基于多智能體的艦船裝備健康狀態(tài)仿真評(píng)估方法

丁善婷 王 淼 董正瓊 聶 磊

1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢，4300682湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430068

0 引言

艦船是一種典型的多任務(wù)、多系統(tǒng)特征的大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)，其健康狀態(tài)對(duì)裝備的任務(wù)成功性及其總體效能發(fā)揮具有重要影響[1]。隨著裝備系統(tǒng)集成化、信息化程度的提高，開(kāi)展艦船裝備健康狀態(tài)評(píng)估，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地為艦船的使用、管理提供決策依據(jù)，對(duì)確保艦船安全可靠運(yùn)行具有重要意義。目前常用的健康度評(píng)估方法有模型驅(qū)動(dòng)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等。其中，模型驅(qū)動(dòng)是對(duì)裝備按層級(jí)分析的原理進(jìn)行深入研究而設(shè)計(jì)的一種物理模型[2-3]。多智能體仿真建模技術(shù)[4-7]作為一種模型驅(qū)動(dòng)健康度評(píng)估方法，通過(guò)各智能體間的通信、合作、管理和控制，客觀(guān)表達(dá)裝備多任務(wù)、多系統(tǒng)參與的復(fù)雜過(guò)程，在復(fù)雜裝備基于任務(wù)的健康度仿真評(píng)估研究方面具有優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合多智能體技術(shù)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)性能及總體效能評(píng)估等方面進(jìn)行了大量研究。FENG等[8]基于多智能體建立了考慮機(jī)器故障處理、人為錯(cuò)誤、環(huán)境干擾、維護(hù)和重建信息等機(jī)制下的復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)(complex human-machine system，CHMS)性能和可靠性綜合評(píng)估分析方法?？芰Φ萚9]采用多智能體的仿真方法對(duì)裝備保障體系進(jìn)行建模和仿真，對(duì)保障資源進(jìn)行合理的運(yùn)籌，使裝備獲得及時(shí)、有效而經(jīng)濟(jì)的保障，從而充分發(fā)揮裝備的效能。RAJPUT等[10]提出了一種新的體系結(jié)構(gòu)，支持基于智能體的分布式系統(tǒng)解決故障恢復(fù)方面的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)性。REN等[11]基于多智能體建立了艦船指揮控制的基本流程，為未來(lái)艦船指控系統(tǒng)的智能化發(fā)展提供了參考。申瑩等[12]基于多智能體技術(shù)探究了面向任務(wù)環(huán)境的裝備系統(tǒng)可靠性仿真機(jī)理，研究不同環(huán)境條件下的系統(tǒng)可靠性特征，為構(gòu)建通用、實(shí)用的系統(tǒng)可靠性理論奠定了基礎(chǔ)。上述文獻(xiàn)采用多智能體技術(shù)，從可靠性、維修性、保障性、任務(wù)成功性等角度對(duì)艦船裝備效能進(jìn)行了研究，但對(duì)艦船所處動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境對(duì)裝備健康狀態(tài)影響，及間接對(duì)艦船任務(wù)成功產(chǎn)生的影響考慮不足。海洋環(huán)境對(duì)艦船執(zhí)行任務(wù)的影響主要體現(xiàn)在以下方面：加速艦船裝備的性能退化，結(jié)構(gòu)損壞、功能喪失以及降低維修人員維修效率等[13]，因此考慮環(huán)境因子對(duì)艦船執(zhí)行任務(wù)的影響能更為真實(shí)、客觀(guān)地評(píng)估艦船裝備的健康狀態(tài)以及任務(wù)成功性。

本文以艦船裝備為對(duì)象，提出利用多智能體仿真建模方法，建立了一種考慮環(huán)境動(dòng)態(tài)影響的“任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”的裝備健康狀態(tài)評(píng)估模型。結(jié)合典型示例進(jìn)行仿真建模驗(yàn)證，為艦船裝備的論證和研制工作提供技術(shù)支持。

