張仲敏,李俊山,宋憑,嚴(yán)其飛
(1.第二炮兵工程大學(xué) 信息工程系,陜西 西安710025;2.解放軍西安通信學(xué)院,陜西 西安710106)
電子對(duì)抗(ECM)裝備具有技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂、部件種類繁多等特點(diǎn),日常維護(hù)和作戰(zhàn)訓(xùn)練搶修任務(wù)技術(shù)要求較高、涉及資金額度較大。由于目前基層裝備使用單位暫無(wú)條件提供精確可靠的裝備運(yùn)行數(shù)據(jù),一定程度上限制了上級(jí)裝備保障部門(mén)決策計(jì)劃的科學(xué)準(zhǔn)確制訂。
裝備服役狀態(tài)的智能準(zhǔn)確判定可為裝備保障部門(mén)決策計(jì)劃的分析與制訂提供客觀數(shù)據(jù)支撐[1-2]。此處服役狀態(tài)區(qū)別于表征裝備某刻物理完好程度的健康程度概念,指的是裝備現(xiàn)在以至未來(lái)一段時(shí)間能夠正常工作的可能度,一定程度上可以指導(dǎo)該型裝備(部件)下一保障周期的維修、采購(gòu)及庫(kù)存等保障策略。
目前,該領(lǐng)域研究主要集中在基于歷史數(shù)據(jù)的特定模型方面,如時(shí)間序列模型、灰色模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等[3],其缺點(diǎn)在于對(duì)歷史數(shù)據(jù)依賴度較高,且數(shù)據(jù)自身精確度對(duì)預(yù)測(cè)精度也會(huì)有較大影響。ECM 裝備實(shí)際訓(xùn)練作戰(zhàn)生命周期內(nèi),尚無(wú)裝備使用時(shí)間的有效準(zhǔn)確記錄方式,從而極大制約了以上理論和模型的應(yīng)用,故此本文提出一種基于模糊層次分析(FAHP)的多Agent 智能狀態(tài)評(píng)判方法。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立裝備服役狀態(tài)的影響因素層次指標(biāo)體系,基于FAHP 方法進(jìn)行因素分析和狀態(tài)判定,結(jié)合多Agent 技術(shù)構(gòu)建具有自學(xué)習(xí)、自修正能力的智能狀態(tài)評(píng)判系統(tǒng),將主觀判斷和邏輯推理相聯(lián)系、定性推導(dǎo)和定量分析相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)服役狀態(tài)的決策判定和系統(tǒng)的自我完善。
通過(guò)實(shí)地調(diào)研和走訪,本著全面、客觀、獨(dú)立、系統(tǒng)兼顧效益和可行性的原則[4],在深入了解ECM 裝備工作運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上,整理綜合相關(guān)領(lǐng)域?qū)<易勝Y料與調(diào)查問(wèn)卷,分析裝備服役狀態(tài)的影響因素,建立了體系層次模型,如圖1 所示。
由某部件在所屬裝備中的地位、影響程度及所屬裝備在整個(gè)系統(tǒng)中地位、對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度決定,與失效概率、補(bǔ)貨時(shí)間、供應(yīng)商數(shù)目等指標(biāo)相關(guān)[5]。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),部件關(guān)鍵程度越高,其狀態(tài)變化對(duì)周邊部件的影響就越大,甚至微小變化都可能引起系統(tǒng)整體運(yùn)行情況的較大改變。量化分析時(shí)主要從部件缺少引發(fā)后果的可接受程度、缺件時(shí)對(duì)補(bǔ)貨時(shí)間要求的嚴(yán)酷程度、訂貨與存儲(chǔ)過(guò)程中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的容忍程度等方面進(jìn)行考慮。
圖1 服役狀態(tài)影響因素層次指標(biāo)體系Fig.1 The hierarchical structure model of criteria that affect service status of ECM equipment
