器材類武警裝備環境適應性評估模型研究

鞏青歌,石福麗

(武警工程大學,西安710086)

器材類武警裝備環境適應性評估模型研究

鞏青歌,石福麗

(武警工程大學,西安710086)

目的研究器材類武警裝備環境適應性評估模型。方法通過分析武警裝備環境適應性要求類型及特點,提出器材類武警裝備環境適應性評價因素集,分析環境因素的影響特征,基于歷史數據和問卷調查確定各環境因素影響的隸屬函數。結果建立了考慮時間的器材類武警裝備環境適應性模糊綜合評估模型。結論通過實例驗證了該模型合理,方法可行。

武警裝備;環境適應性;模糊綜合評估;隸屬函數

近年來,武警裝備現代化建設進程加快,配發部隊的裝備品種不斷增加,質量不斷提高,高科技含量裝備占裝備整體的比例也越來越大,可為部隊遂行任務提供可靠、有效的保障。同時由于武警部隊任務的多樣性和復雜性,駐守和執行任務的地域,從內地到邊疆,從陸地到海島,從風雪高原到戈壁沙漠,點多、線長、面廣,高度分散,使用環境差別大,所攜行裝備面臨各種極端環境的考驗和危害。裝備環境適應性等問題日益突出,已成為制約裝備效能發揮的關鍵因素之一。因此,開展武警裝備環境適應性研究,對裝備在不同環境下適應程度及影響條件的信息進行全面收集、梳理和歸類,建立一套系統科學的裝備適應性評估體系,能有效促進裝備效能發揮和完善優化,對實施裝備的精確化保障、精細化管理和精準化科研均具有重要的現實意義。

環境適應性是裝備在壽命期內的貯存、運輸和使用等狀態下,可能會遇到的各種自然和誘發環境因素極端應力的作用下,即不產生、不被損壞和/或能正常工作的能力[1—2]。GJB 150規定了軍事裝備環境適應性試驗主要包括高溫、低溫、濕熱、淋雨、太陽輻射、鹽霧、砂塵、振動、沖擊和低氣壓等項目[3]。針對裝備環境適應性問題,研究者們分別對航空、艦船、車輛、電子設備及其配件的環境適應性評估模型進行了一些探索性研究。常用的評估方法有直接評價法、相似產品法、相關性評價法、灰色關聯分析法、計算機仿真和模糊綜合評估方法等[4—8]。在應用最為廣泛的模糊綜合評估方法中,至今已有十幾種確定隸屬函數的方法,代表性的有直覺方法、二元對比排序法和最小模糊度法等[9]。

針對器材類武警裝備使用環境特點,文中以模糊綜合評估方法為基礎,提出了考慮時間的器材類武警裝備環境適應性評估方法。其中,為了提高隸屬函數的準確性,提出基于歷史數據和問卷調查采用最小模糊度法待定系數法確定環境因素的隸屬函數;為了提高評估結果的穩健性,提出在評估裝備環境適應性時考慮地區環境因素的時變特點,建立相應的評估模型。

1 武警裝備環境適應性要求類型及特點

由于武警與解放軍的職責使命不同,配發的裝備主要以非致命性類為主,輔助有輕型武器、警用器材、工程、防化、車輛、船艇等。種類繁多,來源渠道廣泛,給裝備適應性評估研究帶來了一定的復雜性。

裝備的環境適應性主要取決于兩方面的因素:一是選用的材料、構件、元器件的耐環境能力;二是采用的耐環境設計措施是否有效。其環境適應性要求可以分為對材料及其涂鍍層、結構件、連接件的環境適應性要求和功能件(整機、系統、分系統和設備)的環境適應性要求兩種類型。

針對武警各類裝備性能、結構和配發特點,以及主要面臨的環境因素類型(自然環境還是戰場環境),筆者對如何開展武警裝備適應性評估工作,提出以下的建議和方法。

武警裝備以非殺傷性武器為主,主要包括器材類、車輛船艇類、防化類等,根據各類裝備的結構特點,可將武警裝備環境適應性評估分為以下3類:

1)對于如頭盔、警棍、盾牌等器材類裝備,其結構簡單、材料單純、價格便宜、配發數量大、使用頻度高,主要受自然環境影響,建議采用基層使用單位在網上隨時反饋“定性”類的使用意見,通過xx模型,來評估這類裝備的環境適應性。

