基于模糊層次評判的火炮測試性分級評估

趙　帥，韓國柱，汪　偉

(軍械工程學院 火炮工程系，石家莊　050003)

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基于模糊層次評判的火炮測試性分級評估

趙帥，韓國柱，汪偉

(軍械工程學院 火炮工程系，石家莊050003)

摘要：針對用故障總檢測率評估火炮測試系統(tǒng)測試性不完備的問題，提出了基于模糊層次評判的火炮測試性分級評估模型。在對某火炮火力系統(tǒng)常見故障進行故障模式分析的基礎上，將層次分析法和模糊綜合評判的方法應用到分級評估中，實現(xiàn)了對某火炮火力系統(tǒng)的故障測試項目進行一級測試、二級測試、綜合測試和工廠測試的歸類；通過與某火炮火控系統(tǒng)分級測試分級結果的對比，驗證了指標體系和方法的有效性和適用性。

關鍵詞:測試性分級;自動檢測水平;模糊層次評判;總檢測率

Citation format:ZHAO Shuai, HAN Guo-zhu, WANG Wei.Artillery Testability Classification Assessment Based on Fuzzy Hierarchy Evaluation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):78-83.

隨著科學技術的迅速發(fā)展，裝備的性能大幅提高，自動化水平逐步提升，系統(tǒng)的復雜程度、維修難度也越來越高，特別是一些大型武器系統(tǒng)(如火炮)往往都是機、電、液、磁、光等的綜合體，故障檢測往往費時費力，效果不佳，裝備的測試性特別是自動檢測水平已成為影響裝備能否發(fā)揮最佳系統(tǒng)效能的重要因素。

《裝備測試性工作通用要求》(GJB2547A—2012)中提出“測試自動化程度必須與設備操作和維修人員的技能水平相一致?！背４嘿R等在文獻[1]中研究了復雜裝備的測試性指標確定方法；李竟然等在文獻[2]中研究了電磁環(huán)境復雜程度的評估方法；舒鑫等在文獻[3]中研究了使用故障樹分析火炮供輸彈系統(tǒng)故障的方法。但是在火炮的測試性方面，缺乏分別針對三級維修體制的設計考量，測試系統(tǒng)設計不完備，在每個維修級別上，對每個UUT如何使用ATE、BIT和通用電子測試設備進行故障檢測和故障隔離沒有具體的依據(jù)和方法，可能因測點和診斷方案等原因給排除故障帶來困難[4]，難以使計劃的測試自動化程度與維修技術人員的能力相一致。

本研究在分析測試性和總檢測率的概念、內涵的基礎上，指出了對測試性分級評估的實際意義，結合對基層一級、基層二級、中繼級和基地級維修的測試性要求分析，研究探討與火炮三級維修相對應的測試性分級評估指標體系和方法，實現(xiàn)對火炮故障檢測與診斷，分別進行一級測試、二級測試、綜合測試和工廠測試項目的歸類，從而得到火炮不同維修級別下的自動檢測水平。

1測試性和故障檢測率

1.1關于測試性

測試性是指裝備能及時、準確、有效地確定其內部狀態(tài)(可工作、不可工作及性能下降)，并隔離其內部故障的設計特性[5]，它描述了測試信息獲取的難易程度。良好的測試性設計可以極大地提高裝備的“完整質量”，降低全壽命周期費用，系統(tǒng)有層次的設計也會給實際使用和維修帶來方便，提高其可用性。

測試性的好壞可以從定性和定量兩個角度考慮，定性要求包括功能和結構的劃分、測點要求和故障信息要求等；定量要求通常包括故障檢測率(FDR)、故障隔離率(FIR)和虛警率等指標，其中故障檢測率是評價測試性好壞的基本指標，描述了裝備檢測并發(fā)現(xiàn)一個或多個故障的能力。

1.2關于故障檢測率

故障檢測率是指被測項目在規(guī)定時間內發(fā)生的所有故障數(shù)與在規(guī)定條件下，用規(guī)定方法能正確檢出的故障數(shù)的百分數(shù)。計算公式為[5]

