基于模糊層次分析法的艦艇維修性評估方法

張 冬，張 平，方 強，祝 泓

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

基于模糊層次分析法的艦艇維修性評估方法

張 冬，張 平，方 強，祝 泓

中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

維修性定量評估一直是艦艇設計中的難點之一?；谂炌гO計中常用的維修性設計準則，將層次分析法與模糊評判理論相結(jié)合，提出一種可用于艦艇維修性設計方案優(yōu)化和不同方案間維修性水平比較的新方法。在評估過程中，首先根據(jù)艦艇維修性設計準則，將影響維修性的因素進行逐層分解、獨立評價，再經(jīng)逐層向上的模糊運算，得到評估對象的維修性水平。實例計算表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對維修性由定性到定量的評估，明確地得出不同方案之間維修性水平的差別，并能發(fā)現(xiàn)方案中維修性水平的薄弱環(huán)節(jié)。

艦艇；維修性；模糊評估；層次分析法

0 引 言

維修性是指裝備在規(guī)定的條件下，按規(guī)定的程序和手段實施維修時，保持或恢復能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。艦艇裝備長期在高鹽、高濕以及具有輻射和振動的環(huán)境中工作，較陸上同類裝備更易發(fā)生故障。在艦艇裝備發(fā)生故障或失效時，艦員能否快速、準確地排除故障，修復裝備，取決于裝備的維修性設計水平。在艦艇裝備研制過程中，會開展維修性設計、分析與評估等工作，其中，維修性評價指標是檢驗維修性設計工作優(yōu)劣的重要標準。除MTBF、MTTR等定量指標外，在進行艦艇設計時的一系列維修性評估指標多為定性指標。長期以來，由于對這些指標缺少直觀、定量的檢驗方法，使得不少維修性問題在裝備服役后才被發(fā)現(xiàn)，增加了裝備維修成本。

設計人員一直在研究可用于確定艦艇維修性水平的方法。例如，在傳統(tǒng)艦船維修性設計領域，設計人員經(jīng)常使用維修性演示試驗和設計準則對照法。前者能直觀、準確地發(fā)現(xiàn)設計中的維修性問題，但在評估之前，需要研制評估對象的樣機或演示模型，且使用該方法進行維修性評估周期較長、費用較高；后者能根據(jù)設計準則中的條目，有針對性地發(fā)現(xiàn)設計方案中維修性的薄弱環(huán)節(jié)，但該方法只能實現(xiàn)定性評估，且主觀性較強，不同的評價主體獲得的結(jié)果差異較大。近年來，研究人員也提出了一些可用于維修性定量評估的新方法。吳玲丹等［1］提出了用支持向量機回歸算法結(jié)合矩陣積和式函數(shù)的方法建立艦船裝備的維修性設計評估模型。高明君等［2］根據(jù)系統(tǒng)工程的基本步驟，結(jié)合產(chǎn)品的一般研制程序，提出了維修性設計要求的一體化生成過程。陸中等［3］提出了基于著色隨機時間Petri網(wǎng)的維修性建模方法，將蒙特卡羅法應用到了維修時間仿真計算以及維修資源需求量計算中。劉福成等［4］提出了一種基于維修資源水平的維修性驗證方法，提高了維修性驗證工作在工程實踐中的可操作性。歐淵等［5］提出了梯形模糊層次分析法在裝甲車輛維修性要求重要度排序中的應用，對裝甲車輛維修性要求進行了權重計算和排序問題研究。王冬梅等［6］利用模糊數(shù)學理論中的綜合評判方法，通過綜合考慮多方面的模糊因素，提出了一種導彈裝備維修性分配模型。

上述研究分別從不同的角度提出了對裝備維修性進行評估或驗證的方法，并取得了一定的成果。但由于艦艇裝備的種類與數(shù)量規(guī)模遠遠超過一般的裝備，影響評價的多是一些具有模糊性的主觀因素，而上述方法提出時沒有考慮艦艇的特點，也沒有考慮對艦艇設計中現(xiàn)有維修性評價方法的兼容，因此，要在艦艇設計中應用上述方法，實現(xiàn)對其維修性進行系統(tǒng)的定量評估較困難。正因如此，目前艦艇設計中常用的還是定性評估方法，即設計準則對照法，如何在現(xiàn)有定性評估方法的基礎上實現(xiàn)定量評估，是艦艇維修性設計中亟待解決的問題。

