基于數據融合的維修資源配置決策模型研究

劉蘇波 朱建沖 邱 敏

摘要:維修對象和維修資源構成維修環境,對維修對象的狀態進行模式識別,建立系統的維修需求模式。維修需求模式與當前維修資源狀態進行態勢分析,以確定維修需求與維修資源是否匹配:如果匹配,則說明維修資源可以保證系統現有的維修需求;如果不匹配,則需要對維修資源進行數量上的調整。同時,利用維修需求的歷史數據,對維修資源元素進行關聯分析,可以求得最優的資源配比,以減少維修資源的物流成本。

關鍵詞:維修需求;資源配置;態勢分析;數據融合

中圖分類號:E237文獻標識碼:A

Abstract: Maintain object and maintain resources composing maintain. Maintains object was carried on mode identification to build up maintain demand mode. Based on situation analysis between the maintain demand and the present maintain resources maintain whether the resources matche the demand. If match, then show that maintain resources can support the system maintain demand. If not, then need to carry on the adjustment on the amount towards maintain resources. In the meantime, the maintain history data go along connection analysis towards maintain resources, which cans get the superior resource ratio and reduce the cost of resources.

Key words: maintain demand; resources deployment; situation analysis; data fusion

0引言

愈來愈復雜的現代化裝備,要保持平時的戰備完好性和戰時優良的戰斗恢復特性,維修資源的合理優化配置都是至關重要的。維修資源的過量配置影響裝備的有效戰斗載荷,造成裝備經費的浪費;備件的缺乏則直接影響到各種維修力量的發揮,特別是戰場上破損裝備戰斗性能的恢復。因此如何配置維修資源問題即是經濟問題又是戰斗力恢復問題。目前研究資源配置最常用的方法有經驗法(專家法)[1],統計預測法[2],Monte-Carlo方法[3]亦稱為概率模擬方法,有時也稱為隨機抽樣技術和統計。本文選用了基于數據融合的態勢分析方法,通對過維修需求模式與當前維修資源狀態進行態勢分析,以確定維修需求與維修資源是否匹配。

1維修資源配置系統描述

實施維修資源配置決策結構的目的就在于實現大型復雜網絡系統高效、低成本的維修資源優化配置。如圖1所示:

一般情況是,如果被維修系統較龐大,需要將其分解為若干子系統進行維修管理。此時的維修資源配置決策過程將是一個群決策過程;各個子系統都會對配置決策結果產生影響;群決策實際上是一個維修資源利益在成本約束條件下的均衡過程。

2資源優化配置模型

維修資源配置的目的就是要在滿足維修需求的同時控制維修成本。分析維修需求/維修資源的態勢可以保證維修資源在成本或可靠性約束的條件下的最佳配置狀態。態勢分析過程中將維修需求和維修資源看作一個矛盾的兩個對立面,目的是要在競爭的態勢下保持對立面間的平衡,即是從全局出發把握維修資源。同時,這也是一種快速的整體維修能力的判斷方法。當維修需求態勢優于維修資源態勢時,則表明維修能力不足:反之則表明維修能力充足。信息融合態勢分析和態勢分析專家系統是態勢分析流程中最重要的兩部分。態勢分析的過程如圖2所示。

(1)從復雜系統輸入到信息融合態勢分析模塊的信息是多路的,路數由系統受監控的狀態參數確定。為了從局部信息了解整個系統的狀態,多路信息需要進行融合處理。由于分析過程的不確定性很高,故信息融合態勢分析采用了模糊集理論。

如將A看作可能的態勢集合,將B看作保障系統中的信息源集合,A與B的關系矩陣R中的元素μ表示由信息源i推斷態勢為j的可能性,X表示各信息源判斷的可信度,用X=x,x,…,x表示;經過模糊變換得到的Y就是各態勢的可能性,用Y=y,y,…,y表示。具體地,假設有m個信息源對系統的狀態進行匯報,而系統可能的態勢有n個,則

A=y態勢1,y態勢2,…,y態勢n

B=x信息源1,x信息源2,…, x信息源m

信息源對各可能態勢的判斷用定義在A上的隸屬函數表示。設對系統態勢的判斷結果為:

μ態勢1,μ態勢2,…,μ態勢n0≤μ≤1

即認為結果為態勢j的可能性為μ,記為向量μ,μ,…, μ,則m個信息源構成A×B的關系矩陣為:

R=

將各信息源可信度B用上的隸屬函數X=x信息源1,x信息源2,…,x信息源m表示,那么,根據Y=X?R進行模糊變換就可以得出Y=y,y,…,y,即綜合判斷后的各態勢的可能性為y。對可能的態勢按照一定的準則進行選擇,即可得出最終的結果。

