基于狀態監測的岸防武器系統保障性評估指標研究

(中國人民解放軍92228部隊，北京 102442)

0 引言

狀態監測與保障特性評估技術作為實現基于狀態維修的關鍵技術，是一項戰略性的裝備保障策略[1]，其目的是對裝備狀態進行實時或周期性的監控和評估，根據裝備的實際狀態確定性能衰退趨勢、最佳維修時機和保障決策方案，以提高裝備的可用度和任務可靠性。隨著作戰理念和作戰樣式的演變以及裝備復雜性、信息化和綜合化程度的提高，裝備維修保障工作重點已由傳統的以事后修復為主，逐步轉變為以信息的獲取、處理和傳輸并做出維修決策為主。以往的事后維修和定期維修已經無法很好地滿足現代戰爭和武器裝備對裝備保障的要求，因此，基于狀態的維修(Condition Based Maintenance，CBM)和預測與健康管理(PHM)理念逐漸興起[2]。

目前，國內已經開始向系統級故障預測與健康管理發展[3]，逐步擴展到更多的機電和電子系統。在新型傳感原理、微弱特征提取與早期故障檢測技術、自學習監控與診斷技術、故障預測方法算法、PHM系統集成技術等方面取得一些創新。領域從軍機擴展到了民機、艦船等，并形成了一些工程實用化系統。雖然國內PHM發展已取得一些成績，但綜合各方面情況看，技術基礎薄弱，研究對象覆蓋面較窄，與國外相比存在較大的差距。

狀態監控與評估已成為國外新一代武器裝備研制和實現“感知與響應”保障的一項核心技術，是提高復雜系統可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環境適應性和降低壽命周期費用的關鍵技術。我軍在狀態監控與評估應用領域方面的研究起步較晚，裝備的相關研究現在仍處于探索階段。因此，積極借鑒外軍關于CBM的發展成果，開展狀態監測和保障特性評估技術與體系構建研究，對提高岸防裝備平時戰備完好性和戰時持續保障能力，提升岸防裝備通用質量水平和體系保障能力具有重要的意義。

1 保障特性評價指標體系

以科學構建保障特性評估指標體系和提升岸防武器系統技術狀態水平為目標，分析裝備保障特性信息對裝備保障功能特性、保障系統資源屬性的影響；在此基礎上，分析確定岸防裝備保障特性評價指標，并通過分析保障特性評價指標體系之間的邏輯關系和重要性，構建完備的保障特性評價指標體系。根據保障特性評價指標的信息采集難度、與其他特征指標的信息相關程度，構建層次清晰、指標靈活可裁剪的保障特性評價指標體系。

1.1 保障特性評價指標體系構建

保障特性評價指標是通過分析裝備使用和保障過程中的各類信息，分析各類信息對裝備保障特性的意義、價值和影響，從而確定評價指標，裝備的信息性質分類主要分為設計屬性、綜合保障特性等，不同性質屬性有其對應的特征屬性和觀測值指標，觀測指標產生于裝備壽命過程中的不同階段，由于信息采集難度的不同，某些觀測指標不合適進行量化，對此類指標參數可以采用專家打分的方式進行量化，也可以給出定性評語。特征屬性與觀測指標如圖1所示。

圖1 岸防武器系統保障特性評估指標體系

在確定底層觀測指標的基礎上，通過參數格式統一和層次權重確定得到合理的裝備保障特性評估指標體系[4]。對于參數格式統一，采用模糊理論對定性信息進行量化處理，采用歸一化算法來統一觀測指標的尺度；對于指標權重的優化，采用成熟的主觀與客觀賦權相結合的賦權方法，最終確定岸防武器裝備保障特性指標。

1.2 保障特性指標影響分析

1.2.1 保障特性指標參數對裝備保障功能特性的影響

裝備處于完好狀態，不一定就能完成規定功能、執行相應的任務，還需要一系列協調有效的使用保障工作。使用保障是為保證裝備正確動用，以便能充分發揮規定的作戰性能所進行的一系列技術與管理活動。例如，針對某型岸防武器系統的雷達車，其規定的功能有機動和探測敵對目標等，但如果雷達車沒有燃料，即使其各部分均處于完好狀態，也無法完成機動任務；再如，針對遠程轟炸機，如果缺乏足夠的油料、彈藥，其航程再大，也無法完成遠程轟炸的作戰任務。由此可見，使用保障是裝備戰斗力不可分割的組成部分，任何裝備的戰斗力都是在使用的過程中體現的。無論裝備的戰術技術性能如何先進，一般都需要在得到有效的使用保障基礎上才能充分發揮。