1 健康狀態(tài)評(píng)估模型

艦船裝備映射的多智能體系統(tǒng)是典型的層級(jí)式組織結(jié)構(gòu)[14]，分析艦船執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程，構(gòu)建其“任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”動(dòng)態(tài)交互模型并將其映射成多智能體系統(tǒng)。多智能體系統(tǒng)中(MAS)包括“任務(wù)智能體群(task agents，TAs)”“裝備智能體群(machine agents，MAs)”“維保智能體(maintenance agents，MtAs)”及“環(huán)境智能體(environment agent，EA)”，即

MAS={EA，TAs，MAs，MtAs}

(1)

任務(wù)智能體群(TAs)向裝備智能體群(MAs)發(fā)布任務(wù)，裝備智能體群中上層艦船智能體(machine agent，MA)將任務(wù)分解并分配到下層子系統(tǒng)智能體(subsystem agent，SA)及部件智能體(part agent，PA)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)智能體成員僅與前驅(qū)和后繼智能體節(jié)點(diǎn)通信和信息交互，多智能體系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相互通信機(jī)制如圖1所示。

圖1 “任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”相互作用示意圖Fig.1 “Mission-equipment-maintenance-environment” interaction diagram

任務(wù)智能體群(TAs)作為最高層智能體，模擬艦船“多任務(wù)”的特征，包括艦船裝備任務(wù)要求確定、任務(wù)分配以及任務(wù)結(jié)束后健康狀態(tài)及任務(wù)成功率評(píng)估。

裝備智能體群(MAs)用于模擬艦船在執(zhí)行任務(wù)全程的運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化情況。根據(jù)艦船中各部分功能不同，將其分解為“艦船(MA)-子系統(tǒng)(SA)-部件(PA)”三層嵌套結(jié)構(gòu)，艦船裝備的“多狀態(tài)”由MA的狀態(tài)集體現(xiàn)，即

State(MA)={待機(jī)，正常，退化，故障}

(2)

各層級(jí)之間的狀態(tài)傳遞主要有兩種形式，一是“艦船”向“部件”由上至下的工作狀態(tài)傳遞方式；二是“部件”向“艦船”由下至上的健康狀態(tài)及故障邏輯傳遞方式，各層級(jí)之間以可靠性框圖的形式相互聯(lián)系，底層部件健康狀態(tài)變化將直接或間接導(dǎo)致艦船系統(tǒng)狀態(tài)變化，若部件失效，則觸發(fā)PA與MtA的通信機(jī)制。

“多狀態(tài)”艦船裝備完成任務(wù)的基礎(chǔ)是有維修保障機(jī)制的支持，維保智能體(MtA)的狀態(tài)集如下：

State(MtA)={待機(jī)，修復(fù)性維修，備件更換}

(3)

保障數(shù)據(jù)庫(kù)(Sr)時(shí)刻為維修機(jī)制提供資源支持，包括維修需要的時(shí)間、人員、工具、備品備件等。

環(huán)境智能體(EA)用于模擬影響艦船裝備執(zhí)行任務(wù)的海洋環(huán)境，構(gòu)建海洋環(huán)境因子，包括溫度、濕度、風(fēng)浪、空氣環(huán)境等多種因素，按照GJB 4000-2000對(duì)海況進(jìn)行分級(jí)(0～9級(jí)海況)，綜合描述海洋環(huán)境對(duì)艦船裝備壽命以及艦員級(jí)故障裝備維修時(shí)間的影響。

基于“任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”模型構(gòu)建艦船多智能體系統(tǒng)，開(kāi)展多任務(wù)多階段多系統(tǒng)的裝備健康狀態(tài)評(píng)估。

2 多智能體系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建

艦船復(fù)雜性由多智能體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)則、行為體現(xiàn)。分別對(duì)任務(wù)智能體群(TAs)、裝備智能體群(MAs)、維保智能體(MtA)以及環(huán)境智能體(EA)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為規(guī)則進(jìn)行構(gòu)建。

2.1 任務(wù)智能體群

艦船裝備執(zhí)行任務(wù)是一個(gè)典型的“多階段、多系統(tǒng)”工作過(guò)程。定義任務(wù)智能體群TAs={TA1，TA2，…，TAj，…，TAm}，m表示艦船需要執(zhí)行的任務(wù)階段數(shù)量；對(duì)每個(gè)任務(wù)階段的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行分析，則任務(wù)階段智能體TAj可表示為

