舰艇主动力装置战损评估与抢修决策支持系统

曾鲁山，曾凡明，孔庆福，李彦强

(1.海军工程大学船舶与动力学院，湖北 武汉 430033;2.海军装备技术研究所，北京 102442)

舰艇主动力装置战损评估与抢修决策支持系统

曾鲁山1，曾凡明1，孔庆福1，李彦强2

(1.海军工程大学船舶与动力学院，湖北 武汉 430033;2.海军装备技术研究所，北京 102442)

针对舰艇主动力装置这一复杂系统的战损评估与抢修国内还没有一个完善的解决方案，提出了战损情况下主动力装置生命力分析和舰艇航速计算的方法;利用贝叶斯网络和损伤树的推理方法实现了装备的损伤定位;探讨了战场环境下主动力装置抢修决策的逻辑关系;构建了系统的基本框架并提出较完善的解决方案，根据此方案开发了某型舰主动力装置抢修决策支持系统，该系统的开发与应用具有较强的军事意义。

舰艇主动力装置;战损评估与修复;损伤定位;抢修决策;支持系统

0 引言

战场损伤评估与修复(Battlefield Damage Assessment and Repair，BDAR)，即在战场抢修时，对装备进行损伤评估、状态预测，并根据需要快速修复损伤部位［1］。西方国家战场抢修比较有代表性的成果主要有美军的坦克修复模型、英国空军战场损伤修复研究、美国飞机战场损伤评估程序等。近年来，美军对战损数据的获得有得天独厚的优势，非常注重对战斗损伤数据库的管理工作，其战损研究工作走在世界前列［2-3］。国内分别对火炮、飞机等装备的战场损伤评估、战斗损伤备件模型等进行了有益探讨［4-6］，但舰艇主动力装置的战损评估和抢修与火炮、飞机等装备在运行模式、抢修资源、战场环境等方面有很多不同的地方，现还没有看到一个完善的解决方案。随着智能决策支持系统的应用和发展，其对知识和数据的处理能力逐渐增强，为研究舰艇主动力装置战损评估与抢修决策支持系统提供可借鉴的方法和便利的条件。本文针对某型主动力装置这一复杂大系统进行了BDAR的研究，提出了1个较为完善的解决方案，探讨了各个功能模块的具体实现方法，并根据此方案开发了该型主动力装置战损抢修决策支持系统。

1 主动力装置战损评估与抢修决策支持系统整体框架

主动力装置战损评估与抢修决策支持系统的主要功能包括主动力装置战损预测、主动力装置生命力分析、抢修资源分析、装备损伤定位、抢修方案制定、装备状态预测、装备应急使用方案分析等。包含的模块主要有信息输入模块、系统管理模块、知识库模块、数据库模块、损伤定位模块、内置Matlab函数模块、信息输出模块。其中信息输入模块主要包含损伤评估人员输入系统所需的各类信息:舰艇受到攻击的武器名称和位置、易于观察的主动力装备损伤情况、战场态势信息、抢修结果等内容;系统管理模块主要包括对知识库和数据库的管理:添加修改数据库数据、修改知识库规则、系统备份与还原、用户管理等内容;损伤定位模块根据信息输入模块输入的信息、知识库的规则和对数据库的调用定位出可能损伤的装备部件，为抢修找出对象;知识库和数据库模块提供系统运行所需的各种逻辑规则和数据资料;内置Matlab函数模块提供战损预测和舰艇航速计算的函数模型，供系统调用;信息输出模块输出该系统评估的结果和制定的抢修对策等内容。图1说明了舰艇主动力装置抢修决策支持系统研究的主要内容和各个模块间的逻辑关系与流程。

2 主要功能模块及实现方法

2.1 战损预测与状态评估

炮弹、炸弹、飞航式导弹等空中爆炸和鱼雷、水雷等武器的水下爆炸是由爆炸产物和冲击波联合作用下对舰艇有爆破作用、贯穿作用、震动作用、燃烧作用等。主动力装置作为评估的对象，要考虑其各个设备的减震效果及其对武器的冲击响应值、防护性、在舰艇水密区间的布置等。根据武器的资料和主动力装置布置的特点来直接计算主动力装置的生命力要考虑的因素众多，是非常复杂的。为简化计算，本文主要考虑武器对主动力装置造成的冲击损伤和破损损伤2种主要危害模式。当武器攻击舰艇时，如果没有造成主动力装置所在舱室的破损，那么仅考虑冲击损伤;如果造成主动力装置破损，同时要考虑冲击损伤和破损损伤。首先将舰艇可能受到的攻击武器按照含弹量和攻击模式不同划分为不同的类型，统计不同含弹量武器对舰艇攻击后舰艇的破损半径［7］。咨询有关专家各个设备的冲击响应值和震害指数，建立损伤评估等级集，确定评判论域中的各级评判因素，参考有关资料和隶属函数的计算得到各个因素的隶属度，根据各层模糊加权、模糊综合评判，得到冲击损伤度。舰艇主动力装置破损损伤按照舰艇动力装置和舱室水密区划的情况来计算和分析，具体位置以肋骨编号为准，运用武器破坏半径R分析法［8］，结合没有破损舱室的设备受到的冲击损伤情况，模糊综合评判主动力装置的生命力。

