軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法

王海濤　張　琦　朱春生,2　趙鴻飛,3　李煥良

1.解放軍理工大學(xué),南京,210007　　2.中國人民解放軍94686部隊(duì),上海,2021003.中國人民解放軍73016部隊(duì),鎮(zhèn)江,212416

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軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法

王海濤1張琦1朱春生1,2趙鴻飛1,3李煥良1

1.解放軍理工大學(xué),南京,2100072.中國人民解放軍94686部隊(duì),上海,2021003.中國人民解放軍73016部隊(duì),鎮(zhèn)江,212416

為了實(shí)現(xiàn)對測試性設(shè)計過程中測試性指標(biāo)要求的精確、科學(xué)的評價，針對測試性評價指標(biāo)的動態(tài)特性，引入了時間序列參數(shù)，構(gòu)建了由評價對象、評價指標(biāo)和評價時間構(gòu)成的三維動態(tài)評價模型，將主觀權(quán)重關(guān)系和客觀權(quán)重函數(shù)確定方法相結(jié)合，提出了一種測試性動態(tài)評價三維排序矩陣的降維求解方法，實(shí)現(xiàn)了對軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程的動態(tài)評價。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，該測試性動態(tài)評價方法所得測試性水平的變化與實(shí)際測試性設(shè)計過程中測試性水平的變化基本吻合，能夠?qū)娪霉こ虣C(jī)械測試性設(shè)計過程進(jìn)行有效的測試性動態(tài)評價。

軍用工程機(jī)械；測試性；動態(tài)評價；評價模型

0　引言

測試性評價是根據(jù)與裝備測試性有關(guān)的所有信息,利用評價方法確定裝備測試性水平的過程。測試性評價是裝備測試性增長的重要環(huán)節(jié),為分析裝備的測試性要求、 改進(jìn)裝備的測試性水平提供科學(xué)的參考依據(jù)[1-2]。測試性評價技術(shù)作為對測試性設(shè)計過程所達(dá)到的測試性水平的衡量和評判工具,其評價結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確與否，將直接影響對裝備測試性水平的衡量和判斷，影響裝備的測試性設(shè)計過程，進(jìn)而影響全壽命周期費(fèi)用。因此，開展軍用工程機(jī)械測試性評價技術(shù)研究，對于加強(qiáng)軍用工程機(jī)械的測試性設(shè)計水平，提高軍用工程機(jī)械的戰(zhàn)備完好性和維修性，降低其全壽命周期費(fèi)用意義重大。

測試性評價過程伴隨著裝備的測試性設(shè)計過程,國內(nèi)外科研院所在進(jìn)行測試性設(shè)計的同時，也廣泛開展了對測試性評價技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[3]采用基于符號化的分析方法，對模擬電路進(jìn)行測試性評價,該方法相對于數(shù)值計算方法,該方法具有計算簡單實(shí)用、能有效消除計算誤差的明顯優(yōu)勢;文獻(xiàn)[4]通過對測試性驗(yàn)證試驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，結(jié)合先驗(yàn)數(shù)據(jù)對裝備的測試性水平進(jìn)行評估，通過對基于概率信息的測試性評估、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測試性評估及測試性綜合評估發(fā)展趨勢分析等內(nèi)容的研究，提出了基于Bayes變動統(tǒng)計理論的測試性綜合評估方法；文獻(xiàn)[5]針對雷達(dá)裝備缺乏系統(tǒng)有效的測試性評價方法的問題，提出了基于物元可拓法的雷達(dá)裝備測試性評價模型，為復(fù)雜裝備測試性評價提供了一種新思路;文獻(xiàn)[1]通過綜合運(yùn)用層次分析法(AHP)和模糊綜合評判(FCA)對工程裝備測試性設(shè)計三階段主要定性評價指標(biāo)進(jìn)行綜合權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)對工程裝備測試性水平的綜合評價。

軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程是貫穿于裝備的全壽命周期,在每個階段其測試性指標(biāo)要求是不斷變化的，需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行測試性指標(biāo)要求的確定，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和試驗(yàn),測試性增長過程趨向穩(wěn)定，從而最終滿足裝備的測試性指標(biāo)要求，達(dá)到規(guī)定的測試性水平。本文在文獻(xiàn)[1]所研究的測試性綜合評價方法的基礎(chǔ)上，針對測試性綜合評價方法所采用的評價指標(biāo)和要求比較寬泛，對測試性設(shè)計過程中測試性指標(biāo)要求的動態(tài)變化不能實(shí)現(xiàn)精確、科學(xué)的評價，提出了一種動態(tài)的軍用工程機(jī)械測試性評價方法來解決此問題。

