測控裝備健康評價體系與支持系統設計

王 鑫

(中國人民解放軍92941部隊， 遼寧 葫蘆島 125001)

測控裝備包括雷測、光測、遙測等設備，它們的特點是大型化、復雜化和模塊化。它們型號多、組成結構復雜、價格昂貴，以往對裝備狀態的評價都是依據操管人員日常使用觀察對其進行評價，沒有定量的數據支持。難以對裝備的狀態做出客觀準確的評價。目前，國內對測控裝備健康評價的研究很少，作者采用通用裝備的評價理論并結合測控裝備的特點建立健康評價體系，并開發一套測控裝備健康評價系統。

健康評價體系的建立是進行健康評價的基礎，科學合理地設計健康評價體系，能客觀地對裝備的健康狀態進行有效評估，并能為裝備設計和系統的優化提供客觀數據支持。

1 測控裝備系統的要素分析

測控裝備是一個典型的復雜系統，具有如下特點[1]：

1) 復雜性。測控裝備復雜性主要表現在涉及面廣和目標多，涉及平臺性能，裝置設備性能、作戰能力、人機因素等。

2) 主觀性。評價問題具有很強的主觀性，在進行大量模糊的定性因素和非公度性指標的轉化時，不可避免地要涉及人的主觀判斷，體現人的經驗和直覺思維模式。

3) 概略性。在評價涉及的參數中，其中一些參數有確切數據，但也有不少參數不能直接測量和統計，只能估計。

4) 時效性。由于裝備在使用壽命周期內，都要經歷類似的生命效能曲線，即在使用初期，故障率高，可用度和可靠性差；使用一段時間后故障率下降，工作達到正常；當達到使用壽命后期，裝備故障率會急劇上升。

5) 局限性。裝備的健康狀態與很多條件有關，各種計算模型和方法也有種種假設和先決條件，存在不同程度的偏差，也不能全面覆蓋所有相關指標，因此評價結果不可避免具有一定的局限性，只能在預定的范圍和假設條件下才是可信的。

測控裝備具有一般裝備的結構特性，具有如圖1所示的結構隸屬關系和性能影響關系。

本文按照裝備本身結構特點，將裝備結構劃分為4級，即系統級、子系統級、組件級(LRU)和單元級(SRU)。

2 建立測控裝備健康評價指標體系

測控裝備健康評價指標體系的建立是進行裝備綜合評價的基礎。科學合理的評價指標體系建立，依賴于多方面的因素，下面對指標選取原則、選取步驟以及指標的量化和標準化分別進行闡述。

2.1 健康評價指標的選取原則

評價指標總體上分為定性指標和定量指標兩大類，選取應遵循以下原則：

1) 系統性原則。健康評價指標體系應能反映裝備的整體性能和綜合情況，評價指標的設計應有層次性，結構合理，以保證評價體系的全面性和可靠性

2) 可比性原則。評價結果要有可比性，可比性強才能體現裝備的健康狀況。評價指標要避免包含關系，相關關系要適當消除。指標處理中要保持數據同趨勢化，以保證指標間的可比性。

3) 科學性原則。評價指標以能正確反映系統整體和內部相互關系的數量特征，同時，既要保持定性分析的科學性，又要保證定量分析的準確性。

4) 實用性原則。評價指標涵義要明確，數據要規范，口徑要一致，數據獲取和資料收集要可靠，數據在導入評價模型時要有可操作性，便于在計算機上操作實現。

5) 層次性原則。將復雜的系統進行分解，降低評價對象的復雜度，以求能得出更為合理的評價指標

6) 簡易性原則。在確定評價層次關系時，層次數在滿足要求的情況下，應盡可能少，層次結構的簡易程度直接決定著評價結果的好壞。每一層中的評價指標個數也不宜過多，一般不超過9個，過多的指標并不能有效提高評價結果的準確性，往往會引入過多的干擾因素，反而會降低評價結果的準確性。

2.2 健康評價指標權重的確定方法

指標權重的確定方法有多重，大致分為主觀賦值法、客觀賦值法和綜合賦值法3類。本文以主觀賦值法為基礎，進行權值的確定，兼顧客觀賦值法的擴展，以求多途徑對裝備健康狀況評價。

1) 主觀賦值法-層次分析法

該方法以層次分析法(AHP法)的兩兩比較判斷矩陣為基礎，對各指標的相對重要性進行選擇，然后填表建立決策矩陣。

在指標比較分級中采用較多的為Satty教授提出并應用廣泛的1～9標度。但由于9等級標度的評分與直覺和語言判斷習慣不協調，易導致評判結果的不一致，目前應用中對其進行了優化，提出了更為合理的6等級標度法[2]。6等級標度值如表1所示。

表1 6等級標度值的含義

2) 客觀賦值法-熵值法

熵是信息論中測度系統不確定性的量。信息量越大，不確定性越小；反之，信息量越小，不確定性越大。熵值法主要依據各指標所包含的信息量的大小，利用指標本身的熵值約定指標權重，具有絕對的客觀性。其主要步驟如下：

對決策矩陣Xm×n做標準化處理，得到標準化矩陣Ym×n,進行歸一化：

(1)

計算第j個指標的熵值：

(2)

計算第j個指標的差異系數。指標的差異越大，對評價的作用越大，熵值越大；反之，差異越小，對評價的作用越小，熵值越小，定義熵值系數如下：

gj=1-ej(1≤j≤n)