任務(wù)階段智能體(TAj)=〈輸入集(X)，輸出集(Y)，任務(wù)分配規(guī)則〉

(4)

任務(wù)智能體(TA)任務(wù)分配應(yīng)滿(mǎn)足完整性的原則，可以是任務(wù)功能意義上的完整，也可以是內(nèi)容意義上的完整，即應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足

TA=TA1∪TA2∪…∪TAm

(5)

2.2 裝備智能體群

裝備智能體群(MAs)作為任務(wù)成功性與健康狀態(tài)評(píng)估的主體研究對(duì)象，其內(nèi)部為“艦船(MA)-子系統(tǒng)(SA)-部件(PA)”的三層嵌套結(jié)構(gòu)。建立艦船裝備整體的健康度數(shù)學(xué)模型，對(duì)環(huán)境影響下的艦船裝備任務(wù)成功性及健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

2.2.1裝備狀態(tài)變化機(jī)制

艦船裝備(MA)由n個(gè)不同功能的子系統(tǒng)(SA)構(gòu)成，其中子系統(tǒng)(Si)有q種性能狀態(tài)。任意一個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)變化都會(huì)引起艦船裝備的性能狀態(tài)變化，因此在任務(wù)過(guò)程中的某一時(shí)刻t，裝備健康狀態(tài)M(t)受子系統(tǒng)性能狀態(tài)Si(t)的影響，即

M(t)={S1(t)，S2(t)，…，Sn(t)}

(6)

Si(t)∈Si={Si1，Si2，…，Siq}

(7)

艦船裝備子系統(tǒng)的狀態(tài)變化受其部件(PA)的影響，通過(guò)各子系統(tǒng)的可靠性框圖可確定部件與子系統(tǒng)之間的狀態(tài)變化邏輯。例如，艦船某子系統(tǒng)(Si)由k個(gè)部件組成，其可靠性框圖如圖2所示[16]。

圖2 艦船裝備某子系統(tǒng)可靠性框圖Fig.2 Block diagram of reliability of a subsystem of naval equipment

用pik表示第k個(gè)部件的狀態(tài)值，其運(yùn)行狀態(tài)集為

State(PA)={正常，非致命性故障，致命性故障}

(8)

則部件k的狀態(tài)值pik為

(9)

其中，非致命性故障定義為艦船執(zhí)行任務(wù)階段部件發(fā)生的可修復(fù)故障，此類(lèi)故障的發(fā)生時(shí)間用平均故障間隔時(shí)間(mean time between failure，MTBF)表示；致命性故障定義為在艦船執(zhí)行任務(wù)階段設(shè)備發(fā)生的限于條件而不可修復(fù)的故障，這類(lèi)故障的發(fā)生對(duì)艦船完成任務(wù)有直接影響，其故障發(fā)生時(shí)間用平均致命性故障間隔時(shí)間(mean time between critical failure，MTBCF)表示。

基于圖2所示的子系統(tǒng)(Si)可靠性框圖的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)分析，其性能狀態(tài)Si(t)可表示為

Si(t)=Φ(pi1，pi2，…，pik)=

(pi3pi4+pi3pi5+pi4pi5)(pi1+pi2)pi6pi7pi8

(10)

Si(t)≥1表示子系統(tǒng)(Si)處于“正?！睜顟B(tài)；0

裝備以及子系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因?yàn)槠洳考a(chǎn)生故障或失效，當(dāng)仿真抽樣部件狀態(tài)變化時(shí)，假設(shè)各部件平均故障間隔時(shí)間服從指數(shù)分布，采用隨機(jī)抽樣的方法確定，記為

(11)

(12)

2.2.2裝備整體的健康度數(shù)學(xué)模型

正常工作條件下部件的失效是一個(gè)耗損的過(guò)程，因此以部件的正常工作時(shí)間定義其基本健康度為

(13)

在“艦船(MA)-子系統(tǒng)(SA)-部件(PA)”嵌套結(jié)構(gòu)中，故障/健康狀態(tài)的傳遞邏輯由部件(PA)向上傳遞。

假設(shè)艦船裝備子系統(tǒng)(Si)為一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)健康度Hi可表示為

(14)

