邱文昊,連光耀,閆鵬程,黃考利
(1.陸軍工程大學(xué)(石家莊校區(qū)),石家莊 050000;2.中國(guó)人民解放軍32181部隊(duì),西安 710000)
測(cè)試性驗(yàn)證是根據(jù)裝備的技術(shù)規(guī)范和指標(biāo)要求,在承制方和使用方風(fēng)險(xiǎn)約束下,綜合考慮試驗(yàn)成本、研制周期等因素,采用單次抽樣、多次抽樣或序貫檢驗(yàn)等方法制定驗(yàn)證試驗(yàn)方案,進(jìn)而判斷是否達(dá)到規(guī)定的測(cè)試性水平[1]。
由于現(xiàn)有中國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的測(cè)試性試驗(yàn)方法所需樣本量較大,相關(guān)學(xué)者對(duì)基于Bayes融合的試驗(yàn)方法開(kāi)展了研究,文獻(xiàn)[2]運(yùn)用Bayes理論建立了融合先驗(yàn)信息的決策模型,通過(guò)定義不確定性和支持度得到加權(quán)因子,然后對(duì)先驗(yàn)信息進(jìn)行融合,明顯降低了樣本量;文獻(xiàn)[3]針對(duì)測(cè)試性試驗(yàn)數(shù)據(jù)小子樣變總體的特點(diǎn),建立了指標(biāo)動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)模型,并結(jié)合最大熵原理得到先驗(yàn)分布,依據(jù)Bayes最大后驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則確定試驗(yàn)方案,提高了評(píng)估結(jié)果置信度。文獻(xiàn)[4]研究了先驗(yàn)分布參數(shù)計(jì)算方法,提出混合Beta分布的小子樣測(cè)試性評(píng)估方法。然而,上述方法中的系統(tǒng)級(jí)先驗(yàn)信息很難直接獲取,先驗(yàn)分布權(quán)值確定大都依據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系或主觀經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有考慮先驗(yàn)信息來(lái)源,導(dǎo)致現(xiàn)有方法的準(zhǔn)確性和適用性存在一定問(wèn)題。
基于此,本文提出了基于分系統(tǒng)先驗(yàn)信息的測(cè)試性試驗(yàn)優(yōu)化方法,通過(guò)引入分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率對(duì)先驗(yàn)信息進(jìn)行折算,得到系統(tǒng)級(jí)先驗(yàn)數(shù)據(jù);在此基礎(chǔ)上提出了基于理想點(diǎn)排序-層次分析法(Technique for order preference by similarity to ideal solution-analytic hierarchy process,TOPSIS-AHP)的先驗(yàn)分布可信度計(jì)算方法,確定了先驗(yàn)分布權(quán)值;最后,研究了基于截尾序貫后驗(yàn)加權(quán)檢驗(yàn)(Sequential posterior odd test, SPOT)的試驗(yàn)方法,并給出了截尾閾值計(jì)算方法。
在裝備研制過(guò)程中,不同的壽命周期、不同的層次結(jié)構(gòu)、不同的試驗(yàn)手段都會(huì)積累多種試驗(yàn)信息,這些信息都可以作為測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的先驗(yàn)信息[5]。測(cè)試性先驗(yàn)信息的種類較多,從層次結(jié)構(gòu)的角度分為部組件級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)信息;從壽命周期各階段的角度分為設(shè)計(jì)階段信息、生產(chǎn)階段信息和試驗(yàn)階段信息;從信息來(lái)源的角度分為專家經(jīng)驗(yàn)信息、虛擬試驗(yàn)信息、摸底試驗(yàn)信息等。測(cè)試性多源先驗(yàn)信息分類如圖1所示。
本文從信息來(lái)源的角度選取用于Bayes融合的測(cè)試性先驗(yàn)信息,主要包括以下5種典型的先驗(yàn)信息:
1)專家經(jīng)驗(yàn)信息。由設(shè)計(jì)人員或領(lǐng)域?qū)<腋鶕?jù)自身經(jīng)驗(yàn)知識(shí)給出的測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估值,通常是連續(xù)區(qū)間估計(jì)或單側(cè)置信下限估計(jì),此類信息主觀性較強(qiáng)。
2)虛擬試驗(yàn)信息。通過(guò)搭建裝備分系統(tǒng)虛擬樣機(jī),利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行測(cè)試性驗(yàn)證故障注入試驗(yàn),代替部分實(shí)裝故障注入試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果通常為成敗型數(shù)據(jù),此類信息的可信度需要考慮。
圖1 測(cè)試性先驗(yàn)信息分類