2)對于如車輛、船艇類裝備,結構復雜,材料、零配件種類多,價格昂貴,使用壽命長,且主要受自然環境因素影響,建議采用多級多因素的模糊綜合評判法。

3)對于防化類裝備,其結構復雜,主要由精密器件和特殊材料構成,適應性主要受戰場環境影響,其次可考慮自然環境中儲存環境影響,建議采用多種方法結合的評估模型評判。

文中重點討論武警器材類裝備的適應性評估問題。

2 環境對器材類裝備的影響分析

武器裝備所面臨的環境可分為兩大部分:自然環境和作戰環境[6]。自然環境是指某地域作為戰場之前已有的各種環境因素的總和,包括地形、氣候、海情、植被、電磁輻射,以及存在于地球表面及其附近的其他環境因素;作戰環境指某一地域中以前并不存在,只是作為戰場以后由于敵我雙方的交互作用才產生的各種環境因素的總和,包括目標特性、電子戰環境、火力、核輻射、化學武器、友鄰部隊情況等。頭盔、警棍、盾牌等器材類裝備,構件較少,主要由簡單電子線路、機械設備和半機械設備的綜合體組成,構成材料容易界定(如主要由塑料、橡膠、PVC等構成)。與解放軍相比,武警擔負的是國家內部安全保衛任務,器材類裝備簡單實用,是武警部隊執勤、維穩、處突及訓練時經常攜帶的裝備。這些裝備面臨的“作戰環境”并不復雜,所以其適應性主要考慮各種自然環境對它們的影響程度。下面重點討論6種主要環境因素對器材類裝備適應性的影響,在此基礎上建立器材類裝備的適應性評估模型。

1)溫度對武警器材類裝備的影響。高溫會促使金屬氧化,設備過熱;引起元器件參數發生漂移或元器件損壞,低熔點焊錫裂斷;使絕緣材料的絕緣性能降低、橡膠制品產生發粘和老化;使金屬膨脹、材料軟化、潤滑脂粘度下降,導致機械部分卡、松、接觸不良等。低溫容易使橡膠、塑料制品變硬、折斷或破裂,導致密封不好;使潤滑脂粘度增大甚至凍結,導致傳遞機構摩擦增大、轉動困難;引起電子元器件參數發生漂移,導致兵器參數不穩,不能正常工作;各種材料制成的零部件因收縮率不同,導致機件卡死等。

2)濕度對武警器材類裝備的影響。濕度太大容易使絕緣材料絕緣性能下降,導致擊穿、短路、漏電、打火等;金屬機件銹蝕,導致電蝕加劇;纖維、木制品等發霉、變質;潤滑劑變質,失去潤滑作用。

3)太陽輻射對武警器材類裝備的影響。太陽輻射會引起老化和物理反應,使一些材料脆化、軟化粘合;會導致裝備表面特性下降、膨脹、破裂,橡膠變質,絕緣失效,密封失效。

4)風速對武警器材類裝備的影響。大風使裝備受力增加,造成結構破壞,機械強度降低,旋轉負荷增大,直至燒壞電機。

5)沙塵對武警器材類裝備的影響。沙塵進入裝備內部,導致電器產品接觸不良、打火、轉動和滑動的機件摩擦增加,油路、氣路堵塞,精加工面磨傷等。

6)鹽霧對武警器材類裝備的影響。鹽霧會引起化學反應、銹蝕、電解。使絕緣材料的表面電阻和抗電強度降低,保護膜脫落,表面劣化,電氣性能變化。增大磨損,機械卡死,軸承損壞,過濾器堵塞,機械強度下降。產生電化腐蝕,結構強度減弱。

3 器材類裝備適應性評估模型

查閱國內外相關文獻,研究者們在評估裝備環境適應性時,主要研究具體環境條件下的裝備適應性,而很少考慮某一地區自然環境的時變性對裝備適應性的影響。對于器材類武警裝備來說,其使用周期基本都是以“年”為單位,而我國大部分地區自然環境年內差異較大,如東北地區溫度范圍為-48～35℃,使得裝備在一年內不同時段的環境適應性差異較大。因此,為了評價器材類武警裝備的環境適應性,不但要考慮地區類型,還應考慮同一地區不同季節的環境特征。

