改進模糊層次分析法在虛擬維修訓練評估中的應用

矯永康,李小民,毛 瓊

(軍械工程學院無人機工程系,石家莊050003)

改進模糊層次分析法在虛擬維修訓練評估中的應用

矯永康,李小民,毛 瓊

(軍械工程學院無人機工程系,石家莊050003)

為更合理地對無人機虛擬維修訓練進行綜合評估,對傳統層次分析法和模糊綜合評估法進行改進。改進的層次分析法在確定指標權重時,引入擬優傳遞矩陣,無需進行一致性檢驗,避免了人為調整判斷矩陣的盲目性;改進的模糊綜合評估法利用加權平均型模型,對所有因素均衡兼顧,將評語集按等級進行區間化賦值,使計算得到的綜合評價結果更加可信。以某型無人機的虛擬維修訓練為例進行評估,結果表明,改進方法簡單易行,在Virtools環境下進行工程實現與驗證,可有效地記錄受訓人員的操作信息,系統針對操作記錄自行打分,取得了較好的評估效果。

層次分析法;權重;模糊綜合評估;區間賦值;虛擬維修訓練;無人機

1 概述

隨著計算機仿真和虛擬現實技術的發展,在很多領域人們都在利用虛擬維修訓練系統代替實裝進行維修訓練[1]。對于虛擬維修來說,如何設定完善、靈活并且能夠真實反映客觀實際和主觀評判評估系統也是當前研究的熱點內容之一。目前,常用的評估方法有層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)、模糊綜合評價法及灰色聚類評估法等[2]。由于在進行虛擬維修訓練評估時,使用的評語常帶有模糊性,因此宜采用模糊綜合評價方法,同時,AHP可以將專家知識和主觀經驗用數量形式表達和處理,盡量減少人主觀臆斷帶來的弊端。因此,本文將這2種方法結合起來,通過改進的AHP確定各級指標權重,引入擬優傳遞矩陣,避免了在一致性檢驗不滿足后人為地對判斷矩陣的盲目調整,可減低計算量;利用改進模糊綜合評價法進行訓練水平評估,使用加權平均模型代替取大取小模糊算子,評語集按等級進行區間化賦值代替最大隸屬度原則,使評價結果更可信。

2 改進的層次分析法

2.1 改進層次分析法的原理

層次分析法[3-6]是一種定性與定量相結合的系統分析方法。其基本原理是:首先將問題層次化,按照因素之間的相互關系和隸屬關系將其分層;然后對各層的因素作對比分析,引入一定比率的標度理論來構造判斷矩陣,通過求解判斷矩陣的特征向量,得到各層次要素對上層某要素的重要性次序,建立權重向量。

傳統的層次分析法確定指標權重時,必須進行一致性檢驗,當檢驗沒通過時,需要憑人為大致的估計重新調整判斷矩陣,再計算,直到通過為止。這樣不僅盲目性大,而且計算量很大,精度不高。針對這一問題,本文在傳統AHP方法的基礎上進行改進。專家直接將各層因素兩兩比較形成的判斷矩陣A不一定是一致性矩陣,但將矩陣A作如下轉換后得到的矩陣B則是一致性矩陣:

其中,bij為矩陣B的第i行、第j列的元素;矩陣B稱為A的擬優傳遞矩陣[7]。這樣就保證得到了矩陣B一定滿足一致性檢驗,求取其最大特征根λmax所對應的特征向量w,經規范化處理后便得到各層次要素的權重分配。

2.2 改進層次分析法的步驟

改進的層次分析法步驟如下:

(1)建立層次結構模型。

(2)采用9分位的比例標度,構造兩兩比較判斷矩陣A:A=(aij)n×n,i,j=1,2,…,n,其中,aii=1,aij=1/aji。

(3)構建擬優傳遞矩陣B:

(4)求擬優傳遞矩陣B各行元素之積:。

3 改進的模糊綜合評估法

模糊綜合評估[8-11]的基本思想是:復雜對象不能再以“非此即彼”的思想去評價,它往往是介于“好”與“壞”之間。本文模糊綜合評估模型面向對象是虛擬維修訓練,采用單級模糊綜合評估即可,其流程如圖1所示。

圖1 單級模糊綜合評估流程

(1)確定因素集U。因素集是指影響被評判對象的若干因素組成的集合,U=[u1,u2,…,un],其中,ui代表各影響因素。

(2)確定評語集V。V={v1,v2,…,vm}為指標的評價等級數,訓練質量本身就是個模糊的概念,其評價結果也只能用模糊集合來建立,因此建立評價模糊集合V={v1,v2,v3,v4},其中,v1為優秀;v2為良好;v3為合格;v4為不合格。

(4)確定模糊評估矩陣R。因素集U中的任一因素對評語集中的任一元素都有一定影響,將這個影響系數記為rij,則由這些影響系數組成單因素評估矩陣R:

圖2 隸屬函數曲線

得到模糊綜合評價結果為B:

B=w·R=(b1,b2,…,bn)

然后對B中各元素進行歸一化處理,即:

對于評語集V={v1,v2,…,vm},目前的模型主要是針對v1,v2,…,v4賦予確定的值,這種方法和實際情況存在一定偏差。本文評語集采用區間表示法,即v1?(d1,d′1),v2?(d2,d′2),…,vn?(dn,d′n),采用以下公式計算評估結果E:

4 某型無人機虛擬維修訓練系統操作評價

4.1 虛擬維修訓練評估體系的建立

某型無人機虛擬維修訓練中,受訓者需要根據現象對故障進行分析,通過故障樹、專家知識等對故障定位,利用相應的測試工具進行關鍵部位的操作,排除故障。因此,對無人機虛擬維修操作進行評價的指標體系如圖3所示。

圖3 無人機虛擬維修訓練評估指標系統

4.2 虛擬維修評語集的確定

本文選擇優秀、良好、合格、不合格4個評價等級對維修訓練人員進行評價,每項指標最高為100,最低為0。將其區間化為[100,90],[89,80],[79, 60],[59,0]。

4.3 指標權重的確定

指標權重的確定過程如下:

(1)建立層次結構(圖3)。

(2)通過兩兩因素的比較得到判斷矩陣A。

(3)根據式(1)構造擬優傳遞矩陣B:

(4)矩陣B的特征向量w′:

(5)對w′進行歸一化處理,得到各要素的權重:wi=[0.110,0.162,0.041,0.426,0.261]。

4.4 模糊評估矩陣的確定

假設系統對被考核人員甲虛擬維修訓練的5個指標給出的成績為[88,94,89,76,85],則根據梯形分布法,進行單因素模糊評判,根據式(2)～式(5)可以得到模糊關系矩陣R:

4.5 維修人員虛擬維修訓練的模糊綜合評判

利用加權平均型綜合評估模型求得模糊綜合評價結果為:

歸一化處理得:

按式(6)計算最終的評價結果為:

從以上可知,人員甲的綜合評判結果為良好。

5 虛擬維修訓練評估實現

結合維修操作流程,訓練評估可借助Virtools[14]腳本的編寫來實現。將操作步驟、評估權重數據等信息存儲到“Array”型表格中,通過“Get Cell”從指定的索引行和索引列獲取相關的數據;跟蹤受訓人員的操作步驟和操作信息,按時間順序記錄到數據庫中,利用“Run VSL”將訓練評估算法編寫成“Evaluation Algorithm”行為模塊,對受訓人員的操作動作進行打分評價;最終將評估結果以Xml的形式輸出。圖4為Xml成績記錄腳本,圖5為操作評估實例演示。

圖4 Xml成績記錄腳本

圖5 操作評估實例演示

6 結束語

本文提出一種基于改進模糊層次法的虛擬維修訓練評估方法,既避免了因一致性檢驗不足而引起的判斷矩陣盲目調整問題,又充分利用了專家信息,使得評估結果更加精細合理。將該方法應用于某型無人機虛擬維修訓練的綜合評估中,并在Virtools環境下進行工程實現與驗證,評估結果良好。

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[6] 熊會祥,朱元昌,邸彥強,等.基于AHP-模糊綜合評估方法的虛擬裝備訓練評估模型[J].兵工自動化, 2008,12(27):37-40.

[7] 陳 策,郭久武,趙春霞.層次分析法和消去選擇輪換法相結合的裝備軟件質量評優方法研究[J].兵工學報,2010,31(11):1481-1486.

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[12] 孔 峰.模糊多屬性決策理論、方法及其應用[M].北京:中國農業科學技術出版社,2008.

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[14] 劉昆明.三維游戲設計寶典:Virtools游戲開發實戰[M].汕頭:電腦報電子音像出版社,2009.

編輯 索書志

Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation

JIAO Yong-kang,LI Xiao-min,MAO Qiong
(Department of UAV Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Aiming at making the comprehensive evaluation of virtual maintenance training more reasonable,the improvements on the basis of traditional Analytic Hierarchy Process(AHP)and fuzzy synthetic evaluation method are put forward.The optimal transfer matrix is used,and the AHP is improved with no need to verify the consistency in determining the weight of indexes and eliminate the blindness in adjusting judgment matrix artificially.The traditional fuzzy synthetic evaluation is improved,and weighted average model is used,so all factors can be considered.It is more credible to use the method of interval evaluation according to comment rank to calculate the result of comprehensive evaluation.The UAV’s virtual maintenance training is used to evaluation.Results show that the improved method is simple,the method is used in Virtools for project implementation and verification,the operational information of trainee can be recorded efficiently,the system can give scores according to the operational record,and the effect of comprehensive evaluation is satisfactory.

Analytic Hierarchy Process(AHP);weight;fuzzy comprehensive evaluation;interval assignment;virtual maintenance training;Unmanned Aerial Vehicle(UAV)

1000-3428(2014)10-0314-04

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.058

國家部委基金資助項目。

矯永康(1988-),男,碩士研究生,主研方向:無人機虛擬維修訓練系統仿真;李小民,教授、博士生導師;毛 瓊,助教、碩士研究生。

2013-08-12

2013-10-18E-mail:jiaoykang@163.com

中文引用格式:矯永康,李小民,毛 瓊.改進模糊層次分析法在虛擬維修訓練評估中的應用[J].計算機工程, 2014,40(10):314-317.

英文引用格式:Jiao Yongkang,Li Xiaomin,Mao Qiong.Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation[J].Computer Engineering,2014,40(10):314-317.