改進(jìn)模糊層次分析法的火控系統(tǒng)故障診斷方法*

楊國(guó)振，常天慶，張　雷，蘇　健

（裝甲兵工程學(xué)院，北京　100072）

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改進(jìn)模糊層次分析法的火控系統(tǒng)故障診斷方法*

楊國(guó)振，常天慶，張雷，蘇健

（裝甲兵工程學(xué)院，北京100072）

摘要：提出了一種基于改進(jìn)模糊層次分析法的某型戰(zhàn)車(chē)火控系統(tǒng)的故障診斷模型。分析火控系統(tǒng)頂層故障現(xiàn)象的各個(gè)影響因素，建立對(duì)應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，給出模糊判斷矩陣，將基于靜態(tài)的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和基于動(dòng)態(tài)的定量測(cè)試相結(jié)合，然后綜合各個(gè)專(zhuān)家判斷矩陣的差異性，由模糊層次分析法求得各影響因素的權(quán)重并進(jìn)行排序，得到故障部件權(quán)重，診斷結(jié)論表明該方法準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞：模糊層次分析法，專(zhuān)家權(quán)重矩陣，綜合評(píng)判，故障診斷

0　引言

火控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及光學(xué)、電子、信息、控制、液壓、機(jī)械等多學(xué)科專(zhuān)業(yè)，系統(tǒng)產(chǎn)生故障的因素多，并且相互交織影響，帶有模糊性與不確定性，因此，故障定位本質(zhì)上可以認(rèn)為是在多種因素綜合作用下的評(píng)價(jià)決策過(guò)程，是一種多屬性決策過(guò)程。

目前，火控系統(tǒng)故障診斷常用的方法存在局限性，定性分析法和故障樹(shù)專(zhuān)家系統(tǒng)法結(jié)論受不同維修人員的知識(shí)水平、經(jīng)驗(yàn)差別等主觀因素影響，導(dǎo)致決策主體多元化；灰色關(guān)聯(lián)度法未考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的定量測(cè)試結(jié)果，影響結(jié)論的有效性。因此，需要從理論上建立合理的故障定位決策方案，既能夠考慮諸多因素的影響，又結(jié)合在線測(cè)試的定量結(jié)果，同時(shí)能夠克服專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的主觀性和偶然性。為此，本文提出了基于改進(jìn)模糊層次分析法的火控系統(tǒng)故障定位綜合決策方法，并將其應(yīng)用于某型主戰(zhàn)坦克火控系統(tǒng)的原位故障診斷中。

1　改進(jìn)FAHP診斷模型的建立

模糊層次分析法［1］是在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上，充分考慮人們對(duì)復(fù)雜的決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等判斷的模糊性，引入模糊一致矩陣的決策方法。它彌補(bǔ)了層次分析法的缺陷，使分析更加科學(xué)，能夠有效解決復(fù)雜的、模糊的故障診斷問(wèn)題。

1.1構(gòu)建遞階層次模型

首先建立描述火控系統(tǒng)成因或特征的內(nèi)部獨(dú)立的遞階層次分析結(jié)構(gòu)，這是層次分析法的關(guān)鍵步驟。根據(jù)故障診斷綜合評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的所屬類(lèi)型，將其劃分為不同層次，形成故障診斷的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。該模型通常由3個(gè)層次組成：

目標(biāo)層A（頂層）。反應(yīng)火控系統(tǒng)相同故障現(xiàn)象診斷定位的可信度，是最高層。

準(zhǔn)則層B（中間層）。準(zhǔn)則層是為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，這一層次是影響系統(tǒng)故障重要度因素的指標(biāo)構(gòu)成，是對(duì)目標(biāo)層故障剖面的具體分解和擴(kuò)展。

