基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的岸防武器系統(tǒng)保障性評(píng)估指標(biāo)研究

(中國(guó)人民解放軍92228部隊(duì)，北京 102442)

0 引言

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保障特性評(píng)估技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)維修的關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的裝備保障策略[1]，其目的是對(duì)裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)或周期性的監(jiān)控和評(píng)估，根據(jù)裝備的實(shí)際狀態(tài)確定性能衰退趨勢(shì)、最佳維修時(shí)機(jī)和保障決策方案，以提高裝備的可用度和任務(wù)可靠性。隨著作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)樣式的演變以及裝備復(fù)雜性、信息化和綜合化程度的提高，裝備維修保障工作重點(diǎn)已由傳統(tǒng)的以事后修復(fù)為主，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒌墨@取、處理和傳輸并做出維修決策為主。以往的事后維修和定期維修已經(jīng)無(wú)法很好地滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和武器裝備對(duì)裝備保障的要求，因此，基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance，CBM)和預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)理念逐漸興起[2]。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始向系統(tǒng)級(jí)故障預(yù)測(cè)與健康管理發(fā)展[3]，逐步擴(kuò)展到更多的機(jī)電和電子系統(tǒng)。在新型傳感原理、微弱特征提取與早期故障檢測(cè)技術(shù)、自學(xué)習(xí)監(jiān)控與診斷技術(shù)、故障預(yù)測(cè)方法算法、PHM系統(tǒng)集成技術(shù)等方面取得一些創(chuàng)新。領(lǐng)域從軍機(jī)擴(kuò)展到了民機(jī)、艦船等，并形成了一些工程實(shí)用化系統(tǒng)。雖然國(guó)內(nèi)PHM發(fā)展已取得一些成績(jī)，但綜合各方面情況看，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，研究對(duì)象覆蓋面較窄，與國(guó)外相比存在較大的差距。

狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估已成為國(guó)外新一代武器裝備研制和實(shí)現(xiàn)“感知與響應(yīng)”保障的一項(xiàng)核心技術(shù)，是提高復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性和降低壽命周期費(fèi)用的關(guān)鍵技術(shù)。我軍在狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估應(yīng)用領(lǐng)域方面的研究起步較晚，裝備的相關(guān)研究現(xiàn)在仍處于探索階段。因此，積極借鑒外軍關(guān)于CBM的發(fā)展成果，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和保障特性評(píng)估技術(shù)與體系構(gòu)建研究，對(duì)提高岸防裝備平時(shí)戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)時(shí)持續(xù)保障能力，提升岸防裝備通用質(zhì)量水平和體系保障能力具有重要的意義。

1 保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

以科學(xué)構(gòu)建保障特性評(píng)估指標(biāo)體系和提升岸防武器系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)水平為目標(biāo)，分析裝備保障特性信息對(duì)裝備保障功能特性、保障系統(tǒng)資源屬性的影響；在此基礎(chǔ)上，分析確定岸防裝備保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過(guò)分析保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之間的邏輯關(guān)系和重要性，構(gòu)建完備的保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息采集難度、與其他特征指標(biāo)的信息相關(guān)程度，構(gòu)建層次清晰、指標(biāo)靈活可裁剪的保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.1 保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

保障特性評(píng)價(jià)指標(biāo)是通過(guò)分析裝備使用和保障過(guò)程中的各類信息，分析各類信息對(duì)裝備保障特性的意義、價(jià)值和影響，從而確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，裝備的信息性質(zhì)分類主要分為設(shè)計(jì)屬性、綜合保障特性等，不同性質(zhì)屬性有其對(duì)應(yīng)的特征屬性和觀測(cè)值指標(biāo)，觀測(cè)指標(biāo)產(chǎn)生于裝備壽命過(guò)程中的不同階段，由于信息采集難度的不同，某些觀測(cè)指標(biāo)不合適進(jìn)行量化，對(duì)此類指標(biāo)參數(shù)可以采用專家打分的方式進(jìn)行量化，也可以給出定性評(píng)語(yǔ)。特征屬性與觀測(cè)指標(biāo)如圖1所示。

