艦艇主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統

曾魯山，曾凡明，孔慶福，李彥強

(1.海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢 430033;2.海軍裝備技術研究所，北京 102442)

艦艇主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統

曾魯山1，曾凡明1，孔慶福1，李彥強2

(1.海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢 430033;2.海軍裝備技術研究所，北京 102442)

針對艦艇主動力裝置這一復雜系統的戰損評估與搶修國內還沒有一個完善的解決方案，提出了戰損情況下主動力裝置生命力分析和艦艇航速計算的方法;利用貝葉斯網絡和損傷樹的推理方法實現了裝備的損傷定位;探討了戰場環境下主動力裝置搶修決策的邏輯關系;構建了系統的基本框架并提出較完善的解決方案，根據此方案開發了某型艦主動力裝置搶修決策支持系統，該系統的開發與應用具有較強的軍事意義。

艦艇主動力裝置;戰損評估與修復;損傷定位;搶修決策;支持系統

0 引言

戰場損傷評估與修復(Battlefield Damage Assessment and Repair，BDAR)，即在戰場搶修時，對裝備進行損傷評估、狀態預測，并根據需要快速修復損傷部位［1］。西方國家戰場搶修比較有代表性的成果主要有美軍的坦克修復模型、英國空軍戰場損傷修復研究、美國飛機戰場損傷評估程序等。近年來，美軍對戰損數據的獲得有得天獨厚的優勢，非常注重對戰斗損傷數據庫的管理工作，其戰損研究工作走在世界前列［2-3］。國內分別對火炮、飛機等裝備的戰場損傷評估、戰斗損傷備件模型等進行了有益探討［4-6］，但艦艇主動力裝置的戰損評估和搶修與火炮、飛機等裝備在運行模式、搶修資源、戰場環境等方面有很多不同的地方，現還沒有看到一個完善的解決方案。隨著智能決策支持系統的應用和發展，其對知識和數據的處理能力逐漸增強，為研究艦艇主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統提供可借鑒的方法和便利的條件。本文針對某型主動力裝置這一復雜大系統進行了BDAR的研究，提出了1個較為完善的解決方案，探討了各個功能模塊的具體實現方法，并根據此方案開發了該型主動力裝置戰損搶修決策支持系統。

1 主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統整體框架

主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統的主要功能包括主動力裝置戰損預測、主動力裝置生命力分析、搶修資源分析、裝備損傷定位、搶修方案制定、裝備狀態預測、裝備應急使用方案分析等。包含的模塊主要有信息輸入模塊、系統管理模塊、知識庫模塊、數據庫模塊、損傷定位模塊、內置Matlab函數模塊、信息輸出模塊。其中信息輸入模塊主要包含損傷評估人員輸入系統所需的各類信息:艦艇受到攻擊的武器名稱和位置、易于觀察的主動力裝備損傷情況、戰場態勢信息、搶修結果等內容;系統管理模塊主要包括對知識庫和數據庫的管理:添加修改數據庫數據、修改知識庫規則、系統備份與還原、用戶管理等內容;損傷定位模塊根據信息輸入模塊輸入的信息、知識庫的規則和對數據庫的調用定位出可能損傷的裝備部件，為搶修找出對象;知識庫和數據庫模塊提供系統運行所需的各種邏輯規則和數據資料;內置Matlab函數模塊提供戰損預測和艦艇航速計算的函數模型，供系統調用;信息輸出模塊輸出該系統評估的結果和制定的搶修對策等內容。圖1說明了艦艇主動力裝置搶修決策支持系統研究的主要內容和各個模塊間的邏輯關系與流程。