故障頻次指裝備部件服役以來(lái)累計(jì)故障狀況,是相對(duì)其他裝備部件的故障發(fā)生頻次程度,由領(lǐng)域?qū)<一蜓b備運(yùn)維人員根據(jù)其運(yùn)行情況給出相對(duì)模糊測(cè)度,表征其體質(zhì)情況,可一定程度上反映裝備的服役健康狀況。
指裝備部件服役至今的新舊狀態(tài),一定程度上反映了其在裝備生命周期內(nèi)的累計(jì)工作時(shí)間。因?yàn)閷?shí)際訓(xùn)練作戰(zhàn)當(dāng)中尚無(wú)裝備使用時(shí)間有效準(zhǔn)確記錄方式,故這里為工作時(shí)長(zhǎng)的相對(duì)模糊測(cè)度,如可參考累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)與該型平均工作時(shí)長(zhǎng)比率等形式,由裝備運(yùn)維人員按照實(shí)際情況進(jìn)行確定。
反映裝備的使用強(qiáng)度狀況,具體分為戰(zhàn)斗狀態(tài)和非戰(zhàn)斗狀態(tài)2 種情況[4]。其中:戰(zhàn)斗狀態(tài)下的工作強(qiáng)度與作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)條件、裝備類型等因素有關(guān),產(chǎn)生的損耗有戰(zhàn)斗損耗、嚴(yán)酷使用損耗和正常使用消耗;非戰(zhàn)斗狀態(tài)下工作強(qiáng)度又分為正常戰(zhàn)備值班和集中高強(qiáng)度訓(xùn)練2 種,前者產(chǎn)生正常使用消耗,后者產(chǎn)生嚴(yán)酷使用損耗。
指裝備部件對(duì)工作環(huán)境的敏感性,如嚴(yán)寒酷暑、干燥潮濕、電磁環(huán)境、風(fēng)力風(fēng)向、雨雪、灰塵等不同工作條件對(duì)其造成的干擾、損耗程度。調(diào)研表明:敏感程度越高,其服役狀態(tài)受工作環(huán)境的影響越大,可靠性越差。
基于圖1 的層次指標(biāo)體系,建立模糊綜合評(píng)判模型,對(duì)裝備服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。
因素集U={μ1,μ2,μ3,μ4,μ5}={關(guān)鍵程度,故障頻次,新舊程度,工作強(qiáng)度,敏感程度};評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4,v5}={很好,較好,一般,較差,很差}. 其中:“很好”表示裝備服役狀態(tài)正常,無(wú)需考慮其更換或采購(gòu)問(wèn)題;“較好”表示裝備可以正常服役,且其更換或采購(gòu)需求優(yōu)先級(jí)較低;“一般”表示裝備能正常服役,但需適當(dāng)考慮其更換或采購(gòu)需求;“較差”表示裝備服役狀態(tài)無(wú)法保證,需盡快更換或采購(gòu);“很差”表示裝備瀕臨報(bào)廢,急需更換。這里壽命周期針對(duì)不同類型裝備,以額定工作時(shí)間或次數(shù)等指標(biāo)來(lái)度量。
多因素綜合決策中權(quán)重作用舉足輕重,層次分析(AHP)法是確定指標(biāo)權(quán)重的一種行之有效的方法[6]。AHP 假定系統(tǒng)內(nèi)同層次因素間彼此獨(dú)立、不存在相互反饋和影響,這樣的理想化處理必然會(huì)引起失真[7]。此外,服役狀態(tài)影響因素權(quán)重為模糊概念標(biāo)度,故文中在AHP 兩兩比較因素重要性且對(duì)其賦值時(shí)引入三角模糊數(shù)(有大小、有方向的三維數(shù)組向量)表示專家判斷信息,采用基于模糊理論和決策理論的FAHP 權(quán)重量化方法,以模擬人類對(duì)不確定事件的主觀思維方式。
式中:x∈R;l、u 分別為上下界。u -l 表示模糊程度,值越大模糊程度越強(qiáng)。
判斷矩陣是層次分析的基本工具,其作用是在上層某因素約束條件下,對(duì)同層次因素間的相對(duì)重要性兩兩進(jìn)行比較。本文采用模糊德?tīng)柗品ǐ@得基于三角模糊數(shù)的互補(bǔ)判斷矩陣,矩陣元素表示因素i 與因素j 的重要性比較。取0.5 表示兩因素同等重要大于0.5 表示因素i 比因素j 重要(如重要度稍大、很大、特別大、最大)小于0.5 表示因素i 沒(méi)有因素j 重要(同前)。綜合所有專家的偏好信息,求其加權(quán)平均值,得到模糊判斷矩陣