(1)

式中：rfd為故障檢測率;k為檢測到的故障模式數(shù)；λi為所檢測到的第i個故障模式的故障率；λd為檢測到的所有故障模式的故障率總和；λ為總故障率；ND為規(guī)定時間內的故障總數(shù)或在規(guī)定時間T內發(fā)生的故障總數(shù)；NT為正確檢測到的故障數(shù)，操作人員或在給定的一系列條件下，或其他專門人員通過直接觀察或其他規(guī)定的方法正確地檢測出的故障數(shù)。

1.3關于分級檢測率

式(1)中的λ、NT都是針對整個測試系統(tǒng)，對于裝備使用人員和各級維修人員rfd是一樣的，但在實際中，每一級維修人員的技術水平和測試設備都不同，需要根據(jù)測試復雜性、故障隔離時間、使用環(huán)境、保障要求、研制時間和費用等，對每個維修級別上的測試要求進行權衡。通過對測試性進行分級，針對每一級的維修實際，確定某一級的測試方式。

(2)

其中λn是第n級總故障率。

本文提出將總檢測率的概念分解到各個維修級別中考慮，更貼近裝備使用實際，更符合維修要求。

2火炮三級維修相應的測試性評估指標與方法

2.1火炮測試性分級要求分析

火炮的測試系統(tǒng)由各個分系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)動輒成百上千個測點，數(shù)據(jù)交換要求高，結構復雜而龐大，裝備能不能檢測出發(fā)生的故障，很大程度上取決于測試性的設計，不完善的測試性設計不但會使維修費用增加，更可能增加故障維修難度。

裝備維修一般采用3級維修體制,第一級主要由機內測試設備(BITE)完成，將故障隔離到發(fā)生故障的外場可更換單元(LRU)；第二級借助自動測試設備(ATE)檢測并隔離送修LRU內部的故障到內場可更換單元；第三級主要由基地或工廠測試設備將送修的SRU內部故障隔離到元器件或最小可更換單元[4]。

依據(jù)對測試所使用的手段、測試工作所處的環(huán)境、任務要求和保障資源等要素的分析，火炮可以把測試分作一級測試、二級測試、綜合測試和工廠測試，這樣便于操作，簡化難度。根據(jù)維修級別維修能力分析和測試需要，把基層一級的維修測試對應于一級測試，把基層二級維修對應于二級測試，中繼級維修對應于綜合測試，基地級維修對應于工廠測試。

2.1.1火炮基層一級維修對測試性的要求分析—一級測試

基層一級維修由使用分隊實施，由于戰(zhàn)時基本上處于前沿陣地，可利用資源少，通常要求僅利用火炮機內設備即可完成，對故障檢測要求效率和速度，基層一級的測試最好能實時完成，由于技術力量弱，僅能處理一些簡單常見的故障?；鹋跈C內測試的效率高，操作簡單，主要是讓裝備使用者掌握裝備狀態(tài)，所以基層一級對應于一級測試。

2.1.2火炮基層二級維修對測試性的要求分析—二級測試級

基層二級維修一般由基層修理分隊實施，是戰(zhàn)時前線的保障力量，具有有限的維修資源，可以利用隨裝的測試設備和配套的電子維修車、機械維修車和光學維修車等進行維修，維修人員具有一定的維修技能，能夠滿足常見較復雜的故障維修要求。二級測試可以根據(jù)戰(zhàn)術需要進行戰(zhàn)技指標的測試，排除影響使用的功能故障，借助隨裝設備即可完成，所以基層二級對應于二級測試。

2.1.3火炮中繼級維修對測試性的要求分析—綜合測試

中繼級由專門的保障分隊實施，是戰(zhàn)時的技術支援力量，具有一定的維修資源，可利用的通用和專用綜合測試設備和儀器功能較完善，可進行復雜故障的測試和排除。中繼級也主要針對裝備的功能進行維修，只能細化到內場可更換單元，還不能將故障細化到元器件級，所以對應于綜合測試。