3)增長(zhǎng)試驗(yàn)信息。部組件或分系統(tǒng)在不用階段開(kāi)展的有計(jì)劃、有繼承的測(cè)試性試驗(yàn),各階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從不同總體,屬于“異總體”情況,通常為成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4)單元摸底試驗(yàn)信息。在設(shè)計(jì)研制階段進(jìn)行的針對(duì)某些部組件或分系統(tǒng)的摸底試驗(yàn),可信度較高,可以向上綜合為系統(tǒng)信息,多為成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
5)相似裝備歷史信息。許多裝備的設(shè)計(jì)研制具有繼承性,相似裝備測(cè)試性水平是十分重要的歷史信息,可以作為新型號(hào)裝備的先驗(yàn)信息,通常表示為指標(biāo)區(qū)間估計(jì)或單側(cè)置信下限估計(jì)。
不同先驗(yàn)信息具有不同的數(shù)據(jù)形式,為有效利用多源先驗(yàn)信息,需要將不同的數(shù)據(jù)形式折合為成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù),相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)給出了詳細(xì)的成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合方法[6],這里不再贅述。通常采用Beta分布作為成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的先驗(yàn)分布[7],分布形式為
(1)
式中:p為檢測(cè)/隔離率,a,b為分布超參數(shù)。
不同分系統(tǒng)在裝備對(duì)測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估的影響是不同的,借鑒裝備體系貢獻(xiàn)率評(píng)估中的計(jì)算方法[8-9],依據(jù)不同分系統(tǒng)的測(cè)試性指標(biāo)分配值計(jì)算分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率,通過(guò)指標(biāo)分配的不同表示在測(cè)試性驗(yàn)證評(píng)估中,分系統(tǒng)對(duì)指標(biāo)評(píng)估的作用大小。
定義1貢獻(xiàn)率ci,在測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估中,分系統(tǒng)指標(biāo)作為貢獻(xiàn)者,系統(tǒng)指標(biāo)作為受益者,待測(cè)系統(tǒng)的分系統(tǒng)指標(biāo)的增加或減少對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)變化的貢獻(xiàn)程度為分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率,表達(dá)式為
(2)
第i個(gè)分系統(tǒng)的測(cè)試性指標(biāo)分配值為
(3)
式中:γi為測(cè)試性指標(biāo)分配值,λs為系統(tǒng)的總故障率,由故障模式及危害性分析(Failure mode, effects and criticality analysis,FMECA)確定[10],γr為系統(tǒng)測(cè)試性指標(biāo)要求值,λi為第i個(gè)分系統(tǒng)的故障率,k為分系統(tǒng)數(shù)量。
由分系統(tǒng)指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)時(shí),主要考慮診斷能力問(wèn)題,即發(fā)生和診斷的故障次數(shù)或相對(duì)故障率,則由測(cè)試性指標(biāo)分配值得到的系統(tǒng)指標(biāo)值為
(4)
則第i個(gè)分系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率為
(5)
在可靠性綜合評(píng)估中,由信息量等效原則和信息量可加性可知,分系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)提供的信息量與系統(tǒng)的總信息量相等[11]。在測(cè)試性驗(yàn)證中,信息量等效的方法也應(yīng)用于虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)向?qū)嵮b試驗(yàn)數(shù)據(jù)的折合[12]?;诖?,結(jié)合分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率,提出基于分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率和信息論的數(shù)據(jù)折算方法。
(6)
設(shè)折合后的第i個(gè)分系統(tǒng)的成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為(ni,fi),其中ni為試驗(yàn)總次數(shù),fi為試驗(yàn)失敗次數(shù)。根據(jù)信息量可加性,k個(gè)分系統(tǒng)全部試驗(yàn)的總信息量為