(3)

確定指標權重：

(4)

熵值法需要數據的支持，在獲得數據支持的前提下，作為擴展功能。

3 健康評價聚合方法的選擇

不同的評價方法側重不同，分析結果自然不同。本文選擇多種數學模型完成綜合評價：加權算術平均法；加權幾何平均法；主成分分析方法。

在系統設計中，預留控制其他數學模型的接口，以便于以后控制如神經網絡，D-S證據理論，粗糙集等先進算法。

4 健康評價數學模型

按照美國工業界武器效能咨詢委員會(WSEIAC)推介，裝備健康狀態是滿足一組特定任務要求的程度的度量，其數學模型稱之為ADC模型[3]，以函數形式表示如式(5)：

E=A×D×C

(5)

其中：E為健康總指標；A為系統可用度，裝備任意狀態下處于工作狀態的度量；D為系統可信度，裝備執行任務瞬態系統狀態的度量；C為系統能力，裝備完成任務能力的度量，性能指標綜合。裝備健康模型指標(ADC模型)如圖2所示。

1) 可用度

設備工作狀態可以分為正常和故障兩種，裝備的故障率和平均無故障間隔時間(MTBF)是衡量裝備狀態重要指標。兩種狀態下可用度 表示如下：

A=[a1,a2]

(6)

式(6)中：a1為工作狀態的概率，a2為故障狀態的概率。

(7)

(8)

在進行綜合評價時，故障率λ和修復率μ基于試驗數據統計得出。

2) 可信度

可信度描述系統在完成任務期間所處的狀態，即能否連續工作，可行度表示如下：

不可維修系統可信度矩陣表示為

(9)

可修復系統可信度矩陣表示為：

(10)

分析可見可行度的值完全取決于故障率λ和修復率μ的取值。

3) 能力標度

能力是根據具體情況進行試驗綜合統計分析或計算機模擬得出，是一系列技術指標的綜合評價，描述裝備在規定的時間內滿足作戰使用要求的概率。能力向量C表示如式(11)所示。

C=(c1，c2)T

(11)

式中：c1為系統處于正常狀態下完成任務的概率；c2為系統處于異常狀態下完成任務的概率。

技術指標的綜合評價即為完成任務的能力標度。

5 測控裝備健康評價系統實例

以某型雷達為例建立健康評價體系，并進行數學建模支持系統設計。

裝備整體評價技術指標在后續實施中需要修正、優化和補充(表2)。

表2 某型雷達整體技術指標

組件的評價指標主要針對可用度和可信度目標進行評價，選取的主要參數如表3所示。評價指標在后續實施中需要修正和優化。

根據各指標的重要程度，在尚沒有試驗數據的支持下，按照2.2節給出的層次分析法(AHP法)進行權重分配。構建權重比較系數如表4所示。可以簡單得出系統評價各項指標的權重分配[4]。

該分析結果是權重系數，按照式(4)給出的歸一化方法歸一化以后，即為權重[5]。

支持系統架構的健康評價系統使用C/S(客戶端/服務器)技術方案，采用標準以太網總線構架，使用虛擬儀器技術的LabVIEW圖形化編程語言，并參照成熟系統和已有經驗完成本系統的設計。① 綜合評價系統總體架構為C/S(客戶端/服務端)架構；② 客戶端計算機安裝綜合評價系統客戶端軟件，實現人機交互、數據錄入、系統配置和綜合評價等各項功能；③ 服務器安裝數據庫系統，存儲用戶信息數據、裝備信息數據、裝備運行數據、裝備狀態數據等基本數據；綜合評價指標數據和綜合評價權重數據等評價體系數據，實現數據存儲。④ 客戶端與服務端通過網絡連接進行數據交互。

根據以上對系統需求的分析，本系統主要功能為實現對設備進行綜合評價，為設備選型、選廠，以及對設備的管理提供可靠的決策信息。將系統功能轉化為功能模塊，可設計健康評價系統總體功能模塊結構如圖3所示。

表3 某型雷達組件評價指標

表4 某型雷達評價指標權重系數

6 運行結果

利用本健康評價系統對某型雷達進行健康評價，此型雷達具有結構復雜、技術指標多的特點。第一步:計算各設備權重并構建權重矩陣。根據系統組成結構，計算各個部件及設備分系統的權重。采用 9 標度層次分析法進行兩兩比較建立判斷矩陣，計算權重向量并進行一致性檢驗，最終得到權重矩陣。 第二步:按照聚合方法選擇合適的系統綜合評價方法，得到科學合理可信的系統綜合評價的結論。第三步按照構建的數學模型把選出的指標與數學模型中的可信度、可用度、能力指標相對應。最后得出健康評價結果如圖4所示。

7 結論

測控裝備健康評價支持系統能夠客觀的反映裝備的技術狀態，對裝備的日常使用和管理有很強的借鑒作用。本文以某型雷達為例，其評價體系與支持系統可適用于其他裝備[6]。

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[5] 張孟輝,黃希利,李江.自行火炮武器系統操作性評價[J].四川兵工學報,2013,33(4):14-17.

[6] 陳尚志,魏國君,譚躍進.大型復雜武器裝備質量綜合評價及其支持系統設計[J].指揮控制與仿真,2006,28(6):67-71.