测控装备健康评价体系与支持系统设计

王 鑫

(中国人民解放军92941部队， 辽宁 葫芦岛 125001)

测控装备包括雷测、光测、遥测等设备，它们的特点是大型化、复杂化和模块化。它们型号多、组成结构复杂、价格昂贵，以往对装备状态的评价都是依据操管人员日常使用观察对其进行评价，没有定量的数据支持。难以对装备的状态做出客观准确的评价。目前，国内对测控装备健康评价的研究很少，作者采用通用装备的评价理论并结合测控装备的特点建立健康评价体系，并开发一套测控装备健康评价系统。

健康评价体系的建立是进行健康评价的基础，科学合理地设计健康评价体系，能客观地对装备的健康状态进行有效评估，并能为装备设计和系统的优化提供客观数据支持。

1 测控装备系统的要素分析

测控装备是一个典型的复杂系统，具有如下特点[1]：

1) 复杂性。测控装备复杂性主要表现在涉及面广和目标多，涉及平台性能，装置设备性能、作战能力、人机因素等。

2) 主观性。评价问题具有很强的主观性，在进行大量模糊的定性因素和非公度性指标的转化时，不可避免地要涉及人的主观判断，体现人的经验和直觉思维模式。

3) 概略性。在评价涉及的参数中，其中一些参数有确切数据，但也有不少参数不能直接测量和统计，只能估计。

4) 时效性。由于装备在使用寿命周期内，都要经历类似的生命效能曲线，即在使用初期，故障率高，可用度和可靠性差；使用一段时间后故障率下降，工作达到正常；当达到使用寿命后期，装备故障率会急剧上升。

5) 局限性。装备的健康状态与很多条件有关，各种计算模型和方法也有种种假设和先决条件，存在不同程度的偏差，也不能全面覆盖所有相关指标，因此评价结果不可避免具有一定的局限性，只能在预定的范围和假设条件下才是可信的。

测控装备具有一般装备的结构特性，具有如图1所示的结构隶属关系和性能影响关系。

本文按照装备本身结构特点，将装备结构划分为4级，即系统级、子系统级、组件级(LRU)和单元级(SRU)。

2 建立测控装备健康评价指标体系

测控装备健康评价指标体系的建立是进行装备综合评价的基础。科学合理的评价指标体系建立，依赖于多方面的因素，下面对指标选取原则、选取步骤以及指标的量化和标准化分别进行阐述。

2.1 健康评价指标的选取原则

评价指标总体上分为定性指标和定量指标两大类，选取应遵循以下原则：

1) 系统性原则。健康评价指标体系应能反映装备的整体性能和综合情况，评价指标的设计应有层次性，结构合理，以保证评价体系的全面性和可靠性

2) 可比性原则。评价结果要有可比性，可比性强才能体现装备的健康状况。评价指标要避免包含关系，相关关系要适当消除。指标处理中要保持数据同趋势化，以保证指标间的可比性。

3) 科学性原则。评价指标以能正确反映系统整体和内部相互关系的数量特征，同时，既要保持定性分析的科学性，又要保证定量分析的准确性。

4) 实用性原则。评价指标涵义要明确，数据要规范，口径要一致，数据获取和资料收集要可靠，数据在导入评价模型时要有可操作性，便于在计算机上操作实现。

5) 层次性原则。将复杂的系统进行分解，降低评价对象的复杂度，以求能得出更为合理的评价指标

6) 简易性原则。在确定评价层次关系时，层次数在满足要求的情况下，应尽可能少，层次结构的简易程度直接决定着评价结果的好坏。每一层中的评价指标个数也不宜过多，一般不超过9个，过多的指标并不能有效提高评价结果的准确性，往往会引入过多的干扰因素，反而会降低评价结果的准确性。

2.2 健康评价指标权重的确定方法

指标权重的确定方法有多重，大致分为主观赋值法、客观赋值法和综合赋值法3类。本文以主观赋值法为基础，进行权值的确定，兼顾客观赋值法的扩展，以求多途径对装备健康状况评价。

1) 主观赋值法-层次分析法

该方法以层次分析法(AHP法)的两两比较判断矩阵为基础，对各指标的相对重要性进行选择，然后填表建立决策矩阵。

在指标比较分级中采用较多的为Satty教授提出并应用广泛的1～9标度。但由于9等级标度的评分与直觉和语言判断习惯不协调，易导致评判结果的不一致，目前应用中对其进行了优化，提出了更为合理的6等级标度法[2]。6等级标度值如表1所示。

表1 6等级标度值的含义

2) 客观赋值法-熵值法

熵是信息论中测度系统不确定性的量。信息量越大，不确定性越小；反之，信息量越小，不确定性越大。熵值法主要依据各指标所包含的信息量的大小，利用指标本身的熵值约定指标权重，具有绝对的客观性。其主要步骤如下：

对决策矩阵Xm×n做标准化处理，得到标准化矩阵Ym×n,进行归一化：

(1)

计算第j个指标的熵值：

(2)

计算第j个指标的差异系数。指标的差异越大，对评价的作用越大，熵值越大；反之，差异越小，对评价的作用越小，熵值越小，定义熵值系数如下：

gj=1-ej(1≤j≤n)

(3)

确定指标权重：

(4)