通過上述分析可知:影響裝備環境的因素具有隨機性、模糊性和不確定性。主要表現在以下3個方面:一是裝備執行任務的隨機性,如裝備從一個地區運輸到另一個地區執行任務;二是工作環境描述的模糊性,如工作電壓不穩,氣候寒冷、溫暖或高熱等;三是環境參數變化的不確定性,如環境溫度和濕度隨季節的變更而改變等。針對裝備環境因素的這些特點,文中基于歷史數據和問卷調查,運用模糊理論建立各因素的模糊隸屬度函數,并提出考慮時間的模糊綜合評價方法對器材類裝備進行環境適應性的綜合評估。

3.1 建立環境因素集U

環境因素集是影響裝備環境適應性的各種因素所組成的集合。經過上述分析,影響器材類的環境因素有{溫度,濕度,風速,沙塵,鹽霧,太陽輻射},可記為U={u1,u2,…,u6}。

3.2 確定環境因素權重W

在模糊綜合評判中,需要根據每個因素的重要程度,賦予每個因素相應的權重。設第i個因素ui的權重記為wi,則因素權重集W={w1,w2,…,w6}。確定權重的方法有很多種,常見的有3類,一是主觀賦權法,如專家調查法(Delphi法)和層次分析法(AHP);二是客觀賦權法,如主成分分析法和變異系數法;三是主客觀綜合集成賦權法。

通過分析,器材類裝備的環境適應性主要取決于它的構成材料。一般情況下,材料性能發揮受單環境因素變化影響的程度在作為裝備組件之前都經過了大量的試驗,因此針對特定的材料,相應的裝備研發專家對此都應較為清楚,故可采用基于多專家打分的AHP方法來確定環境因素權重[10](限于篇幅,詳細方法略)。

3.3 確定模糊評價集V

在模糊綜合評估中,評價集是以評判的各種可能結果為元素所組成的集合。武警部隊目前對器材類裝備在上述6種自然環境下的適應性分析是定性的,是根據專家和基層訓練實戰反饋的數據綜合而定的。為了綜合分析各單因素的影響,將產品的環境適應性分為5個等級{很好,好,一般,基本適應,不適應 },因此評價集可表為:V={v1,v2,v3,v4,v5}。

3.4 構建隸屬函數矩陣R

模糊綜合評價中,隸屬函數形式的選擇與實際應用問題有關。通過分析上文中確定的環境因素集,查閱相關文獻,針對以材料為主的器材類裝備環境適應性大都可選用梯形或三角形隸屬函數[6]。文中基于歷史數據和問卷調查,采用最小模糊度法待定系數法確定環境因素的隸屬函數[7],原理如下:

設論域U為實數集,若A∈F(U)是正規模糊集,則KerA=[b,c]≠?,即?x0∈[b,c],有A(x0)= 1。若根據經驗還可判定SuppA=(a,d),則可令:

式中:f1(x)=(x-a)/(b-a);f2(x)=(d-x)/(d-c)。

圖1 梯形隸屬函數Fig.1 Trapezoidal membership function

圖2 三角形隸屬函數Fig.2 Triangular membership function

許多情況下,可取α=β=1,此時隸屬函數A(x)的圖形為梯形。若b=c,即KerA是單點集,則隸屬函數A(x)的圖形為三角形。

上述方法中,歷史數據來源于裝備研制單位、廠商和已有的裝備適應性數據;調查問卷設計在“網上裝備適應性定性評估采集系統”中,該系統的主要目的是長期向基層部隊收集裝備在實際使用環境下的作戰效能、各項性能指標滿足程度和部隊使用過程中對其適用性的第一手評估數據,建立各種裝備的適應性評估數據庫。

3.5 確定綜合評判集B

隸屬函數矩陣R是集合U和V之間的一個模糊關系。由模糊數學原理,R確定了一個模糊映射,把U上的一個模糊子集A映射到V上的一個模糊子集B。A是映射的原像,B是映射的像。借助于模糊變換B=A·R=(A1,A2,…,Am)·R=(b1,b2,…,bn)。

3.6 計算綜合評估結果G

通過前述步驟可計算出某裝備在某一具體環境下的適應性。然而同一地區的環境因素是時變的,假設其變化的頻率為δ天,則一年可分為T=[365/ δ]個時段,記作t(t=1,2,…,T)。那么該裝備在該地區的年度適應性g可通過式(2)計算:

式中:Bt表示第t時段內該裝備在該地區的環境適應性。

又因中國地區環境特征明顯,筆者結合中國地理區劃常識和環境條件特點將中國地域劃分為8 (記為Z)個自然區,即華北、華東、華中、華南、西南、西北、東北和青藏地區(記為z(z=1,2,…,Z))。氣候特點主要有:溫帶季風、溫帶大陸、亞熱帶季風和高原山地等4種。從而,可用加權求和法計算該裝備在全國的綜合環境適應性G,如式(3)所示。

