基于案例推理的潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估方法

江山，劉剛

（1.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部，湖北武漢430033；2.海軍工程大學(xué)管理工程系，湖北武漢430033）

企業(yè)管理

基于案例推理的潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估方法

江山1，劉剛2

（1.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部，湖北武漢430033；2.海軍工程大學(xué)管理工程系，湖北武漢430033）

為了有效地評估潛艇研制過程中的風(fēng)險(xiǎn)，提升風(fēng)險(xiǎn)管理和控制能力，分析了潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估的案例和案例庫，探討了案例推理的主要流程，提出了基于案例推理的潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估方法。實(shí)例證明，該方法能夠有效地評估潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)，滿足潛艇研制立項(xiàng)論證決策需求。

研制風(fēng)險(xiǎn)；相似性分析；案例推理

隨著裝備結(jié)構(gòu)和功能的日益復(fù)雜、新材料與制造工藝的廣泛應(yīng)用、戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜突變、未來戰(zhàn)爭的高時(shí)效性等對潛艇研制提出了更高的要求，也大大增加了潛艇研制的難度，同時(shí)增加了其研制風(fēng)險(xiǎn)。在海軍潛艇研制立項(xiàng)論證的任務(wù)中，研制風(fēng)險(xiǎn)的評估是不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。研制風(fēng)險(xiǎn)的評估能力很大程度上取決于各方面數(shù)據(jù)是否全面、準(zhǔn)確，如果沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，則可能導(dǎo)致評估有所偏差，甚至于失敗[2]。潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)的評估是由多位專家組成的專家組來參與實(shí)現(xiàn)的，評估人員的經(jīng)驗(yàn)對評估進(jìn)程有很大影響，此外評估過程須根據(jù)評估流程逐項(xiàng)進(jìn)行，靈活性不高，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，如何解決這些問題成為當(dāng)前裝備保障領(lǐng)域里的熱點(diǎn)研究問題，潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估的決策過程是非常復(fù)雜的，需要運(yùn)用各種知識推理，而這正是專家系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，基于案例推理是人工智能領(lǐng)域中的一種新興的推理方法，它可以在一定的程度上來彌補(bǔ)目前潛艇研制評估專家系統(tǒng)的不完善的地方，為潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估提供了一種有效的方法[3-5]。本文的目的是為了給潛艇研制人員提供一種有效且可行的評估研制風(fēng)險(xiǎn)的方法，使其能夠?qū)撏а兄频娘L(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的范圍之內(nèi)。

1 案例及案例庫

案例就是對于過去已經(jīng)解決了的問題及其解決辦法的描述。因此可以簡記為：case＝（problem，solution），因?yàn)榘咐旧砭褪侵R，案例庫即知識庫，案例的表示應(yīng)遵循知識表示的一般原則，案例及案例庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要側(cè)重考慮：（1）有利于案例的檢索；（2）有利于知識的組織；（3）有利于庫的維護(hù)與管理；（4）有利于知識的擴(kuò)充。

案例庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例及案例庫的具體結(jié)構(gòu)密切地依賴于案例所涉及的領(lǐng)域知識。海軍常規(guī)潛艇的研制風(fēng)險(xiǎn)評估的決策問題是極為復(fù)雜的問題，需要考慮的重要因素很多，另外還有許多必須遵守的條例與規(guī)則。經(jīng)過提煉和組織，將案例知識中的問題描述與問題解統(tǒng)一起來，梳理成樹型結(jié)構(gòu)，且由研制單位、研制系統(tǒng)兩大塊構(gòu)成。研制單位下分為研制單位的人員情況、技術(shù)儲備和管理水平，研制系統(tǒng)分為系統(tǒng)重要性、功能相似性、結(jié)構(gòu)相似性和技術(shù)相似性。