2 主要功能模塊及實現方法

2.1 戰損預測與狀態評估

炮彈、炸彈、飛航式導彈等空中爆炸和魚雷、水雷等武器的水下爆炸是由爆炸產物和沖擊波聯合作用下對艦艇有爆破作用、貫穿作用、震動作用、燃燒作用等。主動力裝置作為評估的對象，要考慮其各個設備的減震效果及其對武器的沖擊響應值、防護性、在艦艇水密區間的布置等。根據武器的資料和主動力裝置布置的特點來直接計算主動力裝置的生命力要考慮的因素眾多，是非常復雜的。為簡化計算，本文主要考慮武器對主動力裝置造成的沖擊損傷和破損損傷2種主要危害模式。當武器攻擊艦艇時，如果沒有造成主動力裝置所在艙室的破損，那么僅考慮沖擊損傷;如果造成主動力裝置破損，同時要考慮沖擊損傷和破損損傷。首先將艦艇可能受到的攻擊武器按照含彈量和攻擊模式不同劃分為不同的類型，統計不同含彈量武器對艦艇攻擊后艦艇的破損半徑［7］。咨詢有關專家各個設備的沖擊響應值和震害指數，建立損傷評估等級集，確定評判論域中的各級評判因素，參考有關資料和隸屬函數的計算得到各個因素的隸屬度，根據各層模糊加權、模糊綜合評判，得到沖擊損傷度。艦艇主動力裝置破損損傷按照艦艇動力裝置和艙室水密區劃的情況來計算和分析，具體位置以肋骨編號為準，運用武器破壞半徑R分析法［8］，結合沒有破損艙室的設備受到的沖擊損傷情況，模糊綜合評判主動力裝置的生命力。

圖1 艦艇主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統框圖Fig.1 Frame of warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

2.2 戰損情況下艦艇航速性分析

根據某型艦艇主動力裝置的特點，戰斗損傷情況和方式復雜多變，對主動力裝置特性分析僅考慮人工操作方式，不考慮遙控系統損傷情況。建立船-機-槳仿真數學模型，動力傳遞模型如圖2所示。

戰斗損傷情況下，艦艇阻力R是隨著艙室破損進水排水量發生變化的，利用系列圖譜估算法估算相應情況下艦艇的阻力［9］，得出具體破損情況下艦艇阻力值R。用戶輸入各個設備的損傷狀態，考慮主動力裝置不同的運行方式，計算艦艇受到攻擊以后可以實現的航速。由于戰損數據缺乏，進行航速性分析時僅將設備的狀態分為能運行和不能運行2種狀況。

2.3 基于損傷樹分析和貝葉斯網絡推理的損傷定位

圖2 動力傳遞模型Fig.2 Power transfer model

2 .3 .1 基本功能項目分析

根據裝備系統完成其任務所需實現的功能，對主動力設備進行功能項目層次劃分。根據復雜系統層次性的特征，主動力裝置在功能上有層次性。對艦艇主動力裝置按照功能結構進行分解，可分5個層次，如圖3所示。

2 .3 .2 損傷模式和影響分析

戰場損傷模式和影響分析用于確定基本功能部件戰斗損傷的形式及其對上級系統造成的影響、嚴酷程度等，為損傷定位提供依據。在建立主動力裝置基本功能項目的基礎上可以對每個基本功能項目進行分析。以燃油輸送泵為例進行損傷模式及影響分析，如表1所示。

2 .3 .3 損傷定位推理

圖3 主動力裝置結構功能劃分Fig.3 Warship main power plant basic function item analysis

表1 泵體損傷模式及影響分析Tab.1 Pump damage mode and effect analysis

損傷定位的實現是根據主動力裝置功能項目劃分和損傷模式與影響分析的結果由上至下的定位過程。戰損評估人員首先輸入設備征兆，系統根據輸入的證據、確認事件、排除事件推理出造成設備出現相應征兆的原因，即損傷的部件。在推理的過程中可用的方法較多，本文采用了損傷樹分析法和貝葉斯網絡分析法。

損傷樹分析法借鑒成熟的故障樹分析方法可以反應損傷事件間的組合和因果關系，以此來確定損傷原因;簡化損傷推理過程，明確推理方向;提供各個項目損傷評估的同時具有明確的邏輯關系。基于損傷樹模型的產生式規則推理能系統、全面反應裝備結構中所有對象的評估知識;有利于推理和控制策略的制定［6］。但是，對于復雜大系統枝節過多，建樹規模龐大，對不確定問題的推理缺乏戰損試驗和戰損數據的情況下，參數的設定存在很大問題，具有相當大的不準確性。