1　軍用工程機(jī)械測試性的動態(tài)評價特點(diǎn)

將動態(tài)評價理論[6-9]應(yīng)用于軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程中,能夠解決時間發(fā)展和數(shù)據(jù)積累等靜態(tài)評價方法所解決不了的問題。軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程包含多個階段，壽命周期長，單一的靜態(tài)評價結(jié)果雖然能在一定程度上對軍用工程機(jī)械的測試性水平進(jìn)行評價，但評價指標(biāo)要求單一，包含的信息量較小,動態(tài)評價與之相比要求更高、結(jié)果更科學(xué),具體主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程中，需要設(shè)計人員多方面的知識，對不同的指標(biāo)要求，還需要訂購方和承制方協(xié)調(diào)確定,為滿足測試性設(shè)計要求，測試性設(shè)計評價應(yīng)注重評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。

(2)軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程中包含的步驟多，所需信息量大，需要多部門之間的協(xié)調(diào)來完成,每個過程的階段評價結(jié)果應(yīng)能夠包含更多信息，避免單一。

(3)軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程中，不同評價指標(biāo)在測試性設(shè)計不同階段的重要程度動態(tài)變化、指標(biāo)要求也隨之變化，這就要求測試性評價結(jié)果不僅能體現(xiàn)不同設(shè)計階段的差異，而且能體現(xiàn)不同指標(biāo)要求的滿足情況，滿足對測試性設(shè)計全壽命周期的動態(tài)可比性。

2　軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法設(shè)計

目前,對動態(tài)評價方法的研究主要分兩類:①確定評價指標(biāo)在不同時刻的權(quán)重系數(shù)；②在時間序列中對象的屬性在變化而導(dǎo)致的在不同時間評價指標(biāo)的調(diào)整問題，即對構(gòu)成綜合評價各個環(huán)節(jié)的動態(tài)化處理。

2.1軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價模型

根據(jù)動態(tài)評價的特點(diǎn)，需要設(shè)計一種評價方法能夠?qū)y試性設(shè)計過程中的動態(tài)進(jìn)行定量描述。本文在上述測試性綜合評價方法的基礎(chǔ)上，在由評價對象與評價指標(biāo)構(gòu)成的二維空間中增加時間變量，考慮時間變換對評價結(jié)果的影響，將單一指標(biāo)擴(kuò)展為與時間相關(guān)的指標(biāo)向量，構(gòu)成一個三維的評價模型，以此模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法研究。軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價的三維模型如圖1所示。

圖1　軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價的三維模型

軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價的三維模型中,包含時間維度T、指標(biāo)維度U和對象維度A。每個節(jié)點(diǎn)評價的重點(diǎn)有所側(cè)重，節(jié)點(diǎn)(ui,ak)側(cè)重評價在測試性設(shè)計過程中，在某一測試性設(shè)計階段，某系統(tǒng)的評價指標(biāo)滿足情況，此過程類似于測試性綜合評價過程;節(jié)點(diǎn)(ui,tj)側(cè)重評價所有被評對象在某一時間節(jié)點(diǎn)的測試性水平滿足情況；(ui,ak,tj)側(cè)重對全部評價對象在整個時間序列中的測試性水平的比較分析。

2.2軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法

軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價主要考慮不同研制階段不同指標(biāo)的值不同，不同指標(biāo)在不同階段的權(quán)重系數(shù)也可能根據(jù)不同研制階段的重點(diǎn)不同而變化。因此，軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價的具體方法如下：

設(shè)有p個待評價對象a1,a2,…,ap，就軍用工程機(jī)械而言，主要指軍用工程機(jī)械的各個子系統(tǒng)；每個評價對象在不同時間序列中有n個評價指標(biāo)，即U(ak)={u1,u2,…,un},主要指不同子系統(tǒng)衡量其測試性水平的指標(biāo)；按照時間序列[tj,tj+1](j=1,2,…,m)建立評價對象ak(k=1,2,…,p)的多元排序評價向量為(si1,si2,…,sim),其中,si j為指標(biāo)ui對應(yīng)[tj,tj+1]時段的評價值，時間序列可按照軍用工程機(jī)械的壽命周期劃分，也可以按照軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計的不同研制階段進(jìn)行劃分。根據(jù)圖1建立由評價時間、評價指標(biāo)和評價對象組成的動態(tài)評價三維排序矩陣，見表1。

