基于灰色關(guān)聯(lián)理論分析水面艦船環(huán)境對數(shù)字多用表貯存性能的影響

譚勇，張紫娟，周彩元，劉振風(fēng)，周堃

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基于灰色關(guān)聯(lián)理論分析水面艦船環(huán)境對數(shù)字多用表貯存性能的影響

譚勇1,3，張紫娟1，周彩元1,3，劉振風(fēng)2，周堃1,3

（1. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 ， 400039；2. 北京東方計量測試研究所，北京， 100086； 3. 國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗研究中心，重慶， 400039）

評價水面艦船環(huán)境中溫度、濕度和鹽霧環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能影響的敏感性。模擬水面艦船艙室環(huán)境，開展貯存環(huán)境試驗，測量數(shù)字多用表的性能數(shù)據(jù)和貯存環(huán)境數(shù)據(jù)。通過灰色關(guān)聯(lián)分析，評估不同環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能影響的敏感性。分析了四種模擬艙室環(huán)境、兩種型號數(shù)字多用表的貯存性能受溫度、濕度和鹽霧環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)度。采用灰色關(guān)聯(lián)理論研究環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能的影響，并對比關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：溫度影響最大，濕度其次，鹽霧影響最小。

數(shù)字多用表；艦船環(huán)境；灰色關(guān)聯(lián)

數(shù)字多用表是一種多用途的現(xiàn)代化測量儀表，在電氣測量領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，主要功能是對電阻、電壓、電流等電氣參數(shù)進行測量[1]，評價被測產(chǎn)品的工作狀態(tài)是否正常。因此，測量精度作為數(shù)字多用表主要的性能指標(biāo)，顯得十分重要。

數(shù)字多用表的測量精度在使用、貯存時會受到外界環(huán)境的影響，其作用方式有兩種：一種是測量精度隨使用現(xiàn)場環(huán)境的變化而改變，這種影響是暫時的，當(dāng)數(shù)字多用表重新處于初始環(huán)境時，其測量精度會恢復(fù)到原有水平，稱為現(xiàn)場測量影響。另一種是數(shù)字多用表的測量精度在貯存環(huán)境的影響下發(fā)生了永久性的退化，不會恢復(fù)到原有水平，稱為貯存性能退化。數(shù)字多用表貯存性能退化具有緩慢性和隱蔽性的特點，退化嚴重時對被測產(chǎn)品的性能評價會造成影響。

數(shù)字多用表在水面艦船裝備上的應(yīng)用也很廣泛，其貯存環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧的特點[2-3]，一定程度上會加速數(shù)字多用表的性能退化。分析、掌握不同環(huán)境因素造成數(shù)字多用表貯存性能退化的敏感性，有利于針對性地選擇貯存環(huán)境，減緩?fù)嘶厔荨?/p>

文中引入灰色關(guān)聯(lián)理論模型[4]，通過開展貯存環(huán)境試驗的方法，首先，獲取表征數(shù)字多用表測量精度的性能參數(shù)；其次，收集貯存環(huán)境試驗中的環(huán)境數(shù)據(jù)；最后通過灰色關(guān)聯(lián)分析評估不同環(huán)境因素造成數(shù)字多用表貯存性能退化的敏感性。

1 灰色關(guān)聯(lián)分析方法及其應(yīng)用

1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析的基本原理

灰色關(guān)聯(lián)是指事物之間的不確定性關(guān)聯(lián)，或系統(tǒng)因子與主行為因子之間的不確定性關(guān)聯(lián)。灰色關(guān)聯(lián)分析方法是從不完全的信息中，對所要分析研究的各因素，通過一定的數(shù)據(jù)處理，在隨機的因素序列間，找出它們的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問題點，找出主要特性和得到主要因素。它根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素接近的程度。該方法的優(yōu)點是對樣本量要求不高，分析時也不需要確定典型的分布規(guī)律，而且結(jié)果與實際情況相吻合。