(7)
(8)
(9)
結(jié)合各分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率和測(cè)試性指標(biāo)的極大似然估計(jì)值,可得各先驗(yàn)信息對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)測(cè)試性指標(biāo)估計(jì)值為
(10)
根據(jù)信息量等效原則,即Iss=Ist,則可得k個(gè)分系統(tǒng)的成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)向系統(tǒng)級(jí)成敗型數(shù)據(jù)的折算公式為
(11)
為保證有效利用先驗(yàn)信息,需要檢驗(yàn)先驗(yàn)信息和實(shí)裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相容性。已知先驗(yàn)分布π(p)的類型為Beta分布,采用貝葉斯置信區(qū)間估計(jì)的方法進(jìn)行相容性檢驗(yàn)。設(shè)π(p)的貝葉斯置信區(qū)間為[p1,p2](置信度為1-αh),其中,p1,p2由式(12)確定。
(12)
即使先驗(yàn)信息滿足相容性檢驗(yàn)條件,其獲取方式和數(shù)據(jù)處理過(guò)程的可信程度仍不明確,在用于測(cè)試性試驗(yàn)前需要評(píng)估其可信度。通常,實(shí)裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度最高,以實(shí)裝數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),用先驗(yàn)分布和實(shí)裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布函數(shù)的相似性度量表示先驗(yàn)信息的可信度。設(shè)X為實(shí)裝試驗(yàn)樣本,Y為先驗(yàn)信息試驗(yàn)樣本,給出如下假設(shè):
(13)
(14)
定義2先驗(yàn)分布可信度ρ,指接受H0的條件下H0為真的概率,表示X與Y來(lái)自相同總體的概率,即X與Y的相似程度,其表達(dá)式為
(15)
式(15)中,兩類錯(cuò)誤概率αh、βh由承制方和使用方協(xié)商確定。P(H0)為先驗(yàn)相似度,指在獲得先驗(yàn)信息前,先驗(yàn)信息與試驗(yàn)信息屬于相同總體的概率,與信息獲取途徑、數(shù)據(jù)處理方法、試驗(yàn)方法等多種因素有關(guān),實(shí)質(zhì)上反應(yīng)的是對(duì)先驗(yàn)信息來(lái)源和類型的信任程度,屬于多準(zhǔn)則綜合評(píng)判問(wèn)題,很難直接通過(guò)顯式定量計(jì)算,在無(wú)法獲得先驗(yàn)相似度信息時(shí),通常取P(H0)=0.5。
(16)
則先驗(yàn)信息與理想解的貼近度為
(17)
依據(jù)先驗(yàn)信息貼近度,采用三標(biāo)度層次分析法[15]對(duì)先驗(yàn)信息信任程度進(jìn)行兩兩比較,建立比較矩陣A=[aij]n×n,信任程度序列指數(shù)為
(18)
設(shè)信任程度判斷矩陣為S=[sij]n×n。令umax=max(ui),umin=min(ui),則
(19)
式中,bm為基點(diǎn)比較標(biāo)度。
對(duì)判斷矩陣S進(jìn)行按行求和,并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后可得各先驗(yàn)分布的P(H0)值,代入式(15)可得先驗(yàn)分布可信度ρi。
設(shè)有r種先驗(yàn)信息通過(guò)了相容性檢驗(yàn),其可信度為ρi,i=1,2,…,r,可得混合先驗(yàn)分布為
(20)
基于分系統(tǒng)先驗(yàn)信息的測(cè)試性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
圖2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程
首先,由分系統(tǒng)先驗(yàn)信息和貢獻(xiàn)率,通過(guò)分系統(tǒng)數(shù)據(jù)折算得到系統(tǒng)級(jí)先驗(yàn)信息;然后,對(duì)先驗(yàn)信息進(jìn)行相容性檢驗(yàn),并通過(guò)計(jì)算先驗(yàn)分布可信度得到先驗(yàn)分布權(quán)值;最后,基于混合先驗(yàn)分布,采用序貫驗(yàn)后加權(quán)檢驗(yàn)(SPOT)法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。
相比于單次抽樣方法和序貫概率比檢驗(yàn)(SPRT)方法[16],融合先驗(yàn)信息SPOT法可以有效減少試驗(yàn)樣本量[17],故采用SPOT方法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。設(shè)試驗(yàn)方案約束條件為:最低可接受值p0,設(shè)計(jì)要求值p1,承制方風(fēng)險(xiǎn)α,使用方風(fēng)險(xiǎn)β。
設(shè)測(cè)試性指標(biāo)p的檢驗(yàn)假設(shè)為:H0:p∈Θ0,H1:p∈Θ1。其中,Θ0={p|p≤p0},Θ1={p|p≥p1},Θ=Θ0∪Θ1為參數(shù)空間。