表1　動態(tài)評價三維排序矩陣

針對上述軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價三維排序矩陣，采用降維的求解方法進(jìn)行求解，具體步驟如下：

(1)分離評價對象ak(k=1,2,…,p),得到指標(biāo)維度U和時間維度T的二維矩陣BUT。

(2)在測試性設(shè)計時間段內(nèi),對U中的每一類指標(biāo)ui進(jìn)行單指標(biāo)綜合評價,得到評價結(jié)果。

(3)與評價對象a1,a2,…,ap進(jìn)行合并計算,得到關(guān)于對象維度A和指標(biāo)維度U的二維矩陣BAU，二維矩陣BUT和BAU分別為

(1)

(4)對各測試性評價對象進(jìn)行綜合評價,得到每個評價對象的動態(tài)綜合評價值。

3　軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行動態(tài)評價時,其核心問題是確定權(quán)重函數(shù)，該過程既要考慮不同評價指標(biāo)在同一時段內(nèi)的重要程度，又要考慮在不同時刻某一指標(biāo)表現(xiàn)出來的重要程度，并以此為基礎(chǔ)來綜合分析軍用工程機(jī)械及其子系統(tǒng)的測試性水平。因此，結(jié)合圖1所示的動態(tài)評價三維模型，采用主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)相結(jié)合的方法對軍用工程機(jī)械的測試性設(shè)計過程進(jìn)行評價。

3.1主觀權(quán)重關(guān)系確定方法

在軍用工程機(jī)械測試性評價的時間[t1,tm+1]內(nèi),在某時段[tj,tj+1]內(nèi)指標(biāo)序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak))的權(quán)重關(guān)系[10]確定過程如下：

(1)從某時間段的評價指標(biāo)序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak)}中選取最重要的一個指標(biāo),記為v1。

(2)從余下的評價指標(biāo)集中再選取最重要的一個指標(biāo),記為v2。

(3)以此類推,直到全部選取完成，得到評價指標(biāo)的重要程度排序:v1?v2?…?vn。

(4)引入描述vk與vk+1之間相對重要程度的判斷因子rk，其中rk=wvk/wv(k+1)，k=1,2,…,n-1且rk≥1,該函數(shù)是符合軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價要求的主觀判斷函數(shù)，其取值參考表2。

表2　判斷因子取值參考

vi的權(quán)重函數(shù)wvi的計算公式為

rk=wvk/wv(k+1)

(2)

因此可以得到

(3)

針對式(3),對i=1至i=n-1求和,得到

(4)

由于wv1+wv2+…+wvn=1,故可根據(jù)式(4)求解wvn：

(5)

根據(jù)式(3)與式(5)，可求得wv i：

(6)

得到指標(biāo)集V的權(quán)重向量W=(wv1,wv2,…,wv(n-1),wv n)。

3.2客觀權(quán)重函數(shù)確定方法

按照軍用工程機(jī)械測試性評價的實(shí)際,通過分析權(quán)重系數(shù)wj與時間段[tj,tj+1]的相關(guān)性,對有序加權(quán)算子(OWA)[11]進(jìn)行改進(jìn)后,對評價值si j進(jìn)行賦權(quán)。該方法的基本思想如下:將軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程的不同階段與評價時刻相對應(yīng),由于不同階段內(nèi),測試性水平評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)的不同，需根據(jù)軍用工程機(jī)械測試性評價各階段的特點(diǎn)，構(gòu)造面向軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計過程的權(quán)值W關(guān)于時間T的關(guān)系函數(shù)。根據(jù)對軍用工程機(jī)械測試性綜合評價三階段的分析，隨著測試性設(shè)計的不斷進(jìn)行到最后的使用定型，測試性水平應(yīng)該是一個不斷增長的過程。在設(shè)計核查階段，軍用工程機(jī)械的測試性水平隨著設(shè)計核查的進(jìn)行，有一個不斷增長的過程；在演示試驗(yàn)階段，其測試性水平的增長比較緩慢，主要修正設(shè)計中的一些小問題；使用評價階段，測試性水平隨著使用的進(jìn)行，比較穩(wěn)定，不會有大的變化。因此，軍用工程機(jī)械的測試性水平應(yīng)該主要是后面階段的測試性水平所體現(xiàn)出來的，開始階段的影響應(yīng)該比較小，據(jù)此建立權(quán)值W關(guān)于時間T的關(guān)系函數(shù)(圖2)：

