基于案例推理的潛艇研制風險評估方法

江山，劉剛

（1.海軍工程大學訓練部，湖北武漢430033；2.海軍工程大學管理工程系，湖北武漢430033）

企業管理

基于案例推理的潛艇研制風險評估方法

江山1，劉剛2

（1.海軍工程大學訓練部，湖北武漢430033；2.海軍工程大學管理工程系，湖北武漢430033）

為了有效地評估潛艇研制過程中的風險，提升風險管理和控制能力，分析了潛艇研制風險評估的案例和案例庫，探討了案例推理的主要流程，提出了基于案例推理的潛艇研制風險評估方法。實例證明，該方法能夠有效地評估潛艇研制風險，滿足潛艇研制立項論證決策需求。

研制風險；相似性分析；案例推理

隨著裝備結構和功能的日益復雜、新材料與制造工藝的廣泛應用、戰場環境的復雜突變、未來戰爭的高時效性等對潛艇研制提出了更高的要求，也大大增加了潛艇研制的難度，同時增加了其研制風險。在海軍潛艇研制立項論證的任務中，研制風險的評估是不可或缺的環節[1]。研制風險的評估能力很大程度上取決于各方面數據是否全面、準確，如果沒有相應的數據支持，則可能導致評估有所偏差，甚至于失敗[2]。潛艇研制風險的評估是由多位專家組成的專家組來參與實現的，評估人員的經驗對評估進程有很大影響，此外評估過程須根據評估流程逐項進行，靈活性不高，實時性不強，如何解決這些問題成為當前裝備保障領域里的熱點研究問題，潛艇研制風險評估的決策過程是非常復雜的，需要運用各種知識推理，而這正是專家系統的優勢所在，基于案例推理是人工智能領域中的一種新興的推理方法，它可以在一定的程度上來彌補目前潛艇研制評估專家系統的不完善的地方，為潛艇研制風險評估提供了一種有效的方法[3-5]。本文的目的是為了給潛艇研制人員提供一種有效且可行的評估研制風險的方法，使其能夠將潛艇研制的風險降低至可接受的范圍之內。

1 案例及案例庫

案例就是對于過去已經解決了的問題及其解決辦法的描述。因此可以簡記為：case＝（problem，solution），因為案例本身就是知識，案例庫即知識庫，案例的表示應遵循知識表示的一般原則，案例及案例庫結構設計要側重考慮：（1）有利于案例的檢索；（2）有利于知識的組織；（3）有利于庫的維護與管理；（4）有利于知識的擴充。

案例庫結構設計案例及案例庫的具體結構密切地依賴于案例所涉及的領域知識。海軍常規潛艇的研制風險評估的決策問題是極為復雜的問題，需要考慮的重要因素很多，另外還有許多必須遵守的條例與規則。經過提煉和組織，將案例知識中的問題描述與問題解統一起來，梳理成樹型結構，且由研制單位、研制系統兩大塊構成。研制單位下分為研制單位的人員情況、技術儲備和管理水平，研制系統分為系統重要性、功能相似性、結構相似性和技術相似性。

將研制單位與研制系統編織成兩個字表，分別記錄其中各因素的表示值，它們的值可以是數值型的，也可以是符號型的，同時也可以是限定模糊語言型的，其評估值是由專家給出。而每一個案例所包含的內容就是該表中的記錄。綜上所述，可以看出每個案例的全部信息是分散地貯存在各個表中。這種組織方式便于采用關系數據庫作為案例庫系統實現的軟件工具，從而充分發揮其固有的優越性，使得案例庫的應用、管理與維護極其方便。

2 案例推理的主要流程

2.1 案例檢索與匹配

案例知識的檢索與匹配是實現案例推理的關鍵，也是目前CBR（Case-Based Reasoning）的一個研究熱點。案例檢索最終要達到以下兩個目標：檢索出來的案例應該盡可能的少；檢索出來的案例應盡可能的與當前案例（目標案例）相關或相似或匹配。

