測控裝備健康評價體系與支持系統(tǒng)設(shè)計

王 鑫

(中國人民解放軍92941部隊， 遼寧 葫蘆島 125001)

測控裝備包括雷測、光測、遙測等設(shè)備，它們的特點是大型化、復(fù)雜化和模塊化。它們型號多、組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，以往對裝備狀態(tài)的評價都是依據(jù)操管人員日常使用觀察對其進行評價，沒有定量的數(shù)據(jù)支持。難以對裝備的狀態(tài)做出客觀準確的評價。目前，國內(nèi)對測控裝備健康評價的研究很少，作者采用通用裝備的評價理論并結(jié)合測控裝備的特點建立健康評價體系，并開發(fā)一套測控裝備健康評價系統(tǒng)。

健康評價體系的建立是進行健康評價的基礎(chǔ)，科學(xué)合理地設(shè)計健康評價體系，能客觀地對裝備的健康狀態(tài)進行有效評估，并能為裝備設(shè)計和系統(tǒng)的優(yōu)化提供客觀數(shù)據(jù)支持。

1 測控裝備系統(tǒng)的要素分析

測控裝備是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)，具有如下特點[1]：

1) 復(fù)雜性。測控裝備復(fù)雜性主要表現(xiàn)在涉及面廣和目標(biāo)多，涉及平臺性能，裝置設(shè)備性能、作戰(zhàn)能力、人機因素等。

2) 主觀性。評價問題具有很強的主觀性，在進行大量模糊的定性因素和非公度性指標(biāo)的轉(zhuǎn)化時，不可避免地要涉及人的主觀判斷，體現(xiàn)人的經(jīng)驗和直覺思維模式。

3) 概略性。在評價涉及的參數(shù)中，其中一些參數(shù)有確切數(shù)據(jù)，但也有不少參數(shù)不能直接測量和統(tǒng)計，只能估計。

4) 時效性。由于裝備在使用壽命周期內(nèi)，都要經(jīng)歷類似的生命效能曲線，即在使用初期，故障率高，可用度和可靠性差；使用一段時間后故障率下降，工作達到正常；當(dāng)達到使用壽命后期，裝備故障率會急劇上升。

5) 局限性。裝備的健康狀態(tài)與很多條件有關(guān)，各種計算模型和方法也有種種假設(shè)和先決條件，存在不同程度的偏差，也不能全面覆蓋所有相關(guān)指標(biāo)，因此評價結(jié)果不可避免具有一定的局限性，只能在預(yù)定的范圍和假設(shè)條件下才是可信的。

測控裝備具有一般裝備的結(jié)構(gòu)特性，具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)隸屬關(guān)系和性能影響關(guān)系。

本文按照裝備本身結(jié)構(gòu)特點，將裝備結(jié)構(gòu)劃分為4級，即系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、組件級(LRU)和單元級(SRU)。

2 建立測控裝備健康評價指標(biāo)體系

測控裝備健康評價指標(biāo)體系的建立是進行裝備綜合評價的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的評價指標(biāo)體系建立，依賴于多方面的因素，下面對指標(biāo)選取原則、選取步驟以及指標(biāo)的量化和標(biāo)準化分別進行闡述。

2.1 健康評價指標(biāo)的選取原則

評價指標(biāo)總體上分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩大類，選取應(yīng)遵循以下原則：

1) 系統(tǒng)性原則。健康評價指標(biāo)體系應(yīng)能反映裝備的整體性能和綜合情況，評價指標(biāo)的設(shè)計應(yīng)有層次性，結(jié)構(gòu)合理，以保證評價體系的全面性和可靠性

2) 可比性原則。評價結(jié)果要有可比性，可比性強才能體現(xiàn)裝備的健康狀況。評價指標(biāo)要避免包含關(guān)系，相關(guān)關(guān)系要適當(dāng)消除。指標(biāo)處理中要保持數(shù)據(jù)同趨勢化，以保證指標(biāo)間的可比性。

3) 科學(xué)性原則。評價指標(biāo)以能正確反映系統(tǒng)整體和內(nèi)部相互關(guān)系的數(shù)量特征，同時，既要保持定性分析的科學(xué)性，又要保證定量分析的準確性。

4) 實用性原則。評價指標(biāo)涵義要明確，數(shù)據(jù)要規(guī)范，口徑要一致，數(shù)據(jù)獲取和資料收集要可靠，數(shù)據(jù)在導(dǎo)入評價模型時要有可操作性，便于在計算機上操作實現(xiàn)。

5) 層次性原則。將復(fù)雜的系統(tǒng)進行分解，降低評價對象的復(fù)雜度，以求能得出更為合理的評價指標(biāo)