2.1.4火炮基地級維修對測試性的要求分析—工廠測試

基地級是指大修工廠和承研承制單位，應該處理所有出現(xiàn)的故障問題。基地級技術力量雄厚，作為后方保障的基地有足夠的時間和能力對任何故障進行診斷排除。工廠測試要求的測試資源多，操作復雜，耗時耗力，測試結果也最精細可靠，所以基地級對應工廠測試。

2.2測試性分級評估指標體系的建立

2.2.1評估指標體系的建立

現(xiàn)有的裝備測試性評估體系多是關于技術層面的，也就是測試能力的評估，而在實際運用中單單技術層面的可達性并不能滿足全面準確地確定測試項目級別的目的。為此，根據(jù)測試工作的相關要求，結合火炮維修工作實際，建立了一套針對不同維修級別確定測試級別的評估指標體系，如圖1所示。

圖1　基于火炮測試性分級要求分析的測試性

2.2.2評價指標分析

1) 測試手段

測試手段是影響測試性的技術因素，是測試性本身屬性，它決定了測試系統(tǒng)是什么形式，如何運行以及運行效果。測試手段主要的指標包括測試設備和測試方法，其中測試設備應該考慮其體積、成本、品質和數(shù)據(jù)兼容性。

2) 測試環(huán)境

測試的環(huán)境因素是影響測試性的外在因素，是從裝備戰(zhàn)時所處地域進行考量的因素。戰(zhàn)時裝備可能處于一線、技術保障區(qū)域和綜合保障區(qū)域，分別對應不同的維修級別，恰當?shù)姆旨壙梢悦鞔_任務，簡化步驟。

3) 任務要求

任務要求是影響測試性的被動因素，是一種外在考量，裝備在戰(zhàn)斗中有輕損、中損、重損，這就決定了維修任務的難易程度。同時，故障維修要考慮維修隊裝備和人員可能造成的安全威脅，故障的復雜程度不同，隔離難度也有難易之分。任務要求的指標包括故障對人員的危害度、故障對裝備的危害度、測試時間要求、檢測隔離要求和戰(zhàn)損修復要求。

4) 保障資源要求

保障資源是從現(xiàn)有客觀條件的角度評價測試性等級。保障要求屬于機外影響因素，不同的維修級別要求的人員專業(yè)素質和人數(shù)不同，測試級別必須與對應維修級別配備的測試設備相一致。保障資源要求的指標包括維修器材和設備的消耗、備附零件情況和人員資源。

2.3評估模型和算法

在上述指標體系中，可以將所有指標分為：① 可以直接進行定量計算的定量指標；② 可以通過專家經驗打分的定性指標。測試性評估就是基于這些定量和定性指標的綜合評估。這里采用層次分析法和模糊綜合評判相結合的方法進行評估。

2.3.1層次分析

1) 建立層次結構[6]

將影響決策的因素分為目標層、準則層、方案層，如圖1所示，建立指標間的層次關系。

2) 構建判斷矩陣。采用專家打分和兩兩重要程度比較的方式建立判斷矩陣A，這里A采用Santy提出的1~9的標度給出。

3) 一致性檢驗。兩級之間排序權值ω可以用A的最大特征值所對應的特征向量給出，即ωn=(ω1,ω2,…,ωn),在此，采用判斷矩陣列向量的算術平均數(shù)作為權重向量。即

(3)

2.3.2測試性等級模糊評估[7-8]

1) 確定評語集。評語集顯示評價對象各因素的品質水平，用集合表示為ν={ν1,ν2,…,νm}。

2) 采用專家打分的方式確定各評估指標對評語集的隸屬關系。設要進行模糊評估的系統(tǒng)有滿足條件的n個待評估對象，每個評估對象有m個指標。

3)單因素模糊合成評價。權值假設記為ωn=(ω1,ω2,…,ωn),選擇合適的模糊算子對ωn與模糊關系矩陣R進行模糊合成運算，得到評價對象的單因素模糊綜合評價結果向量B

(4)

(5)