2.2 相似性分析

相似分析的比較在案例檢索與匹配中是很重要的，進行相似性分析，是案例推理成功的關鍵。因此，選取合適的相似度計算方法，來進行相似性分析，是案例檢索與匹配的重點所在。

2.2.1 相似度定義

在搜索與問題最為相似的案例時，很多基于“距離”的相似性的計算方法已被廣泛地采用，“距離”越大說明相似度越小。下面給出常見的兩種距離的度量：假定案例庫用CB來表示，CB=包含N個案例，ei（i=1，2，…，N）。每個案例有n個屬性特征Fj（1≤j≤n）和一個決策特征D.則案例庫中的每個案例ei（i=1，2，…，N）都可以表示成一個（n+1）維的特征值向量，即ei（xi1，xi2，A，xin，θi），xij是對應第j個特征Fj（1≤j≤n）的特征值，θi則是對應決策特征D的特征值。假設對每一個屬性特征Fj（1≤j≤n），指定了一個權重ωj（ωj∈[0，1]）來衡量這個特征的重要性[6-7]。

（1）加權Euclidean距離

對案例庫中的一對案例，它們的加權Euclidean距離定義為：

（2）加權Euclidean距離的擴展

上面的這種相似度計算方法只適合于特征值取實值的情況，而沒有考慮特征值是符號值或者區間的情形。接下來給出一種同時適合這些情況的相似度測量方法。假設已經給出一種距離度量，例如上面的加權Euclidean距離，用pj來表示兩個案例之間第j個特征之間的距離，pj則被認為是從pj×Fj到[0，∞]（Fj表示第j個特征的值域）的一個映射，這個映射具有以下屬性：

①pj（a，b）如果a和b都是實數。

②pj（a，b）=max（a∈A，b∈B）如果A和B是區間。

③pj（a，b）=如果a和b是符號值。

因此，案例庫中的一對案例之間的距離就可以定義為[3]：

2.2.2 相似度計算

基于案例推理CBR本質上講，是以使用過去的經驗為基礎來處理現在的問題，從而獲得當前問題求解結果的一種推理模式。一般來講，用CBR提出一個解的過程分為如下2步：首先，新的待求解問題按照案例庫中的案例進行描述，目的是為了在案例庫中找到與之相似的一個或多個案例；然后進入調整階段，在該階段中，調整相似案例（或許多案例）的解以使之適合于求解新的問題（可使用新案例與案例庫中與之相似案例的不同部分）。因此在構建和管理基于案例推理系統（CBRs）時，案例特征屬性之間的相似度計算起到了非常關鍵的作用。文中采用相似隸屬度計算模型來相似度計算[8]。

相似隸屬度計算模型是用模糊數學的基本理論首先對相似性主、客觀因素分別進行相似隸屬度分析，再將各因素的相似隸屬度通過隸屬度合成公式進行，最后再與事先確定的閾值進行比較后可判斷出是否相似。

文中采用打分法來判斷待測因素與案例的相似

程度，將其中各因素進行比較，同時將其與案例進行比較。設A＝（a1，a2，…，an）為因素集，B＝（b1，b2，…，bm）為案例集。專家打分范圍為（0-1）打分值為dij（i=1，2，…，mj=1，2，…，n）。案例權重ω＝（ω1，ω2，…，ωm），相似隸屬度S＝（S1，S2，…，Sn）.

通過上述各因素的相似性隸屬度的確定，可以通過下列公式計算出案例與待測因素的相似程度。

其中，λ=（λ1，λ2，…，λn）為相似要素的權重，其值在0～1之間，且

2.2.3 相似分析

最后通過案例與待測因素的相似性度與相似閾值的比較來判斷案例與待測因素是否相似。即，當S≥e的時候可認為案例于待測因素相似，反之當S＜e的時候可認為案例于待測因素不相似。相似閾值e可首先根據專家經驗確定，然后在使用過程中不斷修正。

3 基于案例推理在風險評估中的應用

3.1 案例庫的建立

文中將案例庫劃分為研制單位、研制系統兩部分，它是相似性分析的基礎，進一步的劃分如圖1所示。

圖1 案例庫結構圖

以潛艇研制風險為例，根據現有潛艇研制過程中的風險值，再將即將研制的潛艇與其進行相似性比較，進行相似度計算，得出相似性度，然后再根據此相似性度，判斷是否借鑒現有潛艇研制過程中的風險值，或者部分借鑒。

由于潛艇研制的單位分為人員情況、技術儲備和管理水平，根據研制單位的情況可判斷兩艘潛艇研制的連續性。又因為潛艇由各個系統組成，將其中的系統進行比較是很必要的，將潛艇系統的功能、結構、技術進行相似性比較，又根據各分系統的重要性突出，有重點針對性地進行研究。

