艦船裝備生命力與安全狀態評估體系構建研究

1 引 言

隨著艦船裝備現代化程度不斷提高，提高其生命力的要求也越來越高[1]。艦船生命力是艦船的綜合性能,艦船裝備生命力和安全性研究更是一項極其復雜并受到多種因素影響的系統性工程。在作戰環境下艦船面臨來自空中、水面和水下等各種常規武器的攻擊，艦船受損屬非常狀態。為了保證艦船裝備在海上安全使用及發生故障戰損后的安全和提高艦船生命力，需要建立一個科學完善的艦船安全狀態評估體系[2]。

現代科學技術不斷進步，安全技術也不斷發展、更新，大大增強了人類控制不安全因素的能力。但是實踐告訴我們,世界上任何事物都不可能做到絕對安全,安全性設計就是要把危險(即可能出現的事故)降低至可接受的水平[3]。隨著安全檢測與信息處理技術的發展，艦船裝備安全狀態評估方法也有了新的發展，傳統經驗式安全評估的弊端已日益明顯，智能化安全狀態評估已得到了高度的重視。

2 艦船裝備生命力與安全性

艦船裝備生命力是一個龐大的復雜系統，要保持其良好的技術狀態，發揮其應有的戰斗力，必須在裝備的全壽期服役過程中進行科學的使用和維護，從而確保其處于良好的狀態，保障艦船裝備生命力。

安全性一向是各類艦船至關重要的性能。艦船安全性是指在研制各階段中，以使用效能、時間和費用為約束條件，運用工程管理的原則和專業技術，識別、評價、消除或控制危險的能力。

在第二次世界大戰后期，一些國家開始系統地研究安全性概念和安全性保障技術，并將安全性保障技術應用到武器裝備的研制、生產和使用中。近年來，國外在基于安全性進行艦船設計方面也取得了進展，利用綜合安全性評估(FSA)方法制定出的艦船風險評估方法，已經能夠用于艦船設計工作。FSA是一種在工程技術與工程運行管理中，用于制定合理可行的規則和提供風險控制的綜合性、結構化、系統性和可行性的分析辦法，也是系統安全評價思想和程序的優化整合。通過系統工程的方法,考察各系統組成要素的相互作用以及對艦船事故發生發展的影響,作出對整個艦船事故的安全性能評估[4]。運用安全系統工程方法，將安全性和生命力結合起來開展專項技術研究，解決重大的安全問題。如美國海軍研究實驗室(NRL)下設的“安全性與生命力技術中心”在“尼米茲”號事故后， 開展過航母飛行甲板消防對策和設備鑒定試驗專項研究，為評價CVNX損管系統和驗證CVNX機庫及彈庫的消防措施，正在開展真實火災試驗與評價工作。

目前， 國內外的艦船安全技術已經朝著智能化的方向發展。對于未來艦船裝備生命力和安全性來說，主要要解決的問題有：減少由于對人員配置相對較高的需求引起的艦船全壽期費用的居高不下；提高損害管制行動的效率和效果。智能化艦船的損管系統應該是以先進傳感技術、無線傳輸技術、智能決策技術和先進損管技術為核心的實時艦船安全狀態管理系統[5]。

3 艦船裝備安全狀態評估存在的問題

目前， 國內外艦船生命力和安全狀態評估方法主要有：作圖分析計算法及邏輯代數組合法；蒙特卡洛隨機模擬—層次分析法；損傷樹分析法；三維網絡破損失效概率法；加權模糊評估法等[6]。艦船裝備安全狀態評估根本任務是掌握裝備系統的運行狀態和使用情況，采用各種測量、分析和判斷方法，并結合歷史狀況來定量識別裝備及其部件的實時技術狀態。常見的系統評價模型有函數型、邏輯型、檢查表型等。函數型評價模型主要是通過對對象的統計回歸，找到其性能表征參數和狀態之間的函數關系。邏輯型評價模型主要采用故障樹、模糊邏輯等表達方法,是一種結構清晰、關系嚴密的評價模型。檢查表法的實質是將評價系統范圍內影響其狀態的組成因素加以排列,然后逐一評價。這類評價方法操作比較簡單,其缺點是對組成因素間結構關系的揭示不夠明確。對于裝備的安全技術狀態評估主要存在以下幾個方面的問題:

1) 效能評估指標的無限定性

艦船裝備可評價的參數指標很多，選擇不同的評估指標會得到不同的評估結果，這些結果之間缺乏對比性。所選擇的指標不夠，就不能反映系統的全面特性，或者所選指標過于龐大，不利于評估。對于一個復雜的系統，首先要建立一個合理的評估指標體系，這樣才能對系統的綜合效能進行全面的評估。