將研制單位與研制系統(tǒng)編織成兩個(gè)字表，分別記錄其中各因素的表示值，它們的值可以是數(shù)值型的，也可以是符號型的，同時(shí)也可以是限定模糊語言型的，其評估值是由專家給出。而每一個(gè)案例所包含的內(nèi)容就是該表中的記錄。綜上所述，可以看出每個(gè)案例的全部信息是分散地貯存在各個(gè)表中。這種組織方式便于采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為案例庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件工具，從而充分發(fā)揮其固有的優(yōu)越性，使得案例庫的應(yīng)用、管理與維護(hù)極其方便。

2 案例推理的主要流程

2.1 案例檢索與匹配

案例知識的檢索與匹配是實(shí)現(xiàn)案例推理的關(guān)鍵，也是目前CBR（Case-Based Reasoning）的一個(gè)研究熱點(diǎn)。案例檢索最終要達(dá)到以下兩個(gè)目標(biāo)：檢索出來的案例應(yīng)該盡可能的少；檢索出來的案例應(yīng)盡可能的與當(dāng)前案例（目標(biāo)案例）相關(guān)或相似或匹配。

2.2 相似性分析

相似分析的比較在案例檢索與匹配中是很重要的，進(jìn)行相似性分析，是案例推理成功的關(guān)鍵。因此，選取合適的相似度計(jì)算方法，來進(jìn)行相似性分析，是案例檢索與匹配的重點(diǎn)所在。

2.2.1 相似度定義

在搜索與問題最為相似的案例時(shí)，很多基于“距離”的相似性的計(jì)算方法已被廣泛地采用，“距離”越大說明相似度越小。下面給出常見的兩種距離的度量：假定案例庫用CB來表示，CB=包含N個(gè)案例，ei（i=1，2，…，N）。每個(gè)案例有n個(gè)屬性特征Fj（1≤j≤n）和一個(gè)決策特征D.則案例庫中的每個(gè)案例ei（i=1，2，…，N）都可以表示成一個(gè)（n+1）維的特征值向量，即ei（xi1，xi2，A，xin，θi），xij是對應(yīng)第j個(gè)特征Fj（1≤j≤n）的特征值，θi則是對應(yīng)決策特征D的特征值。假設(shè)對每一個(gè)屬性特征Fj（1≤j≤n），指定了一個(gè)權(quán)重ωj（ωj∈[0，1]）來衡量這個(gè)特征的重要性[6-7]。

（1）加權(quán)Euclidean距離

對案例庫中的一對案例，它們的加權(quán)Euclidean距離定義為：

（2）加權(quán)Euclidean距離的擴(kuò)展

上面的這種相似度計(jì)算方法只適合于特征值取實(shí)值的情況，而沒有考慮特征值是符號值或者區(qū)間的情形。接下來給出一種同時(shí)適合這些情況的相似度測量方法。假設(shè)已經(jīng)給出一種距離度量，例如上面的加權(quán)Euclidean距離，用pj來表示兩個(gè)案例之間第j個(gè)特征之間的距離，pj則被認(rèn)為是從pj×Fj到[0，∞]（Fj表示第j個(gè)特征的值域）的一個(gè)映射，這個(gè)映射具有以下屬性：

①pj（a，b）如果a和b都是實(shí)數(shù)。

②pj（a，b）=max（a∈A，b∈B）如果A和B是區(qū)間。

③pj（a，b）=如果a和b是符號值。

因此，案例庫中的一對案例之間的距離就可以定義為[3]：

2.2.2 相似度計(jì)算

基于案例推理CBR本質(zhì)上講，是以使用過去的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)來處理現(xiàn)在的問題，從而獲得當(dāng)前問題求解結(jié)果的一種推理模式。一般來講，用CBR提出一個(gè)解的過程分為如下2步：首先，新的待求解問題按照案例庫中的案例進(jìn)行描述，目的是為了在案例庫中找到與之相似的一個(gè)或多個(gè)案例；然后進(jìn)入調(diào)整階段，在該階段中，調(diào)整相似案例（或許多案例）的解以使之適合于求解新的問題（可使用新案例與案例庫中與之相似案例的不同部分）。因此在構(gòu)建和管理基于案例推理系統(tǒng)（CBRs）時(shí)，案例特征屬性之間的相似度計(jì)算起到了非常關(guān)鍵的作用。文中采用相似隸屬度計(jì)算模型來相似度計(jì)算[8]。

