基于AHP的靶場測控系統(tǒng)綜合性能評(píng)估

任 猛,周偉靜,郭建華,惠 凱

(1.西安衛(wèi)星測控中心 三亞站,海南 三亞 572427;2.裝備學(xué)院,北京 101416)

1 引 言

測控系統(tǒng)是航天工程的重要組成部分,其跟蹤測量精度、捕獲時(shí)間等性能指標(biāo)對(duì)測控工作質(zhì)量有著較大影響。因此,測控系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)性能評(píng)估成為影響測控決策的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前航天測控領(lǐng)域還未建立有效的評(píng)估體系和標(biāo)準(zhǔn),在一定程度上影響了設(shè)備的使用效果和測控任務(wù)的安全。

縱觀國內(nèi)外裝備效能評(píng)估技術(shù)研究現(xiàn)狀,層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)成為較為合理的解決方案。層次分析法是由運(yùn)籌學(xué)家Satty提出的一種層次化、結(jié)構(gòu)化的決策方法,其基本原理可概括為目標(biāo)分層、量化計(jì)算,由于符合人的思維習(xí)慣且能有效處理復(fù)雜決策問題,因此得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。本文采用層次分析法,結(jié)合自動(dòng)化測試設(shè)備(Automatic Test Equipment,ATE),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于測控設(shè)備的性能評(píng)估系統(tǒng),以滿足目前測控系統(tǒng)性能評(píng)估需求。

2 評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到測控系統(tǒng)功能復(fù)雜、評(píng)估涉及因素較多,為保證評(píng)估的全面性和實(shí)用性,本文采用層次分析法作為評(píng)估算法,通過測試數(shù)據(jù)的調(diào)用和處理,對(duì)系統(tǒng)及各部件性能進(jìn)行綜合評(píng)估,及時(shí)準(zhǔn)確地將設(shè)備狀態(tài)信息反饋給維護(hù)管理者,以提高設(shè)備管理和維護(hù)決策的科學(xué)化水平。

對(duì)于測控系統(tǒng)這樣的大型復(fù)雜設(shè)備,反復(fù)拆卸測試可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降,造成不必要的損失。因此測控系統(tǒng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)采用目前較為成熟的自動(dòng)化測試技術(shù),通過在線測試、自動(dòng)存儲(chǔ)的方式獲取。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)測試報(bào)表,兼顧傳統(tǒng)測試方式下測試數(shù)據(jù)的事后錄入存儲(chǔ)和分析評(píng)估。

評(píng)估系統(tǒng)工作時(shí),測試儀器通過GPIB總線與工控機(jī)連接,由軟件完成信號(hào)源、頻譜儀、示波器等相關(guān)測試儀器的控制;工控機(jī)通過系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)配置被測設(shè)備和測試開關(guān)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行測試信號(hào)提取或注入,并將測試結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中;性能評(píng)估模塊實(shí)時(shí)或事后調(diào)用測試數(shù)據(jù),完成系統(tǒng)或部件的性能評(píng)估。性能評(píng)估結(jié)果最終以報(bào)表方式給出,對(duì)于評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的不符合項(xiàng),將在報(bào)表中給出進(jìn)一步的維護(hù)建議。

系統(tǒng)采用C#2.0+SQL Server 2005為架構(gòu)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。為保證評(píng)估過程的自動(dòng)化,測試數(shù)據(jù)、判斷矩陣和權(quán)重結(jié)果分別以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

性能評(píng)估系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 評(píng)估系統(tǒng)工作原理Fig.1Working principle of the evaluation system

3 測控系統(tǒng)層次模型的建立

對(duì)測控系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估,首先要建立評(píng)估層次模型。層次模型共分為3層,其中目標(biāo)層為最終的性能結(jié)果;準(zhǔn)則層為中間層,根據(jù)測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)劃分為多層;層次結(jié)構(gòu)最底層為指標(biāo)層,用于獲取評(píng)估所需的指標(biāo)測試數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。

為保證評(píng)估的全面性,研究時(shí)對(duì)目標(biāo)層(即測控系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果)以分系統(tǒng)為類別進(jìn)行劃分;對(duì)于中間層,則以性能分類的方式層層向下分解,直至最底層選取的設(shè)備指標(biāo)項(xiàng)。根據(jù)該思路建立的層次模型具有較完善的體系結(jié)構(gòu),共分為6層,節(jié)點(diǎn)數(shù)387個(gè)。層次模型示意參見圖2和圖3。