設(shè)因素集權(quán)重評(píng)估有T 個(gè)專家參與,專家各自的權(quán)重為γ(k),則判斷矩陣元素值
計(jì)算單個(gè)因素模糊綜合權(quán)重并歸一化,得到某層相關(guān)因素相對(duì)于上一層特定因素的相對(duì)權(quán)重向量。設(shè)相對(duì)上一層特定因素的因素?cái)?shù)為n,其三角模糊數(shù)權(quán)重向量
某層相關(guān)因素相對(duì)于上一層特定因素的相對(duì)權(quán)重,可通過(guò)對(duì)三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣進(jìn)行權(quán)值層次單排序得到。然而,上文得到的權(quán)重向量為三角模糊數(shù)形式,權(quán)重信息并非完全確知[10],為此運(yùn)用可能度方法對(duì)三角模糊數(shù)形式的因素權(quán)重向量進(jìn)行排序。
式中:λ∈[0,1]為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。λ 大于0.5 為決策者追求風(fēng)險(xiǎn);λ 小于0.5 為厭惡風(fēng)險(xiǎn);λ 取0.5 為中性風(fēng)險(xiǎn),本文取中性風(fēng)險(xiǎn)值。
可能度方法提供了對(duì)信息非完全確知的三角模糊數(shù)進(jìn)行排序的途徑,可對(duì)上文求得的三角模糊數(shù)權(quán)重向量進(jìn)行兩兩比較求其可能度,記為pij=則確定可能度矩陣P =(pij)n×n.利用(4)式所示可能度排序公式
可以求得可能度矩陣的排序向量,ω =(ω1,ω2,…,ωn)T,即三角模糊數(shù)權(quán)重向量 ~wi的排序結(jié)果。
之前單排序得到的是某層相關(guān)因素相對(duì)于其上一層特定因素的相對(duì)權(quán)重,如果因素集為多層次結(jié)構(gòu),則在此基礎(chǔ)上還需要計(jì)算因素相對(duì)于目標(biāo)層(最高層)的組合權(quán)重,即為因素的層次總排序。
假定上一層級(jí)A 包含m 個(gè)因素A1,A2,…,Am,其層次總排序權(quán)重分別為a1,a2,…,am,其下一層級(jí)B 包含n 個(gè)因素B1,B2,…,Bn,關(guān)于Aj的層次單排序權(quán)重分別為b1j,b2j,…,bnj(若Bi與Aj無(wú)關(guān),則bij=0),則B 層各因素關(guān)于目標(biāo)層的層次總權(quán)重向量為
對(duì)某型裝備,選取評(píng)判專家S 名,根據(jù)因素集、評(píng)價(jià)集,給出因素μi對(duì)評(píng)語(yǔ)vj的隸屬度rij,得到評(píng)判矩陣R(k),k∈[1,S],則
式中:ω 為該型裝備服役狀態(tài)影響因素的層次總權(quán)重;?為模糊算子。常用的模糊算子有M(∨,∧)、M(·,∨)、M(·,⊕)等算法,∨,∧運(yùn)算存在信息淹沒(méi)現(xiàn)象,而M(·,⊕)算子能均衡權(quán)信息,保證權(quán)信息的完整性,這對(duì)綜合評(píng)價(jià)非常重要,故選取M(·,⊕)作為模糊算子。
最后由評(píng)判專家自身權(quán)重σ(k)計(jì)算出綜合評(píng)判矩陣
由評(píng)判矩陣B,根據(jù)最大隸屬度法則確定對(duì)象的評(píng)判結(jié)果,取最大評(píng)判指標(biāo)相對(duì)的評(píng)價(jià)元素作為評(píng)判結(jié)果。
根據(jù)上述分析,可將模型評(píng)判結(jié)果輸出給裝備保障人員,既能為裝備下一階段作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的完成提供參考指標(biāo),又能為裝備保障方案的制訂提供決策支持。
以某ECM 裝備上某型接口卡部件為例對(duì)裝備狀態(tài)評(píng)判進(jìn)行分析。
