基于層次分析法的維修性預(yù)計(jì)方法

宋保維, 董博超, 梁慶衛(wèi), 姜 軍

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基于層次分析法的維修性預(yù)計(jì)方法

宋保維, 董博超, 梁慶衛(wèi), 姜 軍

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

通過(guò)對(duì)目前常用維修性預(yù)計(jì)方法的分析, 并針對(duì)武器裝備的維修性要求, 結(jié)合相關(guān)理論與方法, 提出了基于層次分析法(AHP)的單元對(duì)比預(yù)計(jì)方法。該方法不僅滿足武器裝備定性和定量的要求, 而且不需要很大的歷史數(shù)據(jù)樣本和試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本, 只需對(duì)武器裝備的維修任務(wù)剖面進(jìn)行分析, 確定基準(zhǔn)單元及其維修數(shù)據(jù), 然后通過(guò)各單元與基準(zhǔn)單元的比對(duì), 進(jìn)而得到武器裝備的維修數(shù)據(jù), 具有簡(jiǎn)單、適用、節(jié)省開(kāi)支的特點(diǎn)，更便于維修性設(shè)計(jì)。最后應(yīng)用于魚(yú)雷發(fā)射裝置證明了該方法的有效性和可行性。

維修性預(yù)計(jì); 單元對(duì)比預(yù)計(jì); 層次分析法; 魚(yú)雷發(fā)射裝置

0 引言

維修性指的是設(shè)備維修的難易程度, 是設(shè)備設(shè)計(jì)所賦予的一種固有屬性, 是設(shè)備的一種質(zhì)量特性。維修性的一般定義是: 設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi), 按照規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí), 使設(shè)備保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。

維修性預(yù)計(jì)是為了估計(jì)設(shè)備在給定工作條件下的維修性而進(jìn)行的工作。它是設(shè)備研制過(guò)程中主要的維修性工程活動(dòng)之一。維修性預(yù)計(jì)的目的是預(yù)先估計(jì)設(shè)備的維修性參數(shù)值, 了解參數(shù)值是否滿足規(guī)定的維修性要求, 及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備維修性設(shè)計(jì)或保障安排的缺陷, 以便對(duì)維修性工作進(jìn)行監(jiān)控。

隨著武器裝備日益復(fù)雜化, 提高武器裝備的可靠性、維修性、保障性和降低壽命周期費(fèi)用已成為非常迫切的要求。我國(guó)的維修性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照了美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)[1], 并制定了相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)《維修性分配與預(yù)計(jì)手冊(cè)》[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 出現(xiàn)了一些新的維修性預(yù)計(jì)方法, 如應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)[3]。目前, 這些新方法存在的缺陷是需要足夠的歷史數(shù)據(jù)作為基本資料, 這對(duì)于武器裝備還很困難。所以, 本文結(jié)合相關(guān)理論與方法, 提出基于層次分析法(analytical hierarchy process, AHP)的單元對(duì)比預(yù)計(jì)方法[4-5]。

1 常用維修性預(yù)計(jì)方法

對(duì)于維修性預(yù)計(jì)方法, 通常采用國(guó)內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)所提供的維修性預(yù)計(jì)方法, 比如概率模擬預(yù)計(jì)法、功能層次預(yù)計(jì)法、抽樣評(píng)分預(yù)計(jì)法、運(yùn)行功能預(yù)計(jì)法、時(shí)間累計(jì)預(yù)計(jì)法及單元對(duì)比預(yù)計(jì)法等, 本文重點(diǎn)介紹單元對(duì)比預(yù)計(jì)法。

單元對(duì)比預(yù)計(jì)法是指在組成系統(tǒng)或設(shè)備的單元中, 總可以找到一個(gè)可知其維修時(shí)間的單元作基準(zhǔn), 而其他可更換單元的維修活動(dòng)、甚至基本維修作業(yè)與基準(zhǔn)單元相似或相同, 通過(guò)與基準(zhǔn)單元對(duì)比, 估計(jì)其他各單元的維修時(shí)間, 進(jìn)而確定系統(tǒng)或設(shè)備的維修時(shí)間。

單元對(duì)比預(yù)計(jì)法的預(yù)計(jì)模型為

2 基于AHP的單元對(duì)比預(yù)計(jì)方法

武器裝備維修性要求包括定性和定量2個(gè)方面, 因此, 宜采用定性定量相結(jié)合的分析方法對(duì)發(fā)射裝置維修性進(jìn)行預(yù)計(jì)[6]。層次分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。它是處理多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多因素、多層次復(fù)雜問(wèn)題時(shí), 進(jìn)行決策分析、綜合評(píng)價(jià)的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用而有效的方法, 是系統(tǒng)分析中使用的一種基本的系統(tǒng)評(píng)估方法, 屬于專家評(píng)估法。層次分析法很好地解決了對(duì)武器系統(tǒng)的評(píng)價(jià)問(wèn)題, 可以為決策者提供決策依據(jù), 是一種成熟的武器系統(tǒng)分析方法。基于此, 本文首次提出結(jié)合層次分析法和單元對(duì)比預(yù)計(jì)法在裝備維修性預(yù)計(jì)中的應(yīng)用研究。

