應(yīng)值和震害指數(shù)，建立損傷評估等級集，確定評判論域中的各級評判因素，參考有關(guān)資料和隸屬函數(shù)的計(jì)算得到各個因素的隸屬度，根據(jù)各層模糊加權(quán)、模糊綜合評判，得到?jīng)_擊損傷度。艦艇主動力裝置破損損傷按照艦艇動力裝置和艙室水密區(qū)劃的情況來計(jì)算和分析，具體位置以肋骨編號為準(zhǔn)，運(yùn)用武器破壞半徑R分析法［8］，結(jié)合沒有破損艙室的設(shè)備受到的沖擊損傷情況，模糊綜合評判主動力裝置的生命力。

圖1 艦艇主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)框圖Fig.1 Frame of warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

2.2 戰(zhàn)損情況下艦艇航速性分析

根據(jù)某型艦艇主動力裝置的特點(diǎn)，戰(zhàn)斗損傷情況和方式復(fù)雜多變，對主動力裝置特性分析僅考慮人工操作方式，不考慮遙控系統(tǒng)損傷情況。建立船-機(jī)-槳仿真數(shù)學(xué)模型，動力傳遞模型如圖2所示。

戰(zhàn)斗損傷情況下，艦艇阻力R是隨著艙室破損進(jìn)水排水量發(fā)生變化的，利用系列圖譜估算法估算相應(yīng)情況下艦艇的阻力［9］，得出具體破損情況下艦艇阻力值R。用戶輸入各個設(shè)備的損傷狀態(tài)，考慮主動力裝置不同的運(yùn)行方式，計(jì)算艦艇受到攻擊以后可以實(shí)現(xiàn)的航速。由于戰(zhàn)損數(shù)據(jù)缺乏，進(jìn)行航速性分析時僅將設(shè)備的狀態(tài)分為能運(yùn)行和不能運(yùn)行2種狀況。

2.3 基于損傷樹分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理的損傷定位

圖2 動力傳遞模型Fig.2 Power transfer model

2 .3 .1 基本功能項(xiàng)目分析

根據(jù)裝備系統(tǒng)完成其任務(wù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，對主動力設(shè)備進(jìn)行功能項(xiàng)目層次劃分。根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)層次性的特征，主動力裝置在功能上有層次性。對艦艇主動力裝置按照功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，可分5個層次，如圖3所示。

2 .3 .2 損傷模式和影響分析

戰(zhàn)場損傷模式和影響分析用于確定基本功能部件戰(zhàn)斗損傷的形式及其對上級系統(tǒng)造成的影響、嚴(yán)酷程度等，為損傷定位提供依據(jù)。在建立主動力裝置基本功能項(xiàng)目的基礎(chǔ)上可以對每個基本功能項(xiàng)目進(jìn)行分析。以燃油輸送泵為例進(jìn)行損傷模式及影響分析，如表1所示。

2 .3 .3 損傷定位推理

圖3 主動力裝置結(jié)構(gòu)功能劃分Fig.3 Warship main power plant basic function item analysis

表1 泵體損傷模式及影響分析Tab.1 Pump damage mode and effect analysis

損傷定位的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)主動力裝置功能項(xiàng)目劃分和損傷模式與影響分析的結(jié)果由上至下的定位過程。戰(zhàn)損評估人員首先輸入設(shè)備征兆，系統(tǒng)根據(jù)輸入的證據(jù)、確認(rèn)事件、排除事件推理出造成設(shè)備出現(xiàn)相應(yīng)征兆的原因，即損傷的部件。在推理的過程中可用的方法較多，本文采用了損傷樹分析法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法。