若為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，則子系統(tǒng)(Si)健康度Hi可表示為

(15)

若為3/2表決結(jié)構(gòu)，則子系統(tǒng)(Si)健康度Hi可表示為

Hi=hi1hi2hi3+(1-hi1)hi2hi3+(1-hi2)hi1hi3+

(1-hi3)hi1hi2

(16)

子系統(tǒng)(Si)若為混聯(lián)結(jié)構(gòu)，則健康度Hi可表示為

Hi=hshphv

(17)

其中，hs為串聯(lián)結(jié)構(gòu)健康度；hp為并聯(lián)結(jié)構(gòu)健康度；hv為表決結(jié)構(gòu)健康度。經(jīng)上述分析，可靠性如圖2所示的子系統(tǒng)(Si)的健康度Hi可表示為

Hi=[1-(1-hi1)(1-hi2)]hi6hi7hi8·

[hi3hi4hi5+(1-hi3)hi4hi5+(1-hi4)hi3hi5+

(1-hi5)hi3hi4]

(18)

當(dāng)子系統(tǒng)的功能失效時(shí)，表現(xiàn)為系統(tǒng)故障，進(jìn)而影響任務(wù)成功性。當(dāng)艦船裝備各系統(tǒng)之間表現(xiàn)為純串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，健康度(H)為各子系統(tǒng)的最小值，其表達(dá)式為

H=min{H1，H2，…，Hn}

(19)

2.3 維保機(jī)制

艦船裝備的維修保障機(jī)制由多智能體系統(tǒng)中的維保智能體(MtA)實(shí)現(xiàn)，艦船裝備中n個(gè)不同功能的子系統(tǒng)智能體(SA)對(duì)應(yīng)n個(gè)維保智能體，可表示為

維保智能體(MtA)=〈保障資源數(shù)據(jù)庫(kù)(Sr)，維修保障規(guī)則〉；

保障資源數(shù)據(jù)庫(kù)(Sr)包括維修時(shí)間(tM)、維修人員數(shù)量(nP)、維修工具數(shù)量(nT)、備品備件數(shù)量(nS)和備件更換時(shí)長(zhǎng)(tS)，則保障資源數(shù)據(jù)集(Sr)可表示為

Sr={tM，nP，nT，nS，tS}

(20)

維保智能體(MtA)與故障部件動(dòng)態(tài)交互的維修保障規(guī)則如圖3所示。子系統(tǒng)(Si)內(nèi)的故障部件觸發(fā)維保智能體(MtA)由“待機(jī)”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽?zhǔn)備維修”狀態(tài)，維修保障機(jī)制實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)部件按照故障發(fā)生的時(shí)間順序依次進(jìn)入維修隊(duì)列，并依次進(jìn)行保障資源充足性判定，若資源充足，則進(jìn)入“維修”狀態(tài)，保障資源庫(kù)中相應(yīng)資源數(shù)量減少；若資源不充足，則故障部件處于“等待維修”狀態(tài)不變，定時(shí)發(fā)送資源充足性判定請(qǐng)求，直到資源充足進(jìn)入“維修”狀態(tài)。

(2)故障部件進(jìn)入“維修”狀態(tài)后，會(huì)按照是否需要更換備件分為“修復(fù)性維修”和“備件更換”狀態(tài)，在經(jīng)歷平均故障間隔時(shí)間(MTTR)之后，部件恢復(fù)正常狀態(tài)。

(3)故障部件維修完成，離開(kāi)維修隊(duì)列，并歸還維修中使用的維修人員、維修工具至保障資源庫(kù)。

圖3 維修行為規(guī)則示意圖Fig.3 Schematic diagram of maintenance behavior rules

(4)所有故障部件維修完成，維修隊(duì)列為空時(shí)，維修完成，維保智能體(MtA)進(jìn)入“待機(jī)”狀態(tài)，返回步驟(1)。

2.4 環(huán)境智能體

環(huán)境智能體模擬艦船執(zhí)行任務(wù)所處的海洋環(huán)境，所有的艦船子系統(tǒng)均處于相同的環(huán)境中，環(huán)境智能體可表示為：環(huán)境智能體(EA)=〈知識(shí)庫(kù)(Q)，規(guī)則庫(kù)，通信機(jī)制〉；知識(shí)庫(kù)(Q)表示環(huán)境智能體(EA)所擁有知識(shí)的集合，主要是影響艦船裝備執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境因子集；規(guī)則庫(kù)規(guī)定環(huán)境智能體(EA)的行為規(guī)則，即知識(shí)庫(kù)中影響因子對(duì)艦船執(zhí)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)量化影響規(guī)則；通信機(jī)制作為通道，保證環(huán)境智能體(EA)與其他智能體之間的動(dòng)態(tài)交互，以模擬環(huán)境對(duì)艦船執(zhí)行任務(wù)的影響。