2.1 建立層次分析結(jié)構(gòu)模型

利用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)分析, 首先要把問(wèn)題層次化, 根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo), 把問(wèn)題按照組成因素以及各因素的相互關(guān)系加以組合, 形成一個(gè)層次分明的結(jié)構(gòu)模型。

層次分析結(jié)構(gòu)圖一般為3層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)如果很復(fù)雜, 也可能形成多于3層的多層次結(jié)構(gòu)。層次越多, 矩陣運(yùn)算量越大, 可以適當(dāng)聚集組合, 盡量采用3層結(jié)構(gòu)。

典型的層次分析結(jié)構(gòu)圖, 3層結(jié)構(gòu)分別是目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層。目標(biāo)層表示決策者所要達(dá)到的目標(biāo); 準(zhǔn)則層表示衡量是否達(dá)到目標(biāo)的判別準(zhǔn)則; 方案層表示可供選擇的方案。對(duì)于復(fù)雜的問(wèn)題, 其目標(biāo)可能不止一個(gè), 這樣可以將目標(biāo)層擴(kuò)展為兩層, 第1層為總目標(biāo), 第2層為并列的分目標(biāo); 準(zhǔn)則層同樣可以劃分為準(zhǔn)則層和多層子準(zhǔn)則層。系統(tǒng)分析問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是最底層相對(duì)于最高層相對(duì)重要性權(quán)值的確定。

列舉一個(gè)模型, 第1層目標(biāo)層有1個(gè)元素, 第2層準(zhǔn)則層有6個(gè)元素, 第3層方案層有4個(gè)元素。模型建立起來(lái)后, 還需建立評(píng)價(jià)矩陣, 確定權(quán)向量。

2.2 建立評(píng)價(jià)矩陣并確定權(quán)向量

對(duì)于此模型第2層相對(duì)第1層的評(píng)價(jià)矩陣為

建立評(píng)價(jià)矩陣的實(shí)用方法是兩兩比較法。兩兩比較法是每次在6個(gè)元素中只對(duì)2個(gè)元素進(jìn)行比較。對(duì)2個(gè)元素進(jìn)行重要程度比較時(shí), 最常用的是1~9尺度, 具體見(jiàn)表1。

表1 因素兩兩比較重要性等級(jí)及其賦值

用特征向量作為權(quán)向量是有條件的, 這個(gè)條件就是評(píng)價(jià)矩陣是一致陣。評(píng)價(jià)矩陣的不一致程度越嚴(yán)重, 用特征向量作為權(quán)向量引起的判斷誤差越大。由于評(píng)價(jià)矩陣的不一致性在所難免, 所以需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.3 一致性檢驗(yàn)

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值

注: 表中=1或2時(shí)=0, 是因?yàn)?階和2階判斷矩陣總是一致的。

通過(guò)兩兩成對(duì)比較, 可以建立各層因素對(duì)上一層因素的評(píng)價(jià)矩陣, 進(jìn)而得出最大特征根及對(duì)應(yīng)的特征向量, 也就是權(quán)向量, 這樣還無(wú)法評(píng)價(jià)各方案的優(yōu)劣, 必須求出各方案對(duì)總目標(biāo)的權(quán)向量, 才能對(duì)方案進(jìn)行排序, 提供決策依據(jù), 這樣就需要計(jì)算組合權(quán)向量, 并進(jìn)行組合一致性檢驗(yàn)。

2.4 組合權(quán)向量

第2層有6個(gè)元素, 那么第2層對(duì)第1層的權(quán)向量可以表示為一個(gè)6維列向量。第3層有4個(gè)元素, 對(duì)應(yīng)每一個(gè)準(zhǔn)則, 第3層對(duì)第2層的權(quán)向量可以表示成一個(gè)4維列向量, 準(zhǔn)則有6個(gè), 就有6個(gè)列向量。這6個(gè)列向量組成一個(gè)矩陣, 用這個(gè)矩陣乘以第2層相對(duì)于第1層的權(quán)向量, 就可以得到第3層相對(duì)于第1層的組合權(quán)向量。由特殊到一般, 若系統(tǒng)多于3層, 就可以一層一層向上組合, 最終得到最底層相對(duì)于最高層的權(quán)向量。

計(jì)算出了組合權(quán)向量, 還需進(jìn)行組合一致性檢驗(yàn), 才能確定評(píng)價(jià)是否可信。

2.5 組合一致性檢驗(yàn)