貝葉斯網絡也稱信度網、因果網等，其特征是條件獨立性，基于概率的嚴格推理，是一種不確定性的知識表達和推理模型，推理原理基于貝葉斯概率理論，推理過程是概率計算，知識表示分為定性知識和定量知識。貝葉斯網絡具有條件獨立的特點，減少了知識獲取和推理的復雜程度，能處理不完整數據集問題，并能發現數據間的因果關系;提供了一種將知識直覺地圖解可視化的方法，避免了先驗信息可能帶來的主觀偏見和后驗信息帶來的影響［10-11］。而裝備損傷及損傷程度和裝備部件損傷對整個裝備戰斗性能的傳遞性、不確定性及事件的概率性，決定了裝備損傷評估可利用貝葉斯網絡進行研究。

針對整個主動力裝置這一復雜系統，建立貝葉斯網絡模型的難度很大，需要清楚地知道系統中的所有變量、變量的狀態、變量間的相互影響關系以及所有的條件概率分布。而動力裝置戰斗損傷具有很大的不確定性，因此難度在于貝葉斯網絡條件概率表的確定。為此本文采用的方法是在系統的一二三級采用損傷樹分析法，一二三級的推理過程中可以觀測的儀表和征兆較多，比較適用于確定性推理方法。而三四五級采用貝葉斯網絡推理法，主要針對不確定性事件的推理(主動力裝置系統分級如圖3所示)。由于主動力裝置戰場損傷評估與修復研究中缺乏實際和試驗數據，無法通過數據對網絡的結構和條件概率進行學習和訓練，需要知識工程師和領域內的專家合作對網絡進行建模及給定節點的條件概率表(CPT)。圖4是在GeNIe軟件建立的供油裝置和燃油系統的貝葉斯網絡模型。

圖4 GeNIe軟件中供油裝置和燃油系統的貝葉斯網絡模型Fig.4 Bayesian network model built in GeNIe

GeNIe軟件是由美國匹茲堡大學決策系統實驗室開發的建立圖形化推理模型的開發環境，它提供了聚類算法、多樹傳播算法等多種算法。實現推理的過程中系統逐步與損傷評估人員進行交互，從而明確問題的解答即損傷部件所在的位置。在GeNIe軟件建立的主動力裝置三四五級的貝葉斯網絡模型，根據戰損數據和專家經驗對模型進行推理和校正。

損傷樹推理方法的實現，主要是利用框架表示知識，基于產生式規則實現正向推理。根據損傷樹推理的結果調用相應的貝葉斯網絡模型，利用貝葉斯網絡實現損傷部件的不確定性推理。

2.4 搶修決策

系統定位出設備的損傷信息以后，可以根據戰場特定環境的限制條件進行有效的搶修。戰場特定環境的搶修條件包括:戰場允許的搶修時間、搶修模式等。戰損評估人員首先選擇搶修模式，系統的搶修模式分為艦員級搶修、搶修隊搶修、基地修理所搶修、船廠搶修4種。不同的搶修模式有不同的搶修能力。系統首先判斷損傷設備在允許的搶修模式下能否搶修，篩選出能搶修的設備，系統根據能搶修的設備判斷設備搶修成功后可以實現的主動力裝置的運行模式。針對每個運行模式選擇需要搶修的損傷設備，調用搶修信息數據庫判斷這些設備的搶修順序和在設定搶修模式下的需要的最短搶修時間。用戶輸入戰場環境允許的搶修時間，判斷針對哪種運行模式進行搶修。選擇搶修方案的依據是在戰場運行搶修時間內主動力裝置能實現最大航速。搶修決策邏輯關系如圖5所示。

圖5 搶修決策邏輯圖Fig.5 Logic of repair decision making

3 系統開發與應用實例

本系統采用Visual Studio 2005平臺實現人機交互界面和主控模塊。利用SQL Server 2005作為數據庫管理和開發平臺，很好地實現了與Visual Studio.NET的集成，使開發人員能使用C#之類的語言直接為SQL Server編寫程序，從而實現了與微軟.NET應用程序架構的緊密協作。

