軍用工程機械測試性動態評價方法

王海濤　張　琦　朱春生,2　趙鴻飛,3　李煥良

1.解放軍理工大學,南京,210007　　2.中國人民解放軍94686部隊,上海,2021003.中國人民解放軍73016部隊,鎮江,212416

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軍用工程機械測試性動態評價方法

王海濤1張琦1朱春生1,2趙鴻飛1,3李煥良1

1.解放軍理工大學,南京,2100072.中國人民解放軍94686部隊,上海,2021003.中國人民解放軍73016部隊,鎮江,212416

為了實現對測試性設計過程中測試性指標要求的精確、科學的評價，針對測試性評價指標的動態特性，引入了時間序列參數，構建了由評價對象、評價指標和評價時間構成的三維動態評價模型，將主觀權重關系和客觀權重函數確定方法相結合，提出了一種測試性動態評價三維排序矩陣的降維求解方法，實現了對軍用工程機械測試性設計過程的動態評價。實例驗證結果表明，該測試性動態評價方法所得測試性水平的變化與實際測試性設計過程中測試性水平的變化基本吻合，能夠對軍用工程機械測試性設計過程進行有效的測試性動態評價。

軍用工程機械；測試性；動態評價；評價模型

0　引言

測試性評價是根據與裝備測試性有關的所有信息,利用評價方法確定裝備測試性水平的過程。測試性評價是裝備測試性增長的重要環節,為分析裝備的測試性要求、 改進裝備的測試性水平提供科學的參考依據[1-2]。測試性評價技術作為對測試性設計過程所達到的測試性水平的衡量和評判工具,其評價結果的科學、準確與否，將直接影響對裝備測試性水平的衡量和判斷，影響裝備的測試性設計過程，進而影響全壽命周期費用。因此，開展軍用工程機械測試性評價技術研究，對于加強軍用工程機械的測試性設計水平，提高軍用工程機械的戰備完好性和維修性，降低其全壽命周期費用意義重大。

測試性評價過程伴隨著裝備的測試性設計過程,國內外科研院所在進行測試性設計的同時，也廣泛開展了對測試性評價技術的研究。文獻[3]采用基于符號化的分析方法，對模擬電路進行測試性評價,該方法相對于數值計算方法,該方法具有計算簡單實用、能有效消除計算誤差的明顯優勢;文獻[4]通過對測試性驗證試驗得到的實驗數據的分析處理，結合先驗數據對裝備的測試性水平進行評估，通過對基于概率信息的測試性評估、基于試驗數據的測試性評估及測試性綜合評估發展趨勢分析等內容的研究，提出了基于Bayes變動統計理論的測試性綜合評估方法；文獻[5]針對雷達裝備缺乏系統有效的測試性評價方法的問題，提出了基于物元可拓法的雷達裝備測試性評價模型，為復雜裝備測試性評價提供了一種新思路;文獻[1]通過綜合運用層次分析法(AHP)和模糊綜合評判(FCA)對工程裝備測試性設計三階段主要定性評價指標進行綜合權衡，實現對工程裝備測試性水平的綜合評價。

軍用工程機械測試性設計過程是貫穿于裝備的全壽命周期,在每個階段其測試性指標要求是不斷變化的，需要根據實際需要進行測試性指標要求的確定，經過不斷的改進和試驗,測試性增長過程趨向穩定，從而最終滿足裝備的測試性指標要求，達到規定的測試性水平。本文在文獻[1]所研究的測試性綜合評價方法的基礎上，針對測試性綜合評價方法所采用的評價指標和要求比較寬泛，對測試性設計過程中測試性指標要求的動態變化不能實現精確、科學的評價，提出了一種動態的軍用工程機械測試性評價方法來解決此問題。

1　軍用工程機械測試性的動態評價特點

將動態評價理論[6-9]應用于軍用工程機械測試性設計過程中,能夠解決時間發展和數據積累等靜態評價方法所解決不了的問題。軍用工程機械測試性設計過程包含多個階段，壽命周期長，單一的靜態評價結果雖然能在一定程度上對軍用工程機械的測試性水平進行評價，但評價指標要求單一，包含的信息量較小,動態評價與之相比要求更高、結果更科學,具體主要表現在以下幾個方面：

(1)軍用工程機械測試性設計過程中，需要設計人員多方面的知識，對不同的指標要求，還需要訂購方和承制方協調確定,為滿足測試性設計要求，測試性設計評價應注重評價結果的準確性和規范性。