必須要在裝備設計過程中，從功能原理、結構方案等方面人手，考慮如何方便、順利地開展使用保障活動，使得裝備能夠正常地行使其功能，而這些在設計過程中形成的特性就是裝備的使用保障性。使用保障性設計得好，在操作動用裝備執行任務時，裝備就易于獲得及時、有效、經濟的保障。以岸防武器裝備為例，其系統復雜，對維護保障人員、資源等的要求較高，其在壽命周期過程中發生故障并進行修復的消耗也較大，其使用保障的顯得尤為重要。

因此，通過在岸防武器裝備的保障功能方面，增加狀態監測、健康評估等功能，提升使用保障特性，可更好地發揮保障的作戰效能。

1.2.2 保障特性指標參數對保障系統資源屬性的影響

裝備的維修保障特性與保障資源關系密切。如果裝備的可靠性高，則維修任務量少、維修保障資源需求也相應減少；維修性好，則裝備的維修工作便于開展，也同樣會減少對維修保障資源的需求；測試性好，則對故障檢測診斷設備的需求減少、大大縮短維修排故時間。掌握好裝備的故障規律，充分開展裝備的保障特性信息分析和研究，對于規劃、設計保障系統，對于確保裝備的戰備完好狀態是至關重要的。

保障系統資源屬性主要體現裝備的維修保障特性。與使用保障特性不同的是，維修保障特性主要針對的是裝備“故障”引發的相應維修問題。雖然裝備發生的故障與裝備執行的任務、行使的功能有關，但這種關系不是直接一一對應的。故障的發生有其隨機性，掌握裝備故障規律是做好維修保障特性設計的基礎。

維修保障特性的定義是:“在規定的條件下和規定的時間內,裝備能夠保持或恢復到規定的戰備完好狀態的能力”[5]。裝備保持戰備完好狀態，包含了兩個方面的含義:不出故障、出了故障后能夠迅速排除而不影響任務的執行。前者對應著裝備的可靠性，而迅速排故則與裝備維修性、測試性密切相關。因此，裝備的維修保障特性也由這三類特性所構成6-8。

因此，如何找出裝備的薄弱環節，快速定位系統故障是研究的主要內容之一。通過開展在線狀態監測技術研究，即可有效支撐故障的在線實時判定。

2 保障特性綜合評估與權衡

2.1 保障特性指標計算

保障特性評估，首先需要實現對保障特性關鍵指標的獲取和計算。對于測試性、維修性、戰備完好性等各類指標的獲取方式，部分指標可通過在線狀態監控獲取，而部分指標需通過裝備保障特性信息的人工采集實現對保障特性指標的獲取。

同時，針對岸防武器系統其特殊的使用場景和使用條件，亦需要綜合選取合適的保障特性指標計算方法。例如，對于某武器裝備，其保障特性的使用可用度A0，可采用以下算式計算：

其中:MTBF為平均故障間隔時間，MTTR為平均修復時間，ADT為后勤保障延誤時間。同時，亦可采用以下計算公式：

因此，需要選取合適的指標特征計算方法，以構建更加能夠表征裝備保障特性的特征參數。

2.2 保障特性綜合評估

通過對初擬的岸防武器系統裝備保障特性綜合評估指標體系進行篩選和分解，構建的岸防武器裝備保障特性綜合評估指標體系，擬采用模糊層次法實現對保障特性的綜合評估計算。模糊層次分析法又稱為不確定型層次分析法(FAHP)，與確定型層次分析法(AHP)相對應。保障特性評估中保障性能的影響因素包括固有設計屬性(如：測試性、可靠性評價指標等)以及綜合性保障屬性(如：戰備完好性評價參數、費用類參數等)等多個因素，這造成專家在評估時會出現難以確定權重的困難，并且權重又因專家的學識和經驗不同而給出不同的判斷值，以上各方面的原因催生了模糊評估方法的發展。

模糊層次分析法首先把要解決的問題分解成多個因素，建立層次結構，再比較各因素間的相對重要性，通過判斷矩陣(這里的判斷矩陣因子是區間的形式)運算，解決子問題，最后做出最優決策。整個分析流程如圖2所示。

圖2 模糊層次分析法流程圖

2.2.1 建立因素集

通常將實際問題分解為多個因素后，得到由這些子問題組成的因素集，根據因素集構建多層次結構——總目標層(一級)、指標層(二級)、子指標層(三級)、底指標層等多個層次。

2.2.2 構建成對判斷矩陣

因素集的因子兩兩進行成對比較，得出因子判斷區間，假定模糊判斷矩陣為A，其因子Aik為區間的形式Aik=[aik,bik]，且有：

1)1/9

2)Aii=[1,1]

3)Aki=[aki,bki]=[1/bik,1/aik]