數(shù)字多用表在水面艦船環(huán)境條件中貯存時，受溫度、濕度、鹽霧等環(huán)境因素的影響，其測量精度會逐漸退化，環(huán)境因素與數(shù)字多用表的性能參數(shù)構(gòu)成了一個典型的灰色系統(tǒng)，可以采用灰色系統(tǒng)理論進行分析。在分析時，將貯存環(huán)境試驗中獲取的數(shù)字多用表性能參數(shù)作為系統(tǒng)因子，環(huán)境數(shù)據(jù)作為主行為因子。將各系列數(shù)據(jù)規(guī)格化處理后求關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)和樣本總數(shù)計算關(guān)聯(lián)度。比較關(guān)聯(lián)度大小，分析各環(huán)境因素造成數(shù)字多用表貯存性能退化的敏感性。

1.2 數(shù)字多用表性能表征參數(shù)選取

雖然測量精度是數(shù)字多用表的主要性能指標(biāo)，但是數(shù)字多用表可檢測的電氣參數(shù)多、范圍廣，這就需要一個總體表征參數(shù)來綜合評價數(shù)字多用表的測量精度。一般常用的表征參數(shù)有不確定度和平均相對誤差。文中采用平均相對誤差作為數(shù)字多用表測量精度的表征參數(shù)，既統(tǒng)一了不同量程間的誤差量級，又避免了個別隨機誤差數(shù)據(jù)的干擾，同時減小了數(shù)據(jù)樣本量，利于計算分析。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析方法的應(yīng)用

利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，研究環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能影響的詳細步驟如下。

第1步，模擬水面艦船艙室環(huán)境條件，開展數(shù)字多用表貯存環(huán)境試驗。在相同的檢測環(huán)境（避免了現(xiàn)場測量環(huán)境引入的誤差，獲得的只是數(shù)字多用表性能退化數(shù)據(jù)）中定期測量數(shù)字多用表的平均相對誤差，同步測量、記錄每個檢測周期內(nèi)環(huán)境因素的平均值。

第2步，形成狀態(tài)向量。將數(shù)字多用表平均相對誤差確定為母系列向量0，將溫度、濕度、鹽霧環(huán)境數(shù)據(jù)確定為子系列向量1，2，3。

第3步，狀態(tài)向量規(guī)格化。灰色關(guān)聯(lián)分析模型在建模前，為提高建模精度，需對原始數(shù)據(jù)進行規(guī)格化，即無量綱化。常用的算子有均值化算子1、初始化算子2和區(qū)間化算子3[5]，其定義分別見式（1）—（3）：

第4步，計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。首先進行向量差系列的計算，見式（4）—（6）：

計算子系列與母系列之間的差序列矩陣中矢量的最小值和最大值，見式（7）—（8）:

然后按式（9）計算關(guān)聯(lián)系數(shù):

最后按式（10）計算關(guān)聯(lián)度：

式中：R指序列與序列的關(guān)聯(lián)度；為序列內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)；ξ()為序列對序列編號為的分量的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

對計算的關(guān)聯(lián)度進行排序，數(shù)值越大說明對應(yīng)的環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能退化的影響更大；反之，對應(yīng)的環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能退化的影響越小。

2 水面艦船環(huán)境因素對貯存性能退化的影響分析

文中針對兩種常用型號（簡稱為型號1和型號2）的數(shù)字多用表，模擬水面艦船的四種艙室環(huán)境條件，開展了為期8個月的貯存環(huán)境試驗。以每月為一個檢測周期，在同一溫濕度環(huán)境中開展數(shù)字多用表的測量精度檢測，獲取其平均相對誤差數(shù)據(jù)。同時，測量四種艙室環(huán)境中的溫度、濕度和鹽霧環(huán)境數(shù)據(jù)，并按月平均值方法統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如圖1—圖3所示。

圖1 四種艙室環(huán)境的溫度月平均數(shù)據(jù)

圖2 四種艙室環(huán)境的濕度月平均數(shù)據(jù)

在四種模擬艙室環(huán)境中，兩種型號共8臺數(shù)字多用表的平均相對誤差變化情況見圖4所示。其性能均出現(xiàn)了緩慢的退化趨勢，但測量誤差仍在各自型號數(shù)字多用表的設(shè)計范圍之內(nèi)，還未退化至失效臨界點。

圖3 四種艙室環(huán)境的鹽霧月平均數(shù)據(jù)

圖4 數(shù)字多用表在四種艙室環(huán)境中平均相對誤差變化情況

按上述步驟，利用式（4）—（10）分別計算溫度、濕度和鹽霧數(shù)據(jù)與數(shù)字多用表平均相對誤差的灰色關(guān)聯(lián)度10，20，30，計算結(jié)果見表1。不同艙室的溫度、濕度和鹽霧三種環(huán)境因素對不同型號數(shù)字多用表平均相對誤差影響的灰色關(guān)聯(lián)度對比如圖5所示。