方案層C（底層）。表示實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策方案等，是具體故障成因。

圖1故障診斷遞階層次結(jié)構(gòu)模型

1.2構(gòu)造模糊判斷矩陣

在層次結(jié)構(gòu)模型中，各層組成元素的影響程度不盡相同，需要通過(guò)兩兩比較確定其影響程度，以建立各準(zhǔn)則對(duì)于上一層目標(biāo)的權(quán)重，以及各故障成因?qū)τ诿恳粶?zhǔn)則的權(quán)重。當(dāng)以上一層次某要素作為比較準(zhǔn)則時(shí)，對(duì)于下一層次中a1，a2，…，an元素，可用一個(gè)比較標(biāo)度rij來(lái)表述第ai個(gè)元素與第aj個(gè)元素的重要性隸屬度，判斷矩陣則是下層的元素對(duì)上層元素的相對(duì)重要性兩兩比較而建立的矩陣。從目標(biāo)層A到準(zhǔn)則層B需構(gòu)建一個(gè)模糊判斷矩陣A-B，準(zhǔn)則層B到方案層C需構(gòu)建n個(gè)兩兩比較判斷矩陣Bi-C，i=1，…n。為了使判斷定量化，一般都選用1～9的比例標(biāo)度法，正整數(shù)取值表示相對(duì)重要，相反情況取倒數(shù)，如表1所示。

利用德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行評(píng)判打分，選取k位專(zhuān)家，經(jīng)過(guò)多輪評(píng)判，每位專(zhuān)家分別1個(gè)目標(biāo)層A到準(zhǔn)則層B的模糊判斷矩陣和n個(gè)準(zhǔn)則層B到方案層C的判斷矩陣。

表1常用1～9標(biāo)度法

1.3計(jì)算權(quán)重及一致性判斷

對(duì)于每個(gè)比較判斷矩陣，都可對(duì)應(yīng)建立一個(gè)特征方程AW=λW，求解特征向量和特征值，找出最大特征值λmax，其對(duì)應(yīng)的列向量經(jīng)過(guò)歸一化處理后，得到該比較矩陣的權(quán)重向量。

模糊判斷矩陣是應(yīng)當(dāng)由專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的，不可能精確給出重要度隸屬度rij的值，是有偏差的，因此，必須對(duì)判斷矩陣一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算一致性比率CR來(lái)確定，

式中：CI是一致性指標(biāo)，λmax判斷矩陣的最大特征根，n是判斷矩陣階數(shù)，RI是平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣滿足一致性要求，否則重新寫(xiě)出判斷矩陣，直到滿足一致性要求［2］。

1.4計(jì)算專(zhuān)家綜合權(quán)重

在實(shí)踐中，單一專(zhuān)家往往受到知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)歷等各方面因素的影響，難以準(zhǔn)確客觀地反映真實(shí)情況，同時(shí)不同專(zhuān)家給出判斷矩陣的可信度不同，導(dǎo)致對(duì)最終結(jié)果的影響不同，為了消除不同專(zhuān)家判斷的不一致度的影響，本文采用改進(jìn)的德?tīng)柗品ǎ?］來(lái)解決。針對(duì)同一層次關(guān)系，k位評(píng)判專(zhuān)家給出k種權(quán)重向量，以目標(biāo)層A到準(zhǔn)則層B為例，構(gòu)建專(zhuān)家權(quán)重矩陣B=（bij）k×n，bij表示第i位專(zhuān)家對(duì)準(zhǔn)則Bj的權(quán)重值，先計(jì)算權(quán)重矩陣每行所有元素的集合平均值

WA-B=（w1，w2，…，wn）T是專(zhuān)家權(quán)重矩陣的特征向量，也就是準(zhǔn)則層元素Bj（j=1，…，n）的專(zhuān)家綜合權(quán)重。