圖2 測控系統(tǒng)層次模型示意圖(第1、2層)Fig.2 Hierarchical model diagram of TT&C system(the 1st and 2nd layer)

圖3 測控系統(tǒng)層次模型示意圖(以基帶分系統(tǒng)為例)Fig.3 Hierarchical model diagram of TT&C system(Illustrated by the case of BBE subsystem)

4 評(píng)估算法步驟

根據(jù)AHP評(píng)估要求,測控系統(tǒng)性能評(píng)估可分為三步,評(píng)估流程如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)性能評(píng)估流程Fig.4 Performance evaluation process of TT&C system

4.1 層次結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)權(quán)重計(jì)算

對(duì)于遞階層次結(jié)構(gòu)中的各層元素,評(píng)估計(jì)算前需要確定各節(jié)點(diǎn)元素的相對(duì)重要程度,即權(quán)重。權(quán)重計(jì)算通過構(gòu)造判斷矩陣、求解特征向量的方式完成。對(duì)于測控系統(tǒng)評(píng)估模型,只需確定同一節(jié)點(diǎn)下各元素的相對(duì)權(quán)重即可,這一過程也稱之為層次單排序。

4.1.1 構(gòu)造判斷矩陣

為獲取判斷矩陣,需要相對(duì)于上一層節(jié)點(diǎn)對(duì)各子節(jié)點(diǎn)元素進(jìn)行兩兩比較,從而建立表征各元素之間關(guān)系的一系列矩陣。判斷矩陣引用Satty提出的1～9的比例標(biāo)度法[1],通過領(lǐng)域?qū)＜掖蚍值姆绞将@取。

4.1.2 求解特征向量

設(shè)判斷矩陣A的最大特征根為λmax,其相應(yīng)的特征向量為 W,則判斷矩陣、特征根和特征向量之間的關(guān)系為

證明可知,式(1)所得到的特征向量W經(jīng)歸一化處理后,即為表征同一層次子元素對(duì)于上層父節(jié)點(diǎn)元素相對(duì)重要性的權(quán)重向量。關(guān)于矩陣特征向量的求解,通常有和法、根法、冪法等多種方法,本文采用和法求解權(quán)重向量,計(jì)算公式為

所得結(jié)果 ωi即為第i個(gè)子指標(biāo)相對(duì)于“父”指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),aij為判斷矩陣A第i行第j列元素。

4.1.3 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

由于客觀事物自身的復(fù)雜性和主觀認(rèn)識(shí)上的模糊性和多樣性,專家打分所給出的判斷矩陣不可能保持完全一致,權(quán)重結(jié)果最終確定之前需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[2],采用的理論公式為

其中,CI為n階判斷矩陣的評(píng)價(jià)一致性指標(biāo),可通過當(dāng)前判斷矩陣的特征根求出;RI為n階判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指數(shù),由Satty在理論中以實(shí)驗(yàn)方式給出,使用時(shí)可直接查表獲得,見表1。CR為一致性比率,當(dāng)CR≤0.10時(shí),可以認(rèn)為評(píng)價(jià)大致相容,分析結(jié)果可信;當(dāng)CR>0.10時(shí),則說明判斷矩陣一致性程度不高,建議重新修正層次結(jié)構(gòu)模型或判斷矩陣。在后期系統(tǒng)評(píng)估模型較為合理的情況下,為了減少工作量,可考慮采用最優(yōu)傳遞矩陣對(duì)判斷矩陣進(jìn)行改進(jìn)[3]。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值Table 1 Value of the mean random consistency index RI

表1中,n為判斷矩陣階數(shù)。

4.2 指標(biāo)量化處理

測控系統(tǒng)底層指標(biāo)可分為兩大類:定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)可通過實(shí)際測量獲取,具有一定的量綱和取值范圍;定性指標(biāo)主要用于系統(tǒng)功能描述,即無法定量表述的系統(tǒng)性能部分。

4.2.1 定量指標(biāo)的量化處理

由于測控系統(tǒng)功能復(fù)雜,指標(biāo)種類繁多,各指標(biāo)的量綱和取值范圍相差較大,相互之間不存在可比性,無法進(jìn)行統(tǒng)一的評(píng)估計(jì)算。因此在進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估時(shí),必須對(duì)定量指標(biāo)進(jìn)行脫量綱化處理,使其度量統(tǒng)一。無量綱化評(píng)估值反映了各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值滿足需求的程度。脫量綱處理方法有多種,研究時(shí)采用效用函數(shù)法來實(shí)現(xiàn)[4]。