模糊矩陣A的第一層因子采用1～9標度兩兩成對判斷構造，從第二層開始運用成對判斷構造外，還需滿足Aii=[1,1]和Aki=[1/bik,1/aik]；

2.2.3 最優權向量求解

不確定型判斷矩陣中各指標的權重區間通過一致性檢驗后，權重向量可采用線性目標規劃法、特征根法等計算得到。但是，基于上述得到的權重向量為區間值，只可用于解決多準則決策問題，而非最優權向量，不能用于綜合評估保障特性，因此需要進一步確定最優權向量。依據區間判斷矩陣組成本義，專家給出的權重隱含于區間判斷矩陣中，且權向量和為1，當原區間矩陣A與權向量構成的判斷矩陣W差的平方和相離度最小時，該隱含權向量即是最優權向量[9]。

2.2.4 計算模糊結果

根據各因素的評分和規定的隸屬函數計算得出模糊向量。這里采用梯形隸屬函數確定各等級的隸屬度，對于保障性能的等級隸屬函數可由圖3表示。

圖3 保障性能等級隸屬函數

兩類評分的交叉部分構成模糊區間，類的隸屬度由其在模糊區間所占比例的大小劃分。將基于規則得到的檢測數的評分值轉化成模糊向量，用來進行模糊評估。假設評分是78，那模糊向量即為(0,0.8,0.2,0,0)，如果評分為80，則在隸屬函數中居于二級區域(良好區域：85～80)，模糊向量是(0,1,0,0,0)，計算方法如下：

f(x)=

xmax為模糊區間最大值，xmin為模糊區間最小值，x為檢測評分。

2.2.5 得出綜合評判

由最底層的模糊結果和最優權重(由模糊判斷矩陣計算得出的權重和專家經驗給出的權重)根據多層次結構逐層計算上一級的模糊結果，最終求得一級模糊結果，然后作出最后決策。得出綜合評判的示意圖如圖4所示。

圖4 綜合評判示意圖

2.3 保障特性權衡分析

裝備的測試性及維修性與戰備的完好性等各類保障，其指標的權衡與分配是達到特定要求下保障性能最優的關鍵因素。一般地，裝備綜合保障的終極目標是在可承受的壽命周期費用內，實現武器裝備的戰備完好、保證任務成功，達到持續作戰要求，從而滿足武器裝備平時與戰時的使用要求。因此武器裝備保障特性的評估指標需體現裝備的戰備完好、任務成功、持續作戰和保障費用等情況[10]。

通過對初擬的岸防武器系統裝備保障特性綜合評估指標體系進行篩選和分解，構建的岸防武器系統裝備保障特性綜合評估指標體系，分析評估指標與岸導武器系統綜合保障目標之間的關系，構建從目標出發的裝備評估指標與綜合保障目標之間的關系模型，實現裝備評估指標與綜合保障特性平衡仿真分析工具，為裝備綜合保障特性計算、分配以及保障特性權衡提供建議。

圖5 裝備評估指標與綜合保障目標之間的關系模型示意

圖6 保障特性綜合評估與權衡示意

利用權衡分析工具，以某岸防裝備為例，開展保障特性評估與權衡分析驗證。經過分析，該岸防裝備其保障特性目標由持續作戰能力、平均戰備完好性、維修人力和保障費用、任務成功性等四個維度決定。持續作戰能力又由再次出動準備時間TTA(由平均維修時間TMT影響確定，TMT又由測試性綜合參數ST影響確定)、出動架次率RSG共同決定(其又直接受再次出動準備時間TTA影響)；平均戰備完好性由使用可用度A0影響決定，A0又由平均維修時間TMT、平均故障間隔時間TBF(受平均故障間隔運行小時TFBF影響)共同影響決定；維修人力和保障費用由評估故障間隔運行小時TFBF以及持續作戰能力DA等確定；任務成功性由任務可靠度RM決定，RM由平均嚴重故障間隔時間TBCF影響(其可由平均故障間隔運行小時TFBF)。根據以上分析指標，對該系列10部岸防裝備進行保障特性評估與權衡分析，其結果如表1所示，該保障特性評分基本可表征該型裝備的保障特性，權衡建議與實際較為契合，初步驗證了本文保障特性綜合評估與權衡方法的可行性。

表1 某型岸防裝備保障特性評估與權衡結果指標項

注：以上指標均為歸一化后結果；權衡建議中的“↓”表示建議降低該指標數值，“↑”表示建議對該指標進行提升。

3 結論

針對岸防武器系統的保障特性，基于狀態的評估體系可有效管理其全壽命周期的使用維修數據，全面監測、評估、診斷整個系統的健康狀態，并且提供維修的策略及方法。改變評估模型及算法，本研究的成果能夠廣泛應用在其它海軍武器系統的使用、貯存等多個環節的綜合診斷及健康狀態監測過程中，這對視情維修、精確保障具有重要的指導意義。