1.5計(jì)算層次組合權(quán)重

第一層級(jí)專(zhuān)家綜合權(quán)重向量確定以后，按照自上而下的層次關(guān)系，從最上一級(jí)開(kāi)始，求解每一層級(jí)的專(zhuān)家綜合權(quán)重向量。針對(duì)方案層C，分別計(jì)算各組關(guān)系的專(zhuān)家綜合權(quán)重向量=（wi1，wi2，…，wi）jT（i=1，2，…，n，0＜j≤m），wij表示對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則B（ii=1，…，n），j個(gè)成因方案的專(zhuān)家綜合權(quán)重值。將第二層級(jí)n個(gè)專(zhuān)家綜合權(quán)重向量作為列向量，無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)wij=0，構(gòu)建一個(gè)專(zhuān)家綜合權(quán)重矩陣WB-C= （wi）jm×n，可計(jì)算出方案層對(duì)目標(biāo)層的組合權(quán)重向量

W=WB-CWA-B（4）

將各分量值按從大到小排列，顯示了方案層的因素對(duì)于目標(biāo)層W的重要程度排序，即層次總排序。

2　某型火控系統(tǒng)實(shí)例分析

2.1故障診斷層次模型建立

武器裝備火控系統(tǒng)是一套以火控計(jì)算機(jī)為核心的綜合控制系統(tǒng)［4］，進(jìn)行故障診斷時(shí)，依靠設(shè)備進(jìn)行全面的測(cè)試，費(fèi)用大、成本高，且受場(chǎng)地制約，所以原位故障診斷時(shí)主要以現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家的靜態(tài)知識(shí)判斷為主，定位結(jié)論主觀性大。采用FAHP法，針對(duì)不同的故障剖面，綜合考慮對(duì)故障產(chǎn)生影響的各個(gè)因素，包括部件可靠性、工作環(huán)境、歷史運(yùn)行特性、故障前瞬時(shí)狀態(tài)和測(cè)試參數(shù)等，建立故障剖面、影響因素和部件故障成因三層結(jié)構(gòu)，將靜態(tài)多專(zhuān)家知識(shí)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)知識(shí)相結(jié)合，生成評(píng)判結(jié)果，對(duì)引起故障發(fā)生的各個(gè)成因進(jìn)行綜合評(píng)判，按照權(quán)重值大小排序，實(shí)現(xiàn)原位快速定位。以某型坦克火控系統(tǒng)典型故障“激光不能測(cè)距”為例，建立故障診斷層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2激光不測(cè)距故障診斷層次結(jié)構(gòu)模型

可靠性準(zhǔn)則由專(zhuān)家對(duì)設(shè)計(jì)可靠性、故障發(fā)生頻率等參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；工作環(huán)境準(zhǔn)則包括溫帶、鹽霧、濕熱、高寒和沙漠等5種影響狀況，實(shí)際工作中選擇其一；歷史特性準(zhǔn)則按照系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分為磨合期、穩(wěn)定期、危險(xiǎn)期3種，選擇其一；故障瞬態(tài)指故障發(fā)生前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括啟封保養(yǎng)、一般訓(xùn)練、高強(qiáng)度訓(xùn)練、戰(zhàn)斗射擊，選擇其一；測(cè)試參數(shù)針對(duì)本故障指能夠測(cè)試的激光高壓值，特指故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，正常時(shí)影響忽略不計(jì)。

2.2構(gòu)建專(zhuān)家模糊判斷矩陣

本模型的4位專(zhuān)家分別是研究設(shè)計(jì)、教學(xué)培訓(xùn)、工廠售后、部隊(duì)保障的專(zhuān)家，通過(guò)德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行多輪評(píng)判打分，最終每位專(zhuān)家給出目標(biāo)層到準(zhǔn)則層1個(gè)判斷矩陣和準(zhǔn)則層每一種狀態(tài)對(duì)應(yīng)到方案層的判斷矩陣，所有判斷矩陣存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)給定情況進(jìn)行綜合解析。本文針對(duì)溫帶環(huán)境、穩(wěn)定期、高強(qiáng)度訓(xùn)練、激光高壓低等情況下，火控系統(tǒng)激光不能測(cè)距故障進(jìn)行診斷定位。表2是4位專(zhuān)家給出目標(biāo)層到準(zhǔn)則層的模糊判斷矩陣。