圖1 岸防武器系統(tǒng)保障特性評(píng)估指標(biāo)體系

在確定底層觀測(cè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)參數(shù)格式統(tǒng)一和層次權(quán)重確定得到合理的裝備保障特性評(píng)估指標(biāo)體系[4]。對(duì)于參數(shù)格式統(tǒng)一，采用模糊理論對(duì)定性信息進(jìn)行量化處理，采用歸一化算法來(lái)統(tǒng)一觀測(cè)指標(biāo)的尺度；對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的優(yōu)化，采用成熟的主觀與客觀賦權(quán)相結(jié)合的賦權(quán)方法，最終確定岸防武器裝備保障特性指標(biāo)。

1.2 保障特性指標(biāo)影響分析

1.2.1 保障特性指標(biāo)參數(shù)對(duì)裝備保障功能特性的影響

裝備處于完好狀態(tài)，不一定就能完成規(guī)定功能、執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，還需要一系列協(xié)調(diào)有效的使用保障工作。使用保障是為保證裝備正確動(dòng)用，以便能充分發(fā)揮規(guī)定的作戰(zhàn)性能所進(jìn)行的一系列技術(shù)與管理活動(dòng)。例如，針對(duì)某型岸防武器系統(tǒng)的雷達(dá)車，其規(guī)定的功能有機(jī)動(dòng)和探測(cè)敵對(duì)目標(biāo)等，但如果雷達(dá)車沒(méi)有燃料，即使其各部分均處于完好狀態(tài)，也無(wú)法完成機(jī)動(dòng)任務(wù)；再如，針對(duì)遠(yuǎn)程轟炸機(jī)，如果缺乏足夠的油料、彈藥，其航程再大，也無(wú)法完成遠(yuǎn)程轟炸的作戰(zhàn)任務(wù)。由此可見，使用保障是裝備戰(zhàn)斗力不可分割的組成部分，任何裝備的戰(zhàn)斗力都是在使用的過(guò)程中體現(xiàn)的。無(wú)論裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能如何先進(jìn)，一般都需要在得到有效的使用保障基礎(chǔ)上才能充分發(fā)揮。

必須要在裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中，從功能原理、結(jié)構(gòu)方案等方面人手，考慮如何方便、順利地開展使用保障活動(dòng)，使得裝備能夠正常地行使其功能，而這些在設(shè)計(jì)過(guò)程中形成的特性就是裝備的使用保障性。使用保障性設(shè)計(jì)得好，在操作動(dòng)用裝備執(zhí)行任務(wù)時(shí)，裝備就易于獲得及時(shí)、有效、經(jīng)濟(jì)的保障。以岸防武器裝備為例，其系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)維護(hù)保障人員、資源等的要求較高，其在壽命周期過(guò)程中發(fā)生故障并進(jìn)行修復(fù)的消耗也較大，其使用保障的顯得尤為重要。

因此，通過(guò)在岸防武器裝備的保障功能方面，增加狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估等功能，提升使用保障特性，可更好地發(fā)揮保障的作戰(zhàn)效能。

1.2.2 保障特性指標(biāo)參數(shù)對(duì)保障系統(tǒng)資源屬性的影響

裝備的維修保障特性與保障資源關(guān)系密切。如果裝備的可靠性高，則維修任務(wù)量少、維修保障資源需求也相應(yīng)減少；維修性好，則裝備的維修工作便于開展，也同樣會(huì)減少對(duì)維修保障資源的需求；測(cè)試性好，則對(duì)故障檢測(cè)診斷設(shè)備的需求減少、大大縮短維修排故時(shí)間。掌握好裝備的故障規(guī)律，充分開展裝備的保障特性信息分析和研究，對(duì)于規(guī)劃、設(shè)計(jì)保障系統(tǒng)，對(duì)于確保裝備的戰(zhàn)備完好狀態(tài)是至關(guān)重要的。