3.2風險評估的案例推理流程

基于案例推理的過程是將案例庫中已有的信息（案例），通過檢索，進行相似分析，推測未知事務相關信息的方法。這里，將現有常規潛艇的研制風險稱為案例。而將影響研制風險的各風險值的集合構成案例庫。預測推理的關鍵就是在案例庫中檢索出與待分析潛艇研制風險相似的案例，然后進行評估，再根據實際情況，添加決策權重，運用效用函數進行綜合評估，得到最終結果。

其推理流程如圖2所示。

圖2 CRB推理流程圖

3.3 分析步驟

（1）組織專家打分，運用相似度隸屬模型，計算出主觀因素相似隸屬度Sj（i=1，2，…n）。

（2）根據公式（3），計算出案例與待測因素的相似程度S.

（3）將此相似程度與相似閾值e，得出待測潛艇風險與案例是否相似。

（4）計算潛艇研制技術、進度和費用風險值。

（5）運用效用函數，得出潛艇研制的風險值。

4 算例

（1）建立評估矩陣，給出各專家給待測因素與案例的相似度值，設A=（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7）為因素集，B=（b1，b2，b3）為案例集。專家打分范圍為（0-1）打分值為dij（i=1，2，3j=1，2，…，7）。案例權重ω=（ω1，ω2，ω3），相似隸屬度S=（S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7），如表1所示。

表1 專家打分表

給定ω=（0.2，0.4，0.4）

根據公式（1）、（2），經計算求得：

S1=0.56；S2=0.56；S3=0.82；

S4=0.44；S5=0.64；S6=0.52；S7=0.72

（2）給出λ=（0.1，0.05，0.3，0.025，0.2，0.025，0.3）根據公式（3），計算出案例與待測潛艇的相似程度：

S=0.698

（3）給出相似閾值0.65，經比較S=0.698＞0.65，可認為待測潛艇風險與案例相似。

（4）由于已判斷即將研制潛艇與案例相似，就可借鑒現有潛艇的技術、進度、費用風險值，來評估即將研制潛艇的技術、進度、費用風險值，給出具體數值表，如表2所示。

表2 案例風險值表

設案例的加權系數σ=（0.3，0.2，0.5），即可求出即將研制潛艇的技術風險Ct、進度風險Cf、費用風險Cc：

Ct=0.645Cf=0.407Cc=0.496

（5）給出技術風險、進度風險和費用風險的權重v＝（0.2，0.5，0.3），得到最終結果：

C=Ct*0.2+Cf*0.5+Cc*0.3

=0.645*0.2+0.407*0.5+0.496*0.3=0.481

設潛艇研制風險的等級為高：[0.85，1]；較高：[0.65，0.85）；一般：[0.5，0.65）；較低：[0.3，0.5）；低：[0，0.3）.

因此，可認為研制此潛艇研制風險較低。

5 結束語

隨著人工智能，尤其是專家系統技術的不斷發展，把智能技術運用到裝備研制評估中是一種趨勢，基于案例推理的潛艇研制風險評估方法，符合人類專家的思維方式，能夠有效地利用過去研制的資源和經驗，隨著案例的不斷增加，評估的有效性和準確性將會不斷提升。

[1]劉志勇，高軍.基于案例推理的型號研制項目風險評估系統[J].先進制造與管理，2007，26（7）：16-17.

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[8]張賢坤.基于案例推理的應急決策方法研究[D].天津：天津大學，2012.

Submarine Development Risk Evaluation Method by Case-Based Reasoning

JIANG Shan1，LIU Gang2
（1.Administrative Office of Training，Naval Univ.of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China；2.Dept.of Management Engineering，Naval Univ.of Engineering，Wuhan Hubei 430033，China）

In order to evaluate the risk of submarine development effectively，advance the ability of risk management and control，the case and case base of submarine development risk evaluation were analyzed，the main flow of case-based reasoning was discussed，and submarine development risk evaluation method by case-Based reasoning was presented.The example proved that this method can evaluate the submarine development risk effectively，and satisfy the decision demand of submarine development demonstration.

development risk；similarity analysis；case-based reasoning

U674.76

：A

：1672-545X（2017）01-0191-04

2016-10-29

總裝技術基礎課題（4314231428）；軍隊院校2110工程三期資助項目

江山（1977-），男，上海人，碩士，高級工程師，研究方向：信息安全、裝備管理；劉剛（1982-），男，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：裝備綜合保障、裝備管理。