(2)軍用工程機械測試性設計過程中包含的步驟多，所需信息量大，需要多部門之間的協調來完成,每個過程的階段評價結果應能夠包含更多信息，避免單一。

(3)軍用工程機械測試性設計過程中，不同評價指標在測試性設計不同階段的重要程度動態變化、指標要求也隨之變化，這就要求測試性評價結果不僅能體現不同設計階段的差異，而且能體現不同指標要求的滿足情況，滿足對測試性設計全壽命周期的動態可比性。

2　軍用工程機械測試性動態評價方法設計

目前,對動態評價方法的研究主要分兩類:①確定評價指標在不同時刻的權重系數；②在時間序列中對象的屬性在變化而導致的在不同時間評價指標的調整問題，即對構成綜合評價各個環節的動態化處理。

2.1軍用工程機械測試性動態評價模型

根據動態評價的特點，需要設計一種評價方法能夠將測試性設計過程中的動態進行定量描述。本文在上述測試性綜合評價方法的基礎上，在由評價對象與評價指標構成的二維空間中增加時間變量，考慮時間變換對評價結果的影響，將單一指標擴展為與時間相關的指標向量，構成一個三維的評價模型，以此模型為基礎，進行軍用工程機械測試性動態評價方法研究。軍用工程機械測試性動態評價的三維模型如圖1所示。

圖1　軍用工程機械測試性動態評價的三維模型

軍用工程機械測試性動態評價的三維模型中,包含時間維度T、指標維度U和對象維度A。每個節點評價的重點有所側重，節點(ui,ak)側重評價在測試性設計過程中，在某一測試性設計階段，某系統的評價指標滿足情況，此過程類似于測試性綜合評價過程;節點(ui,tj)側重評價所有被評對象在某一時間節點的測試性水平滿足情況；(ui,ak,tj)側重對全部評價對象在整個時間序列中的測試性水平的比較分析。

2.2軍用工程機械測試性動態評價方法

軍用工程機械測試性動態評價主要考慮不同研制階段不同指標的值不同，不同指標在不同階段的權重系數也可能根據不同研制階段的重點不同而變化。因此，軍用工程機械測試性動態評價的具體方法如下：

設有p個待評價對象a1,a2,…,ap，就軍用工程機械而言，主要指軍用工程機械的各個子系統；每個評價對象在不同時間序列中有n個評價指標，即U(ak)={u1,u2,…,un},主要指不同子系統衡量其測試性水平的指標；按照時間序列[tj,tj+1](j=1,2,…,m)建立評價對象ak(k=1,2,…,p)的多元排序評價向量為(si1,si2,…,sim),其中,si j為指標ui對應[tj,tj+1]時段的評價值，時間序列可按照軍用工程機械的壽命周期劃分，也可以按照軍用工程機械測試性設計的不同研制階段進行劃分。根據圖1建立由評價時間、評價指標和評價對象組成的動態評價三維排序矩陣，見表1。

表1　動態評價三維排序矩陣

針對上述軍用工程機械測試性動態評價三維排序矩陣，采用降維的求解方法進行求解，具體步驟如下：

(1)分離評價對象ak(k=1,2,…,p),得到指標維度U和時間維度T的二維矩陣BUT。

(2)在測試性設計時間段內,對U中的每一類指標ui進行單指標綜合評價,得到評價結果。

(3)與評價對象a1,a2,…,ap進行合并計算,得到關于對象維度A和指標維度U的二維矩陣BAU，二維矩陣BUT和BAU分別為

(1)

(4)對各測試性評價對象進行綜合評價,得到每個評價對象的動態綜合評價值。

3　軍用工程機械測試性動態評價方法實現

進行動態評價時,其核心問題是確定權重函數，該過程既要考慮不同評價指標在同一時段內的重要程度，又要考慮在不同時刻某一指標表現出來的重要程度，并以此為基礎來綜合分析軍用工程機械及其子系統的測試性水平。因此，結合圖1所示的動態評價三維模型，采用主觀賦權和客觀賦權相結合的方法對軍用工程機械的測試性設計過程進行評價。

3.1主觀權重關系確定方法

在軍用工程機械測試性評價的時間[t1,tm+1]內,在某時段[tj,tj+1]內指標序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak))的權重關系[10]確定過程如下：

(1)從某時間段的評價指標序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak)}中選取最重要的一個指標,記為v1。