表2目標(biāo)層A到準(zhǔn)則層B的專(zhuān)家模糊判斷矩陣

2.3計(jì)算層次組合權(quán)重

通過(guò)MATTLAB工具分別對(duì)4個(gè)專(zhuān)家模糊判斷矩陣求解特征向量和特征值，找出最大特征值λmax，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)n=5，RI=1.12，結(jié)果如表3所示。

表3第一層級(jí)一致性檢驗(yàn)

專(zhuān)家1-4模糊判斷矩陣特征向量

（0.324 9 0.103 2 0.072 8 0.497 4 0.794 4）T

（0.804 7 0.086 3 0.158 8 0.308 5 0.474 0）T

（0.512 6 0.203 7 0.129 5 0.289 0 0.771 7）T

（0.109 3 0.182 1 0.300 5 0.702 3 0.609 4）T

所有CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣滿足一致性要求。將每位專(zhuān)家模糊判斷矩陣產(chǎn)生的特征向量歸一化處理，并作為列向量構(gòu)建專(zhuān)家權(quán)重矩陣B

按照式（2）、式（3）計(jì)算專(zhuān)家權(quán)重矩陣的特征向量WA-B=（0.065 5 0.001 5 0.002 0 0.139 2 0.791 8）T

同理得到準(zhǔn)則層到方案層的專(zhuān)家權(quán)重矩陣特征向量分別為

WB1-C=（0.0343 0.2402 0.0945 0.1548 0.4762）TWB2-C=（0.0852 0.2456 0.1217 0.1611 0.3863）TWB3-C=（0.107 9 0.2073 0.1303 0.2073 0.3482）TWB4-C=（0.0408 0.2045 0.0867 0.1526 0.5154）TWB5-C=（0 0.0881 0 0.1947 0.7172）T

構(gòu)建一個(gè)專(zhuān)家綜合權(quán)重矩陣WB-C，根據(jù)式（4）計(jì)算方案層C對(duì)目標(biāo)層A的組合權(quán)重向量。

方案層故障成因權(quán)重依次為0.672 1，0.186 2，0.114 7，0.018 7，0.008 3，故障定位排序?yàn)殡娫从?jì)數(shù)器盒，控制盒，瞄準(zhǔn)鏡，火控計(jì)算機(jī)，操縱臺(tái)，這一結(jié)果與實(shí)際故障診斷結(jié)果一致。

3　結(jié)論

本文應(yīng)用改進(jìn)模糊層次分析法，對(duì)某型主戰(zhàn)坦克火控系統(tǒng)故障診斷定位過(guò)程進(jìn)行全面綜合評(píng)判，通過(guò)分析典型故障剖面，采用層次分析法，構(gòu)建專(zhuān)家綜合權(quán)重矩陣解決了多專(zhuān)家判定的差異性，并充分考慮了故障診斷中的定性和定量影響因素，為制定合理的維修策略提供了理論依據(jù)，診斷結(jié)論表明該方法具備了較高應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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［4］朱競(jìng)夫.現(xiàn)代坦克系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

Research on Fault Diagnosis Technique of Fire Control System Based on Modified- FAHP Method

YANG Guo-zhen，CHANG Tian-qing，ZHANG Lei，SU Jian
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：A new fault diagnosis technique based on modified-FAHP method for the fire control system is proposed. Each typical failure factors which cause the top fault of the fire control system are analyzed，and then the corresponding hierarchical structure is built，several experts give the fuzzy comparison matrix，static expert knowledge is combined with the dynamic testing data，then the otherness is integrated by the expert weight matrix and the weight of failure factors is obtained by the FAHP，the diagnostic results indicate that the method is precise and available.

Key words：FAHP，expert weight matrix，comprehensive decision，fault diagnosis

作者簡(jiǎn)介：楊國(guó)振（1977-），男，河北涿州人，碩士。研究方向：武器裝備自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

*基金項(xiàng)目：軍隊(duì)維修改革科研重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-01-07

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0162-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TP306

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-03-18