信息技術下的艦船動力設備綜合性能研究

馮 亮

(西北工業大學 管理學院，陜西 西安710072)

0 引 言

現代艦船動力設備日益復雜化，為保證艦船能夠保持高性能的運轉，必須有效掌握新的檢測方法和新的先進信息技術以有效預測艦船動力設備的運行狀態。現代艦船動力設備引起的某一故障發生的因素眾多，甚至在同樣的故障狀態下艦船的工作工況也會有不同的結果，故障因素和該因素反映的故障特征之間存在著非線性的映射關系。所以在依靠單一的方法迅速精確的完成艦船故障的定位和排除存在困難的條件下，利用信息融合技術，進行基于信息技術條件下的艦船動力設備綜合性能評估顯得極為必要，信息技術的利用不但可以消除單個故障源的模糊性，還能夠保證艦船動力設備綜合性能狀態的可靠性。因此，本文利用信息技術有效的嵌入到艦船動力設備評估的各個環節，實現基于信息技術條件下艦船動力設備綜合性能的有效評估研究。

1 信息技術的應用背景

艦船設備技術含量高，在一定程度上造成對艦船設備檢測評估難度大。事實上，各設備單獨描述的運行狀態信息不夠完整和全面;同時，在對數字表征的運行狀態做預判時可能會因人員的認識差異造成艦船動力系統的性能狀態不一樣，這樣的表征艦船動力設備的運行狀態不夠科學。只有完全對這些表征的數字含義清楚地掌握，才能在設備有潛在故障將要發生時率先采取措施進行排解，提高設備的使用性能。因此，需要應用更先進的技術提高艦船運行評估的準確性和科學性。信息技術具有智能性，具有信息間關聯和估計的功能，在信號處理和模式識別等領域都有著大量應用，艦船動力設備也具有較高的智能性，需要滿足艦船行駛中的海上目標識別、行駛軌跡控制、智能化的決策分析等一系列綜合性、高質量的任務要求。基于以上分析，本文將信息技術應用到艦船的動力設備綜合性能評估研究中，以提高艦船動力設備的評估準確度，精確評估出艦船動力設備的運行狀態和綜合性能。

2 綜合性能評估方法

2.1 確定評估模型

當對一種設備對象進行性能評估時，必須要根據評估指標對象建立指標體系。艦船系統是一個復雜的、多結構層次系統，艦船在結構上有動力設備系統、通信系統以及電子抗干擾系統等。不同的結構層次是建立指標體系的基礎，便于選取合適有效的評估方法對設備對象進行綜合評估。有時甚至需要對各方法綜合使用，取長補短，徹底摒棄人的經驗性和決策的隨機性。本文選取的是艦船動力設備系統作為評估對象，對每一種指標因素，根據其對艦船設備的重要性和層次性進行等級認定。這樣有了評估對象目標、評估指標和指標的層次性，便可以依次向上確定艦船動力設備的綜合評估模型。

2.2 建立指標體系

系統工程論指出，指標體系的建立需要以層次化、條理化為基礎，對各層次指標的重要程度進行適合的等級處理。同時，評估指標必須做符合評估對象的客觀實際。艦船以動力設備所提供的能量維持運行、作戰、對抗、導航和敵對打擊，所以在對艦船動力設備建立指標體系時，要保證客觀、可靠、全面，選取其表征動力設備性能的具體特征因素，如動力設備的最大功率、行駛中的機動性、使用效率、安全可靠性等。本文中，其指標體系的選取是基于以上的特征因素，采用基于D－S 證據理論的方法實現各設備在動力設備系統中的權重，從而進一步獲得整個動力設備綜合評估的準確性。

3 基于D－S 證據理論的艦船動力設備性能評估

3.1 D－S 理論基礎

D－S 證據理論是由Dempster 于1967年提出的，可以處理一些不確定性問題。它以信任函數為基礎，D－S 證據理論通過對多信度函數的組合形成較為明晰的證據決策，以降低目標的不確性概率。

3.1.1 D－S 證據理論的信度函數

集函數Βel:2Θ→［0，1］為信度函數，在以Θ 所表示的識別框架中當且僅當滿足如下:

1)Βel(φ)= 0;

2)Βel(Φ)= 0;

3)?Α1，Α2，…，Αn?Θ(n為自然數);

便可稱Θ為該識別框架的焦元內核。

3.1.2 D－S 證據多信度函數的組合

假設2個信度函數Βel1與Βel2屬于Θ 識別框架范圍內，m1與m2分別為Βel1與Βel2;兩信度函數的信度分配A1，A2，…，Ak和B1，B2，…，Bj分別為焦元，設

由Βel:2Θ→［0，1］可知，Βel1與Βel2合成后的可信度分配公式為:

2個信度函數的合并信度函數Βel12為:

當Βel1，Βel2，…，Βeln屬于Θ 識別框架范圍內的組合信度函數時，根據2個信度函數的組合可以推導出基于D－S 多信度函數組合公式:

其中n為自然數。

3.1.3 基于基本概率賦值的決策

設?A1，A2?Θ 且滿足

式中，A1為決策的結果;ε1與ε2為滿足表達式的限定值，ε1表示為所屬的基本概率值中max與其他的所屬值之間的差不小于ε1，而ε2表示為無法具體獲取的基本概率值必須小于ε1。基本概率賦值決策方法的應用就是要保證判決結果的準確性。

3.2 構造艦船動力設備的識別框架

基于D－S 理論的艦船動力設備的綜合性能評估流程如圖1所示。

圖1 評估基本流程Fig.1 The basic flow of evaluation

為便于本文的研究，現將艦船動力設備的性能狀態分為A，B，C，D 四個等級作為艦船動力設備的識別框架，按照第2 節中所提到的安全、機動、經濟、可靠的指標評價標準，選取能夠保證艦船動力設備群達到以上標準設備作為指標因素，經過綜合評比，現選取艦船汽輪給水機組、艦船鍋爐設備、燃油設備、滑油系統、主汽輪機和汽輪鼓風機作為具體的設備評估目標對象指標的性能參數，分別用E1，E2，E3，E4，E5，E6 來表示上述指標，根據D－S 證據理論，將各指標的信度分配如表1所示。

表1 艦船動力設備的基本可信度分配Tab.1 The distribution of ship power equipment basic probability

根據信度分配原理可算出E1和E2 兩類設備的可信度分配的概率值和不一致因子因數值，如表2所示。

表2 艦船動力設備E1和E2的組合結果Tab.2 The combination of ship power equipment E1 and E2

不一致因子K 值:

因此，根據D－S 多信度函數的組合原理公式可求得E1與E2 指標得的概率賦值為:

依次進行重復操作進行證據組合得到的結果如表3所示。

表3 艦船設備群證據組合結果Tab.3 Ship equipment group of evidence combination results

由表3 可知，通過D－S 證據融合，不確定性降低到了0.003。

3.3 基于D－S 性能綜合評價

3.3.1 基本方法

艦船動力設備的工作都是一組組共同進行的，并不是由一臺設備實現既有的任務，而且同類設備的工作重要性也不同，所以需要對艦船動力設備的設備群進行綜合評價。現設第i 類設備群的狀態值為:

則設備群的n 維狀態向量值為:

單類設備的權重為:

3.3.2 等級狀態確定

現仍假設艦船動力設備的性能狀態分為4個等級，將U = {u1，…ui，…，um}作為動力設備群的狀態向量，算出第i個設備群的性能狀態的新都函數Βeli，其對應的信度分配為:

進而依據D－S 組合原理概率賦值判斷艦船設備的綜合性能。

3.3.3 權重確定

動力設備性能等級和其重要性并不同步，還需要對設備對艦船動力影響程度進行估值，即權重。現以燃油設備為例，1 號燃油設備停止對艦船的功率偏差影響為θ1，2 號、3 號、4 號燃油設備停止對艦船的功率偏差影響分別為θ2，θ3，θ4，那么計算出的4 臺燃油設備的權重值分別為:

但由于這種權重的計算方法并不足夠好，因此，在以上權重的基礎上，本文通過專家模糊打分法對設備群的設備等級權重進行評判。設第i 名專家對第j 類設備群艦船動力系統設備群的性能評價為:

則所有專家評估后的第j 類設備的性能值:

經歸一化后得:

祝詞按照上述步驟依次計算6 大類設備群模糊權重，綜合出6 大類設備的權重向量:

4 綜合性能評估實例

現假設東海海域一艘艦船執行常規巡航執勤時，艦船的動力設備中，需要配置2 臺鍋爐設備，4 臺主汽輪機，2 臺燃油設備，1 臺滑油設備，2 臺給水設備和1 臺汽輪鼓風機。在該4 臺主汽輪設備中，各設備的性能狀態能級為{1，2，2，3}，由計算公式可得到主汽輪機設備系統的狀態向量值P = {1.0，0.75，0.75，0.04}。各主汽輪設備的權重為{0.25，0.25，0.25，0.25}，則主汽輪設備系統的狀態值為:

同樣，按照以上步驟可算出艦船汽輪給水機設備、艦船鍋爐設備、燃油設備、滑油系統和汽輪鼓風機的狀態值，現將該艦船運行的動力設備的性能等級設為3 級，依照模糊專家打分法計算方法獲得艦船汽輪給水機設備、艦船鍋爐設備、燃油設備、滑油系統和汽輪鼓風機這6 大類設備群的權重向量:

狀態值向量:

最終得出艦船動力設備群的性能狀態值為:

根據該計算結果，艦船動力設備的性能狀態位于1 級和2 級之間，但由于主汽輪機設備狀重要等級低，所以綜合性能評估等級取2 比較合適，這種等級也能夠勝常規執。

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