(2)從余下的評價指標集中再選取最重要的一個指標,記為v2。

(3)以此類推,直到全部選取完成，得到評價指標的重要程度排序:v1?v2?…?vn。

(4)引入描述vk與vk+1之間相對重要程度的判斷因子rk，其中rk=wvk/wv(k+1)，k=1,2,…,n-1且rk≥1,該函數是符合軍用工程機械測試性動態評價要求的主觀判斷函數，其取值參考表2。

表2　判斷因子取值參考

vi的權重函數wvi的計算公式為

rk=wvk/wv(k+1)

(2)

因此可以得到

(3)

針對式(3),對i=1至i=n-1求和,得到

(4)

由于wv1+wv2+…+wvn=1,故可根據式(4)求解wvn：

(5)

根據式(3)與式(5)，可求得wv i：

(6)

得到指標集V的權重向量W=(wv1,wv2,…,wv(n-1),wv n)。

3.2客觀權重函數確定方法

按照軍用工程機械測試性評價的實際,通過分析權重系數wj與時間段[tj,tj+1]的相關性,對有序加權算子(OWA)[11]進行改進后,對評價值si j進行賦權。該方法的基本思想如下:將軍用工程機械測試性設計過程的不同階段與評價時刻相對應,由于不同階段內,測試性水平評價指標的權重系數的不同，需根據軍用工程機械測試性評價各階段的特點，構造面向軍用工程機械測試性設計過程的權值W關于時間T的關系函數。根據對軍用工程機械測試性綜合評價三階段的分析，隨著測試性設計的不斷進行到最后的使用定型，測試性水平應該是一個不斷增長的過程。在設計核查階段，軍用工程機械的測試性水平隨著設計核查的進行，有一個不斷增長的過程；在演示試驗階段，其測試性水平的增長比較緩慢，主要修正設計中的一些小問題；使用評價階段，測試性水平隨著使用的進行，比較穩定，不會有大的變化。因此，軍用工程機械的測試性水平應該主要是后面階段的測試性水平所體現出來的，開始階段的影響應該比較小，據此建立權值W關于時間T的關系函數(圖2)：

(7)

圖2　非穩定時序平均加權值函數

其中,參數σ、α決定了函數圖形的形狀,將權值函數進行歸一化處理,得到評價值的權重：

(8)

即可得到評價指標ui在[t1,tm]內的權重w(tj),子系統在[t1,tm]內的評價結果為

(9)

k=1,2,…,p;j=1,2,…,m

4　應用實例

4.1實例說明

以某型挖掘機的測試性設計為例,通過對其各子系統在設計核查階段、演示試驗階段和使用評價階段的評價指標的分析,對其測試性進行動態評價。評價對象集為某型挖掘機各子系統,評價對象集A={a1,a2,a3,a4,a5}={動力系統,傳動系統,轉向與制動系統,工作裝置,電氣系統},評價指標集U={u1,u2,u3,u4,u5}={固有測試性評價結果，故障檢測能力(FDR),故障隔離能力(FIR),虛警率(FAR),與外部測試設備兼容性},評價時間序列T={[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]}={設計核查階段,演示試驗階段,使用評價階段}。

4.2模型求解

對某型挖掘機的各子系統,故障檢測率(FDR)和故障隔離率(FIR)的要求值分別為0.92和0.90,最低可接受值為0.80,虛警率(FAR)的要求值為不超過0.03,最多不超過0.05。該型挖掘機測試性設計過程中的實測數據見表3。

表3　各子系統三階段實測數據

測試性評價指標中,u1、u5是定性評價指標,u1通過固有測試性評價打分統計而得,滿分100分,u5通過專家評判而得,評語集為{優,良,中,一般,差},將u1、u5轉換為10分制計。u2、u3、u4為定量指標,u2、u3是故障檢測率和故障隔離率,其評分標準符合梯形評價標準,如圖3a所示;u4是虛警率,其評分標準也符合梯形標準，但兩個梯形標準稍有區別，如圖3b所示。

(a)

(b)圖3　梯形分布評價標準

采用上述動態評價方法,三個階段的實測數據經過量綱一化處理后,得到不同子系統的三維排序評價矩陣,見表4。

表4　某型挖掘機三維排序評價矩陣

根據客觀賦權法,在時間段[tj,tj+1]內,對不同子系統的測試性水平進行重要程度分析,根據對軍用工程機械測試性評價階段的分析,h=2,

表5　某型挖掘機三維排序評價值矩陣

依據式(7)，取σ=2,α=0.05,可得各評價時刻的權重向量w(tj)=(0.2954,0.3347,0.3699)。根據式(9),得到五個子系統的綜合評價值：