本文將對艦艇維修性定量評估進行研究，采用一種將層次分析法與模糊理論相結(jié)合的評估方法。其中，模糊理論是以模糊集合為基礎，并以處理概念模糊不確定的事物為研究對象?；谀：碚摰脑u估方法適于評估要素為主觀評估指標的系統(tǒng)，能夠?qū)傮w性能或表現(xiàn)的優(yōu)劣受多種因素影響的事物作出一個合理、綜合的總體評判［7－11］。該評估方法的基本原理是通過比較設計方案中各因素與維修性設計準則目標要求之間的相似程度并進行評分，然后，由底層影響因素逐步向上層指標進行模糊運算，得到設計方案的維修性水平。綜合評分越高，就說明方案與初始設定的維修性設計準則的契合度越高，即該方案擁有較高的維修性水平。利用模糊層次分析法可以降低維修性評估的成本，能將艦艇設計中常用的維修性設計準則的內(nèi)容進行量化處理，實現(xiàn)艦艇裝備的維修性評估由定性向定量的轉(zhuǎn)變。下面，首先將艦艇設計常用的維修性設計準則轉(zhuǎn)化為維修性的評估指標體系；然后，按照指標體系的層次關系，建立艦艇裝備的維修性評估模型，依次為各層次影響因素分配權重，再加以綜合評判，得到一個定量的維修性水平；最后，以對某艦艇系統(tǒng)2套不同的設計方案進行維修性評估為例，闡述如何得出不同方案之間維修性水平的差別程度，以及如何發(fā)現(xiàn)維修性薄弱環(huán)節(jié)。

1 方法概要

1.1 建立維修性評估指標體系

應用模糊層次分析法進行評估的關鍵是建立合理的評估指標體系。因此，要對艦艇的維修性進行定量評估，首先應建立評價體系。由于艦艇裝備的系統(tǒng)、設備構(gòu)成較復雜，數(shù)量龐大，因此，可以以一級或二級系統(tǒng)為維修性評估對象。維修性檢驗的指標多具有模糊性，為便于分析與評價，以艦艇設計中常用的維修性設計準則為基礎，將維修性的各基本要素逐層展開，即對可達性、標準化、互換性、防差錯、維修安全性以及快速診斷能力等分別進行分層細化。限于整個艦艇的裝備規(guī)模，較合適的方法是對某一個艦艇裝備（或系統(tǒng)）的維修性建立獨立的評估體系。根據(jù)常用的艦艇裝備維修性設計準則，確定的某艦艇系統(tǒng)的維修性評估體系如圖1所示。

1.2 維修性評估模型建模

根據(jù)艦艇系統(tǒng)維修性評估體系的組成，影響維修性評估的要素確定為指標集m=｛m1，m2，m3，m4，…，mk｝。影響第1級評估要素（mi，1≤i≤k）的子因素很多。將這些第2級影響因素記為mi=｛mi1，mi2，mi3，mi4，…，min｝，其中i∈（1，k）。第1級評估要素和第2級影響因素數(shù)量與種類的選取，可以根據(jù)待評估裝艦裝備的維修性特點進行確定。同時，若第2級影響因素仍然是由若干子因素共同影響的結(jié)果，則可以按上述規(guī)則依次建立下一個層次的評估體系。

1.3 確立各層次因素的權重分配

圖1 某艦艇系統(tǒng)的維修性評估體系組成Fig.1 Organic maintainability evaluation composition of a certain ship system

1.4 構(gòu)建評估矩陣與計算評估結(jié)果

1.4.1 評估參數(shù)集

評估參數(shù)集P是對各指標進行評估的基本標準，也是對評估指標進行定量分析的前提?？梢詫⒃u估等級分為｛好，較好，一般，較差，差｝，為便于進行層次模型分析，可對各個評估等級給予相應的分值，如可以設定P=｛90，75，60，45，30｝，為便于區(qū)別方案間的差異程度，建議采用百分值評估參數(shù)。

1.4.2 確定單因素的評估矩陣與綜合評估矩陣

1）確定單因素評估矩陣。

由于評估模型為多層次模型，在評估中，首先對次底層（即倒數(shù)第2層）的影響因素進行單因素指標評估，根據(jù)艦艇設計人員的分析結(jié)果對其下級影響因素分別進行評分，建立單因素評估矩陣Ri×j。其中，i為該因素下級影響因素的個數(shù)；j為評估參數(shù)的等級數(shù)。Ri×j的各行應進行歸一化處理。

2）確定綜合評估矩陣。

利用上述單因素評估矩陣及其子因素的權重集進行綜合評估矩陣的模糊合成計算，即綜合評估矩陣B1=μ1?R1。其中，μ1為權重集；R1為單因素評估矩陣；“?”為模糊合成計算符。依次利用此方法得到B2～Bk的值。

3）確定總的綜合評估矩陣，計算評估結(jié)果。

對上一步驟的綜合評估值進行歸一化處理后，繼續(xù)采用權重集與歸一化處理的評估矩陣進行模糊運算，得到上一級的評估結(jié)果，直至最頂層，最終確定總的綜合評估矩陣B。對綜合評估矩陣進行歸一化處理后得到B′，將其與轉(zhuǎn)置后的評估參數(shù)集PT相乘，得到維修性評估分值P′，即P′=B′PT。這樣，就可得到關于裝備維修性的量化數(shù)值，該計算結(jié)果可用于設計方案的維修性評估，或者不同方案之間的維修性比較。

2 應用實例與分析

根據(jù)前節(jié)所述的方法以及圖1所示的艦艇裝備的維修型評估指標體系，對某艦艇上2套不同的風機設計方案（方案A和方案B）進行了維修性水平評估（在進行其他艦艇裝備的維修性評估時，可以根據(jù)實際情況增加或減少組成評估體系的影響因素）。

