信息技術(shù)下的艦船動力設(shè)備綜合性能研究

馮 亮

(西北工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安710072)

0 引 言

現(xiàn)代艦船動力設(shè)備日益復(fù)雜化，為保證艦船能夠保持高性能的運轉(zhuǎn)，必須有效掌握新的檢測方法和新的先進信息技術(shù)以有效預(yù)測艦船動力設(shè)備的運行狀態(tài)?，F(xiàn)代艦船動力設(shè)備引起的某一故障發(fā)生的因素眾多，甚至在同樣的故障狀態(tài)下艦船的工作工況也會有不同的結(jié)果，故障因素和該因素反映的故障特征之間存在著非線性的映射關(guān)系。所以在依靠單一的方法迅速精確的完成艦船故障的定位和排除存在困難的條件下，利用信息融合技術(shù)，進行基于信息技術(shù)條件下的艦船動力設(shè)備綜合性能評估顯得極為必要，信息技術(shù)的利用不但可以消除單個故障源的模糊性，還能夠保證艦船動力設(shè)備綜合性能狀態(tài)的可靠性。因此，本文利用信息技術(shù)有效的嵌入到艦船動力設(shè)備評估的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)基于信息技術(shù)條件下艦船動力設(shè)備綜合性能的有效評估研究。

1 信息技術(shù)的應(yīng)用背景

艦船設(shè)備技術(shù)含量高，在一定程度上造成對艦船設(shè)備檢測評估難度大。事實上，各設(shè)備單獨描述的運行狀態(tài)信息不夠完整和全面;同時，在對數(shù)字表征的運行狀態(tài)做預(yù)判時可能會因人員的認識差異造成艦船動力系統(tǒng)的性能狀態(tài)不一樣，這樣的表征艦船動力設(shè)備的運行狀態(tài)不夠科學(xué)。只有完全對這些表征的數(shù)字含義清楚地掌握，才能在設(shè)備有潛在故障將要發(fā)生時率先采取措施進行排解，提高設(shè)備的使用性能。因此，需要應(yīng)用更先進的技術(shù)提高艦船運行評估的準確性和科學(xué)性。信息技術(shù)具有智能性，具有信息間關(guān)聯(lián)和估計的功能，在信號處理和模式識別等領(lǐng)域都有著大量應(yīng)用，艦船動力設(shè)備也具有較高的智能性，需要滿足艦船行駛中的海上目標識別、行駛軌跡控制、智能化的決策分析等一系列綜合性、高質(zhì)量的任務(wù)要求?；谝陨戏治?，本文將信息技術(shù)應(yīng)用到艦船的動力設(shè)備綜合性能評估研究中，以提高艦船動力設(shè)備的評估準確度，精確評估出艦船動力設(shè)備的運行狀態(tài)和綜合性能。

2 綜合性能評估方法

2.1 確定評估模型

當(dāng)對一種設(shè)備對象進行性能評估時，必須要根據(jù)評估指標對象建立指標體系。艦船系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、多結(jié)構(gòu)層次系統(tǒng)，艦船在結(jié)構(gòu)上有動力設(shè)備系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及電子抗干擾系統(tǒng)等。不同的結(jié)構(gòu)層次是建立指標體系的基礎(chǔ)，便于選取合適有效的評估方法對設(shè)備對象進行綜合評估。有時甚至需要對各方法綜合使用，取長補短，徹底摒棄人的經(jīng)驗性和決策的隨機性。本文選取的是艦船動力設(shè)備系統(tǒng)作為評估對象，對每一種指標因素，根據(jù)其對艦船設(shè)備的重要性和層次性進行等級認定。這樣有了評估對象目標、評估指標和指標的層次性，便可以依次向上確定艦船動力設(shè)備的綜合評估模型。

2.2 建立指標體系

系統(tǒng)工程論指出，指標體系的建立需要以層次化、條理化為基礎(chǔ)，對各層次指標的重要程度進行適合的等級處理。同時，評估指標必須做符合評估對象的客觀實際。艦船以動力設(shè)備所提供的能量維持運行、作戰(zhàn)、對抗、導(dǎo)航和敵對打擊，所以在對艦船動力設(shè)備建立指標體系時，要保證客觀、可靠、全面，選取其表征動力設(shè)備性能的具體特征因素，如動力設(shè)備的最大功率、行駛中的機動性、使用效率、安全可靠性等。本文中，其指標體系的選取是基于以上的特征因素，采用基于D－S 證據(jù)理論的方法實現(xiàn)各設(shè)備在動力設(shè)備系統(tǒng)中的權(quán)重，從而進一步獲得整個動力設(shè)備綜合評估的準確性。