根據(jù)ECM 裝備保障現(xiàn)狀,通過(guò)模糊德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行專家評(píng)分,建立包含3 位領(lǐng)域?qū)<业膶<医ME ={E1,E2,E3},為簡(jiǎn)便計(jì),設(shè)各專家權(quán)重相同。指標(biāo)集中T1為工作強(qiáng)度,T2為新舊程度,T3為故障頻次,T4為關(guān)鍵程度,T5為敏感程度。按照?qǐng)D1 所示指標(biāo)體系以三角模糊數(shù)的形式對(duì)該接口卡進(jìn)行量化分析,分析標(biāo)度及含義見(jiàn)2.2 節(jié)內(nèi)容,量化分析及結(jié)果如表1 ~表3 所示。
表1 模糊德?tīng)柗圃u(píng)分表Tab.1 Fuzzy Delphi score
表2 三角模糊數(shù)權(quán)重向量表Tab.2 Criteria weights of triangular fuzzy number
表3 可能度矩陣及排序向量Tab.3 Possibility degree matrix and order of criteria
如表1 所示,將專家評(píng)分原始數(shù)據(jù)結(jié)合專家權(quán)重加權(quán)集結(jié),得到專家偏好信息的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣。表2 為按照(2)式計(jì)算得到各指標(biāo)因素的三角模糊數(shù)權(quán)重向量,其權(quán)重信息并非完全確知,故通過(guò)可能度方法對(duì)其進(jìn)行排序。按(3)式定義對(duì)向量?jī)蓛杀容^求其可能度n,則確定可能度矩陣P =(pij)n×n,再由(4)式進(jìn)行層次排序,如表3 所示。由表3 中的ωi值可知,指標(biāo)權(quán)重排序結(jié)果為T(mén)4>T1>T2>T3>T5. 由于本例中評(píng)估的因素指標(biāo)均位于同一層,故此排序結(jié)果即為最終總排序。根據(jù)上述分析,關(guān)鍵程度指標(biāo)權(quán)重最大,是裝備服役狀態(tài)評(píng)判時(shí)需要考慮的首要因素,之后再依次考慮工作強(qiáng)度、新舊程度、故障頻次、敏感程度因素。據(jù)此可建立關(guān)鍵核心部件壽命周期檔案,對(duì)其出入庫(kù)、運(yùn)行、維修、報(bào)廢等全部環(huán)節(jié)進(jìn)行精確跟蹤管理,同時(shí)也為相關(guān)保障決策部門(mén)提供關(guān)鍵核心部件的精確完整歷史數(shù)據(jù)。
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,對(duì)該型接口卡部件進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。選取評(píng)判專家3 名,根據(jù)因素集、評(píng)價(jià)集,給出因素對(duì)評(píng)語(yǔ)的隸屬度,得到評(píng)判矩陣R(k):
則由(6)式可得:
假定評(píng)判專家自身權(quán)重σ(k)分別為0.9、0.7、0.8,由(7)式計(jì)算得到綜合評(píng)判矩陣B =(0.309,0.234,0.203,0.249,0.005). 矩陣B 的各元素中,,根據(jù)隸屬度最大原則,該接口卡部件服役狀態(tài)為很好,可保證在一個(gè)完整的壽命周期內(nèi)正常服役,裝備保障部門(mén)短期內(nèi)不需要考慮該型備件更換與采購(gòu)問(wèn)題。
多Agent 系統(tǒng)(MAS)研究起步于20 世紀(jì)80 年代,是由多個(gè)可計(jì)算的Agent 組成的松散耦合網(wǎng)絡(luò),Agent 間通過(guò)合作、協(xié)調(diào)和管理來(lái)實(shí)現(xiàn)感知、問(wèn)題求解和外界通信等能力。MAS 中各Agent 可以異構(gòu),從而為復(fù)雜系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的模型和框架,通過(guò)模擬人類專家思維方式來(lái)求解問(wèn)題、感知環(huán)境[11-12]。基于MAS 的智能決策具有動(dòng)態(tài)、分布、柔性等特點(diǎn),適合于:決策者和決策對(duì)象的分布性環(huán)境;單個(gè)決策者由于知識(shí)和能力限制而無(wú)法勝任的復(fù)雜性、規(guī)模性決策任務(wù)等。