根據不同子系統的權重,可確定該型挖掘機的測試性水平的綜合值。按照最大隸屬度原則,上述五個子系統的測試性水平在在時間段[tj,tj+1]內都屬于“優”。

4.3結果分析

將實測評價值矩陣進行定量分析,得到各子系統的測試性動態評價曲線,如圖4所示。在動態評價過程中,將各子系統每階段的測試性評價值進行定量分析,可以得出不同子系統的測試性水平在不同階段的變化。從圖4可以看出,最終該軍用工程機械每個子系統的測試性水平都在可以接受的范圍內,從圖中不同系統曲線的變化可知：

(1)系統1和系統2分別為動力系統和傳動系統,在設計核查階段和演示試驗階段,由于兩個系統主要都是使用的比較成熟的產品,其測試性水平都挺高,但是由于軍用工程機械工作環境的惡劣,在實際使用中其測試性水平有所下降。

(2)系統4和系統5分別為工作裝置和電氣系統，設計核查階段測試性水平滿足要求，但是在演示試驗階段起測試性水平降低明顯，后通過改進設計或采取其他補救措施，在實際使用中其測試性水平不斷提高。

(3)系統3為轉向與制動系統，其測試性水平經過設計核查、演示試驗階段的不斷磨合運行,測試性水平不斷提升。

根據圖4中對不同子系統測試性水平動態評價曲線和上述計算值,總體而言,該軍用工程機械不同系統的測試性水平綜合評價值變化與實際測試性設計過程基本吻合，各子系統的測試性綜合評價值的比較關系為:H1>H2>H3>H5>H4?？筛鶕撗b備各子系統之間的權重關系,確定該裝備的綜合評價值。若各系統的權重相等，可得該型挖掘機的測試性綜合評價值H=9.1879。

圖4　各子系統的測試性動態評價曲線

5　結語

通過對軍用工程機械測試性設計三階段評價內容的分析,并引入時間序列參數,建立了由評價對象、評價目標和評價時間組成的三維動態測試性評價模型，并綜合運用主觀權重和客觀權重函數確定方法，對測試性動態評價三維排序矩陣進行降維求解，得到測試性動態評價的三維排序評價值矩陣;通過對三維排序評價值矩陣的分析計算,得到每個子系統的測試性評價值;通過對子系統的綜合計算，可確定出該型軍用工程機械的測試性水平評價結論。本文所建立的軍用工程機械的動態評價模型計算得到的各子系統的測試性動態評價曲線的變化，與實際的測試性設計過程中各子系統的測試性水平的變化基本吻合，這也進一步證明本文所提出的軍用工程機械測試性動態評價方法的有效性。

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(編輯陳勇)

Method of Testability Dynamic Evaluation for Military Engineering Machinery

Wang Haitao1Zhang Qi1Zhu Chunsheng1,2Zhao Hongfei1,3Li Huanliang1

1.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007 2.94636Troops of PLA,Shanghai,2021003.73016 Troops of PLA,Zhenjiang,Jiangsu,212416

In order to achieve the accurate and scientific evaluation of the testability index requirements,based on the dynamic characteristics of the testability evaluation indexes,the time series were introduced to build three-dimensional evaluation model which consisted of evaluation object,evaluation index,and evaluation time.The dimension reduction algorithm which combined the subjective weight determination method and the objective weight function was used to solve the dynamic three-dimensional appraisal matrix.And the dynamic evaluation of testability design process for military engineering machinery was realized.The application instance shows that the dynamic evaluation method can provide effective evaluation for testability design process of military engineering machinery.

military engineering machinery;testability;dynamic evaluation;evaluation model

2013-03-30

江蘇省自然科學基金(青年基金)資助項目(BK2012061);總裝備部預研基金資助項目

TP206DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.008

王海濤,男,1978年生。解放軍理工大學野戰工程學院軍事裝備學教研中心講師。主要研究方向為工程裝備保障。張琦,男，1958年生。解放軍理工大學野戰工程學院教授、博士研究生導師。朱春生,男,1981年生。解放軍理工大學野戰工程學院博士研究生。趙鴻飛,男,1984年生。解放軍理工大學野戰工程學院博士研究生。李煥良,男,1977年生。解放軍理工大學野戰工程學院軍事裝備學教研中心副教授。