2.4.1知識(shí)庫(kù)

參照GJB 4000-2000，環(huán)境因子中對(duì)艦船任務(wù)期間的健康狀態(tài)影響較大的主要有：風(fēng)Qwind、海浪Qwave、能見(jiàn)度Qvisi、溫度Qtemp以及濕度Qhumi等。則環(huán)境因子知識(shí)庫(kù)Q可表示為

Q={Qwind，Qwave，Qvisi，Qtemp，Qhumi}

(21)

將海況劃分為0～9級(jí)海況，不同海況等級(jí)下風(fēng)速、浪高及能見(jiàn)度等級(jí)劃分詳見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)GJB 4000-2000中的表072-2、表072-3以及表072-5。

2.4.2規(guī)則庫(kù)

對(duì)于知識(shí)庫(kù)中不同量綱的海洋環(huán)境因子，采用Sigmoid型函數(shù)進(jìn)行歸一化擬合，將0～9級(jí)海況作為海洋環(huán)境的輸入條件[17]。知識(shí)庫(kù)(Q)中環(huán)境因子的影響效用函數(shù)πi為

(22)

其中，Nst為海況級(jí)別，取值范圍為 0～7；A、B為常數(shù)，取值見(jiàn)表1[18]；則2.4.1節(jié)中提到的環(huán)境因子影響效用集(Π)可表示為

Π={πwind，πwave，πvisibi，πtemp，πhumi}

(23)

表1 海況等級(jí)對(duì)應(yīng)的常系數(shù)A、B值Tab.1 Values of constant coefficients A、B corresponding to sea state levels

資料顯示，當(dāng)海面波高達(dá)到2 m海況且等級(jí)為5級(jí)左右時(shí)，離靠漂(錨)泊艦船的操縱就變得十分困難。海面風(fēng)速達(dá)到8級(jí)海況且等級(jí)為7級(jí)時(shí)，艦船就容易發(fā)生危險(xiǎn)，因此將5級(jí)海況定為高風(fēng)險(xiǎn)海況，將7級(jí)海況定為極限海況。

(24)

在正態(tài)分布Nst～N(μst，σ2)中，均值μst表示艦船執(zhí)行任務(wù)時(shí)的平均海況等級(jí)，可取0～7級(jí)；方差σst決定正態(tài)分布曲線(xiàn)的形狀，表征隨機(jī)變量Nst的離散程度，由于每級(jí)海況相差1級(jí)，故σst取0.5。

2.4.3通信機(jī)制

環(huán)境智能體(EA)具備多個(gè)MessageOut信息接口，用于實(shí)現(xiàn)與裝備智能體群(MAs)以及維保智能體(MtA)的動(dòng)態(tài)交互，其通信規(guī)則用于模擬環(huán)境對(duì)艦船裝備性能以及維修保障效能的影響。

(1)環(huán)境因子權(quán)重。采用層次分析法確定知識(shí)庫(kù)(Q)各環(huán)境因子對(duì)裝備性能以及維修保障效率的影響權(quán)重，即

(25)

(26)

(2)環(huán)境因子對(duì)裝備性能影響。基于上述分析，環(huán)境因子對(duì)裝備性能的綜合影響可表示為

(27)

假設(shè)艦船裝備中部件故障率服從指數(shù)分布，其故障率函數(shù)滿(mǎn)足

z(t)=f(t)/R(t)=λexp(-λt)/exp(-λt)=λ

(28)

在環(huán)境因子πP的綜合影響下，故障率函數(shù)可寫(xiě)成

z*(t)=πPz(t)=πPλ

(29)

