基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估?

盧 鑫

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)41分隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 引言

隨著作戰(zhàn)需求的不斷提高和海軍導(dǎo)彈武器系統(tǒng)高、中、低多層火力體系的逐步完善，海軍對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求［1］?？煽啃詫?duì)于關(guān)系我海軍水面艦艇安全、生存和戰(zhàn)斗力的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)特別重要。與簡(jiǎn)單的產(chǎn)品不同，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其可靠性的評(píng)價(jià)不能依靠幾個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)，而是要采用一個(gè)可靠性指標(biāo)體系［2～3］。防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)技術(shù)含量高、系統(tǒng)交聯(lián)復(fù)雜、任何一個(gè)分系統(tǒng)故障都容易造成系統(tǒng)無(wú)法使用，故在研制初期，對(duì)其可靠度、平均無(wú)故障間隔、貯存期、艦上值班壽命等可靠性和壽命指標(biāo)都提出了明確的要求，并需要在定型前全部驗(yàn)證，定型前全面回答導(dǎo)彈和艦面設(shè)備可靠性、導(dǎo)彈貯存期、艦載戰(zhàn)備值班壽命等可靠性指標(biāo)，可為今后各類導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證提供依據(jù)和借鑒。然而，受多種因素限制，全彈和艦面設(shè)備可靠性驗(yàn)證工作開展的較少，缺少成熟的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證方法。

評(píng)估指標(biāo)體系的確立是防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估的首要工作，每一項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的合理性決定了可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性。根據(jù)指標(biāo)體系的特點(diǎn)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性優(yōu)勢(shì)，可采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合模糊評(píng)估的方法來對(duì)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估［4～5］。具體方法是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)已有成熟樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得出每個(gè)因素在指標(biāo)體系總結(jié)果中的權(quán)重值，并以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

2 防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)體系

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)較多，有些對(duì)艦面系統(tǒng)及導(dǎo)彈的可靠度、平均無(wú)故障間隔、貯存期、艦上值班壽命等可靠性影響較大，有些較小，按照評(píng)估的相互獨(dú)立性、可操作性、穩(wěn)定性的原則，選取影響較大、獨(dú)立性較好的因素作為一級(jí)和二級(jí)評(píng)估指標(biāo)，這樣可以避免因素過多，權(quán)重分配難確定或權(quán)值都比較小的問題。一級(jí)指標(biāo)主要有導(dǎo)彈的MTBF及艦面設(shè)備的MTBF，二級(jí)指標(biāo)主要有電氣系統(tǒng)的MTBF、引戰(zhàn)系統(tǒng)MTBF、動(dòng)力系統(tǒng)MTBF、彈體MTBF、導(dǎo)引頭MTBF、武控系統(tǒng)的MTBF、發(fā)射裝置MTBF、照射系統(tǒng)MTBF、發(fā)控設(shè)備MTBF等，指標(biāo)見圖1。同時(shí)確定很好、較好、中等、較差、很差5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合評(píng)價(jià)

為了使模糊評(píng)價(jià)各因素分配一個(gè)合理的權(quán)重，可以利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一些實(shí)際數(shù)據(jù)反復(fù)學(xué)習(xí)，使得在可接受的精度內(nèi)各因素的權(quán)重完全可靠。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。輸入層為第一層，輸入各評(píng)價(jià)因素值xi；中間層為第二層，實(shí)現(xiàn)各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度rij=μij（xi）的求值；結(jié)果輸出層為第三層，輸出評(píng)價(jià)結(jié)果的各元素bj；一層和二層的聯(lián)接權(quán)值為常數(shù)1；二、三層之間的聯(lián)接權(quán)值ai為不同因素的權(quán)重，通過對(duì)它調(diào)整來實(shí)現(xiàn)模糊綜合評(píng)價(jià)的合成運(yùn)算；μij（·）為第i個(gè)因素與第j個(gè)指標(biāo)間的模糊關(guān)系隸屬函數(shù)。其中，xi為第i個(gè)待評(píng)價(jià)的因素的值；ai為第i個(gè)因素的權(quán)重；rij為第i個(gè)因素對(duì)第j個(gè)因素的隸屬度；bj為評(píng)價(jià)結(jié)果隸屬于第j個(gè)指標(biāo)的程度；它們之間滿足

