基于AHP-FCE排爆機器人的排爆綜合性能評價*

張繼明，張 軍，疏 楊，王古超

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.寧波公牛電器有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

排爆機器人屬于搬運機器人的一種類型，代替人到不能去或不適宜去的有爆炸危險的環境中，直接在事發現場進行偵察排除和處理爆炸物及其他危險品，也可對持槍持械的恐怖分子實施有效攻擊的機器人，是專門用于搜索、探測、處理各種爆炸危險品的防暴機器人[1]。如何準確評估排爆機器人的綜合效能對國家排爆裝備研發、應用有著重要意義。此方面的研究已有一定成果，例如，王宇凡等建立以抓持能力為核心指標的效能體系，采用層次分析法，對現有的3種排爆機器人的排爆效能進行了綜合評估[2-5]，趙京教授通過主成分分析方法對機械臂同一構型不同尺度的機械臂結構進行綜合性能評價[6]。

本文提出一種適用于排爆機器人綜合性能的評價方法，通過AHP-FCE理論模型，將原本的定性問題轉化為定量問題，對模型構建和計算后，可以得出排爆機器人的綜合性能情況，對以后的設計和選擇排爆機器人具有指導意義。

1 AHP-FCE綜合評判法

在對一個產品或者一個項目進行評價的過程中，往往會出現一些難以量化的指標，為了解決對于這些定性或者定性與定量相結合的問題，文中采用層次分析法[7，12，14-15，18]（AHP）與模糊綜合評判法[8，16-17，19-20]（FCE）來評價排爆機器人排爆性能的問題。其基本流程[11]如圖1所示：

1.1 用AHP法確定指標權重

AHP評價體系，首先主要完成對所分析問題的層次結構的建立，構造判斷矩陣并對結構層次排序進行分析決策。本文采用1～9標度法說明因素間的關系，對于判斷矩陣A中元素αij可以按表1方法確定。在構造判斷矩陣[13]中，要對判斷矩陣進行一致性檢驗并計算權重估計向量。建立一致性指標：

最后求得隨機一致性指標：

2 模糊綜合評價（FCE）模型

方案中一般無法量化的指標常用一些模糊概念，比如：好、中、差等衡量。模糊評價的一般步驟為：

表1 層次分析法判斷矩陣取值

表2 平均隨機一致性指標

2）確定評語集：評語集是對某一評判因素所作出的好壞優劣的定性結論，設評語集為：；

3）建立模糊評判矩陣：單因素評判矩陣是指以各單因素評判集的隸屬度為行組成的矩陣：

4）多級模糊綜合評價：模糊綜合評價是一個多級逆推的過程，根據因素集的指標權重向量與單因素評判矩陣R合成為矩陣B，且有下式成立

從而可以得出目標層的模糊隸屬度。

3 基于AHP-FCE排爆機器人排爆綜合性能評價

3.1 綜合評價體系模型建立

為評價排爆機器人的綜合性能，需要充分考慮到排爆機器人的作戰任務和作戰環境，由于其工作性質的特殊性，部分指標不能完全量化且無法簡單地描述其優劣性，因此，需要構建AHP-FCE綜合評價模型解決上述問題。本文選取國家科技部“863”計劃的產品JW-902型排爆機器人進行評價。

表3 JW-902排爆機器人部分性能參數

綜合對JW-902排爆機器人的性能指標研究，遴選歸納出JW-902排爆機器人的性能指標如圖2所示，最上層為JW-902排爆機器人排爆綜合性能，準則層有4個因素，分別為：運動能力、轉移能力、目標識別能力和應用性，最底層也為方案層。

圖2 JW-902排爆機器人排爆性能評價的層次結構圖

3.1.1 評價指標的含義

運動能力：反映排爆機器人在運動過程中從一個地方移動到另一個地方的快速性、通過性和靈活性，以及與地面的適應性等情況。具體包括：平均速度、越障能力、轉彎能力、制動能力、啟動加速能力、路徑規劃能力、地面適應能力。

轉移能力：反映排爆機器人在執行排爆任務的過程中，什么樣的機械臂能更好地體現轉移能力，本文中主要針對機械臂關節數、機械臂活動幅度、機械臂抓持力3個指標進行具體分析，這也可以作為機械臂設計過程中的重要參考指標，且這3個指標所代表的關節數越多，活動幅度越大，抓持力越大，其所代表的轉移能力也越好。

目標識別能力：反映排爆機器人在執行排爆任務時，能夠快速有效地識別到目標物，然后有效地進行排爆處理的能力。主要有：環境建模、空間定位能力、數據傳輸正確率、自主控制能力、多傳感器信息融合能力、抗干擾能力。

應用性：反映排爆機器人在執行排爆任務過程中，應滿足操作方便，性價比高，且具有很強的防護能力。本文主要從使用性、經濟性、防護性能等方面具體分析。

3.2 層次分析法指標權重的計算

根據圖2的層次結構，經過專家討論，并結合表1相關指標的度量值，可以分別得到JW-902排爆機器人排爆綜合性能在單一準則下，下層對上層指標權重結果，并進行一致性檢驗，判斷矩陣及結果如下：

A-B判斷矩陣

B1-C判斷矩陣

B2-C判斷矩陣

B3-C判斷矩陣

B4-C判斷矩陣

各指標權重及其一致性檢驗結果如表4所示。

由表4可知，指標層對準則層的指標權重結果大小情況，且每個矩陣的值均小于0.10，則一致性檢驗均通過。

利用上面的評價體系的模型及方法，對JW-902排爆機器人排爆綜合性能進行評價，得出各指標的組合權重如表5所示。

表4 指標權重及其一致性檢驗

表5 各指標的組合權重

由于總排序隨機一致性比例為

3.3 模糊綜合評價法

上面已用層次分析法計算出各評價指標的權重分配，然后結合隸屬度函數[9]和統計法[10]求得各個評價指標對于評價集的3級等級隸屬度，得到對應評價體系的隸屬度矩陣：

運動能力

轉移能力

目標識別能力

應用性

通過模糊運算，從底層開始，逐層向上作模糊綜合評估，將所得的各個因素的模糊隸屬度矩陣分別與表4中對應的權重向量相乘，可得到準則層的隸屬度矩陣為：

最終可以得出目標層的模糊隸屬度：

根據最終的評價結果可以得出，JW-902排爆機器人的排爆綜合性能有40.03%的可能屬于“好”這一等級，有43.34%的可能歸屬于“中”這一等級，有16.63%的可能屬于“差”這一等級。根據最大隸屬度原則，可能性最大為43.34%的屬于“中”這一等級為最終的評價結果。

4 結論

運用層次分析法——模糊綜合評價法建立完整的JW-902排爆機器人排爆效果的綜合評價指標體系，結合主要的因素進行分析，采用層次分析法確定了JW-902排爆機器人的不同因素的權重系數，得到了整體的等級隸屬度情況。從得出的隸屬度結果可以看出，JW-902排爆機器人的運動能力水平還處于很差的水平，需要進一步開發更好的移動平臺，以使機器人的運動性能增強；轉移能力相對運動能力有待提高，要想排爆過程安全可靠，JW-902排爆機器人轉移危險物的能力也要加強；其目標識別能力較強，這樣為及時尋找危險源并銷毀帶來可能性。最終運用此評價模型得出JW-902型排爆機器人排爆性能只是處于中等水平，這就需要開發出更高性能的排爆機器人來應對現有的各種危險情況。此評價模型使用簡單易懂，得出的結果科學可靠。