某型無人機系統(tǒng)健康狀態(tài)評估研究＊

（陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

隨著無人機技術的發(fā)展，現(xiàn)代無人機系統(tǒng)機載設備日趨復雜，對故障診斷和維護方式提出了新的挑戰(zhàn)。對無人機系統(tǒng)進行全面的健康狀態(tài)評估，能有效提高無人機系統(tǒng)安全性能和維修保障水平，降低壽命周期費用。

2 健康狀態(tài)評估方法

裝備健康狀態(tài)評估的根本任務是根據(jù)裝備的運行信息來評估裝備的相關狀態(tài)。某型無人機全系統(tǒng)狀態(tài)信息不完全，具有一定灰色性和模糊性，建立精確的數(shù)學或物理模型進行評估不僅計算繁雜，從現(xiàn)實的角度來講也是不可能的。因此，結合灰色關聯(lián)分析和模糊綜合評判方法進行評估是一個行之有效的方法。

1）灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析（Grey Relational Analysis，GRA）是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它是以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)用灰色關聯(lián)度來描述因素間關系的強弱、大小和次序的。灰色關聯(lián)分析的核心是計算關聯(lián)度，步驟如下［1～2］：

（1）建立灰關聯(lián)因子集。令X為序列集，xi為序列：

xi必須滿足下述條件：①序列xi的數(shù)據(jù)xi（k）之間具有數(shù)值可比性；②序列xi之間具有可接近性；③序列xi應該同極性。

（3）確定邊界值。

上邊界值：

下邊界值：（4）計算灰關聯(lián)系數(shù)。令γ（xi（k），xj（k））為比較序列xj對于參考序列xi在第k點的灰關聯(lián)系數(shù)，則

式中，ζ為分辨系數(shù)，ζ∈［0，1］。

（5）計算灰關聯(lián)度。γ（xi，xj）為xj對于xi的灰關聯(lián)度，則

2）模糊綜合評判

模糊綜合評判是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，其基本思想就是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度（或加權平均）等原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其作出合理的綜合評價［3］。權重集的確定是綜合評價最關鍵的環(huán)節(jié)之一，本文根據(jù)實際情況采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）。

扶助學校和基地村活動。為踐行“一帶一路”目標，把“共建共享”落到實處，幾年來保加利亞公司每年都應基地所在村政府的請求，為基地所在村或學校組織的活動提供經(jīng)濟資助，形成了中保兩國人民共建企業(yè)，企業(yè)支持當?shù)卣ぷ骱蛯W校發(fā)展的良好環(huán)境。

運用AHP進行決策時，大體上可分為以下三個步驟［4］：

首先，分析目標評價系統(tǒng)，確定各要素之間的關系，建立遞階層次結構。層次大體上分為三類：最高層，頂層只有一個元素，為總目標層；中間層，包括為了實現(xiàn)總目標所涉及的中間環(huán)節(jié)，由若干層次組成，包括所需要的約束，多級準則等；最低層，表示為實現(xiàn)準則可供選擇的各種措施、備選方案，故稱為方案層。

其次，在建立遞階層次結構以后，上下層次之間的隸屬關系就被確定了。假定以頂層元素u0為準則，所支配的下一層次（L1）的元素為u1，u2，…，un，要通過兩兩相互比較的方法求出它們對于u0的相對重要性即相應的權重a1，a2，…，an。對于準則u0，下層n個被比較的元素構成了一個兩兩比較判斷矩陣

其中，hij表示從準則u0考慮元素ui相對元素uj的重要性的1～9標度量化值。

最后，根據(jù)L1層次中元素兩兩比較的判斷矩陣，就可以求出n個元素相對于準則u0的相對權重向量A＝（a1，a2，…，an）。

在構造判斷矩陣時，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，具體步驟如下［5］：

（1）計算判斷矩陣的一致性檢驗指標CI＝（λmax-n）／（n-1），其中n為判斷矩陣的階數(shù)。

（2）根據(jù)矩陣階數(shù)n從表1中查出平均隨機一致性指標RI。

表1 隨機一致性指標RI的值

（3）計算一致性指標CR＝CI／RI，進行一致性檢驗。當CR＜0．1 時，即要求決策者判斷的一致性與隨機生成判斷的一致性之比小于10%時，可認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。反之，當CR≥0．1時，應該對判斷矩陣作適當修正，以保持一定程度的一致性。