保障系統(tǒng)資源屬性主要體現(xiàn)裝備的維修保障特性。與使用保障特性不同的是，維修保障特性主要針對(duì)的是裝備“故障”引發(fā)的相應(yīng)維修問(wèn)題。雖然裝備發(fā)生的故障與裝備執(zhí)行的任務(wù)、行使的功能有關(guān)，但這種關(guān)系不是直接一一對(duì)應(yīng)的。故障的發(fā)生有其隨機(jī)性，掌握裝備故障規(guī)律是做好維修保障特性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

維修保障特性的定義是:“在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),裝備能夠保持或恢復(fù)到規(guī)定的戰(zhàn)備完好狀態(tài)的能力”[5]。裝備保持戰(zhàn)備完好狀態(tài)，包含了兩個(gè)方面的含義:不出故障、出了故障后能夠迅速排除而不影響任務(wù)的執(zhí)行。前者對(duì)應(yīng)著裝備的可靠性，而迅速排故則與裝備維修性、測(cè)試性密切相關(guān)。因此，裝備的維修保障特性也由這三類特性所構(gòu)成6-8。

因此，如何找出裝備的薄弱環(huán)節(jié)，快速定位系統(tǒng)故障是研究的主要內(nèi)容之一。通過(guò)開展在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，即可有效支撐故障的在線實(shí)時(shí)判定。

2 保障特性綜合評(píng)估與權(quán)衡

2.1 保障特性指標(biāo)計(jì)算

保障特性評(píng)估，首先需要實(shí)現(xiàn)對(duì)保障特性關(guān)鍵指標(biāo)的獲取和計(jì)算。對(duì)于測(cè)試性、維修性、戰(zhàn)備完好性等各類指標(biāo)的獲取方式，部分指標(biāo)可通過(guò)在線狀態(tài)監(jiān)控獲取，而部分指標(biāo)需通過(guò)裝備保障特性信息的人工采集實(shí)現(xiàn)對(duì)保障特性指標(biāo)的獲取。

同時(shí)，針對(duì)岸防武器系統(tǒng)其特殊的使用場(chǎng)景和使用條件，亦需要綜合選取合適的保障特性指標(biāo)計(jì)算方法。例如，對(duì)于某武器裝備，其保障特性的使用可用度A0，可采用以下算式計(jì)算：

其中:MTBF為平均故障間隔時(shí)間，MTTR為平均修復(fù)時(shí)間，ADT為后勤保障延誤時(shí)間。同時(shí)，亦可采用以下計(jì)算公式：

因此，需要選取合適的指標(biāo)特征計(jì)算方法，以構(gòu)建更加能夠表征裝備保障特性的特征參數(shù)。

2.2 保障特性綜合評(píng)估

通過(guò)對(duì)初擬的岸防武器系統(tǒng)裝備保障特性綜合評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行篩選和分解，構(gòu)建的岸防武器裝備保障特性綜合評(píng)估指標(biāo)體系，擬采用模糊層次法實(shí)現(xiàn)對(duì)保障特性的綜合評(píng)估計(jì)算。模糊層次分析法又稱為不確定型層次分析法(FAHP)，與確定型層次分析法(AHP)相對(duì)應(yīng)。保障特性評(píng)估中保障性能的影響因素包括固有設(shè)計(jì)屬性(如：測(cè)試性、可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)等)以及綜合性保障屬性(如：戰(zhàn)備完好性評(píng)價(jià)參數(shù)、費(fèi)用類參數(shù)等)等多個(gè)因素，這造成專家在評(píng)估時(shí)會(huì)出現(xiàn)難以確定權(quán)重的困難，并且權(quán)重又因?qū)＜业膶W(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不同而給出不同的判斷值，以上各方面的原因催生了模糊評(píng)估方法的發(fā)展。

模糊層次分析法首先把要解決的問(wèn)題分解成多個(gè)因素，建立層次結(jié)構(gòu)，再比較各因素間的相對(duì)重要性，通過(guò)判斷矩陣(這里的判斷矩陣因子是區(qū)間的形式)運(yùn)算，解決子問(wèn)題，最后做出最優(yōu)決策。整個(gè)分析流程如圖2所示。

