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基于专家定权和证据推理的舰船“六性”评估

出处:论文网
时间:2019-07-24

基于专家定权和证据推理的舰船“六性”评估

  0 引 言

  隨着我国向海洋强国的迈进,海军建设已是大势所趋。舰船作为海军装备的核心力量之一,其性能、质量和作战效能对海军实力的提高显得尤为重要,我国军用标准(以下简称国军标)针对其可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性、环境适应性等“六性”提出了相应的设计和实施要求[1]。考虑到舰船生产周期长、过程复杂、耗费资金量大、制约因素多的特点,对其进行“六性”综合评估有助于更客观地选择舰船设计方案,提供决策指导和优化依据。

  舰船评估研究多集中在总体性能、建造质量、作战效能等方面,从“六性”角度的研究以往仅侧重于某一项或某几项特性:文献[2]从舰船设备本身存在的可靠性问题和外界随机因素导致的可靠性问题两个方面进行分析,建立了一套研究舰船总体性能可靠性的模型;文献[3]引入虚拟现实、计算机仿真、高性能图形系统等技术作为支撑手段,实现了舰船维修性的分析评价;文献[4]着眼于装备保障性能和保障系统保障性能建立评价指标体系,对舰船综合保障能力进行量化;文献[5-6]考虑舰船所承载的电力系统、动力系统、防火系统等及人的因素对舰船安全的综合影响,引入贝叶斯网络、模糊集理论等方法进行综合评估。相较之下,对于舰船测试性和环境适应性的研究尚处于起步阶段[7],针对独立系统或单一影响因素的评价研究较多,综合性的评价较少:文献[8]针对舰船独立系统提出一种基于任务的测试性建模与分析方法;文献[9]引入层次分析法、熵值法与模糊综合评价法相结合,对舰船风浪环境适应性进行了评价。对舰船评估指标权重的确定,多根据专家意见采用层次分析法、模糊评价法、灰度评价法等[10-11]方法进行。由于评估组的多位业内专家对不同指标重要性的判断可能出现偏差,以往在进行权重决策时一般听从单一专家意见或将各专家的意见赋予相同的权重,忽视了不同专家知识水平、经验和对指标熟悉程度的差异。本文根据国军标要求和舰船“六性”特点建立综合评估指标体系,提出一种基于专家聚类和偏差熵的定权方法,提高权重因子的可靠度,并与证据推理法相结合,实现对舰船“六性”的综合评估。

  1 “六性”特点及评估指标体系

  参考国军标对武器装备“六性”的要求,确定一级指标为可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性和环境适应性,结合舰船独有的特点对“六性”影响因素进行深入分析,确定各特性的下层指标。建立的舰船“六性”评估指标体系见图1。    可靠性一般指舰船在规定时间和条件下完成规定功能的能力,也体现为舰船在一定条件下无故障的持续时间或概率,是舰船技术能力及其完备水平的重要体现。舰船出航后长期远离基地,故可靠性低可能会导致舰船频繁发生故障且无法及时得到修理,影响任务完成质量。可靠性低还会导致舰船维修劳动量的增加、停航维修时间延长,从而降低舰船使用效率,增加管理部门对舰船维护的资金和人力投入。

  维修性一般指舰船的可维护、保养和修理的特性,表现为在给定的条件和时间内按照规定的方式方法进行维修时,系统、设备保持和恢复良好状态的可能性。当舰船维修性较差时,所需维修时间过长,恢复能力较弱,不仅影响日常的保障任务,而且可能在战时贻误战机,对局势产生影响。对维修性进行评估能够衡量舰船是否达到了减少维修人员和其他资源投入、降低寿命周期费用的要求,并有效保障舰船使用的战备完好性和任务成功性。

  保障性一般指舰船的设计特性和拟订的保障资源能够满足平时战备和战时使用要求的能力,良好的保障性能够保证舰船以合理的寿命周期费用实现系统的战备完好性。舰船保障性水平主要体现在其自保能力和保障系统能力上。

  安全性一般指舰船不发生人员伤亡,不危害健康和环境,不给设备或财产造成破坏或损失的能力。舰船本身具有系统复杂、装备众多、人员密集、危险品集中、各项作业流程危险性高等特点,其安全问题一般遵循系统原则综合考虑其人员、设备、环境、管理等多方面因素,对设计阶段进行评估时仅考虑其设备因素。

  测试性一般指能够及时、准确地确定舰船工作状态(可工作、不可工作或工作性能下降)并确定故障范围的一种特性。舰船测试性良好的标志是检查测试方便,自检功能强,能够及时准确地检测到舰船发生的故障并确定故障部位,对故障进行隔离。测试性的好坏受测试模式、维修辅助措施、技术资料、人员和培训等的影响。