相似隸屬度計(jì)算模型是用模糊數(shù)學(xué)的基本理論首先對相似性主、客觀因素分別進(jìn)行相似隸屬度分析，再將各因素的相似隸屬度通過隸屬度合成公式進(jìn)行，最后再與事先確定的閾值進(jìn)行比較后可判斷出是否相似。

文中采用打分法來判斷待測因素與案例的相似

程度，將其中各因素進(jìn)行比較，同時(shí)將其與案例進(jìn)行比較。設(shè)A＝（a1，a2，…，an）為因素集，B＝（b1，b2，…，bm）為案例集。專家打分范圍為（0-1）打分值為dij（i=1，2，…，mj=1，2，…，n）。案例權(quán)重ω＝（ω1，ω2，…，ωm），相似隸屬度S＝（S1，S2，…，Sn）.

通過上述各因素的相似性隸屬度的確定，可以通過下列公式計(jì)算出案例與待測因素的相似程度。

其中，λ=（λ1，λ2，…，λn）為相似要素的權(quán)重，其值在0～1之間，且

2.2.3 相似分析

最后通過案例與待測因素的相似性度與相似閾值的比較來判斷案例與待測因素是否相似。即，當(dāng)S≥e的時(shí)候可認(rèn)為案例于待測因素相似，反之當(dāng)S＜e的時(shí)候可認(rèn)為案例于待測因素不相似。相似閾值e可首先根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，然后在使用過程中不斷修正。

3 基于案例推理在風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用

3.1 案例庫的建立

文中將案例庫劃分為研制單位、研制系統(tǒng)兩部分，它是相似性分析的基礎(chǔ)，進(jìn)一步的劃分如圖1所示。

圖1 案例庫結(jié)構(gòu)圖

以潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)為例，根據(jù)現(xiàn)有潛艇研制過程中的風(fēng)險(xiǎn)值，再將即將研制的潛艇與其進(jìn)行相似性比較，進(jìn)行相似度計(jì)算，得出相似性度，然后再根據(jù)此相似性度，判斷是否借鑒現(xiàn)有潛艇研制過程中的風(fēng)險(xiǎn)值，或者部分借鑒。

由于潛艇研制的單位分為人員情況、技術(shù)儲備和管理水平，根據(jù)研制單位的情況可判斷兩艘潛艇研制的連續(xù)性。又因?yàn)闈撏в筛鱾€(gè)系統(tǒng)組成，將其中的系統(tǒng)進(jìn)行比較是很必要的，將潛艇系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)進(jìn)行相似性比較，又根據(jù)各分系統(tǒng)的重要性突出，有重點(diǎn)針對性地進(jìn)行研究。

3.2風(fēng)險(xiǎn)評估的案例推理流程

基于案例推理的過程是將案例庫中已有的信息（案例），通過檢索，進(jìn)行相似分析，推測未知事務(wù)相關(guān)信息的方法。這里，將現(xiàn)有常規(guī)潛艇的研制風(fēng)險(xiǎn)稱為案例。而將影響研制風(fēng)險(xiǎn)的各風(fēng)險(xiǎn)值的集合構(gòu)成案例庫。預(yù)測推理的關(guān)鍵就是在案例庫中檢索出與待分析潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)相似的案例，然后進(jìn)行評估，再根據(jù)實(shí)際情況，添加決策權(quán)重，運(yùn)用效用函數(shù)進(jìn)行綜合評估，得到最終結(jié)果。

其推理流程如圖2所示。

圖2 CRB推理流程圖

3.3 分析步驟

（1）組織專家打分，運(yùn)用相似度隸屬模型，計(jì)算出主觀因素相似隸屬度Sj（i=1，2，…n）。

（2）根據(jù)公式（3），計(jì)算出案例與待測因素的相似程度S.