圖2 模糊層次分析法流程圖

2.2.1 建立因素集

通常將實(shí)際問(wèn)題分解為多個(gè)因素后，得到由這些子問(wèn)題組成的因素集，根據(jù)因素集構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)——總目標(biāo)層(一級(jí))、指標(biāo)層(二級(jí))、子指標(biāo)層(三級(jí))、底指標(biāo)層等多個(gè)層次。

2.2.2 構(gòu)建成對(duì)判斷矩陣

因素集的因子兩兩進(jìn)行成對(duì)比較，得出因子判斷區(qū)間，假定模糊判斷矩陣為A，其因子Aik為區(qū)間的形式Aik=[aik,bik]，且有：

1)1/9

2)Aii=[1,1]

3)Aki=[aki,bki]=[1/bik,1/aik]

模糊矩陣A的第一層因子采用1～9標(biāo)度兩兩成對(duì)判斷構(gòu)造，從第二層開始運(yùn)用成對(duì)判斷構(gòu)造外，還需滿足Aii=[1,1]和Aki=[1/bik,1/aik]；

2.2.3 最優(yōu)權(quán)向量求解

不確定型判斷矩陣中各指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，權(quán)重向量可采用線性目標(biāo)規(guī)劃法、特征根法等計(jì)算得到。但是，基于上述得到的權(quán)重向量為區(qū)間值，只可用于解決多準(zhǔn)則決策問(wèn)題，而非最優(yōu)權(quán)向量，不能用于綜合評(píng)估保障特性，因此需要進(jìn)一步確定最優(yōu)權(quán)向量。依據(jù)區(qū)間判斷矩陣組成本義，專家給出的權(quán)重隱含于區(qū)間判斷矩陣中，且權(quán)向量和為1，當(dāng)原區(qū)間矩陣A與權(quán)向量構(gòu)成的判斷矩陣W差的平方和相離度最小時(shí)，該隱含權(quán)向量即是最優(yōu)權(quán)向量[9]。

2.2.4 計(jì)算模糊結(jié)果

根據(jù)各因素的評(píng)分和規(guī)定的隸屬函數(shù)計(jì)算得出模糊向量。這里采用梯形隸屬函數(shù)確定各等級(jí)的隸屬度，對(duì)于保障性能的等級(jí)隸屬函數(shù)可由圖3表示。

圖3 保障性能等級(jí)隸屬函數(shù)

兩類評(píng)分的交叉部分構(gòu)成模糊區(qū)間，類的隸屬度由其在模糊區(qū)間所占比例的大小劃分。將基于規(guī)則得到的檢測(cè)數(shù)的評(píng)分值轉(zhuǎn)化成模糊向量，用來(lái)進(jìn)行模糊評(píng)估。假設(shè)評(píng)分是78，那模糊向量即為(0,0.8,0.2,0,0)，如果評(píng)分為80，則在隸屬函數(shù)中居于二級(jí)區(qū)域(良好區(qū)域：85～80)，模糊向量是(0,1,0,0,0)，計(jì)算方法如下：

f(x)=

xmax為模糊區(qū)間最大值，xmin為模糊區(qū)間最小值，x為檢測(cè)評(píng)分。

2.2.5 得出綜合評(píng)判

由最底層的模糊結(jié)果和最優(yōu)權(quán)重(由模糊判斷矩陣計(jì)算得出的權(quán)重和專家經(jīng)驗(yàn)給出的權(quán)重)根據(jù)多層次結(jié)構(gòu)逐層計(jì)算上一級(jí)的模糊結(jié)果，最終求得一級(jí)模糊結(jié)果，然后作出最后決策。得出綜合評(píng)判的示意圖如圖4所示。