  环境适应性一般指舰船在可能遇到的各种环境下能实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力,其面临的环境条件包括风、浪等气候环境以及振动、摇摆等机械环境。

  2 舰船“六性”评估方法

  2.1 专家聚类

  舰船的综合效能评估较为复杂,因此其评估专家的人数不宜过少。根据统计学理论可知,评估可信度与评估人数符合指数分布,即可信度随评估人数增加而提高,但是当评估人数超过20人,进一步增加人数时可信度提高不大,因此建议评估小组人数在15~25人,也可酌情增加[12]。因为专家组成员在知识水平、经验、对指标熟悉程度等方面存在一定差异,所以应对专家意见进行分类,根据不同类别实现差异化定权。为避免仅凭主观经验给出的阈值(如文献[13])或直接给定的阈值(如文献[14])与相容度比较后实际上仅能将专家分为一类或两类的情况,使用如下聚类方法绘制最大相容度谱系图,通过观察谱系图给出阈值,比较给定阈值与最大相容度间的距离,实现合理聚类。

  收集某新型舰船3个设计方案的维修性定量指标数据,并向专家组获取各定性指标的评价意见,分别根据两种定权方法运用开发的ERA系统得到各方案效用值,见图4。由图4可知,等权时各方案根据平均效用值大小排序为“方案1方案3方案2”,依照所提出的定权方法差异定权时排序为“方案1方案2方案3”。这说明方案1的优势更加突出,该方法有效地将与群体意见差异较大的专家16、18筛选为一类,并为该类专家赋予较小的权重,充分尊重了大多数专家的意见,定权合理,体现出综合评估时各方案在较为重要的指标上的优势,实现了备选方案的有效评估。

  与维修性相似,收集并计算所有指标的评价信息和权重,一级指标权重向量为(0.157,0.157,0.204,0.225,0.114,0.143),保障性C子指标权重向量为(0.477,0.384,0.139),环境适应性F子指标权重向量为(0.057,0.250,0.443,0.250)。评估所需的底层指标信息见表4,其中:定性指标评价等级分为5级(最好、较好、一般、较差、最差)和3级(好、中、差)两种,评价信息即指标位于各评价级的置信度;定量指标的范围由其最好值和最差值界定,评价信息为具体数值。部分指标存在评价信息缺失的问题,如方案3可达性指标B1初始评价信息为(0.50,0.25,0.10),即表明20位专家中有3位专家未给出评价意见。

  经综合评估可得到各方案的最小、平均、最大效用值,见表5。

  根据平均效用值对方案的优劣进行排序可知,针对“六性”综合水平,方案1最高,方案3其次,方案2最低,但效用值均在0.8以上,说明3种方案的“六性”综合水平良好。各方案位于各评价等级的置信度见图5。以方案3为例,位于评价等级“最好”的置信度为57.79%,因其可达性B1和高温适应性F11的初始评价信息缺失,保留0.62%的不确定性,并引起方案3的效用值在[0.863 5,0.869 7]内浮动。方案1和2则分别保留0.08%和0的不确定性,对评估效用值影响较小。同时可对“六性”指标的评估效用值进行综合分析。由图6可知,方案1不仅为最优方案,而且在可靠性、维修性、测试性、环境适应性方面均存在优势,在保障性、安全性方面虽与其他方案存在差距,但差距较小。可以将底层指标评估结果作为依据对方案进行调整,以进一步提高“六性”水平。

  4 结 论

  为提高新型舰船的综合效能,在以专家组形式进行评估的基础上,将基于专家聚类和偏差熵的定权方法与证据推理方法(ERA)相結合,实现对新型舰船“六性”的综合评估,并对某新型舰船的3个设计方案进行评估分析,得出以下结论:

  (1)在分析新型舰船“六性”特点及其影响因素的基础上,结合国军标要求建立了“六性”评估指标体系,有助于更加全面系统地衡量新型舰船的综合效能。

  (2)考虑舰船“六性”评估过程中以专家组为单位进行评估的实际情况,引入一种基于专家聚类和偏差熵的定权方法,消除由于评估小组内专家意见不同或为各专家意见赋予相同权重给评估结果带来的不稳定影响,充分尊重所有专家的意见,提高评估结果整体信度。   (3)考虑因专家组成员研究领域、工作经验不同所导致的初始评价信息缺失,选择ERA,保留评估结果的不确定性,以便对多个方案进行综合排序和对比分析,确定各指标评价等级的分布情况,保证评估结果的客观性和全面性。

  综上所述,本文提出的基于专家聚类和偏差熵的定权方法与ERA相结合的综合评估方法能够有效衡量新型舰船的“六性”水平,为新型舰船的综合评估提供决策支持。

基于专家定权和证据推理的舰船“六性”评估

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