損傷樹分析法借鑒成熟的故障樹分析方法可以反應(yīng)損傷事件間的組合和因果關(guān)系，以此來確定損傷原因;簡化損傷推理過程，明確推理方向;提供各個項(xiàng)目損傷評估的同時具有明確的邏輯關(guān)系。基于損傷樹模型的產(chǎn)生式規(guī)則推理能系統(tǒng)、全面反應(yīng)裝備結(jié)構(gòu)中所有對象的評估知識;有利于推理和控制策略的制定［6］。但是，對于復(fù)雜大系統(tǒng)枝節(jié)過多，建樹規(guī)模龐大，對不確定問題的推理缺乏戰(zhàn)損試驗(yàn)和戰(zhàn)損數(shù)據(jù)的情況下，參數(shù)的設(shè)定存在很大問題，具有相當(dāng)大的不準(zhǔn)確性。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)也稱信度網(wǎng)、因果網(wǎng)等，其特征是條件獨(dú)立性，基于概率的嚴(yán)格推理，是一種不確定性的知識表達(dá)和推理模型，推理原理基于貝葉斯概率理論，推理過程是概率計(jì)算，知識表示分為定性知識和定量知識。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有條件獨(dú)立的特點(diǎn)，減少了知識獲取和推理的復(fù)雜程度，能處理不完整數(shù)據(jù)集問題，并能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的因果關(guān)系;提供了一種將知識直覺地圖解可視化的方法，避免了先驗(yàn)信息可能帶來的主觀偏見和后驗(yàn)信息帶來的影響［10-11］。而裝備損傷及損傷程度和裝備部件損傷對整個裝備戰(zhàn)斗性能的傳遞性、不確定性及事件的概率性，決定了裝備損傷評估可利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。

針對整個主動力裝置這一復(fù)雜系統(tǒng)，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的難度很大，需要清楚地知道系統(tǒng)中的所有變量、變量的狀態(tài)、變量間的相互影響關(guān)系以及所有的條件概率分布。而動力裝置戰(zhàn)斗損傷具有很大的不確定性，因此難度在于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)條件概率表的確定。為此本文采用的方法是在系統(tǒng)的一二三級采用損傷樹分析法，一二三級的推理過程中可以觀測的儀表和征兆較多，比較適用于確定性推理方法。而三四五級采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理法，主要針對不確定性事件的推理(主動力裝置系統(tǒng)分級如圖3所示)。由于主動力裝置戰(zhàn)場損傷評估與修復(fù)研究中缺乏實(shí)際和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法通過數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和條件概率進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，需要知識工程師和領(lǐng)域內(nèi)的專家合作對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模及給定節(jié)點(diǎn)的條件概率表(CPT)。圖4是在GeNIe軟件建立的供油裝置和燃油系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

圖4 GeNIe軟件中供油裝置和燃油系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Bayesian network model built in GeNIe

GeNIe軟件是由美國匹茲堡大學(xué)決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的建立圖形化推理模型的開發(fā)環(huán)境，它提供了聚類算法、多樹傳播算法等多種算法。實(shí)現(xiàn)推理的過程中系統(tǒng)逐步與損傷評估人員進(jìn)行交互，從而明確問題的解答即損傷部件所在的位置。在GeNIe軟件建立的主動力裝置三四五級的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)戰(zhàn)損數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)對模型進(jìn)行推理和校正。

損傷樹推理方法的實(shí)現(xiàn)，主要是利用框架表示知識，基于產(chǎn)生式規(guī)則實(shí)現(xiàn)正向推理。根據(jù)損傷樹推理的結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)損傷部件的不確定性推理。