第3層對(duì)第1層的組合一致性比率為

逐層對(duì)組合矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn), 如果最底層對(duì)第1層的組合一致性比率小于0.1, 則認(rèn)為整個(gè)層次分析符合一致性要求、評(píng)價(jià)可被接受。如果不能達(dá)到一致性, 就需調(diào)整評(píng)價(jià)矩陣。

2.6 求單元相對(duì)比重并應(yīng)用單元對(duì)比預(yù)計(jì)法

基于AHP單元對(duì)比預(yù)計(jì)方法就是應(yīng)用AHP法確定系統(tǒng)或設(shè)備在某維修級(jí)別的可更換單元的平均維修時(shí)間相對(duì)比值。由各可更換單元的權(quán)向量求各可更換單元相對(duì)比重向量

以第個(gè)可更換單元作為基準(zhǔn)單元, 則有

3 算例

魚(yú)雷發(fā)射裝置在發(fā)射準(zhǔn)備任務(wù)剖面的維修性要求[7], 構(gòu)造維修性的層次結(jié)構(gòu), 如圖1所示。

圖1 維修性層次分析結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1和各可更換單元的實(shí)際狀況, 獲得各維修性要求(準(zhǔn)則)對(duì)維修性(目標(biāo))的相對(duì)重要程度判斷矩陣

各更換單元對(duì)應(yīng)維修性要求的判斷矩陣分別為

各判斷矩陣一致性檢驗(yàn)為

組合一致性檢驗(yàn)為

即滿足組合一致性要求。

則可更換單元相對(duì)各維修性要求的權(quán)重向量分別為

則可更換單元相對(duì)比重向量為

已知各更換單元失效率分別為

4 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)例預(yù)計(jì)結(jié)果看, 基于AHP的單元對(duì)比預(yù)計(jì)法的預(yù)計(jì)結(jié)果有一定的準(zhǔn)確性, 為提高該方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性, 需要在建立各影響維修性因素判斷矩陣上做出較為準(zhǔn)確的判斷, 即判斷矩陣的準(zhǔn)確與否, 直接影響到預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。其次, 在應(yīng)用單元對(duì)比法進(jìn)行維修性預(yù)計(jì)時(shí), 對(duì)基準(zhǔn)單元的維修性評(píng)估準(zhǔn)確性要求也很高?；贏HP的單元對(duì)比預(yù)計(jì)法對(duì)武器裝備而言, 具有簡(jiǎn)單、適用的特點(diǎn), 有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] Maintanability Prediction. MIL-HDBK-472[S], 1984.

[2] 維修性分配與預(yù)計(jì)手冊(cè). 中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)[S], GJB/Z 57-94. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 1994.

[3] 姜偉, 陶鳳和, 段超, 等. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在維修性預(yù)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 兵工自動(dòng)化, 2005, 24(6): 25-26. Jiang Wei, Tao Feng-he, Duan Chao, et al. Application of Neural Network in Maintainability Prediction[J]. Ordn- ance Industry Automation, 2005, 24(6): 25-26.

[4] 甘茂志. 維修性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1995.

[5] 宋保維. 魚(yú)雷系統(tǒng)工程方法基礎(chǔ)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2001.

[6] 張勝濤, 婁壽春, 湯陽(yáng)春. 維修性預(yù)計(jì)方法運(yùn)用現(xiàn)狀及展望[J]. 航空維修與工程, 2006, 24(4): 48-50. Zhang Sheng-tao, Lou Shou-chun, Tang Yang-chun. Sta- tus Quo and Expectation on the Application of the Me- thods of Maintenance Forecast[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2006, 24(4): 48-50.

[7] 倪火才. 潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置構(gòu)造[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1998.

Maintainability Prediction Method Based on Analytic Hierarchy Process

SONG Bao-wei, DONG Bo-chao, LIANG Qing-wei, JIANG Jun

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Through analyzing the existing methods of maintainability prediction and considering the requirement of weaponry maintainability, a unit-contrastive prediction method based on analytic hierarchy process (AHP) is presented. This method can meet the qualitative and quantitative requirements of weaponry without asking huge number of historical data and test data samples. With this method, the maintenance data of weaponry can be achieved by analyzing the profile of maintenance tasks of weaponry to determine reference unit and its maintenance data, and comparing the other units with the reference unit. This method is simple, applicable and cost-saving, especially is convenient for maintainability design. Application of this method to actual torpedo launch tube verifies its effectiveness and feasibility.

maintainability prediction; unit-contrastive prediction; analytic hierarchy process (AHP); torpedo launch tube

TJ630.7

A

1673-1948(2011)03-0226-05

2010-10-13;

2010-12-30.

宋保維(1963-), 男, 教授, 博導(dǎo), 主要研究領(lǐng)域?yàn)樗潞叫衅骺傮w設(shè)計(jì)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)