(7)

圖2　非穩(wěn)定時序平均加權(quán)值函數(shù)

其中,參數(shù)σ、α決定了函數(shù)圖形的形狀,將權(quán)值函數(shù)進(jìn)行歸一化處理,得到評價值的權(quán)重：

(8)

即可得到評價指標(biāo)ui在[t1,tm]內(nèi)的權(quán)重w(tj),子系統(tǒng)在[t1,tm]內(nèi)的評價結(jié)果為

(9)

k=1,2,…,p;j=1,2,…,m

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1實(shí)例說明

以某型挖掘機(jī)的測試性設(shè)計為例,通過對其各子系統(tǒng)在設(shè)計核查階段、演示試驗(yàn)階段和使用評價階段的評價指標(biāo)的分析,對其測試性進(jìn)行動態(tài)評價。評價對象集為某型挖掘機(jī)各子系統(tǒng),評價對象集A={a1,a2,a3,a4,a5}={動力系統(tǒng),傳動系統(tǒng),轉(zhuǎn)向與制動系統(tǒng),工作裝置,電氣系統(tǒng)},評價指標(biāo)集U={u1,u2,u3,u4,u5}={固有測試性評價結(jié)果，故障檢測能力(FDR),故障隔離能力(FIR),虛警率(FAR),與外部測試設(shè)備兼容性},評價時間序列T={[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]}={設(shè)計核查階段,演示試驗(yàn)階段,使用評價階段}。

4.2模型求解

對某型挖掘機(jī)的各子系統(tǒng),故障檢測率(FDR)和故障隔離率(FIR)的要求值分別為0.92和0.90,最低可接受值為0.80,虛警率(FAR)的要求值為不超過0.03,最多不超過0.05。該型挖掘機(jī)測試性設(shè)計過程中的實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。

表3　各子系統(tǒng)三階段實(shí)測數(shù)據(jù)

測試性評價指標(biāo)中,u1、u5是定性評價指標(biāo),u1通過固有測試性評價打分統(tǒng)計而得,滿分100分,u5通過專家評判而得,評語集為{優(yōu),良,中,一般,差},將u1、u5轉(zhuǎn)換為10分制計。u2、u3、u4為定量指標(biāo),u2、u3是故障檢測率和故障隔離率,其評分標(biāo)準(zhǔn)符合梯形評價標(biāo)準(zhǔn),如圖3a所示;u4是虛警率,其評分標(biāo)準(zhǔn)也符合梯形標(biāo)準(zhǔn)，但兩個梯形標(biāo)準(zhǔn)稍有區(qū)別，如圖3b所示。

(a)

(b)圖3　梯形分布評價標(biāo)準(zhǔn)

采用上述動態(tài)評價方法,三個階段的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過量綱一化處理后,得到不同子系統(tǒng)的三維排序評價矩陣,見表4。

表4　某型挖掘機(jī)三維排序評價矩陣

根據(jù)客觀賦權(quán)法,在時間段[tj,tj+1]內(nèi),對不同子系統(tǒng)的測試性水平進(jìn)行重要程度分析,根據(jù)對軍用工程機(jī)械測試性評價階段的分析,h=2,

表5　某型挖掘機(jī)三維排序評價值矩陣

依據(jù)式(7)，取σ=2,α=0.05,可得各評價時刻的權(quán)重向量w(tj)=(0.2954,0.3347,0.3699)。根據(jù)式(9),得到五個子系統(tǒng)的綜合評價值：

根據(jù)不同子系統(tǒng)的權(quán)重,可確定該型挖掘機(jī)的測試性水平的綜合值。按照最大隸屬度原則,上述五個子系統(tǒng)的測試性水平在在時間段[tj,tj+1]內(nèi)都屬于“優(yōu)”。

4.3結(jié)果分析

將實(shí)測評價值矩陣進(jìn)行定量分析,得到各子系統(tǒng)的測試性動態(tài)評價曲線,如圖4所示。在動態(tài)評價過程中,將各子系統(tǒng)每階段的測試性評價值進(jìn)行定量分析,可以得出不同子系統(tǒng)的測試性水平在不同階段的變化。從圖4可以看出,最終該軍用工程機(jī)械每個子系統(tǒng)的測試性水平都在可以接受的范圍內(nèi),從圖中不同系統(tǒng)曲線的變化可知：