式中:λz是地區權重,可用裝備配發比例、地區占地面積百分比或其他類似量值來表示。

4 實例分析

本節以A,B,C三個型號防暴盾牌為例,用上述方法對它們在中國各地區及整個大陸的環境適應性進行評估。通過調查發現環境因素“太陽輻射”一般情況下很少定量描述,因此將它作為一個定性因素,不建立其隸屬函數。

第一步:基于歷史數據估計環境因素隸屬函數參數。以式(1)為通用隸屬函數,基于歷史數據初步估計式(1)所示的環境因素隸屬函數參數,見表1。

第二步:基于調查問卷修正環境因素隸屬函數參數。以第一步為基礎,設計器材類武警裝備環境適應性調查問卷表(限于篇幅,文中只給出了環境適應情況“很好”的填寫頁面,其余的4種適應情況下問卷格式類似),見表2,其中的“估計值范圍”由第一步得到。為了深入研究器材類裝備環境適應性,每年向各中隊(縣級市)收集1次調查問卷。使用統計方法修正環境因素隸屬函數參數,修正后的值見表1。

第三步:基于AHP法確定環境因素權重。根據3.2節,邀請了7位專家確定環境因素權重為w= {0.315,0.195,0.143,0.059,0.150,0.138},詳細步驟略。

第四步:計算裝備的地區適應性。通過收集各地區全年的環境因素值及其變化情況,由式(2)計算待評裝備的地區適應性,計算結果見表3。

第五步:計算裝備的全國適應性。本例中以各地區的盾牌配發比例為權重,由式(3)計算裝備的全國適應性,計算結果見表3(限于保密要求,例子中的有些數據做了處理)。

根據實際調研分析,表3中的評估結果符合實際情況,說明了文中所提評估模型實現了器材類武警裝備環境適應性的量化分析,能為后續裝備環境適應性研究提供參考。

表1 環境因素隸屬函數參數估計值與修正值Table 1 Estimated and corrected values of parameters in the environmental factors membership function

表2 器材類武警裝備環境適應性調查問卷表Table 2 The questionnaire of environmental worthiness of equipments for Armed Police Force

表3 三類盾牌的地區適應性Table 3 Region worthiness of three kinds of shields

5 結語

研究器材類武警裝備環境適應性是其研制、配發和改進的基本依據。文中所建的器材類武警裝備環境適應性模糊綜合評估模型,一方面,基于歷史數據和問卷調查聯合確定環境因素隸屬函數參數,提高了參數精度;另一方面,在評估裝備環境適應性時考慮地區環境因素的時變特點,提高了評估結果的可用性、穩健性和準確性。

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Research on Environmental Worthiness Evaluation Model of Equipments for Armed Police Force

GONG Qing-ge,SHI Fu-li
(Engineering University of CAPF,Xi＇an 710086,China)

Objective To study the environmental worthiness evaluation model of equipments for armed police force. Methods Through analysis of the types and characteristics of environmental worthiness requirements of the armed police equipment,the evaluation factor set of environmental worthiness for armed police force was put forward,and the characteristics of the influences of environmental factors were analyzed,based on historical data and the questionnaire survey to determine the environmental factors affecting the membership function.Results Then the environmental worthiness fuzzy comprehensive evaluation model of equipments for armed police force was built considering time.Conclusion The rationality of the proposed model and the feasibility of the proposed method were demonstrated by examples.

equipment for armed police force;environmental worthiness;fuzzy comprehensive evaluation;membership function

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.019

E92

:A

1672-9242(2014)05-0097-06

2014-05-08;

2014-06-18

Received:2014-05-08;Revised:2014-06-18

武警工程大學基礎研究基金資助項目(WJY201205);武警總部裝備部應用項目(XXX系統)

Fund:Supported by the Basic research Foundation Project of Engineering University of CAPF(WJY201205)and the Application Project of CAPF Headquarters Equipment Department(XXX System)

鞏青歌(1965—),女,陜西周至人,碩士,教授,主要研究方向為數據挖掘、軟件工程。

Biography:GONG Qing-ge(1965—),Female,from Zhouzhi,Shaanxi,Master,Professor,Research focus:data mining and software engineering.