熵值法需要数据的支持，在获得数据支持的前提下，作为扩展功能。

3 健康评价聚合方法的选择

不同的评价方法侧重不同，分析结果自然不同。本文选择多种数学模型完成综合评价：加权算术平均法；加权几何平均法；主成分分析方法。

在系统设计中，预留控制其他数学模型的接口，以便于以后控制如神经网络，D-S证据理论，粗糙集等先进算法。

4 健康评价数学模型

按照美国工业界武器效能咨询委员会(WSEIAC)推介，装备健康状态是满足一组特定任务要求的程度的度量，其数学模型称之为ADC模型[3]，以函数形式表示如式(5)：

E=A×D×C

(5)

其中：E为健康总指标；A为系统可用度，装备任意状态下处于工作状态的度量；D为系统可信度，装备执行任务瞬态系统状态的度量；C为系统能力，装备完成任务能力的度量，性能指标综合。装备健康模型指标(ADC模型)如图2所示。

1) 可用度

设备工作状态可以分为正常和故障两种，装备的故障率和平均无故障间隔时间(MTBF)是衡量装备状态重要指标。两种状态下可用度 表示如下：

A=[a1,a2]

(6)

式(6)中：a1为工作状态的概率，a2为故障状态的概率。

(7)

(8)

在进行综合评价时，故障率λ和修复率μ基于试验数据统计得出。

2) 可信度

可信度描述系统在完成任务期间所处的状态，即能否连续工作，可行度表示如下：

不可维修系统可信度矩阵表示为

(9)

可修复系统可信度矩阵表示为：

(10)

分析可见可行度的值完全取决于故障率λ和修复率μ的取值。

3) 能力标度

能力是根据具体情况进行试验综合统计分析或计算机模拟得出，是一系列技术指标的综合评价，描述装备在规定的时间内满足作战使用要求的概率。能力向量C表示如式(11)所示。

C=(c1，c2)T

(11)

式中：c1为系统处于正常状态下完成任务的概率；c2为系统处于异常状态下完成任务的概率。

技术指标的综合评价即为完成任务的能力标度。

5 测控装备健康评价系统实例

以某型雷达为例建立健康评价体系，并进行数学建模支持系统设计。

装备整体评价技术指标在后续实施中需要修正、优化和补充(表2)。

表2 某型雷达整体技术指标

组件的评价指标主要针对可用度和可信度目标进行评价，选取的主要参数如表3所示。评价指标在后续实施中需要修正和优化。

根据各指标的重要程度，在尚没有试验数据的支持下，按照2.2节给出的层次分析法(AHP法)进行权重分配。构建权重比较系数如表4所示。可以简单得出系统评价各项指标的权重分配[4]。

该分析结果是权重系数，按照式(4)给出的归一化方法归一化以后，即为权重[5]。

支持系统架构的健康评价系统使用C/S(客户端/服务器)技术方案，采用标准以太网总线构架，使用虚拟仪器技术的LabVIEW图形化编程语言，并参照成熟系统和已有经验完成本系统的设计。① 综合评价系统总体架构为C/S(客户端/服务端)架构；② 客户端计算机安装综合评价系统客户端软件，实现人机交互、数据录入、系统配置和综合评价等各项功能；③ 服务器安装数据库系统，存储用户信息数据、装备信息数据、装备运行数据、装备状态数据等基本数据；综合评价指标数据和综合评价权重数据等评价体系数据，实现数据存储。④ 客户端与服务端通过网络连接进行数据交互。

根据以上对系统需求的分析，本系统主要功能为实现对设备进行综合评价，为设备选型、选厂，以及对设备的管理提供可靠的决策信息。将系统功能转化为功能模块，可设计健康评价系统总体功能模块结构如图3所示。

表3 某型雷达组件评价指标

表4 某型雷达评价指标权重系数

6 运行结果

利用本健康评价系统对某型雷达进行健康评价，此型雷达具有结构复杂、技术指标多的特点。第一步:计算各设备权重并构建权重矩阵。根据系统组成结构，计算各个部件及设备分系统的权重。采用 9 标度层次分析法进行两两比较建立判断矩阵，计算权重向量并进行一致性检验，最终得到权重矩阵。 第二步:按照聚合方法选择合适的系统综合评价方法，得到科学合理可信的系统综合评价的结论。第三步按照构建的数学模型把选出的指标与数学模型中的可信度、可用度、能力指标相对应。最后得出健康评价结果如图4所示。

7 结论

测控装备健康评价支持系统能够客观的反映装备的技术状态，对装备的日常使用和管理有很强的借鉴作用。本文以某型雷达为例，其评价体系与支持系统可适用于其他装备[6]。

[1] 李勇,常天庆,张雷,等.基于熵权法的坦克火控系统健康评价方法[J].科技导报,2012，30(8):51-54.

[2] 杜栋.现代综合评价方法与案例精选[M].北京:清华大学出版社,2008:1-12.

[3] 董伟升,杨罗兰,赵聆,等.航天地面站测控设备健康管理系统概念研究[J].遥测遥控,2017(11):44-47.

[4] 谭治学.雷达发射机健康状态评价及预测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[5] 张孟辉,黄希利,李江.自行火炮武器系统操作性评价[J].四川兵工学报,2013,33(4):14-17.

[6] 陈尚志,魏国君,谭跃进.大型复杂武器装备质量综合评价及其支持系统设计[J].指挥控制与仿真,2006,28(6):67-71.