則對(duì)于實(shí)裝試驗(yàn)結(jié)果為(n,c)的樣本X=(X1,X2,…,Xn),驗(yàn)后加權(quán)比[18]為
(21)
檢驗(yàn)準(zhǔn)則為:當(dāng)On≤A時(shí),采納假設(shè)H0,判為拒收;當(dāng)On≥B時(shí),采納假設(shè)H1,判為接收;當(dāng)A (22) (23) 上述判決準(zhǔn)則可能會(huì)一直出現(xiàn)A (24) 令Ma=h-1(A),Mc=h-1(C),Mb=h-1(B),則由截尾判決造成的承制方和使用方風(fēng)險(xiǎn)增量分別為: (25) (26) 由Bayes后驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則[19],對(duì)于給定的風(fēng)險(xiǎn)增量上界αsπ0和βsπ1,將確定截尾閾值轉(zhuǎn)化為以下優(yōu)化問(wèn)題: s.t. Δαsπ0≤αsπ0 Δβsπ1≤βsπ1 Ma (27) 將式(27)的優(yōu)化結(jié)果代入式(24)即可得到檢驗(yàn)點(diǎn)C。 某航空裝備控制系統(tǒng)由4個(gè)分系統(tǒng)組成,分別為控制功能分系統(tǒng)、發(fā)射功能分系統(tǒng)、通信功能分系統(tǒng)和導(dǎo)航功能分系統(tǒng)。以故障檢測(cè)率(Fault detection rate,FDR)為例進(jìn)行測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)要求確定SPOT試驗(yàn)方案的約束條件為:最低可接受值p0=0.85,設(shè)計(jì)要求值p1=0.95,雙方風(fēng)險(xiǎn)α=β=0.1,截尾方案中風(fēng)險(xiǎn)增量上界αsπ0=βsπ1=0.01。 由文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)等效模型可得各分系統(tǒng)先驗(yàn)信息的成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 表1 分系統(tǒng)的成敗型試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表2 系統(tǒng)先驗(yàn)分布參數(shù) 依據(jù)基于TOPSIS-AHP的先驗(yàn)分布融合方法可得先驗(yàn)分布的可信度矩陣ρ=[0.930 6,0.667 2,0.686 6],進(jìn)而可得先驗(yàn)分布取值向量為[0.402 8,0.290 7,0.301 2]。 由式(20)可得混合先驗(yàn)分布為 (28) 圖3為先驗(yàn)分布函數(shù),以及考慮先驗(yàn)分布可信度和未考慮先驗(yàn)分布可信度的分布函數(shù)曲線。 圖3 先驗(yàn)分布函數(shù) 將試驗(yàn)約束條件和混合先驗(yàn)分布代入式(22)、(23),可得判決閾值A(chǔ)=0.024 0,B=1.950 1。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)增量約束,可得截尾SPOT方案的截尾次數(shù)為43,此時(shí)檢驗(yàn)點(diǎn)C=0.253 5。 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)裝故障注入試驗(yàn),設(shè)當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果為(ni,ci),代入式(21)可得當(dāng)前試驗(yàn)方案的驗(yàn)后加權(quán)比值,與判決閾值進(jìn)行對(duì)比,即可得出判決結(jié)果,判決過(guò)程如圖4所示。 圖4 SPOT判決過(guò)程 在相同試驗(yàn)約束條件下,采用同為序貫類試驗(yàn)方案的SPRT方法的判決過(guò)程如圖5所示。 圖5 SPRT判決過(guò)程 由圖4可以看出,對(duì)于基于可信度融合的判決過(guò)程,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果為(N,C)=(36,2)時(shí),做出接收判決;對(duì)于直接融合的判決過(guò)程,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果為(N,C)=(38,2)時(shí),做出接收判決。由圖5可以看出,當(dāng)試驗(yàn)的成功失敗數(shù)為(N,C)=(42,2)時(shí),做出接收判決,此時(shí)試驗(yàn)樣本量為42。 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次試驗(yàn),分別采用SPRT、SPOT方法進(jìn)行判決,均做出接收判決,不同失敗次數(shù)下的試驗(yàn)次數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。 