基于模糊認(rèn)知圖的船舶維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型研究*

徐 濤 鞏 軍

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333000)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

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基于模糊認(rèn)知圖的船舶維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型研究*

徐 濤1鞏 軍2

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333000)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

針對(duì)當(dāng)前艦船維修過程中容易出現(xiàn)的維修不當(dāng)、維修差錯(cuò)等問題,在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上提出了基于模糊認(rèn)知圖(FCM)的維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,并進(jìn)行了求解與仿真分析,能夠有效控制船舶維修風(fēng)險(xiǎn),減少維修差錯(cuò),預(yù)防安全事故。

模糊認(rèn)知圖;維修;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

Class Number U672

1 引言

維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是船舶在方案和工程研制階段維修工作有效開展的重要環(huán)節(jié),旨在對(duì)各系統(tǒng)及其所處的環(huán)境、各級(jí)維修人員和維修對(duì)象等進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià),找到維修過程中可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和薄弱環(huán)節(jié),從而為風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)[1]。

船舶維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在對(duì)船舶系統(tǒng)中潛在風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)的基礎(chǔ)上,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和后果嚴(yán)重性做出評(píng)估。傳統(tǒng)的評(píng)估方法有兩種:一是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和判斷對(duì)維修風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估,這種評(píng)估缺少智能計(jì)算的能力和自適應(yīng)能力,專家能力的高低因無法獲取先驗(yàn)信息而很難做出比較,有很大的不確定性,在參評(píng)專家人數(shù)較少時(shí),個(gè)別專家評(píng)判的偶然失準(zhǔn),將會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果造成較大影響[2];二是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的定量評(píng)估方法,這種評(píng)估的實(shí)現(xiàn)具有高度的復(fù)雜性,需要較大的樣本數(shù)據(jù)作為支撐,并沒有充分利用現(xiàn)有的專家知識(shí)[3～4]。本文將模糊認(rèn)知圖理論應(yīng)用于維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,實(shí)現(xiàn)了專家知識(shí)與智能計(jì)算、定性與定量分析的有機(jī)結(jié)合,能夠更科學(xué)合理地確定維修優(yōu)先級(jí),為維修決策提供了依據(jù)。

2 模糊認(rèn)知圖

模糊認(rèn)知圖(Fuzzy Cognitive Map,FCM)是Kosko在Axelord認(rèn)知圖基礎(chǔ)上,將概念間的三值關(guān)系{-1,0,1}擴(kuò)展成為區(qū)間[-1,1]上的模糊關(guān)系發(fā)展而來的,是一個(gè)將模糊反饋動(dòng)力系統(tǒng)中的因果事件、參與值、目標(biāo)與趨勢(shì)通過各概念間的邊連接起來的圖結(jié)構(gòu),是建立在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的一種因果關(guān)系表達(dá),具有簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)[5～6]。

Kosko的模糊認(rèn)知圖中各節(jié)點(diǎn)表示各個(gè)不同的模糊集,節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)表示相應(yīng)模糊概念之間的因果關(guān)系。如圖1所示,節(jié)點(diǎn)Ci是概念,它也可為系統(tǒng)的事件、目標(biāo)或趨勢(shì)等,反應(yīng)系統(tǒng)的屬性、特征、質(zhì)量和狀態(tài)。Ci具有一定的狀態(tài),狀態(tài)值是模糊值,也可為二值,以表示概念狀態(tài)存在的程度或處于的開/關(guān)狀態(tài)。wij為原因概念Ci對(duì)結(jié)果概念Cj的影響程度,其為模糊值,屬于區(qū)間[-1,1]。若wij>0,則wij表示Ci的變化引起Cj同方向變化的程度;wij<0,則wij表示Ci的變化引起Cj反方向變化的程度;若wij=0,則表示概念Ci與Cj不存在因果關(guān)系。

圖1 兩個(gè)概念的模糊認(rèn)知圖

3 船舶維修風(fēng)險(xiǎn)的FCM模型構(gòu)建

3.1 船舶維修風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

船舶維修風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)在于確定有什么風(fēng)險(xiǎn)可能影響船舶正常工作,并用敘述性說明加以描述。風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)工作,為FCM模型的建立提供了信息和邏輯關(guān)系的支持。

以某船為例,經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí),得出影響船舶正常工作的潛在風(fēng)險(xiǎn)有:環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、行為主體風(fēng)險(xiǎn)、管理過程風(fēng)險(xiǎn),技術(shù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)施過程風(fēng)險(xiǎn)和目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。各類風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 各類風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系圖

3.2 FCM模型構(gòu)建

根據(jù)模糊認(rèn)知圖模型的構(gòu)建方法[7～8]和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果,建立船舶維修風(fēng)險(xiǎn)的FCM模型,如圖3所示。

圖3 船舶維修風(fēng)險(xiǎn)的FCM模型

模型包括立個(gè)概念節(jié)點(diǎn),各概念節(jié)點(diǎn)的意義如下:C1代表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),C2代表技術(shù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),C3代表實(shí)施過程風(fēng)險(xiǎn),C4代表行為主體風(fēng)險(xiǎn),C5代表管理過程風(fēng)險(xiǎn),C6代表目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

4 基于FCM的船舶維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 FCM模型求解過程

定義FCM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個(gè)四元組(C,E,X,f)。其中:C={C1,C2,…,Cn}是構(gòu)成FCM模型的風(fēng)險(xiǎn)概念節(jié)點(diǎn)的集合,這些概念節(jié)點(diǎn)都具備一個(gè)狀態(tài)值;E:(Ci,Cj)→wij是一映射,wij∈E,Ci、Cj∈C,其值域在[-1,1]之間,wij的含義已經(jīng)做了說明,W=(wij)n×n是FCM模型對(duì)應(yīng)的權(quán)值矩陣;X:Ci→xi是一映射,xi(t)表示節(jié)點(diǎn)Ci在t時(shí)刻的狀態(tài),值域在[-1,1]之間,其概念節(jié)點(diǎn)的迭代方程為