(2)態勢分析本質上是非結構化問題。因此,在分析過程中不能完全依靠信息融合態勢分析工具。專家經驗是對態勢分析的必要補充,成為了選擇可能態勢的重要準則之一。在如圖2所示結構中,我們引入了態勢分析專家系統以輔助態勢分析人員進行工作。

(3)維修資源元素關聯分析。在特定的維修環境下,維修資源各元素間存在著一定的關聯。這種關聯本質上體現在系統可靠性與各維修資源間的對應關系上。探討這些關聯關系可以使得維修資源元素的結構更為合理。

對于復雜系統的維修保障而言,各類維修資源間存在著一定的相關度。這種相關度是復雜系統的內在可靠性在維修資源需求上的外在表現。關聯分析有利于從維修資源配置合理性的角度對系統的可靠性作綜合的評價,并有利于優化維修資源元素的配置比例。維修資源元素是彼此間相互聯系的數量范疇,被稱之為相關變量。研究這些相關變量間的相互作用程度及其變化趨勢為揭示保障系統的內在可靠性提供了一條途徑。

關聯分析可發現維修資源間的關聯規則(Association Rule),這些規則體現了屬性一值頻繁地在給定數據集中一起出現所需要的條件。這里所說的“數據集”就是符合某種系統可靠性狀態的狀態信息的容器,“條件”代表了某種系統的可靠性狀態,“規則”代表了系統狀態參數與系統可靠性狀態間的映射關系。

維修資源關聯規則可用如下形式描述:

X?圯Y, 即A∧…∧A?圯B∧…∧B

其中Ai∈1,…,m是屬性一值對。關聯規則X?圯Y可解釋為:滿足X中條件的數據庫元組多半也滿足Y中的條件。這種關系往往是以謂詞形式表達的。當涉及多個屬性時,規則間的關系為多維關聯規則(Multidimensional Association Rule)。維修資源配置規則一般是多維關聯規則。

設I=i,i,…,i是項的集合;設與維修任務相關的數據D是維修信息數據庫事務的集合,其中每個維修事務T是項的集合,使得T?哿I;每一個維修事務有一個標識符,稱為TID;設A是一個項集,維修事務T包含A,即A?哿T。將關聯規則寫成A?圯B的蘊涵式,其中A?奐B,B?奐I,并且A∩B=?漬。規則A?圯B在維修事務集D中成立,具有支持度S,其中S是D中維修事務A∪B的百分比,其概率為PA∪B。規則A?圯B在維修事務D中具有置信度c,如果D中包含A的維修事務同時也包含B的百分比是c,則其條件概率為PB|A。同時滿足最小支持度閥值和最小置信度閥值的規則稱為強規則。如果項集滿足最小支持度,則稱其為頻繁項集(Frequent Item Set)。

按以上說明,對于維修資源元素關聯規則的挖掘過程可表示如下:

(1)找出所有頻繁項集;

(2)由頻繁項集產生強關聯規則。

生成的關聯規則可以用于優化維修資源配比,也可在對大型復雜裝備系統故障預測時提供重要的參考信息。

3維修資源群決策的可靠度

考慮到被維護系統的分散性以及對保障系統分而治之的維修管理策略,對于保障系統的維修資源決策應采用群體決策的方式。群決策體系的可靠度評估將是前期對設備和產品可靠度估計結果的延續。如果群決策的可靠度達不到要求,將會使前期對設備和產品可靠度的評估前功盡棄。因此,有必要對群決策的可靠度進行數學分析。

群決策系統由群體成員(包括人類專家和專家系統)和決策準則兩部分組成,群體準則是構成群體成員拓撲結構的基礎。成員數為n的子系統與決策準則選擇器的串聯系統組成群決策系統,以隨機數X表示每一子系統能否完成正確的資源配置決策。若n個子系統中有k個子系統正常工作,則系統能正常完成決策任務,則群決策系統的結構函數為[4-5]:

φx,x,…,x=

設P為決策成員i的決策可靠度,則群決策系統的可靠度則為:

R=Pφx,x,…,x=1×PX=1=Px≥k×P

假設各子系統的決策能力相當,則有P=P=…=P=P,則n中取k表決系統具有參數n與p的二項式分布為:

R=PCP1-P

值得注意的是,在群體成員決策過程中,若成員A與B存在相關時,PAB將可能發生增大現象。這有可能導致決策結果被某些影響大的成員控制的可能,從而出現維修資源分配不均的情況,其直接后果就是維修成本的大幅上升。我們在實際操作時采用了德爾菲法消除各子系統相互影響而造成的不良后果。

4結束語

為了提高對復雜系統的維修保障能力,對維修需求與維修資源間的匹配狀態進行分析極為重要。對復雜系統的各個部分都進行細致深入的狀態分析是不可能的,也沒有必要。態勢分析法從全局層面上快速進行維修需求/維修資源狀態匹配分析,對提高維修保障能力有重要指導意義。

參考文獻:

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