（3）將此相似程度與相似閾值e，得出待測潛艇風(fēng)險(xiǎn)與案例是否相似。

（4）計(jì)算潛艇研制技術(shù)、進(jìn)度和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)值。

（5）運(yùn)用效用函數(shù)，得出潛艇研制的風(fēng)險(xiǎn)值。

4 算例

（1）建立評估矩陣，給出各專家給待測因素與案例的相似度值，設(shè)A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7）為因素集，B=（b1，b2，b3）為案例集。專家打分范圍為（0-1）打分值為dij（i=1，2，3j=1，2，…，7）。案例權(quán)重ω=（ω1，ω2，ω3），相似隸屬度S=（S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7），如表1所示。

表1 專家打分表

給定ω=（0.2，0.4，0.4）

根據(jù)公式（1）、（2），經(jīng)計(jì)算求得：

S1=0.56；S2=0.56；S3=0.82；

S4=0.44；S5=0.64；S6=0.52；S7=0.72

（2）給出λ=（0.1，0.05，0.3，0.025，0.2，0.025，0.3）根據(jù)公式（3），計(jì)算出案例與待測潛艇的相似程度：

S=0.698

（3）給出相似閾值0.65，經(jīng)比較S=0.698＞0.65，可認(rèn)為待測潛艇風(fēng)險(xiǎn)與案例相似。

（4）由于已判斷即將研制潛艇與案例相似，就可借鑒現(xiàn)有潛艇的技術(shù)、進(jìn)度、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)值，來評估即將研制潛艇的技術(shù)、進(jìn)度、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)值，給出具體數(shù)值表，如表2所示。

表2 案例風(fēng)險(xiǎn)值表

設(shè)案例的加權(quán)系數(shù)σ=（0.3，0.2，0.5），即可求出即將研制潛艇的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)Ct、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)Cf、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)Cc：

Ct=0.645Cf=0.407Cc=0.496

（5）給出技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重v＝（0.2，0.5，0.3），得到最終結(jié)果：

C=Ct*0.2+Cf*0.5+Cc*0.3

=0.645*0.2+0.407*0.5+0.496*0.3=0.481

設(shè)潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)的等級為高：[0.85，1]；較高：[0.65，0.85）；一般：[0.5，0.65）；較低：[0.3，0.5）；低：[0，0.3）.

因此，可認(rèn)為研制此潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)較低。

5 結(jié)束語

隨著人工智能，尤其是專家系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，把智能技術(shù)運(yùn)用到裝備研制評估中是一種趨勢，基于案例推理的潛艇研制風(fēng)險(xiǎn)評估方法，符合人類專家的思維方式，能夠有效地利用過去研制的資源和經(jīng)驗(yàn)，隨著案例的不斷增加，評估的有效性和準(zhǔn)確性將會不斷提升。

[1]劉志勇，高軍.基于案例推理的型號研制項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)[J].先進(jìn)制造與管理，2007，26（7）：16-17.

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[8]張賢坤.基于案例推理的應(yīng)急決策方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

Submarine Development Risk Evaluation Method by Case-Based Reasoning

JIANG Shan1，LIU Gang2
（1.Administrative Office of Training，Naval Univ.of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China；2.Dept.of Management Engineering，Naval Univ.of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China）

In order to evaluate the risk of submarine development effectively，advance the ability of risk management and control，the case and case base of submarine development risk evaluation were analyzed，the main flow of case-based reasoning was discussed，and submarine development risk evaluation method by case-Based reasoning was presented.The example proved that this method can evaluate the submarine development risk effectively，and satisfy the decision demand of submarine development demonstration.

development risk；similarity analysis；case-based reasoning

U674.76

：A

：1672-545X（2017）01-0191-04

2016-10-29

總裝技術(shù)基礎(chǔ)課題（4314231428）；軍隊(duì)院校2110工程三期資助項(xiàng)目

江山（1977-），男，上海人，碩士，高級工程師，研究方向：信息安全、裝備管理；劉剛（1982-），男，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：裝備綜合保障、裝備管理。