(1)

f是變換函數(shù),利用變換函數(shù)將不同數(shù)值范圍的變量轉(zhuǎn)換到[-1,1]范圍內(nèi)。常用的變換函數(shù)有雙曲正切函數(shù)、Sigmoid函數(shù)等,這里使用Sigmoid函數(shù)

(2)

式(1)可稱為演化方程或者推理方程。從FCM模型上可以看出,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化是由各概念節(jié)點(diǎn)及其狀態(tài)通過因果關(guān)系相互作用而形成的,FCM中的每一個(gè)概念節(jié)點(diǎn)都將自己的輸出通過連接權(quán)wij傳送給其它的節(jié)點(diǎn),同時(shí)接收其它節(jié)點(diǎn)傳遞過來的因果影響,概念節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值及權(quán)值的相互作用,產(chǎn)生對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬。同時(shí)式(1)還反映了FCM數(shù)值推理的機(jī)制:在FCM的權(quán)值矩陣己知的情況下,系統(tǒng)t+1時(shí)刻的狀態(tài)x(t+1)可通過權(quán)值矩陣與t時(shí)刻的狀態(tài)x(t)的乘積得到。設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)序列為[X1(t),X2(t),…,Xn(t)],對(duì)應(yīng)FCM包含了n個(gè)節(jié)點(diǎn),由于FCM與權(quán)值矩陣一一對(duì)應(yīng),可以得到一個(gè)1×n的狀態(tài)矩陣和一個(gè)n×n的權(quán)值矩陣W,得式(3):

(3)

因此,在已知權(quán)值矩陣的情況下,系統(tǒng)t+1時(shí)刻的狀態(tài)可根據(jù)t時(shí)刻的狀態(tài)推理得到[9～10]。

4.2 仿真分析

現(xiàn)收集到某船部分維修數(shù)據(jù)樣本,經(jīng)過專家打分并歸一化之后得到概念間的權(quán)值矩陣如表1所示。

表1 歸一化處理后的概念權(quán)值值

權(quán)值矩陣為

根據(jù)維修數(shù)據(jù),取初始向量為:

X(0)=[x1(0),x2(0),x3(0),x4(0),x5(0),x6(0)]

=[0.4,0.15,0.15,0.3,0.35,0]

依據(jù)式(3),將權(quán)值矩陣W和初始向量X(0)輸入Matlab仿真,得到風(fēng)險(xiǎn)值變化表如表2所示。

由表2可知,在開始時(shí)刻特別是在5次迭代前,由于各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素綜合作用,使得風(fēng)險(xiǎn)值C2、C6較高,這時(shí)應(yīng)調(diào)整維修資源加強(qiáng)對(duì)造成技術(shù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的裝備進(jìn)行維修。在25次迭代后風(fēng)險(xiǎn)值基本趨于穩(wěn)定,由大到小依次為:C1、C4、C5、C2、C6、C3。C1是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),其風(fēng)險(xiǎn)值在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就趨于穩(wěn)定,在0.45左右變化,說明環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)在整個(gè)維修過程中維持在一個(gè)較強(qiáng)的水平,對(duì)整個(gè)維修過程產(chǎn)生較大的影響;C2是技術(shù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),在整個(gè)迭代過程中維持在適中水平;C3是實(shí)施過程風(fēng)險(xiǎn),只要計(jì)劃和控制到位,整個(gè)實(shí)施過程的風(fēng)險(xiǎn)值能夠比較好的控制在允許值之內(nèi),因此,其風(fēng)險(xiǎn)水平較低;C4和C5分別是行為主體風(fēng)險(xiǎn)和管理過程風(fēng)險(xiǎn),兩者的發(fā)生概率較高,在實(shí)際工作中裝備維修的質(zhì)量安全發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),人為因素占到了70%左右,要控制和降低裝備維修的風(fēng)險(xiǎn),還是得從提高維修人員素質(zhì)和過程管理和監(jiān)控抓起。

表2 風(fēng)險(xiǎn)值變化表

5 結(jié)語(yǔ)

本文將模糊認(rèn)知圖理論運(yùn)用于船舶維修風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,可以對(duì)有效控制船舶維修風(fēng)險(xiǎn),減少維修差錯(cuò),預(yù)防安全事故。下一步將根據(jù)FCM的特點(diǎn),進(jìn)行FCM模型訓(xùn)練學(xué)習(xí)的研究,使FCM模型能夠更好地整合專家知識(shí)與樣本信息,進(jìn)一步提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力。

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Reserach of Fuzzy Cognitive Maps in Process of Maintainment on Risk Evaluation for Ship

Xu Tao1Gong Jun2

(1.Naval Aeronautical Representative Office in Jingdezhen Region,Jingdezhen 333000)(2.Department of Management Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033)

Based on the problems of improper and erroneous repair easily happening during ship repair,a ship repair risk evaluation model is put forward on the basis of risk identification,and then solved and simulated to effectively control the risks of naval vessel repair,reduce the errors of repair,and prevent safety accident.

fuzzy cognitive map; maintainance; risk evaluation

2014年8月3日,

2014年9月20日

徐濤,男,工程師,研究方向:裝備管理。鞏軍,男,碩士,講師,研究方向:管理工程。

U672

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.034