6) 簡易性原則。在確定評價層次關(guān)系時，層次數(shù)在滿足要求的情況下，應(yīng)盡可能少，層次結(jié)構(gòu)的簡易程度直接決定著評價結(jié)果的好壞。每一層中的評價指標(biāo)個數(shù)也不宜過多，一般不超過9個，過多的指標(biāo)并不能有效提高評價結(jié)果的準確性，往往會引入過多的干擾因素，反而會降低評價結(jié)果的準確性。

2.2 健康評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法

指標(biāo)權(quán)重的確定方法有多重，大致分為主觀賦值法、客觀賦值法和綜合賦值法3類。本文以主觀賦值法為基礎(chǔ)，進行權(quán)值的確定，兼顧客觀賦值法的擴展，以求多途徑對裝備健康狀況評價。

1) 主觀賦值法-層次分析法

該方法以層次分析法(AHP法)的兩兩比較判斷矩陣為基礎(chǔ)，對各指標(biāo)的相對重要性進行選擇，然后填表建立決策矩陣。

在指標(biāo)比較分級中采用較多的為Satty教授提出并應(yīng)用廣泛的1～9標(biāo)度。但由于9等級標(biāo)度的評分與直覺和語言判斷習(xí)慣不協(xié)調(diào)，易導(dǎo)致評判結(jié)果的不一致，目前應(yīng)用中對其進行了優(yōu)化，提出了更為合理的6等級標(biāo)度法[2]。6等級標(biāo)度值如表1所示。

表1 6等級標(biāo)度值的含義

2) 客觀賦值法-熵值法

熵是信息論中測度系統(tǒng)不確定性的量。信息量越大，不確定性越小；反之，信息量越小，不確定性越大。熵值法主要依據(jù)各指標(biāo)所包含的信息量的大小，利用指標(biāo)本身的熵值約定指標(biāo)權(quán)重，具有絕對的客觀性。其主要步驟如下：

對決策矩陣Xm×n做標(biāo)準化處理，得到標(biāo)準化矩陣Ym×n,進行歸一化：

(1)

計算第j個指標(biāo)的熵值：

(2)

計算第j個指標(biāo)的差異系數(shù)。指標(biāo)的差異越大，對評價的作用越大，熵值越大；反之，差異越小，對評價的作用越小，熵值越小，定義熵值系數(shù)如下：

gj=1-ej(1≤j≤n)

(3)

確定指標(biāo)權(quán)重：

(4)

熵值法需要數(shù)據(jù)的支持，在獲得數(shù)據(jù)支持的前提下，作為擴展功能。

3 健康評價聚合方法的選擇

不同的評價方法側(cè)重不同，分析結(jié)果自然不同。本文選擇多種數(shù)學(xué)模型完成綜合評價：加權(quán)算術(shù)平均法；加權(quán)幾何平均法；主成分分析方法。

在系統(tǒng)設(shè)計中，預(yù)留控制其他數(shù)學(xué)模型的接口，以便于以后控制如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，D-S證據(jù)理論，粗糙集等先進算法。

4 健康評價數(shù)學(xué)模型

按照美國工業(yè)界武器效能咨詢委員會(WSEIAC)推介，裝備健康狀態(tài)是滿足一組特定任務(wù)要求的程度的度量，其數(shù)學(xué)模型稱之為ADC模型[3]，以函數(shù)形式表示如式(5)：

E=A×D×C

(5)

其中：E為健康總指標(biāo)；A為系統(tǒng)可用度，裝備任意狀態(tài)下處于工作狀態(tài)的度量；D為系統(tǒng)可信度，裝備執(zhí)行任務(wù)瞬態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的度量；C為系統(tǒng)能力，裝備完成任務(wù)能力的度量，性能指標(biāo)綜合。裝備健康模型指標(biāo)(ADC模型)如圖2所示。

1) 可用度

設(shè)備工作狀態(tài)可以分為正常和故障兩種，裝備的故障率和平均無故障間隔時間(MTBF)是衡量裝備狀態(tài)重要指標(biāo)。兩種狀態(tài)下可用度 表示如下：

A=[a1,a2]

(6)

式(6)中：a1為工作狀態(tài)的概率，a2為故障狀態(tài)的概率。

(7)

(8)

在進行綜合評價時，故障率λ和修復(fù)率μ基于試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出。

2) 可信度

可信度描述系統(tǒng)在完成任務(wù)期間所處的狀態(tài)，即能否連續(xù)工作，可行度表示如下：

不可維修系統(tǒng)可信度矩陣表示為

(9)