4) 多層次模糊合成綜合評價。這里采用最大隸屬度法確定最后的評價結果。

3火炮火力系統(tǒng)測試性分級評估指標體系與方法

3.1某火炮火力系統(tǒng)測試性分析

3.1.1某火炮火力系統(tǒng)組成和故障分析

1) 某火炮火力系統(tǒng)組成

某火炮火力系統(tǒng)組成如圖2所示。

2) 某火炮火力系統(tǒng)故障模式分析(以供輸彈藥系統(tǒng)故障模式分析為例)

供輸彈藥系統(tǒng)故障模式分析如表1所示。

以上從火力系統(tǒng)結構的角度對各組成部分的故障模式進行了分析，方便查找故障原因，但某一故障由哪一級排除尚未明確，也沒有明確具體的測試方法。因此，需要對各個層次的測試做進一步分級處理。

3.1.2建立層次模型和確定評語集

通過對某火炮供輸彈系統(tǒng)協(xié)調臂的測試分析，得到其測試性的影響因素集，其層次結構如圖1所示。本文將評語分為4級V={基層一級，基層二級，中繼級，基地級}，分別對應一級測試、二級測試、綜合測試和工廠測試。

3.1.3構建比較判斷矩陣并確定指標權重

通過對準則層進行兩兩比較可以得到準則層相對于目標層的判斷矩陣(如表2所示)，并由上述方法求得相對權重向量、最大特征值和C.I、C.R。

maxλ1=4.096 10C.R=0.11/1.12=0.035 59<0.1符合一致性要求。

同樣，可以得到指標層相對于準則層B1,B3,B4的判斷矩陣:

ω2=(0.080.080.100.290.45)

maxλ2=5.3234C.R=0.07220<0.1

符合一致性要求。

ω3=(0.050.120.270.340.21)

maxλ3=5.383 90C.R=0.085 69<0.1

符合一致性要求。

ω4=(0.090.320.59)

maxλ4=3.009 20C.R=0.007 90<0.1

符合一致性要求。

圖2　某火炮火力系統(tǒng)組成

結構故障模式結構故障模式本體本體變形電位計限位開關損壞托彈盤托彈盤底端被磨薄托彈盤變形控制機構電磁閥彈簧剛度下降O型圈老化閥芯卡滯測速電機角度傳感器損壞接線松動脫焊接線磨斷起落電機未通電電刷磨損電位計精度不夠行軍固定器行軍固定器插銷磨損協(xié)調時未解脫行程開關托彈初位/輸彈線位置/托彈盤有彈/接彈到位行程開關彈簧片K值下降擺彈油缸活塞桿磨損油缸壁磨損密封圈損壞管接頭漏油油缸內有氣輔助機構油箱無油吸油管未插入油液下油液粘度過高/低吸油管氣密性差安全閥設置值過低油濾損壞截流閥損壞電壓不足小平衡機平衡機氣量不足平衡機液量不足皮碗漏油活塞桿磨損排氣塞漏氣隔膜折斷充氣閥密封不好橡膠隔膜底部金屬鉚接處松動導向套磨損變速器潤滑油雜物較多,品質下降制動器彈簧K值下降制動器摩擦盤磨損蝸輪軸承磨蝸桿蝸輪機構安裝不到位蝸桿蝸輪機構磨損蝸桿軸承磨損動力機構油泵轉速低無動力輸入驅動箱、控制箱 PLC板損壞 繼電器損壞

表2　準則層相對于目標層的判斷矩陣

3.1.4構造模糊評判矩陣

采用專家打分的方式確定各評估指標的隸屬度。各指標的評價采用“基層一級、基層二級、中繼級、基地級”四級劃分方法，各級都看成一個模糊向量?；趯δ郴鹋诠┹攺椣到y(tǒng)協(xié)調臂的了解和分析及部隊實踐，對于準則層B1，結合自身知識經驗，形成規(guī)范化的專家打分結果如表3所示。