根據(jù)物理含義和取值范圍的區(qū)別,定量指標(biāo)一般可分為上限型、下限型、區(qū)間型3種,其對(duì)應(yīng)的效用函數(shù)分別為成本型、效益型和區(qū)間優(yōu)型。實(shí)際應(yīng)用時(shí)為了便于程序設(shè)計(jì),采用依賴于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的線性函數(shù)來實(shí)現(xiàn),量化結(jié)果取值范圍為[0,1]。以 q(x)表示量化函數(shù),x表示指標(biāo)變量,則3種量化函數(shù)如下所示。

(1)成本型指標(biāo)

式中,b為指標(biāo)上限,a為經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2)效益型指標(biāo)

式中,a為指標(biāo)下限,b為經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(3)區(qū)間優(yōu)型指標(biāo)

式中,xmin、xmax分別為指標(biāo)下限和上限,s1、s2為兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

4.2.2 定性指標(biāo)的量化處理

定性指標(biāo)用于描述測控系統(tǒng)的功能特性,無具體量值表示,為評(píng)估計(jì)算,需要對(duì)其進(jìn)行量化處理。本文采用灰色評(píng)估法進(jìn)行定性指標(biāo)值的確定[5]。灰色評(píng)估法是以灰色理論為基礎(chǔ)的一種定量計(jì)算與定性分析相結(jié)合的評(píng)估方法,它特別適合對(duì)系統(tǒng)中不確知的定性因素進(jìn)行定量化評(píng)估,在系統(tǒng)評(píng)估中發(fā)揮著重要作用。

應(yīng)用灰色評(píng)估法進(jìn)行定性指標(biāo)量化處理的過程如圖5所示。

圖5 定性指標(biāo)量化流程Fig.5Quantification process of the qualitative index

4.3 系統(tǒng)綜合性能計(jì)算

層次模型底層指標(biāo)量化完成后,結(jié)合相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重即可進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文采用線性加權(quán)和法進(jìn)行綜合性能計(jì)算,即

式中,y為上層“父”節(jié)點(diǎn)元素的性能評(píng)價(jià)值,wi為第i個(gè)子節(jié)點(diǎn)相對(duì)于“父”節(jié)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù),xi為第i個(gè)子節(jié)點(diǎn)的量化值,n為“父”節(jié)點(diǎn)下“子”節(jié)點(diǎn)元素的個(gè)數(shù)。計(jì)算時(shí),按照測控系統(tǒng)層次評(píng)估模型,自下而上層層計(jì)算,直至得到最終的系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例計(jì)算

系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí),調(diào)用某型測控設(shè)備2009年測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算,其中判斷矩陣通過專家打分的方式獲得。各分系統(tǒng)及系統(tǒng)性能評(píng)估效果見圖6。對(duì)于評(píng)估結(jié)果偏低,甚至是偏離要求范圍的指標(biāo),以告警方式給予提示。通過對(duì)多次數(shù)據(jù)分析計(jì)算證明,系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映設(shè)備性能狀態(tài),具有較高可信度。

圖6 測控系統(tǒng)性能評(píng)估效果Fig.6 The performance evaluation results of TT&C system

6 結(jié) 論

隨著航天測控工作的常態(tài)化發(fā)展,定期預(yù)防性維護(hù)已無法有效開展和滿足設(shè)備維護(hù)需求。縱觀國內(nèi)外設(shè)備維護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀,基于狀態(tài)維護(hù)(Condition Based Maintenance,CBM)將成為較為合理的解決方案。基于狀態(tài)維護(hù)的基本思想是,通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測,診斷、評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài),同時(shí)對(duì)其未來發(fā)展態(tài)勢做出預(yù)測,以確定設(shè)備維護(hù)策略和實(shí)施時(shí)間。作為CBM的關(guān)鍵技術(shù)之一,測控系統(tǒng)性能評(píng)估具有較為可觀的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

目前測控網(wǎng)內(nèi)設(shè)備型號(hào)多樣、多代設(shè)備共存的現(xiàn)象普遍存在,采用層次分析法進(jìn)行設(shè)備性能評(píng)估時(shí),由于不同代、不同型號(hào)測控設(shè)備之間結(jié)構(gòu)、功能存在一定差異,評(píng)估層次模型也將不同。因此,后期應(yīng)加強(qiáng)評(píng)估體系的通用性研究。

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