表3 不同失敗次數(shù)下的試驗(yàn)次數(shù)對(duì)比 為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性,在相同的試驗(yàn)約束條件下,分別采用經(jīng)典定數(shù)抽樣試驗(yàn)方案、文獻(xiàn)[2]傳統(tǒng)Bayes試驗(yàn)方案和文獻(xiàn)[20]的改進(jìn)Bayes試驗(yàn)方案,各方案的對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表4。 表4 不同試驗(yàn)方案對(duì)比 根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,從先驗(yàn)信息獲取、先驗(yàn)分布權(quán)值、試驗(yàn)樣本量、雙方風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面對(duì)比分析本文試驗(yàn)方案的總體性能: 1)先驗(yàn)信息獲取。由表1、2可知,本文方法可以有效實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)折算,與文獻(xiàn)[20]方法相比,考慮了分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率,使得數(shù)據(jù)折算更為合理。 2)先驗(yàn)分布權(quán)值?;诳尚哦却_定權(quán)值為[0.402 8,0.290 7,0.301 2],文獻(xiàn)[2]方法確定權(quán)值為[0.293 5,0.313 6,0.392 8],文獻(xiàn)[2]確定的虛擬試驗(yàn)信息和專家經(jīng)驗(yàn)信息權(quán)值較大,而本文方法確定的單元試驗(yàn)信息權(quán)值較大,相對(duì)不準(zhǔn)確的專家經(jīng)驗(yàn)信息權(quán)值較小,更符合試驗(yàn)實(shí)際情況。由圖3也可以看出,直接融合先驗(yàn)分布(先驗(yàn)分布權(quán)值相等)得到的指標(biāo)點(diǎn)估計(jì)值小于基于可信度的方法,這是因?yàn)閷<医?jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)的估計(jì)比較保守,但其可信度較低,若直接融合先驗(yàn)分布,導(dǎo)致可信度較低的專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一定程度上湮沒(méi)可信度較高的單元試驗(yàn)數(shù)據(jù),使得專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生的影響較大,導(dǎo)致融合結(jié)果過(guò)于保守。由圖4(b)和表3也可以看出,直接融合先驗(yàn)分布的試驗(yàn)方案在相同失敗次數(shù)下所需的樣本量更多,導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果過(guò)于保守。 3)試驗(yàn)樣本量。由表3可以看出,同為截尾序貫試驗(yàn)方案,在相同判決結(jié)果下,基于可信度融合先驗(yàn)分布和直接融合先驗(yàn)分布下的SPOT試驗(yàn)方案與SPRT試驗(yàn)方案相比,樣本量分別平均減少18.6%和13.1%;由表4可以看出,傳統(tǒng)定數(shù)抽樣方案得到的樣本量普遍比較大,經(jīng)典試驗(yàn)方案為(60,5),文獻(xiàn)[2]的方案為(38,0),文獻(xiàn)[20]的方案為(34,0),在相同約束條件下,與Bayes試驗(yàn)方案相比,本文試驗(yàn)方案所需樣本量平均減少61.1%。 4)雙方風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于基于可信度的SPOT方案,試驗(yàn)方案(14,0)即可在滿足雙方風(fēng)險(xiǎn)的條件下做出接收判決,而對(duì)于表4中的傳統(tǒng)定數(shù)抽樣方案,若采用(14,0)方案,其使用方風(fēng)險(xiǎn)分別高達(dá)0.51、0.36、0.27,均無(wú)法滿足雙方風(fēng)險(xiǎn)要求。 1)在分析多源先驗(yàn)信息的基礎(chǔ)上,定義了分系統(tǒng)貢獻(xiàn)率,并基于信息量等效原則進(jìn)行數(shù)據(jù)折算,為獲取系統(tǒng)級(jí)先驗(yàn)分布提供了有效途徑。 2)采用TOPSIS-AHP方法計(jì)算先驗(yàn)相似度P(H0)能從先驗(yàn)信息來(lái)源的角度給出合理的計(jì)算可信度的方法,得到的混合先驗(yàn)分布更加準(zhǔn)確。 3)從先驗(yàn)信息獲取、先驗(yàn)分布權(quán)值、試驗(yàn)樣本量、雙方風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析,表明該試驗(yàn)方案能夠有效解決系統(tǒng)級(jí)先驗(yàn)信息獲取難的問(wèn)題,確定的先驗(yàn)分布權(quán)值更合理,而且可以有效降低試驗(yàn)樣本量和雙方風(fēng)險(xiǎn)。3.3 截尾序貫驗(yàn)后加權(quán)檢驗(yàn)試驗(yàn)方案
4 案例分析
4.1 分系統(tǒng)數(shù)據(jù)折算
4.2 先驗(yàn)分布權(quán)值確定
4.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
4.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
5 結(jié) 論