戰損預測的模糊綜合評判法和生命力分析中主動力裝置穩態特性計算所需要的函數模型在MATLAB中編寫，輸出為可以在Visual Studio 2005中引用的COM組件。Visual Studio 2005對其進行調用和開發。利用圖形化推理工具GeNIe建立的貝葉斯網絡保存為*.xdsl格式的 XML文件。SMILEX(Structure Moldeling，Inference，and Learning Engine)是GeNIe的推理引擎庫，是一個完全獨立平臺的可以實現圖形化推理的函數庫，能進行概率、貝葉斯網絡、影響圖的推理。其API函數可以實現圖形化模型的創建、載入、編輯。可以在Visual Studio.NET的平臺上進行建模和推理。在系統集成開發平臺Visual Studio 2005中添加Smilenet.dll的引用，完成貝葉斯網絡模型的嵌入使用。

本研究實現的某型主動力裝置搶修決策支持系統如圖6所示。

圖6 某型主動力裝置戰損評估與搶修決策支持系統Fig.6 Battlefield damage assessment and repair decision support system of main power plant

4 結語

本文針對艦艇主動力裝置進行了BDAR的研究，提出一個較為完善的解決方案，并研究了各個功能模塊具體的實現方法。艦艇主動力裝置戰損搶修決策支持系統的開發能迅速地對主動力裝備進行損傷評估、狀態預測，并根據需要快速地修復損傷部位，

為戰場環境下的搶修工作提供技術支持。

［1］李建平，石全，甘茂治.裝備戰場搶修理論與應用［M］.北京:兵器工業出版社，2000.

［2］虞水俊.雷達裝備戰場損傷評估與修復專家系統研究［D］.長沙:國防科技大學，2005.

［3］石全，米雙山.裝備戰傷理論與技術［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［4］左浩，馬亮，等.魚雷發射裝置空發系統戰損分析［J］.魚雷技術，2006，15(5):51-53.

ZUO Hao，MA Liang，et al.Battlefield damage analysis of air launching system of submarine torpedo launcher［J］.Torpedo Technology，2006，15(5):51-53.

［5］陳健，張錫恩，等.一種新的導彈裝備戰斗損傷評估方法［J］.箭彈與制導學報，2005，25(2):164-166.

CHEN Jian，ZHANG Xi-an，et al.A new method of missile equipment battle damage assessment［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2005，25(2):164-166.

［6］王潤生，賈希勝.基于損傷樹模型的戰場損傷評估研究［J］.兵工學報，2005，26(1):72-76.

WANG Run-sheng，JIA Xi-sheng.Damage tree model based battlefield damage assessment［J］. Acta Armamentarii，2005，26(1):72-76.

［7］龐劍.艦艇主動力裝置在水下爆炸沖擊作用下的損傷研究及其沖擊隔離技術［D］.上海:上海交通大學，1991.

［8］浦金云，邱金水，程智斌.艦艇生命力［M］.北京:海潮出版社，2001.224-229.

［9］陳國鈞，曾凡明.現代艦船輪機工程［M］.長沙:國防科技大學出版社，2001.585-586.

［10］HUNT M，VON KONSKY B.Bayesiannetworksand decision trees in the diagnosis of female urinary incontinence［C］.Proceedings of the 22ndAnnual EMBS International Conference，2000，6，23-28，Chicago IL.

［11］LEE B H.Using Bayes belief networks in industrial fmea modeling and analysis［C］.Proceedings Annual Reliability and Maintainability Symposium，2001，7-15.

Research on warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

ZENG Lu-shan，ZENG Fan-ming，KONG Qing-fu;LI Yan-qiang2
(1.College of Naval Architecture and Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Equipment Institute of Technology，Beijing 102442，China)

We still do not have a complete solution of battlefield damage assessment and repair of large and complex system of warship main power plant in our country，the vitality analysis of warship main power plant and a calculating method of warship speed under the condition of battlefield damage were developed in this paper.Using the inference method of Bayesian network and Damage Tree the damage localization of damage equipments was realized.The logic of repair decision making of warship main power plant was discussed，under the condition of battlefield，the basic system framework was built and a relatively perfect solution was put forward，repair decision support system of a certain warship main power plant was developed according to this program，development and application of the system has a strong military significance.

warship main power plant;battlefield damage assessment and repair;damage localization;repair decision making;support system

U664.1

A

1672-7649(2011)12-0115-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.028

2009-09-10;

2011-10-24

曾魯山(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為動力裝置總體優化設計與系統分析、戰斗使用。