改進(jìn)模糊層次分析法在虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估中的應(yīng)用

矯永康,李小民,毛 瓊

(軍械工程學(xué)院無人機(jī)工程系,石家莊050003)

改進(jìn)模糊層次分析法在虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估中的應(yīng)用

矯永康,李小民,毛 瓊

(軍械工程學(xué)院無人機(jī)工程系,石家莊050003)

為更合理地對(duì)無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練進(jìn)行綜合評(píng)估,對(duì)傳統(tǒng)層次分析法和模糊綜合評(píng)估法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的層次分析法在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí),引入擬優(yōu)傳遞矩陣,無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),避免了人為調(diào)整判斷矩陣的盲目性;改進(jìn)的模糊綜合評(píng)估法利用加權(quán)平均型模型,對(duì)所有因素均衡兼顧,將評(píng)語集按等級(jí)進(jìn)行區(qū)間化賦值,使計(jì)算得到的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更加可信。以某型無人機(jī)的虛擬維修訓(xùn)練為例進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明,改進(jìn)方法簡單易行,在Virtools環(huán)境下進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證,可有效地記錄受訓(xùn)人員的操作信息,系統(tǒng)針對(duì)操作記錄自行打分,取得了較好的評(píng)估效果。

層次分析法;權(quán)重;模糊綜合評(píng)估;區(qū)間賦值;虛擬維修訓(xùn)練;無人機(jī)

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,在很多領(lǐng)域人們都在利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)代替實(shí)裝進(jìn)行維修訓(xùn)練[1]。對(duì)于虛擬維修來說,如何設(shè)定完善、靈活并且能夠真實(shí)反映客觀實(shí)際和主觀評(píng)判評(píng)估系統(tǒng)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。目前,常用的評(píng)估方法有層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)、模糊綜合評(píng)價(jià)法及灰色聚類評(píng)估法等[2]。由于在進(jìn)行虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估時(shí),使用的評(píng)語常帶有模糊性,因此宜采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,同時(shí),AHP可以將專家知識(shí)和主觀經(jīng)驗(yàn)用數(shù)量形式表達(dá)和處理,盡量減少人主觀臆斷帶來的弊端。因此,本文將這2種方法結(jié)合起來,通過改進(jìn)的AHP確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重,引入擬優(yōu)傳遞矩陣,避免了在一致性檢驗(yàn)不滿足后人為地對(duì)判斷矩陣的盲目調(diào)整,可減低計(jì)算量;利用改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行訓(xùn)練水平評(píng)估,使用加權(quán)平均模型代替取大取小模糊算子,評(píng)語集按等級(jí)進(jìn)行區(qū)間化賦值代替最大隸屬度原則,使評(píng)價(jià)結(jié)果更可信。

2 改進(jìn)的層次分析法

2.1 改進(jìn)層次分析法的原理

層次分析法[3-6]是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。其基本原理是:首先將問題層次化,按照因素之間的相互關(guān)系和隸屬關(guān)系將其分層;然后對(duì)各層的因素作對(duì)比分析,引入一定比率的標(biāo)度理論來構(gòu)造判斷矩陣,通過求解判斷矩陣的特征向量,得到各層次要素對(duì)上層某要素的重要性次序,建立權(quán)重向量。

傳統(tǒng)的層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重時(shí),必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn),當(dāng)檢驗(yàn)沒通過時(shí),需要憑人為大致的估計(jì)重新調(diào)整判斷矩陣,再計(jì)算,直到通過為止。這樣不僅盲目性大,而且計(jì)算量很大,精度不高。針對(duì)這一問題,本文在傳統(tǒng)AHP方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。專家直接將各層因素兩兩比較形成的判斷矩陣A不一定是一致性矩陣,但將矩陣A作如下轉(zhuǎn)換后得到的矩陣B則是一致性矩陣:

其中,bij為矩陣B的第i行、第j列的元素;矩陣B稱為A的擬優(yōu)傳遞矩陣[7]。這樣就保證得到了矩陣B一定滿足一致性檢驗(yàn),求取其最大特征根λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量w,經(jīng)規(guī)范化處理后便得到各層次要素的權(quán)重分配。

2.2 改進(jìn)層次分析法的步驟

改進(jìn)的層次分析法步驟如下:

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)采用9分位的比例標(biāo)度,構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣A:A=(aij)n×n,i,j=1,2,…,n,其中,aii=1,aij=1/aji。

(3)構(gòu)建擬優(yōu)傳遞矩陣B:

(4)求擬優(yōu)傳遞矩陣B各行元素之積:。

3 改進(jìn)的模糊綜合評(píng)估法

模糊綜合評(píng)估[8-11]的基本思想是:復(fù)雜對(duì)象不能再以“非此即彼”的思想去評(píng)價(jià),它往往是介于“好”與“壞”之間。本文模糊綜合評(píng)估模型面向?qū)ο笫翘摂M維修訓(xùn)練,采用單級(jí)模糊綜合評(píng)估即可,其流程如圖1所示。

圖1 單級(jí)模糊綜合評(píng)估流程

(1)確定因素集U。因素集是指影響被評(píng)判對(duì)象的若干因素組成的集合,U=[u1,u2,…,un],其中,ui代表各影響因素。

(2)確定評(píng)語集V。V={v1,v2,…,vm}為指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù),訓(xùn)練質(zhì)量本身就是個(gè)模糊的概念,其評(píng)價(jià)結(jié)果也只能用模糊集合來建立,因此建立評(píng)價(jià)模糊集合V={v1,v2,v3,v4},其中,v1為優(yōu)秀;v2為良好;v3為合格;v4為不合格。

(4)確定模糊評(píng)估矩陣R。因素集U中的任一因素對(duì)評(píng)語集中的任一元素都有一定影響,將這個(gè)影響系數(shù)記為rij,則由這些影響系數(shù)組成單因素評(píng)估矩陣R:

圖2 隸屬函數(shù)曲線

得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為B:

B=w·R=(b1,b2,…,bn)

然后對(duì)B中各元素進(jìn)行歸一化處理,即:

對(duì)于評(píng)語集V={v1,v2,…,vm},目前的模型主要是針對(duì)v1,v2,…,v4賦予確定的值,這種方法和實(shí)際情況存在一定偏差。本文評(píng)語集采用區(qū)間表示法,即v1?(d1,d′1),v2?(d2,d′2),…,vn?(dn,d′n),采用以下公式計(jì)算評(píng)估結(jié)果E:

4 某型無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)操作評(píng)價(jià)

4.1 虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估體系的建立

某型無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練中,受訓(xùn)者需要根據(jù)現(xiàn)象對(duì)故障進(jìn)行分析,通過故障樹、專家知識(shí)等對(duì)故障定位,利用相應(yīng)的測(cè)試工具進(jìn)行關(guān)鍵部位的操作,排除故障。因此,對(duì)無人機(jī)虛擬維修操作進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估指標(biāo)系統(tǒng)

4.2 虛擬維修評(píng)語集的確定

本文選擇優(yōu)秀、良好、合格、不合格4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)維修訓(xùn)練人員進(jìn)行評(píng)價(jià),每項(xiàng)指標(biāo)最高為100,最低為0。將其區(qū)間化為[100,90],[89,80],[79, 60],[59,0]。

4.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的確定過程如下:

(1)建立層次結(jié)構(gòu)(圖3)。

(2)通過兩兩因素的比較得到判斷矩陣A。

(3)根據(jù)式(1)構(gòu)造擬優(yōu)傳遞矩陣B:

(4)矩陣B的特征向量w′:

(5)對(duì)w′進(jìn)行歸一化處理,得到各要素的權(quán)重:wi=[0.110,0.162,0.041,0.426,0.261]。

4.4 模糊評(píng)估矩陣的確定

假設(shè)系統(tǒng)對(duì)被考核人員甲虛擬維修訓(xùn)練的5個(gè)指標(biāo)給出的成績?yōu)閇88,94,89,76,85],則根據(jù)梯形分布法,進(jìn)行單因素模糊評(píng)判,根據(jù)式(2)～式(5)可以得到模糊關(guān)系矩陣R:

4.5 維修人員虛擬維修訓(xùn)練的模糊綜合評(píng)判

利用加權(quán)平均型綜合評(píng)估模型求得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為:

歸一化處理得:

按式(6)計(jì)算最終的評(píng)價(jià)結(jié)果為:

從以上可知,人員甲的綜合評(píng)判結(jié)果為良好。

5 虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估實(shí)現(xiàn)

結(jié)合維修操作流程,訓(xùn)練評(píng)估可借助Virtools[14]腳本的編寫來實(shí)現(xiàn)。將操作步驟、評(píng)估權(quán)重?cái)?shù)據(jù)等信息存儲(chǔ)到“Array”型表格中,通過“Get Cell”從指定的索引行和索引列獲取相關(guān)的數(shù)據(jù);跟蹤受訓(xùn)人員的操作步驟和操作信息,按時(shí)間順序記錄到數(shù)據(jù)庫中,利用“Run VSL”將訓(xùn)練評(píng)估算法編寫成“Evaluation Algorithm”行為模塊,對(duì)受訓(xùn)人員的操作動(dòng)作進(jìn)行打分評(píng)價(jià);最終將評(píng)估結(jié)果以Xml的形式輸出。圖4為Xml成績記錄腳本,圖5為操作評(píng)估實(shí)例演示。

圖4 Xml成績記錄腳本

圖5 操作評(píng)估實(shí)例演示

6 結(jié)束語

本文提出一種基于改進(jìn)模糊層次法的虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估方法,既避免了因一致性檢驗(yàn)不足而引起的判斷矩陣盲目調(diào)整問題,又充分利用了專家信息,使得評(píng)估結(jié)果更加精細(xì)合理。將該方法應(yīng)用于某型無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練的綜合評(píng)估中,并在Virtools環(huán)境下進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證,評(píng)估結(jié)果良好。

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編輯 索書志

Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation

JIAO Yong-kang,LI Xiao-min,MAO Qiong
(Department of UAV Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Aiming at making the comprehensive evaluation of virtual maintenance training more reasonable,the improvements on the basis of traditional Analytic Hierarchy Process(AHP)and fuzzy synthetic evaluation method are put forward.The optimal transfer matrix is used,and the AHP is improved with no need to verify the consistency in determining the weight of indexes and eliminate the blindness in adjusting judgment matrix artificially.The traditional fuzzy synthetic evaluation is improved,and weighted average model is used,so all factors can be considered.It is more credible to use the method of interval evaluation according to comment rank to calculate the result of comprehensive evaluation.The UAV’s virtual maintenance training is used to evaluation.Results show that the improved method is simple,the method is used in Virtools for project implementation and verification,the operational information of trainee can be recorded efficiently,the system can give scores according to the operational record,and the effect of comprehensive evaluation is satisfactory.

Analytic Hierarchy Process(AHP);weight;fuzzy comprehensive evaluation;interval assignment;virtual maintenance training;Unmanned Aerial Vehicle(UAV)

1000-3428(2014)10-0314-04

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.058

國家部委基金資助項(xiàng)目。

矯永康(1988-),男,碩士研究生,主研方向:無人機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)仿真;李小民,教授、博士生導(dǎo)師;毛 瓊,助教、碩士研究生。

2013-08-12

2013-10-18E-mail:jiaoykang@163.com

中文引用格式:矯永康,李小民,毛 瓊.改進(jìn)模糊層次分析法在虛擬維修訓(xùn)練評(píng)估中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程, 2014,40(10):314-317.

英文引用格式:Jiao Yongkang,Li Xiaomin,Mao Qiong.Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation[J].Computer Engineering,2014,40(10):314-317.