則受環(huán)境的影響，式(11)和(12)將變?yōu)?/p>

(30)

(31)

(3)環(huán)境因子對(duì)維修保障影響。環(huán)境因子對(duì)艦員維修保障效率的綜合影響可表示為

(32)

3 多智能體系統(tǒng)仿真流程

3.1 基本假設(shè)

建立艦船裝備健康評(píng)估多智能體系統(tǒng)時(shí)，需要做以下假設(shè)：同類(lèi)型部件故障產(chǎn)生邏輯相同；描述艦船裝備中部件的典型狀態(tài)；維修保障機(jī)制中備品備件均為消耗型資源，且不考慮在任務(wù)階段中補(bǔ)充。

3.2 仿真流程

采用多智能體建模方法，對(duì)環(huán)境影響下的艦船裝備健康狀態(tài)及任務(wù)成功性進(jìn)行仿真評(píng)估，其仿真流程如圖4所示。步驟如下。

(1)“任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”多智能體系統(tǒng)內(nèi)部邏輯搭建，其中，環(huán)境智能體主要建立海洋環(huán)境

圖4 多智能系統(tǒng)仿真流程Fig.4 Multi-agent system simulation flow

中海風(fēng)、海浪、能見(jiàn)度、溫度以及濕度等因子的動(dòng)態(tài)影響規(guī)則，系統(tǒng)需要輸入各影響因子的變化范圍以及模擬的海況等級(jí)；“任務(wù)-裝備-維保”建模用于模擬艦船裝備執(zhí)行任務(wù)時(shí)的各種邏輯：①任務(wù)分配邏輯；②裝備健康狀態(tài)變化邏輯；③裝備故障變化邏輯；④底層部件的故障產(chǎn)生邏輯，系統(tǒng)需輸入任務(wù)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)以及底層部件的可靠性、維修性、保障性等相關(guān)參數(shù)。

(2)多智能體系統(tǒng)內(nèi)部搭建完成后仿真運(yùn)行，循環(huán)模擬艦船裝備執(zhí)行任務(wù)的實(shí)際過(guò)程，其具體過(guò)程如下：①系統(tǒng)初始化并設(shè)置循環(huán)仿真次數(shù)；②系統(tǒng)運(yùn)行，艦船裝備出航執(zhí)行任務(wù)過(guò)程仿真，模擬海洋環(huán)境影響下的艦船裝備健康狀態(tài)變化、維修過(guò)程以及故障隨機(jī)產(chǎn)生邏輯；③系統(tǒng)判斷任務(wù)時(shí)間是否結(jié)束，判定依據(jù)為是否到達(dá)規(guī)定任務(wù)時(shí)間；④若單次任務(wù)結(jié)束，累加仿真次數(shù)；若單次任務(wù)未結(jié)束，則返回步驟②；⑤系統(tǒng)循環(huán)仿真，仿真次數(shù)持續(xù)累加，判斷其是否達(dá)到規(guī)定仿真次數(shù)，若達(dá)到規(guī)定仿真次數(shù)，則仿真結(jié)束；若未到達(dá)規(guī)定仿真次數(shù)，則返回步驟②。

(3)系統(tǒng)循環(huán)仿真結(jié)束后，輸出裝備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)以及任務(wù)成功性相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出相關(guān)結(jié)論。

4 應(yīng)用示例

以某艦動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行巡航任務(wù)為例進(jìn)行仿真建模，對(duì)其在海洋環(huán)境影響下的健康狀態(tài)任務(wù)成功性進(jìn)行評(píng)估。

(1)環(huán)境影響效用值及影響權(quán)重確定?；诤Ｑ蟓h(huán)境因子影響效用函數(shù)建立方法，建立艦船動(dòng)力系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估的各影響因子效用函數(shù)，并確立其在不同海況下效用值，見(jiàn)表2。

采用層次分析法AHP確定艦船動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行巡航任務(wù)時(shí)海洋環(huán)境影響因子對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)各部件平均故障間隔時(shí)間(MTBF)以及平均維修間隔