ECM 裝備系統(tǒng)復(fù)雜,在裝備運(yùn)行壽命周期內(nèi),其服役狀態(tài)各影響因素的權(quán)值具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn),決策任務(wù)為復(fù)雜過(guò)程,服役狀態(tài)難以準(zhǔn)確度量。此外,不同作戰(zhàn)分隊(duì)與各決策專家具有分布性,因此考慮依據(jù)不同位置、運(yùn)行環(huán)境變化等情況實(shí)時(shí)調(diào)整服役狀態(tài)影響因素權(quán)值,使?fàn)顟B(tài)評(píng)判結(jié)果更加準(zhǔn)確。為此,利用多Agent 技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的智能狀態(tài)評(píng)判系統(tǒng),通過(guò)多Agent 搜集裝備工作信息樣本、分析狀態(tài)變化數(shù)據(jù),對(duì)服役狀態(tài)評(píng)判過(guò)程進(jìn)行學(xué)習(xí)和修正,參考不同工作條件、工作強(qiáng)度等情況,合理調(diào)整服役狀態(tài)因素權(quán)值,并反饋至狀態(tài)評(píng)判系統(tǒng)。
根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)[13],多Agent 狀態(tài)智能評(píng)判系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 多Agent 狀態(tài)智能評(píng)判系統(tǒng)Fig.2 The multi-agent intelligent decision support system for service status
系統(tǒng)框架總體上由上至下分為3 層:用戶接口層、管理協(xié)作層、決策資源層。其中:用戶接口層包含GUI Agent;管理協(xié)作層包含管理協(xié)作Agent;決策資源層由模型管理Agent、模型執(zhí)行Agent、權(quán)重管理Agent、知識(shí)管理Agent 組成。GUI Agent 負(fù)責(zé)為用戶提供界面友好的人機(jī)交互功能,在人機(jī)共存環(huán)境中主動(dòng)、友好地將決策信息展示給頂層用戶;管理協(xié)作Agent 負(fù)責(zé)接收并處理客戶端提交的狀態(tài)評(píng)判請(qǐng)求,并協(xié)調(diào)其余Agent 進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和管理工作。此外,作為Agent 間的通信接口,定義了協(xié)作過(guò)程中的通信協(xié)議,負(fù)責(zé)上下層Agent 及底層Agent 間通信請(qǐng)求的接收、處理與響應(yīng),協(xié)同各Agent 以完成決策功能。構(gòu)建獨(dú)立的Agent 完成協(xié)作任務(wù)可以降低Agent 自身復(fù)雜性,使協(xié)作更加靈活和易于操作;資源決策層中的模型管理Agent 負(fù)責(zé)模型庫(kù)的管理維護(hù)等工作,模型執(zhí)行Agent 具體負(fù)責(zé)調(diào)用相應(yīng)算法程序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行計(jì)算和決策,權(quán)重管理Agent 存儲(chǔ)計(jì)算得到的權(quán)值數(shù)據(jù)并在必要時(shí)進(jìn)行更新,知識(shí)管理Agent 負(fù)責(zé)知識(shí)庫(kù)的管理維護(hù)及知識(shí)推理等工作。