圖4 綜合評(píng)判示意圖

2.3 保障特性權(quán)衡分析

裝備的測(cè)試性及維修性與戰(zhàn)備的完好性等各類保障，其指標(biāo)的權(quán)衡與分配是達(dá)到特定要求下保障性能最優(yōu)的關(guān)鍵因素。一般地，裝備綜合保障的終極目標(biāo)是在可承受的壽命周期費(fèi)用內(nèi)，實(shí)現(xiàn)武器裝備的戰(zhàn)備完好、保證任務(wù)成功，達(dá)到持續(xù)作戰(zhàn)要求，從而滿足武器裝備平時(shí)與戰(zhàn)時(shí)的使用要求。因此武器裝備保障特性的評(píng)估指標(biāo)需體現(xiàn)裝備的戰(zhàn)備完好、任務(wù)成功、持續(xù)作戰(zhàn)和保障費(fèi)用等情況[10]。

通過(guò)對(duì)初擬的岸防武器系統(tǒng)裝備保障特性綜合評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行篩選和分解，構(gòu)建的岸防武器系統(tǒng)裝備保障特性綜合評(píng)估指標(biāo)體系，分析評(píng)估指標(biāo)與岸導(dǎo)武器系統(tǒng)綜合保障目標(biāo)之間的關(guān)系，構(gòu)建從目標(biāo)出發(fā)的裝備評(píng)估指標(biāo)與綜合保障目標(biāo)之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)裝備評(píng)估指標(biāo)與綜合保障特性平衡仿真分析工具，為裝備綜合保障特性計(jì)算、分配以及保障特性權(quán)衡提供建議。

圖5 裝備評(píng)估指標(biāo)與綜合保障目標(biāo)之間的關(guān)系模型示意

圖6 保障特性綜合評(píng)估與權(quán)衡示意

利用權(quán)衡分析工具，以某岸防裝備為例，開展保障特性評(píng)估與權(quán)衡分析驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)分析，該岸防裝備其保障特性目標(biāo)由持續(xù)作戰(zhàn)能力、平均戰(zhàn)備完好性、維修人力和保障費(fèi)用、任務(wù)成功性等四個(gè)維度決定。持續(xù)作戰(zhàn)能力又由再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間TTA(由平均維修時(shí)間TMT影響確定，TMT又由測(cè)試性綜合參數(shù)ST影響確定)、出動(dòng)架次率RSG共同決定(其又直接受再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間TTA影響)；平均戰(zhàn)備完好性由使用可用度A0影響決定，A0又由平均維修時(shí)間TMT、平均故障間隔時(shí)間TBF(受平均故障間隔運(yùn)行小時(shí)TFBF影響)共同影響決定；維修人力和保障費(fèi)用由評(píng)估故障間隔運(yùn)行小時(shí)TFBF以及持續(xù)作戰(zhàn)能力DA等確定；任務(wù)成功性由任務(wù)可靠度RM決定，RM由平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間TBCF影響(其可由平均故障間隔運(yùn)行小時(shí)TFBF)。根據(jù)以上分析指標(biāo)，對(duì)該系列10部岸防裝備進(jìn)行保障特性評(píng)估與權(quán)衡分析，其結(jié)果如表1所示，該保障特性評(píng)分基本可表征該型裝備的保障特性，權(quán)衡建議與實(shí)際較為契合，初步驗(yàn)證了本文保障特性綜合評(píng)估與權(quán)衡方法的可行性。

表1 某型岸防裝備保障特性評(píng)估與權(quán)衡結(jié)果指標(biāo)項(xiàng)

注：以上指標(biāo)均為歸一化后結(jié)果；權(quán)衡建議中的“↓”表示建議降低該指標(biāo)數(shù)值，“↑”表示建議對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行提升。

3 結(jié)論

針對(duì)岸防武器系統(tǒng)的保障特性，基于狀態(tài)的評(píng)估體系可有效管理其全壽命周期的使用維修數(shù)據(jù)，全面監(jiān)測(cè)、評(píng)估、診斷整個(gè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并且提供維修的策略及方法。改變?cè)u(píng)估模型及算法，本研究的成果能夠廣泛應(yīng)用在其它海軍武器系統(tǒng)的使用、貯存等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合診斷及健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，這對(duì)視情維修、精確保障具有重要的指導(dǎo)意義。