表2 不同海況影響因子效用值Tab.2 Utility values of factors influenced by different sea states

時(shí)間(MTTR)的影響權(quán)重。

(2)艦船裝備底層參數(shù)輸入及任務(wù)設(shè)定。動(dòng)力系統(tǒng)中包括柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、監(jiān)控這邊、輔助設(shè)備、減速設(shè)備、軸系以及螺旋槳等部件，其可靠性框圖見(jiàn)圖3。動(dòng)力系統(tǒng)中各部件的可靠性、維修性、保障性等參數(shù)取自文獻(xiàn)[19]，見(jiàn)表3。設(shè)規(guī)定的巡航任務(wù)時(shí)間(T0)為160 h，規(guī)定巡航里程為3200 n mile，艦船裝備規(guī)定最大航速為35 kn。

仿真工具采用Anylogic(仿程序略)，輸入上述相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估系統(tǒng)仿真運(yùn)行，設(shè)置多次循環(huán)仿真次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，分別輸出0級(jí)(靜水)、5級(jí)(高風(fēng)險(xiǎn)海況)以及7級(jí)海況(極限海況)下，考慮風(fēng)速、海浪、能見(jiàn)度環(huán)境因子影響的艦船動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的健康度以及任務(wù)成功率。運(yùn)行結(jié)果顯示，仿真次數(shù)定為500時(shí)，輸出結(jié)果已穩(wěn)定，如圖5所示，繼續(xù)增加仿真次數(shù)，其差異可以忽略不計(jì)，可認(rèn)為仿真結(jié)果已收斂。

結(jié)果表明，在0級(jí)海況下(靜水中)，艦船動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行巡航任務(wù)的任務(wù)成功率為98.3%，裝備平均健康度為0.946；5級(jí)海況下，其任務(wù)成功率為96.0%，裝備平均健康度為0.907，與靜水中動(dòng)力系統(tǒng)的任務(wù)成功率和平均健康度相差不大；系統(tǒng)仿真模擬7級(jí)海況下，對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其任務(wù)成功率為42.9%，平均健康度為0.655，相比0級(jí)海況，任務(wù)成功率下降55.4%，

表3 某艦船裝備動(dòng)力系統(tǒng)各部件可靠性、維修性、保障性參數(shù)Tab.3 Reliability，maintainability and supportability parameters of each component of the power system of a ship’s equipment

(a)動(dòng)力系統(tǒng)任務(wù)成功率

(b)動(dòng)力系統(tǒng)健康度圖5 不同海況等級(jí)下艦船動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of ship's power system under different sea state levels

平均健康度下降0.328，量化評(píng)估結(jié)果與專(zhuān)家定性評(píng)估結(jié)果趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

(1)基于多智能體技術(shù)建立的“任務(wù)-裝備-維保-環(huán)境”于一體的裝備健康狀態(tài)仿真評(píng)估模型，通過(guò)各智能體間的通信、合作、管理和控制，合理考慮了裝備運(yùn)行過(guò)程中各種復(fù)雜的因素影響，客觀(guān)表達(dá)了裝備實(shí)際運(yùn)行時(shí)多任務(wù)、多系統(tǒng)參與的復(fù)雜過(guò)程。

(2)分別構(gòu)建多智能體系統(tǒng)中的任務(wù)智能體、裝備智能體和維保智能體，同時(shí)構(gòu)建環(huán)境智能體內(nèi)部規(guī)則以反映環(huán)境因子對(duì)艦船裝備執(zhí)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)影響，較為合理地量化評(píng)估考慮了環(huán)境多因素影響的艦船裝備的健康狀態(tài)。

(3)以某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)為例，對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，5級(jí)海況下艦船動(dòng)力系統(tǒng)的平均健康度和任務(wù)成功率與0級(jí)海況下(靜水中)相差不大，體現(xiàn)了其動(dòng)力系統(tǒng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性；在7級(jí)海況下，動(dòng)力系統(tǒng)平均健康度和任務(wù)成功率相比0級(jí)海況下分別降低32.8%和55.4%，量化評(píng)估結(jié)果與專(zhuān)家定性評(píng)估結(jié)果趨勢(shì)一致。該方法較為合理地量化評(píng)估了考慮環(huán)境多因素影響的艦船裝備的健康狀態(tài)，為艦船裝備的論證與研制工作提供了技術(shù)支持。