3 健康狀態(tài)指標體系建立及等級劃分

裝備健康狀態(tài)指標體系建立及等級劃分是科學評估裝備健康程度的基礎。不同類別的裝備，應建立相應指標體系和等級標準。

圖1 某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置健康狀態(tài)指標體系

以某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置為例，它的健康狀態(tài)評估指標體系可分為：液壓系統(tǒng)、助推火箭、推力桿和定力桿，各部分分別包括材料變化因素（例如零部件銹蝕、磨損）、結構變化因素（例如荷載及抗力變化）、環(huán)境影響因素（例如惡劣環(huán)境條件）及操作使用因素（例如操作使用的合理規(guī)范性）等評估指標（見圖1），主要考慮這些因素對裝備主要構成部分的健康狀態(tài)的影響。

裝備健康狀態(tài)等級劃分是進行健康狀態(tài)評估的基礎和前提，健康狀態(tài)評估的結果也可以用健康狀態(tài)等級來表述。等級劃分根據(jù)灰色關聯(lián)度的大小進行［6～7］（見表2）。

表2 裝備健康等級劃分

4 健康狀態(tài)評估的實現(xiàn)

裝備健康狀態(tài)評估的實現(xiàn)步驟如下：

1）確定因素集。第一級評估是用指標層對準則層進行評估，第二級評估是用準則層對目標層進行評估。以某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置為例（表3），構成一個“裝備-系統(tǒng)”二級綜合評估模型。W是目標層的因素集，即整件裝備的健康狀態(tài)；U＝｛U1，U2，U3，U4｝是準則層的因素集，即主要組成部件的健康狀態(tài)，其中，U1為液壓系統(tǒng)，U2為助推火箭，U3為推力桿，U4為定力桿；V＝｛Vij｝，i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4，是指標層的因素集，即綜合評估指標體系，其中，Vi1為材料變化因素，Vi2為結構變化因素，Vi3為環(huán)境影響因素，Vi4為操作使用因素。

2）計算評估對象不同指標與最優(yōu)指標的灰色關聯(lián)系數(shù)γ，構成評判矩陣MR，得到某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置灰色聚類結果。

3）計算權重矩陣MA。本文采用層次分析法對各層次因素進行兩兩比較，得出權重矩陣［8］。相對重要程度的取值參如表3所示。

表3 評估指標相對重要程度關系表

介于兩相鄰重要程度間的標度值分別取值2、4、6、8。對判斷矩陣來說，如果兩個指標xi與xj相比得判斷值aij，則xj與xi比較得判斷aji＝1／aij，并且應有aii＝1。根據(jù)某一份權重專家調查表（表4），得到某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置各指標的相對重要度。

表4 專家權重調查表

通過層次分析法，對回收的20份權重專家調查表數(shù)據(jù)進行計算分析，并通過一致性檢驗后，得到無人機發(fā)射裝置的權重向量為［9］

MA＝（0．153，0．332，0．234，0．281）

4）模糊綜合評判［10］。由評判矩陣MR和權重矩陣MA，二級評判并歸一化得到的結果：R＝MA×MR。

R＝（0，0．015，0．650，0．321），按照最大隸屬度原則和健康等級劃分［11］，可以判定某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置的健康狀態(tài)為“較嚴重劣化”。

5）某型無人機系統(tǒng)的健康綜合評估。同理，通過以上五個步驟，可以分別得到控制導航系統(tǒng)、無人機機體、動力裝置、發(fā)射裝置、回收裝置、綜合無線電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等某型無人機系統(tǒng)關鍵設備的健康評估結果，在此基礎上對某型無人機系統(tǒng)進行一次“裝備-系統(tǒng)”二級綜合評估，可以得出其整體健康評估結果。

5 結語

本文闡述了某型無人機系統(tǒng)健康狀態(tài)評估的方法；以某型無人機系統(tǒng)發(fā)射裝置為研究對象，建立了健康狀態(tài)指標體系，劃分了健康等級；結合灰色關聯(lián)分析和模糊綜合評判方法，實現(xiàn)了對某型無人機系統(tǒng)的“裝備-系統(tǒng)”兩級健康狀態(tài)評估。通過對某型無人機系統(tǒng)健康評估的研究，可以將其成果應用到一般復雜系統(tǒng)中，為單件裝備維修的必要性、多件同類裝備維修順序的排列以及維修任務的調度提供科學的量化工具。

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