可修復(fù)系統(tǒng)可信度矩陣表示為：

(10)

分析可見可行度的值完全取決于故障率λ和修復(fù)率μ的取值。

3) 能力標(biāo)度

能力是根據(jù)具體情況進行試驗綜合統(tǒng)計分析或計算機模擬得出，是一系列技術(shù)指標(biāo)的綜合評價，描述裝備在規(guī)定的時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)使用要求的概率。能力向量C表示如式(11)所示。

C=(c1，c2)T

(11)

式中：c1為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下完成任務(wù)的概率；c2為系統(tǒng)處于異常狀態(tài)下完成任務(wù)的概率。

技術(shù)指標(biāo)的綜合評價即為完成任務(wù)的能力標(biāo)度。

5 測控裝備健康評價系統(tǒng)實例

以某型雷達為例建立健康評價體系，并進行數(shù)學(xué)建模支持系統(tǒng)設(shè)計。

裝備整體評價技術(shù)指標(biāo)在后續(xù)實施中需要修正、優(yōu)化和補充(表2)。

表2 某型雷達整體技術(shù)指標(biāo)

組件的評價指標(biāo)主要針對可用度和可信度目標(biāo)進行評價，選取的主要參數(shù)如表3所示。評價指標(biāo)在后續(xù)實施中需要修正和優(yōu)化。

根據(jù)各指標(biāo)的重要程度，在尚沒有試驗數(shù)據(jù)的支持下，按照2.2節(jié)給出的層次分析法(AHP法)進行權(quán)重分配。構(gòu)建權(quán)重比較系數(shù)如表4所示?？梢院唵蔚贸鱿到y(tǒng)評價各項指標(biāo)的權(quán)重分配[4]。

該分析結(jié)果是權(quán)重系數(shù)，按照式(4)給出的歸一化方法歸一化以后，即為權(quán)重[5]。

支持系統(tǒng)架構(gòu)的健康評價系統(tǒng)使用C/S(客戶端/服務(wù)器)技術(shù)方案，采用標(biāo)準以太網(wǎng)總線構(gòu)架，使用虛擬儀器技術(shù)的LabVIEW圖形化編程語言，并參照成熟系統(tǒng)和已有經(jīng)驗完成本系統(tǒng)的設(shè)計。① 綜合評價系統(tǒng)總體架構(gòu)為C/S(客戶端/服務(wù)端)架構(gòu)；② 客戶端計算機安裝綜合評價系統(tǒng)客戶端軟件，實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)錄入、系統(tǒng)配置和綜合評價等各項功能；③ 服務(wù)器安裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，存儲用戶信息數(shù)據(jù)、裝備信息數(shù)據(jù)、裝備運行數(shù)據(jù)、裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)等基本數(shù)據(jù)；綜合評價指標(biāo)數(shù)據(jù)和綜合評價權(quán)重數(shù)據(jù)等評價體系數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。④ 客戶端與服務(wù)端通過網(wǎng)絡(luò)連接進行數(shù)據(jù)交互。

根據(jù)以上對系統(tǒng)需求的分析，本系統(tǒng)主要功能為實現(xiàn)對設(shè)備進行綜合評價，為設(shè)備選型、選廠，以及對設(shè)備的管理提供可靠的決策信息。將系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)化為功能模塊，可設(shè)計健康評價系統(tǒng)總體功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表3 某型雷達組件評價指標(biāo)

表4 某型雷達評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

6 運行結(jié)果

利用本健康評價系統(tǒng)對某型雷達進行健康評價，此型雷達具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)多的特點。第一步:計算各設(shè)備權(quán)重并構(gòu)建權(quán)重矩陣。根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，計算各個部件及設(shè)備分系統(tǒng)的權(quán)重。采用 9 標(biāo)度層次分析法進行兩兩比較建立判斷矩陣，計算權(quán)重向量并進行一致性檢驗，最終得到權(quán)重矩陣。 第二步:按照聚合方法選擇合適的系統(tǒng)綜合評價方法，得到科學(xué)合理可信的系統(tǒng)綜合評價的結(jié)論。第三步按照構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型把選出的指標(biāo)與數(shù)學(xué)模型中的可信度、可用度、能力指標(biāo)相對應(yīng)。最后得出健康評價結(jié)果如圖4所示。

7 結(jié)論

測控裝備健康評價支持系統(tǒng)能夠客觀的反映裝備的技術(shù)狀態(tài)，對裝備的日常使用和管理有很強的借鑒作用。本文以某型雷達為例，其評價體系與支持系統(tǒng)可適用于其他裝備[6]。

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