2) 評估標準非標準化

由于對系統狀態的理解不一，不同的人有著不同的觀點，標準不統一；而且這種評估標準的非標準化、多元化造成的一個直接結果就是評估過程中主觀因素太多。

3) 評估過程的不可重復性

如果評估過程不具有可重復性，不能很好地反映系統發生發展變化和演化的規律，就會使評估結果失去必然性，也會極大地降低評估結果的可信度。

為此，艦船裝備安全狀態評估模型需要能夠科學、完整并且正確地反映評價系統所處狀態的內在本質規律，能夠反映評價系統狀態的實質要素及其相互之間的關聯狀態,盡量做到簡單、經濟和實用必須滿足某些要求[7],如圖1所示。

圖1 安全狀態評估過程模型范例

為此，為了能更好地開展實施裝備安全狀態評估，必須要能科學地反映評價系統狀態組成因素及其相互之間的結構關系。在確定評價系統狀態構成要素的基礎上,正確地分析構成要素之間的結構關系是衡量該評價模型優劣的重要依據，是完整地描述評價系統狀態程度的度量指標。其次，要具有正確地反映評價系統狀態及其因素狀態程度的確定途徑，并在此基礎上尋找科學地對評價系統狀態構成要素的特征進行合成處理的技術方法。

4 艦船裝備智能化狀態安全評估平臺設計

針對各級艦船質量管理部門需求，確定基于艦船裝備狀態評估決策支持系統的主要功能，可輔助決策者分析設備的狀態變化情況、發現當前問題、預測將來發展趨勢，作出相應的決策。將系統按照功能模塊劃分，主要提供如下功能：

1) 數據預處理，即進行數據凈化，檢測沖突；

2) 建立數據集合，即根據不同的評估對象，裝載多種格式的數據，并對數據進行歸約、數據綜合力度劃分、數據綜合管理；

3) 建立數據的多維邏輯分析模型，提供多維視圖；

4) 知識的可視化工具,提供設備狀態信息和決策工具。

數據倉庫是在數據庫的基礎上提出的一種能進行有效、快速分析的數據管理技術,是支持管理決策過程的、面向主題的、集成的、與時間有關的、持久的數據集合；而信息融合和數據挖掘技術是信息處理領域前沿的技術。所謂信息融合就是利用計算機技術將來自多源的信息和數據,在一定準則下加以自動分析和綜合,以完成所需要的決策和估計而進行的信息處理過程[8]。信息融合方法按其融合算法的不同,主要可分為:貝葉斯定理信息融合故障診斷方法;模糊信息融合故障診斷方法;DS證據理論信息融合故障診斷方法;神經網絡信息融合故障診斷方法;集成信息融合故障診斷方法等。數據挖掘則致力于知識的自動發現，以數據倉庫中的大量數據為基礎，自動地發現數據中的潛在模式，并以這些模式為基礎自動進行預測。因此，綜合運用信息融合和數據挖掘理論，構建了艦船裝備智能化安全狀態評估平臺,并在此基礎上建立艦船裝備智能化的安全狀態監測平臺[9]。

艦船裝備智能化狀態評估平臺的設計，充分結合了信息融合和數據挖掘的長處，其組成框圖如圖2所示。

圖2 艦船裝備智能化安全狀態評估平臺

信息融合體系中，數據層融合的主要功能是對匹配的傳感器數據直接融合，而后對融合的數據進行特征提取和狀態屬性說明。數據挖掘通過對數據倉庫的知識積累，可以對信息的輸入進行選擇，發現各信息的權重，剔除對最終評估結果貢獻不大的信息，減少冗余信息，并能提高評估精度。

特征層融合需要檢測層的融合結果,同時需要有關描述對象評估知識的融合結果。評估知識的來源主要是各種先驗的各種知識,為此可以通過數據采掘系統得到有關對象運行的新的知識,例如規則、分類、分簇和序列匹配等。對照已建立的假設(已知的評估模式),對觀測量進行檢驗,以確定哪一種評估假設與觀測量匹配。

在決策層融合時,不同信息處理模塊各自給出推理結果，完成評估艦船裝備狀態的初步結論及決策層融合判決，最終獲得聯合推斷結果。然后加以融合決策,數據挖掘技術可以用于決策器的建模。同時,對策使用后,其典型案例仍是寶貴的經驗,要存入數據庫，通過必要的數據采掘為以后的決策融合作必要的準備。數據挖掘是系統中的重要一環，其結果直接影響決策。通過自動分析數據，對它們進行歸納性的推理和聯想，尋找數據間內在的某些關聯，從中發掘出潛在的、對信息預測和決策行為起著十分重要作用的模式，從而建立新的決策模型。

5 結 語

本文分析了艦船裝備安全狀態評估中常遇到的問題，設計了其安全狀態評估范式。針對現代艦船裝備大都配備了較為完善的監控系統，但缺乏相應的數據分析處理手段等特點，設計了基于信息技術理論的艦船裝備智能化安全狀態評估平臺。該平臺可以推廣到整個艦船平臺的技術狀態評估，從而大大促進艦船的信息化水平，提高其生命力與戰斗力。

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