系統(tǒng)工作流程如下:初始階段由專家訪問(wèn)服務(wù)器端的模型管理Agent,建立由影響裝備服役狀態(tài)的因素評(píng)估值構(gòu)成的層次模型;當(dāng)裝備保障人員發(fā)出確定裝備服役狀態(tài)請(qǐng)求時(shí),管理協(xié)作Agent 對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解,由模型執(zhí)行Agent 調(diào)用算法庫(kù)中前文構(gòu)建的FAHP 模型算法程序執(zhí)行計(jì)算,完成服役狀態(tài)的評(píng)判,管理協(xié)作Agent 將FAHP 方法所得因素權(quán)值計(jì)算結(jié)果存入權(quán)值庫(kù),同時(shí)將狀態(tài)評(píng)判結(jié)果提交給請(qǐng)求者;裝備保障人員根據(jù)獲得的裝備服役狀態(tài)信息執(zhí)行相應(yīng)的保障策略。裝備運(yùn)維人員在裝備運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況將信息反饋到知識(shí)庫(kù),生成新的裝備部件狀態(tài)信息樣本和知識(shí),知識(shí)管理Agent完成知識(shí)的獲取、處理和維護(hù),根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整影響裝備服役狀態(tài)因素的權(quán)值,進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí),使?fàn)顟B(tài)評(píng)判系統(tǒng)得到逐步完善。
在整個(gè)評(píng)判系統(tǒng)流程中,F(xiàn)AHP 控制決策信息的抽取和評(píng)判選擇,Agent 方法通過(guò)對(duì)各類決策資源進(jìn)行操作和管理,描述一個(gè)完整的評(píng)判決策過(guò)程,完成智能狀態(tài)評(píng)判。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于Windows XP 操作系統(tǒng)和C ++Builder 6.0 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,用SQL SERVER 2005 存儲(chǔ)模型庫(kù)、算法庫(kù)、權(quán)值庫(kù)和知識(shí)庫(kù)等各類決策資源,利用COM/DCOM 組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)Agent 間異步通信、方法調(diào)用等問(wèn)題。將各Agent 設(shè)計(jì)為COM 組件對(duì)象的形式存儲(chǔ)在Server 端,Client 端發(fā)出組件創(chuàng)建請(qǐng)求后,Server 端響應(yīng)并創(chuàng)建組件對(duì)象實(shí)例予以返回,使Client 能調(diào)用該Agent 的所有資源。用消息傳遞的方式實(shí)現(xiàn)Agent 間的通信。
針對(duì)ECM 裝備保障現(xiàn)狀,提出了一種基于FAHP 的多Agent 狀態(tài)智能決策方法。建立ECM 裝備服役狀態(tài)影響因素的層次模型,基于三角模糊數(shù)對(duì)因素權(quán)重進(jìn)行FAHP,利用最大隸屬度原則綜合評(píng)判裝備服役狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,研究了狀態(tài)評(píng)判系統(tǒng)中引入Agent 技術(shù)的適用性,結(jié)合多Agent 機(jī)制設(shè)計(jì)狀態(tài)智能評(píng)判系統(tǒng),通過(guò)模塊間協(xié)作,將專家知識(shí)和裝備運(yùn)維人員的反饋信息進(jìn)行綜合、修正,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的逐步更新,提高系統(tǒng)的判定能力。方法借助模糊理論充分發(fā)揮領(lǐng)域?qū)<业淖饔?,改善了裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致保障計(jì)劃制訂困難的問(wèn)題。下一步研究工作將結(jié)合殘缺裝備運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)領(lǐng)域?qū)<业娜航M決策一致性進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步降低主觀隨意性對(duì)狀態(tài)評(píng)判結(jié)果的影響。
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