表3　方案層相對于準則層B1的判斷矩陣

同樣按此法可得指標B3,B4的評判結果。

3.1.5某火炮供輸彈系統(tǒng)協(xié)調臂測試模糊綜合評判結果

按最大隸屬度法，該測試項目的綜合評判結果應取0.48，即應把此測試項目放在中繼級，屬于綜合測試項目。

3.2某火炮測試性分級方法驗證

3.2.1某火炮火力系統(tǒng)模糊綜合評判結果

按照上述方法可得某火炮火力系統(tǒng)的測試性分級結果如表4所示。

表4　某火炮火力系統(tǒng)的測試性分級結果

3.2.2某火炮火控系統(tǒng)模糊綜合評判結果

根據(jù)某火炮火控系統(tǒng)測試性使用的實際，采用本文的火炮測試性評估體系和方法對某火炮火控系統(tǒng)的測試性進行分級得到如表5所示。

表5　某火炮火控系統(tǒng)的測試性分級結果

3.2.3某火炮火力和火控系統(tǒng)測試性分級結果對比分析

從表4和表5可見，某火炮火控系統(tǒng)在較大覆蓋率范圍內實現(xiàn)了計算機管理與控制的功能自檢故障自動檢測測試，可以滿足其95%左右的故障維修要求，功能測試可測試214項，約占火控系統(tǒng)98%的戰(zhàn)術功能，綜合測試可進行568項測試，能對全系統(tǒng)95%的故障進行自動診斷測試，工廠測試能進行684項測試，可以滿足全炮95%左右的測試要求。相比之下，火力系統(tǒng)采用本文的指標體系對測試性分級以后，可見其自動檢測水平，尤其是在基層二級和中繼級的自動檢測水平，與火控系統(tǒng)相比依然較低，這和裝備在實際使用中火力和火控系統(tǒng)的自動檢測現(xiàn)狀一致。說明了該指標體系不僅對火控系統(tǒng)有很好的適用性，對火力系統(tǒng)也有較強的實用價值。

4結論

從火炮總故障檢測率的概念分析出發(fā)，提出了對故障檢測率分級考慮的想法，建立了與火炮基層一級、基層二級、中繼級和基地級維修相對應的測試性分級評估指標體系和方法。在對火炮火力系統(tǒng)常見故障進行了故障模式分析的基礎上，將層次分析法和模糊綜合評判的方法應用到分級評估中，將火炮的故障分別用一級測試、二級測試、綜合測試和工廠測試的方式進行檢測，在測試系統(tǒng)設計之初就把系統(tǒng)的功能與使用和維修等級對應起來，使測試系統(tǒng)的設計更加完備。通過使用該體系方法對火炮火力和火控系統(tǒng)的計算，說明了在火炮維修特別是基層二級和中繼級的維修中，火力系統(tǒng)的自動檢測水平較低，驗證了該體系方法的有效性和適用性，為評估裝備測試自動化程度與維修人員技術水平一致性水平提供了方法和途徑。由于作者能力有限，該指標體系難免有不足之處，需要在實踐中進一步完善，以更好地服務于火炮測試性評估工作。

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(責任編輯唐定國)

Artillery Testability Classification Assessment Based on Fuzzy Hierarchy Evaluation

ZHAO Shuai, HAN Guo-zhu, WANG Wei

(Artillery Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:Due to the detection of total fault detection rate of the testability evaluation for self-propelled gun test system, a gradational evaluation model based on the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation was proposed. Based on the common failure mode analysis of gun test system, the classification of rapid test, functional test, integration test and factory test for self-propelled gun test system was realized with the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation. Comparing with some fire control system gradational test level, this study verified the applicability and effectiveness of the index system.

Key words:classification of gradational test level; automatic detecting level; fuzzy hierarchy evaluation; total detection rate

文章編號：1006-0707(2016)02-0078-06

中圖分類號：TJ31

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.020

作者簡介：趙帥(1991—)，男，碩士研究生，主要從事火炮與自動武器保障研究。

收稿日期：2015-08-01；修回日期：2015-08-25

本文引用格式：趙帥，韓國柱，汪偉.基于模糊層次評判的火炮測試性分級評估[J].兵器裝備工程學報，2016(2):78-83.

【后勤保障與裝備管理】