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過調(diào)節(jié)權(quán)值aij，使E最小，即輸出結(jié)果Bi與期望輸出B*i盡可能地接近。

算法步驟如下：

1）給定學(xué)習(xí)樣本（Xi，Bi），初始化權(quán)值ω0，給定允許誤差值ε，計(jì)數(shù)p1=0；

2）選出一組樣本作為輸入與期望輸出，計(jì)數(shù)p1=p1+1；

3）計(jì)算中間層輸出RP1及輸出層輸出BP1：

4）計(jì)算期望輸出與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出的誤差；

5）判斷是否p1＞p，若總誤差E＜ε，則停止學(xué)習(xí)，否則p1=0，轉(zhuǎn)入2）。

通過對(duì)一些典型數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)可以確定模糊綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)情況下評(píng)價(jià)因數(shù)權(quán)重的確定具有明顯優(yōu)勢(shì)。

基于模糊綜合評(píng)價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性能力評(píng)估，是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)的具體應(yīng)用。首先可采用用Matlab等計(jì)算工具軟件同時(shí)對(duì)多組樣本反復(fù)訓(xùn)練，以得出作為模糊評(píng)定所需各指標(biāo)因素的權(quán)重值。然后在各評(píng)定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立二級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出的權(quán)重值，計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果，組成一級(jí)指標(biāo)的評(píng)定矩陣。最后利用一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值，求出最終評(píng)定結(jié)果［7］。

4 實(shí)例分析

1）確定各指標(biāo)的隸屬度

以某型防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性為例，先對(duì)指標(biāo)的實(shí)際值進(jìn)行無(wú)量綱化，轉(zhuǎn)化前確定指標(biāo)符合正指標(biāo)［8］，公式如下：

式中：xmax、xmin分別為評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍內(nèi)某項(xiàng)指標(biāo)的最大值及最小值；xi指評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍內(nèi)該指標(biāo)的實(shí)際值。

如果指標(biāo)無(wú)量綱，則進(jìn)行歸一化處理：

經(jīng)過歸一化處理的驗(yàn)證樣本考核表見表1。

表1 防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)驗(yàn)證樣本考核表

2）各指標(biāo)權(quán)重值確定

利用已有的實(shí)際評(píng)估樣本，對(duì)每個(gè)一級(jí)指標(biāo)內(nèi)的各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值，建立相應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。把樣本的指標(biāo)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)際輸出與理想輸出間的誤差符合要求時(shí)，表明訓(xùn)練結(jié)束；否則修改權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)的理想輸出與實(shí)際輸出一致。這樣可排除人為因素，得到正確表示的權(quán)重矩陣，以作為模糊評(píng)判使用［9］。經(jīng)過多次迭代計(jì)算，一級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為

3）計(jì)算二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)向量

首先，確定每個(gè)二級(jí)指標(biāo)的單因素評(píng)價(jià)矩陣R。對(duì)每個(gè)二級(jí)指標(biāo)，用rij表示對(duì)第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），這樣就構(gòu)成了單因素評(píng)價(jià)矩陣R。

Ri表示第i個(gè)樣本的評(píng)價(jià)向量。

然后計(jì)算二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Bi=Ai·Ri，得到：

4）計(jì)算一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)向量

將2個(gè)Bi向量組成一級(jí)評(píng)價(jià)向量矩陣R′，進(jìn)而得到一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)向量B=A′·R′。A′表示一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練樣本的訓(xùn)練后獲得［10］。

根據(jù)隸屬度最大的原則，認(rèn)為對(duì)該艦空導(dǎo)彈協(xié)同制導(dǎo)的評(píng)價(jià)為中等。

5 結(jié)語(yǔ)

仿真結(jié)果顯示，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估具有較好的可行性。但訓(xùn)練樣本量的大小和質(zhì)量及其準(zhǔn)確性決定了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，因此變得非常重要［11～12］。另外，若BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)易出現(xiàn)結(jié)果陷入局部極小值、迭代過程振蕩和過擬合等問題。此外，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，其涉及的因素較多，忽略某些因素或某些指標(biāo)造成的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)偏差，可能致使最終結(jié)論存在較大差異。總之，樣本數(shù)據(jù)需滿足該評(píng)估方法的較高要求，才能使結(jié)果更加準(zhǔn)確且符合實(shí)際。