3 基于D－S 證據(jù)理論的艦船動力設(shè)備性能評估

3.1 D－S 理論基礎(chǔ)

D－S 證據(jù)理論是由Dempster 于1967年提出的，可以處理一些不確定性問題。它以信任函數(shù)為基礎(chǔ)，D－S 證據(jù)理論通過對多信度函數(shù)的組合形成較為明晰的證據(jù)決策，以降低目標的不確性概率。

3.1.1 D－S 證據(jù)理論的信度函數(shù)

集函數(shù)Βel:2Θ→［0，1］為信度函數(shù)，在以Θ 所表示的識別框架中當(dāng)且僅當(dāng)滿足如下:

1)Βel(φ)= 0;

2)Βel(Φ)= 0;

3)?Α1，Α2，…，Αn?Θ(n為自然數(shù));

便可稱Θ為該識別框架的焦元內(nèi)核。

3.1.2 D－S 證據(jù)多信度函數(shù)的組合

假設(shè)2個信度函數(shù)Βel1與Βel2屬于Θ 識別框架范圍內(nèi)，m1與m2分別為Βel1與Βel2;兩信度函數(shù)的信度分配A1，A2，…，Ak和B1，B2，…，Bj分別為焦元，設(shè)

由Βel:2Θ→［0，1］可知，Βel1與Βel2合成后的可信度分配公式為:

2個信度函數(shù)的合并信度函數(shù)Βel12為:

當(dāng)Βel1，Βel2，…，Βeln屬于Θ 識別框架范圍內(nèi)的組合信度函數(shù)時，根據(jù)2個信度函數(shù)的組合可以推導(dǎo)出基于D－S 多信度函數(shù)組合公式:

其中n為自然數(shù)。

3.1.3 基于基本概率賦值的決策

設(shè)?A1，A2?Θ 且滿足

式中，A1為決策的結(jié)果;ε1與ε2為滿足表達式的限定值，ε1表示為所屬的基本概率值中max與其他的所屬值之間的差不小于ε1，而ε2表示為無法具體獲取的基本概率值必須小于ε1?；靖怕寿x值決策方法的應(yīng)用就是要保證判決結(jié)果的準確性。

3.2 構(gòu)造艦船動力設(shè)備的識別框架

基于D－S 理論的艦船動力設(shè)備的綜合性能評估流程如圖1所示。

圖1 評估基本流程Fig.1 The basic flow of evaluation

為便于本文的研究，現(xiàn)將艦船動力設(shè)備的性能狀態(tài)分為A，B，C，D 四個等級作為艦船動力設(shè)備的識別框架，按照第2 節(jié)中所提到的安全、機動、經(jīng)濟、可靠的指標評價標準，選取能夠保證艦船動力設(shè)備群達到以上標準設(shè)備作為指標因素，經(jīng)過綜合評比，現(xiàn)選取艦船汽輪給水機組、艦船鍋爐設(shè)備、燃油設(shè)備、滑油系統(tǒng)、主汽輪機和汽輪鼓風(fēng)機作為具體的設(shè)備評估目標對象指標的性能參數(shù)，分別用E1，E2，E3，E4，E5，E6 來表示上述指標，根據(jù)D－S 證據(jù)理論，將各指標的信度分配如表1所示。

表1 艦船動力設(shè)備的基本可信度分配Tab.1 The distribution of ship power equipment basic probability

根據(jù)信度分配原理可算出E1和E2 兩類設(shè)備的可信度分配的概率值和不一致因子因數(shù)值，如表2所示。

表2 艦船動力設(shè)備E1和E2的組合結(jié)果Tab.2 The combination of ship power equipment E1 and E2

不一致因子K 值:

因此，根據(jù)D－S 多信度函數(shù)的組合原理公式可求得E1與E2 指標得的概率賦值為:

依次進行重復(fù)操作進行證據(jù)組合得到的結(jié)果如表3所示。

表3 艦船設(shè)備群證據(jù)組合結(jié)果Tab.3 Ship equipment group of evidence combination results

由表3 可知，通過D－S 證據(jù)融合，不確定性降低到了0.003。

3.3 基于D－S 性能綜合評價

3.3.1 基本方法

艦船動力設(shè)備的工作都是一組組共同進行的，并不是由一臺設(shè)備實現(xiàn)既有的任務(wù)，而且同類設(shè)備的工作重要性也不同，所以需要對艦船動力設(shè)備的設(shè)備群進行綜合評價?，F(xiàn)設(shè)第i 類設(shè)備群的狀態(tài)值為:

則設(shè)備群的n 維狀態(tài)向量值為:

單類設(shè)備的權(quán)重為:

3.3.2 等級狀態(tài)確定

現(xiàn)仍假設(shè)艦船動力設(shè)備的性能狀態(tài)分為4個等級，將U = {u1，…ui，…，um}作為動力設(shè)備群的狀態(tài)向量，算出第i個設(shè)備群的性能狀態(tài)的新都函數(shù)Βeli，其對應(yīng)的信度分配為:

進而依據(jù)D－S 組合原理概率賦值判斷艦船設(shè)備的綜合性能。

3.3.3 權(quán)重確定

動力設(shè)備性能等級和其重要性并不同步，還需要對設(shè)備對艦船動力影響程度進行估值，即權(quán)重?，F(xiàn)以燃油設(shè)備為例，1 號燃油設(shè)備停止對艦船的功率偏差影響為θ1，2 號、3 號、4 號燃油設(shè)備停止對艦船的功率偏差影響分別為θ2，θ3，θ4，那么計算出的4 臺燃油設(shè)備的權(quán)重值分別為:

但由于這種權(quán)重的計算方法并不足夠好，因此，在以上權(quán)重的基礎(chǔ)上，本文通過專家模糊打分法對設(shè)備群的設(shè)備等級權(quán)重進行評判。設(shè)第i 名專家對第j 類設(shè)備群艦船動力系統(tǒng)設(shè)備群的性能評價為:

則所有專家評估后的第j 類設(shè)備的性能值:

經(jīng)歸一化后得:

祝詞按照上述步驟依次計算6 大類設(shè)備群模糊權(quán)重，綜合出6 大類設(shè)備的權(quán)重向量:

4 綜合性能評估實例

現(xiàn)假設(shè)東海海域一艘艦船執(zhí)行常規(guī)巡航執(zhí)勤時，艦船的動力設(shè)備中，需要配置2 臺鍋爐設(shè)備，4 臺主汽輪機，2 臺燃油設(shè)備，1 臺滑油設(shè)備，2 臺給水設(shè)備和1 臺汽輪鼓風(fēng)機。在該4 臺主汽輪設(shè)備中，各設(shè)備的性能狀態(tài)能級為{1，2，2，3}，由計算公式可得到主汽輪機設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)向量值P = {1.0，0.75，0.75，0.04}。各主汽輪設(shè)備的權(quán)重為{0.25，0.25，0.25，0.25}，則主汽輪設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)值為:

同樣，按照以上步驟可算出艦船汽輪給水機設(shè)備、艦船鍋爐設(shè)備、燃油設(shè)備、滑油系統(tǒng)和汽輪鼓風(fēng)機的狀態(tài)值，現(xiàn)將該艦船運行的動力設(shè)備的性能等級設(shè)為3 級，依照模糊專家打分法計算方法獲得艦船汽輪給水機設(shè)備、艦船鍋爐設(shè)備、燃油設(shè)備、滑油系統(tǒng)和汽輪鼓風(fēng)機這6 大類設(shè)備群的權(quán)重向量:

狀態(tài)值向量:

最終得出艦船動力設(shè)備群的性能狀態(tài)值為:

根據(jù)該計算結(jié)果，艦船動力設(shè)備的性能狀態(tài)位于1 級和2 級之間，但由于主汽輪機設(shè)備狀重要等級低，所以綜合性能評估等級取2 比較合適，這種等級也能夠勝常規(guī)執(zhí)。

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