(1)系統(tǒng)1和系統(tǒng)2分別為動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng),在設(shè)計核查階段和演示試驗(yàn)階段,由于兩個系統(tǒng)主要都是使用的比較成熟的產(chǎn)品,其測試性水平都挺高,但是由于軍用工程機(jī)械工作環(huán)境的惡劣,在實(shí)際使用中其測試性水平有所下降。

(2)系統(tǒng)4和系統(tǒng)5分別為工作裝置和電氣系統(tǒng)，設(shè)計核查階段測試性水平滿足要求，但是在演示試驗(yàn)階段起測試性水平降低明顯，后通過改進(jìn)設(shè)計或采取其他補(bǔ)救措施，在實(shí)際使用中其測試性水平不斷提高。

(3)系統(tǒng)3為轉(zhuǎn)向與制動系統(tǒng)，其測試性水平經(jīng)過設(shè)計核查、演示試驗(yàn)階段的不斷磨合運(yùn)行,測試性水平不斷提升。

根據(jù)圖4中對不同子系統(tǒng)測試性水平動態(tài)評價曲線和上述計算值,總體而言,該軍用工程機(jī)械不同系統(tǒng)的測試性水平綜合評價值變化與實(shí)際測試性設(shè)計過程基本吻合，各子系統(tǒng)的測試性綜合評價值的比較關(guān)系為:H1>H2>H3>H5>H4。可根據(jù)該裝備各子系統(tǒng)之間的權(quán)重關(guān)系,確定該裝備的綜合評價值。若各系統(tǒng)的權(quán)重相等，可得該型挖掘機(jī)的測試性綜合評價值H=9.1879。

圖4　各子系統(tǒng)的測試性動態(tài)評價曲線

5　結(jié)語

通過對軍用工程機(jī)械測試性設(shè)計三階段評價內(nèi)容的分析,并引入時間序列參數(shù),建立了由評價對象、評價目標(biāo)和評價時間組成的三維動態(tài)測試性評價模型，并綜合運(yùn)用主觀權(quán)重和客觀權(quán)重函數(shù)確定方法，對測試性動態(tài)評價三維排序矩陣進(jìn)行降維求解，得到測試性動態(tài)評價的三維排序評價值矩陣;通過對三維排序評價值矩陣的分析計算,得到每個子系統(tǒng)的測試性評價值;通過對子系統(tǒng)的綜合計算，可確定出該型軍用工程機(jī)械的測試性水平評價結(jié)論。本文所建立的軍用工程機(jī)械的動態(tài)評價模型計算得到的各子系統(tǒng)的測試性動態(tài)評價曲線的變化，與實(shí)際的測試性設(shè)計過程中各子系統(tǒng)的測試性水平的變化基本吻合，這也進(jìn)一步證明本文所提出的軍用工程機(jī)械測試性動態(tài)評價方法的有效性。

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(編輯陳勇)

Method of Testability Dynamic Evaluation for Military Engineering Machinery

Wang Haitao1Zhang Qi1Zhu Chunsheng1,2Zhao Hongfei1,3Li Huanliang1

1.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007 2.94636Troops of PLA,Shanghai,2021003.73016 Troops of PLA,Zhenjiang,Jiangsu,212416

In order to achieve the accurate and scientific evaluation of the testability index requirements,based on the dynamic characteristics of the testability evaluation indexes,the time series were introduced to build three-dimensional evaluation model which consisted of evaluation object,evaluation index,and evaluation time.The dimension reduction algorithm which combined the subjective weight determination method and the objective weight function was used to solve the dynamic three-dimensional appraisal matrix.And the dynamic evaluation of testability design process for military engineering machinery was realized.The application instance shows that the dynamic evaluation method can provide effective evaluation for testability design process of military engineering machinery.

military engineering machinery;testability;dynamic evaluation;evaluation model

2013-03-30

江蘇省自然科學(xué)基金(青年基金)資助項(xiàng)目(BK2012061);總裝備部預(yù)研基金資助項(xiàng)目

TP206DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.008

王海濤,男,1978年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院軍事裝備學(xué)教研中心講師。主要研究方向?yàn)楣こ萄b備保障。張琦,男，1958年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。朱春生,男,1981年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院博士研究生。趙鴻飛,男,1984年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院博士研究生。李煥良,男,1977年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院軍事裝備學(xué)教研中心副教授。