2.4 搶修決策

系統(tǒng)定位出設(shè)備的損傷信息以后，可以根據(jù)戰(zhàn)場特定環(huán)境的限制條件進(jìn)行有效的搶修。戰(zhàn)場特定環(huán)境的搶修條件包括:戰(zhàn)場允許的搶修時間、搶修模式等。戰(zhàn)損評估人員首先選擇搶修模式，系統(tǒng)的搶修模式分為艦員級搶修、搶修隊(duì)搶修、基地修理所搶修、船廠搶修4種。不同的搶修模式有不同的搶修能力。系統(tǒng)首先判斷損傷設(shè)備在允許的搶修模式下能否搶修，篩選出能搶修的設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)能搶修的設(shè)備判斷設(shè)備搶修成功后可以實(shí)現(xiàn)的主動力裝置的運(yùn)行模式。針對每個運(yùn)行模式選擇需要搶修的損傷設(shè)備，調(diào)用搶修信息數(shù)據(jù)庫判斷這些設(shè)備的搶修順序和在設(shè)定搶修模式下的需要的最短搶修時間。用戶輸入戰(zhàn)場環(huán)境允許的搶修時間，判斷針對哪種運(yùn)行模式進(jìn)行搶修。選擇搶修方案的依據(jù)是在戰(zhàn)場運(yùn)行搶修時間內(nèi)主動力裝置能實(shí)現(xiàn)最大航速。搶修決策邏輯關(guān)系如圖5所示。

圖5 搶修決策邏輯圖Fig.5 Logic of repair decision making

3 系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)采用Visual Studio 2005平臺實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面和主控模塊。利用SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理和開發(fā)平臺，很好地實(shí)現(xiàn)了與Visual Studio.NET的集成，使開發(fā)人員能使用C#之類的語言直接為SQL Server編寫程序，從而實(shí)現(xiàn)了與微軟.NET應(yīng)用程序架構(gòu)的緊密協(xié)作。

戰(zhàn)損預(yù)測的模糊綜合評判法和生命力分析中主動力裝置穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算所需要的函數(shù)模型在MATLAB中編寫，輸出為可以在Visual Studio 2005中引用的COM組件。Visual Studio 2005對其進(jìn)行調(diào)用和開發(fā)。利用圖形化推理工具GeNIe建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)保存為*.xdsl格式的 XML文件。SMILEX(Structure Moldeling，Inference，and Learning Engine)是GeNIe的推理引擎庫，是一個完全獨(dú)立平臺的可以實(shí)現(xiàn)圖形化推理的函數(shù)庫，能進(jìn)行概率、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、影響圖的推理。其API函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)圖形化模型的創(chuàng)建、載入、編輯?？梢栽赩isual Studio.NET的平臺上進(jìn)行建模和推理。在系統(tǒng)集成開發(fā)平臺Visual Studio 2005中添加Smilenet.dll的引用，完成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的嵌入使用。

本研究實(shí)現(xiàn)的某型主動力裝置搶修決策支持系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 某型主動力裝置戰(zhàn)損評估與搶修決策支持系統(tǒng)Fig.6 Battlefield damage assessment and repair decision support system of main power plant

4 結(jié)語

本文針對艦艇主動力裝置進(jìn)行了BDAR的研究，提出一個較為完善的解決方案，并研究了各個功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)方法。艦艇主動力裝置戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)的開發(fā)能迅速地對主動力裝備進(jìn)行損傷評估、狀態(tài)預(yù)測，并根據(jù)需要快速地修復(fù)損傷部位，

為戰(zhàn)場環(huán)境下的搶修工作提供技術(shù)支持。

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Research on warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

ZENG Lu-shan，ZENG Fan-ming，KONG Qing-fu;LI Yan-qiang2
(1.College of Naval Architecture and Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Equipment Institute of Technology，Beijing 102442，China)

We still do not have a complete solution of battlefield damage assessment and repair of large and complex system of warship main power plant in our country，the vitality analysis of warship main power plant and a calculating method of warship speed under the condition of battlefield damage were developed in this paper.Using the inference method of Bayesian network and Damage Tree the damage localization of damage equipments was realized.The logic of repair decision making of warship main power plant was discussed，under the condition of battlefield，the basic system framework was built and a relatively perfect solution was put forward，repair decision support system of a certain warship main power plant was developed according to this program，development and application of the system has a strong military significance.

warship main power plant;battlefield damage assessment and repair;damage localization;repair decision making;support system

U664.1

A

1672-7649(2011)12-0115-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.028

2009-09-10;

2011-10-24

曾魯山(1984-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閯恿ρb置總體優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)分析、戰(zhàn)斗使用。