由上述計算結(jié)果可知，8組灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果數(shù)據(jù)中，有7組關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)的排序順序一致，按降序排列依次為溫度、濕度和鹽霧，且溫度和濕度關(guān)聯(lián)度比較接近，鹽霧關(guān)聯(lián)度較小。另一組數(shù)據(jù)按降序排列依次為溫度、鹽霧和濕度，溫度關(guān)聯(lián)度較大，鹽霧和濕度關(guān)聯(lián)度比較接近。綜合8組關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)可以判斷，在水面艦船環(huán)境中，影響數(shù)字多用表貯存性能退化的主要環(huán)境因素是溫度，其次是濕度，鹽霧因素影響最小。在開展貯存環(huán)境試驗的過程中，每種艙室環(huán)境實際投試了多臺數(shù)字多用表作為備份樣品，其中的2臺數(shù)字多用表分別出現(xiàn)了無法開機和開機后無數(shù)據(jù)輸出現(xiàn)象，經(jīng)拆解分析發(fā)現(xiàn)開機及數(shù)據(jù)輸出相關(guān)電路出現(xiàn)腐蝕，說明海洋環(huán)境容易導(dǎo)致數(shù)字多用表產(chǎn)生功能失效型故障。

表1 8臺數(shù)字多用表的灰色關(guān)聯(lián)度

圖5 灰色關(guān)聯(lián)度對比

3 結(jié)論

文中通過開展貯存環(huán)境試驗進行數(shù)字多用表貯存性能退化研究，并將灰色關(guān)聯(lián)分析理論運用到具體的分析中，為數(shù)字多用表的試驗結(jié)果分析提出了新方法，通過研究形成的主要結(jié)論如下。

1）環(huán)境因素對數(shù)字多用表的貯存性能影響是一個典型的灰色系統(tǒng)，而灰色關(guān)聯(lián)理論主要用于研究部分信息已知、部分信息未知的小樣本、貧信息的不確定性問題。因此，可以利用灰色關(guān)聯(lián)理論研究環(huán)境因素對數(shù)字多用表貯存性能的影響。

2）通過開展數(shù)字多用表的貯存環(huán)境試驗，測量其平均相對誤差和試驗環(huán)境數(shù)據(jù)，建立狀態(tài)向量，通過灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，溫度造成數(shù)字多用表性能退化的影響最大，濕度其次，鹽霧影響最小。對貯存環(huán)境試驗過程中數(shù)字多用表產(chǎn)生的故障現(xiàn)象判斷，海洋環(huán)境更容易導(dǎo)致數(shù)字多用表產(chǎn)生功能失效型故障。

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Influences of Surface Ship Environment on Storage Performance of Digital Multimeter Analyzed Based on Grey Relation Theory

TAN Yong, ZHANG Zi-juan, ZHOU Cai-yuan, LIU Zhen-feng, ZHOU Kun

(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China; 2.Beijing East Measuring and Testing Institute, Beijing 100086, China; 3.Natural Environmental Test and Research Center of Science, Technology and Industry for National Defense, Chongqing 400039, China)

To evaluate the sensitivity of temperature, humidity and salt mist environment to the storage performance of digital multimeter in ship environment.Surface vessel cabin environment was simulated to carry out storage environment test and measure performance data and storage environment data of the digital multimeter. Through grey relation analysis, the sensitivity of different environmental factors to the storage performance of digital multimeter was assessed.The storage performance of four simulated cabin environments and two types of digital multimeter were obtained by the correlation degree of temperature, humidity and salt mist.Influences of the grey relational theory research environment on the storage performance of digital multimeter is researched. After comparing with the calculation on degree of association, the results show that the temperature has the greatest influence, the humidity is the second, and the salt mist was the smallest.

digital multimeter; ship environment; grey relation

TJ83

A

1672-9242(2018)03-0045-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.009

2017-11-23；

2017-12-20

譚勇（1981—），男，重慶人，碩士，高級工程師，主要研究方向為武器裝備環(huán)境適應(yīng)性評價與貯存壽命評估。