2.1 確定維修性評估模型

根據(jù)圖1所示的維修性評估體系確定評估集合m=｛m1，m2，m3，m4｝，各子評估集合分別為：m1=｛m11，m12，m13，m14｝，m2=｛m21，m22，m23｝，m3=｛m31，m32，m33｝，m4=｛m41，m42，m43｝。

2.2 確定各因素的權值分配

維修性總的權重分配集μ=［0.25，0.1，0.3，0.35］，可達性中各子影響因素的權重分配集μ1=［0.35，0.35，0.2，0.1］，標準化因素中各子因素的權重分配集μ2=［0.5，0.3，0.2］，防差錯因素中各子因素的分配權重集μ3=［0.4，0.3，0.3］，維修安全性因素中各子因素的分配權重集μ4=［0.1，0.4，0.5］。

2.3 建立評估矩陣

1）確定評估參數(shù)集。

設定2套方案進行比較的評估參數(shù)集為P=｛90，75，60，45，30｝。

2）形成單因素評估矩陣。

按照多組設計人員對各因素的評估效果記錄，對2套方案分別建立可達性、標準化、防差錯和維修安全性的評估矩陣。

方案A的4個單因素評估矩陣分別為

3）計算綜合評估矩陣。

應用B=μ?R求解方案A第2層的綜合評估矩陣。

同樣，可以計算得

方案B第2層的綜合評估矩陣分別為

4）確定總綜合評估矩陣，計算評估結(jié)果。

對上一步驟的綜合評估矩陣進行歸一化處理后，分別得到2套方案的總評估矩陣。

根據(jù)總評估矩陣求解總綜合評估矩陣，分別如下。

對總綜合評估矩陣進行歸一化處理后，可以分別得到2套方案的維修設計水平評估分

通過比較PA與PB的值，可知方案B與設計準則的契合度更高，其維修性水平優(yōu)于方案A。在實際設計過程中，如果需要分析引起方案A和方案B維修性水平差別的原因，可以分別對各方案主要影響維修性的因素進行評估，即將與中的各行分別與評分參數(shù)集P相乘，便可得到量化的維修性影響因素評估值Pm。

從上述結(jié)果可以明顯看出方案A的可達性、標準化、防差錯和維修安全性的各項因素的評估值均低于方案B，而其中又以標準化因素的差距最大，即可以認為與標準化相關的因素為方案A維修性的最薄弱環(huán)節(jié)。因此，要改善方案A的維修性水平，首先應從零部件的標準化環(huán)節(jié)入手。

3 結(jié) 語

本文提出了基于模糊層次分析法的艦艇維修性定量評估方法，將艦艇設計中常用的維修性設計準則進行了定量轉(zhuǎn)化，建立了艦艇維修性定量評估指標體系，量化地獲得了設計方案的維修性水平，使得不同方案之間維修性水平的差別程度能夠定量地計算出，同時，也有利于清晰地發(fā)現(xiàn)艦艇維修性設計的薄弱環(huán)節(jié)，為艦艇設計中的維修性評估提供了一種新的思路與手段。

影響水面艦艇維裝備修性水平的因素很多，本文考慮的是以設計準則中的維修性定性檢驗內(nèi)容為主體進行量化評估，而如何將定性檢驗內(nèi)容與其他定量指標（MTBF、MTTR等）相結(jié)合進行艦艇設計方案維修性的綜合評估，將是后續(xù)研究的重點。

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Evaluation of Warship’s Maintainability Design with a Fuzzy and AHP Method

ZHANG Dong，ZHANG Ping，F(xiàn)ANG Qiang，ZHU Hong
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The quantitative assessment of warship maintainability has long been the emphasis in warship designs.In this paper，an innovative approach is proposed to optimize the design of warship maintainability and to compare the maintainability in different design schemes.This new approach is based on the conventional guidelines for the warship maintainability design，with the combination of AHP and the fuzzy evaluation theory.In the evaluation process，specifically，factors that might influence the warship’s maintainability are first decomposited hierarchically and evaluated independently according to the general guidelines for the warship maintainability design.The exact maintainability level is then obtained through a reversed fuzzy hierarchical computation process.Practical results show that this method could perform the maintainability evaluation from qualification to quantification，discriminate between different design schemes，and discover the flaws of maintainability designs at an early stage.

warship；maintainability；fuzzy evaluation；analytic hierarchy process（AHP）

U674.7+07

A

1673－3185（2013）01－102－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.01.016

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130116.1443.017.html

2012－05－09 網(wǎng)絡出版時間：2013－01－16 14:43

國家部委基金資助項目

張 冬（1986－），男，碩士，助理工程師。研究方向：艦艇維修性設計。E-mail：zhang＿dong00＠yahoo.cn

張 平（1964－），男，高級工程師。研究方向：艦艇維修性設計。E-mail：wh＿zhk＠sohu.com

張 冬。

張智鵬］