图1 舰艇主动力装置战损评估与抢修决策支持系统框图Fig.1 Frame of warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

2.2 战损情况下舰艇航速性分析

根据某型舰艇主动力装置的特点，战斗损伤情况和方式复杂多变，对主动力装置特性分析仅考虑人工操作方式，不考虑遥控系统损伤情况。建立船-机-桨仿真数学模型，动力传递模型如图2所示。

战斗损伤情况下，舰艇阻力R是随着舱室破损进水排水量发生变化的，利用系列图谱估算法估算相应情况下舰艇的阻力［9］，得出具体破损情况下舰艇阻力值R。用户输入各个设备的损伤状态，考虑主动力装置不同的运行方式，计算舰艇受到攻击以后可以实现的航速。由于战损数据缺乏，进行航速性分析时仅将设备的状态分为能运行和不能运行2种状况。

2.3 基于损伤树分析和贝叶斯网络推理的损伤定位

图2 动力传递模型Fig.2 Power transfer model

2 .3 .1 基本功能项目分析

根据装备系统完成其任务所需实现的功能，对主动力设备进行功能项目层次划分。根据复杂系统层次性的特征，主动力装置在功能上有层次性。对舰艇主动力装置按照功能结构进行分解，可分5个层次，如图3所示。

2 .3 .2 损伤模式和影响分析

战场损伤模式和影响分析用于确定基本功能部件战斗损伤的形式及其对上级系统造成的影响、严酷程度等，为损伤定位提供依据。在建立主动力装置基本功能项目的基础上可以对每个基本功能项目进行分析。以燃油输送泵为例进行损伤模式及影响分析，如表1所示。

2 .3 .3 损伤定位推理

图3 主动力装置结构功能划分Fig.3 Warship main power plant basic function item analysis

表1 泵体损伤模式及影响分析Tab.1 Pump damage mode and effect analysis

损伤定位的实现是根据主动力装置功能项目划分和损伤模式与影响分析的结果由上至下的定位过程。战损评估人员首先输入设备征兆，系统根据输入的证据、确认事件、排除事件推理出造成设备出现相应征兆的原因，即损伤的部件。在推理的过程中可用的方法较多，本文采用了损伤树分析法和贝叶斯网络分析法。

损伤树分析法借鉴成熟的故障树分析方法可以反应损伤事件间的组合和因果关系，以此来确定损伤原因;简化损伤推理过程，明确推理方向;提供各个项目损伤评估的同时具有明确的逻辑关系。基于损伤树模型的产生式规则推理能系统、全面反应装备结构中所有对象的评估知识;有利于推理和控制策略的制定［6］。但是，对于复杂大系统枝节过多，建树规模庞大，对不确定问题的推理缺乏战损试验和战损数据的情况下，参数的设定存在很大问题，具有相当大的不准确性。

贝叶斯网络也称信度网、因果网等，其特征是条件独立性，基于概率的严格推理，是一种不确定性的知识表达和推理模型，推理原理基于贝叶斯概率理论，推理过程是概率计算，知识表示分为定性知识和定量知识。贝叶斯网络具有条件独立的特点，减少了知识获取和推理的复杂程度，能处理不完整数据集问题，并能发现数据间的因果关系;提供了一种将知识直觉地图解可视化的方法，避免了先验信息可能带来的主观偏见和后验信息带来的影响［10-11］。而装备损伤及损伤程度和装备部件损伤对整个装备战斗性能的传递性、不确定性及事件的概率性，决定了装备损伤评估可利用贝叶斯网络进行研究。

针对整个主动力装置这一复杂系统，建立贝叶斯网络模型的难度很大，需要清楚地知道系统中的所有变量、变量的状态、变量间的相互影响关系以及所有的条件概率分布。而动力装置战斗损伤具有很大的不确定性，因此难度在于贝叶斯网络条件概率表的确定。为此本文采用的方法是在系统的一二三级采用损伤树分析法，一二三级的推理过程中可以观测的仪表和征兆较多，比较适用于确定性推理方法。而三四五级采用贝叶斯网络推理法，主要针对不确定性事件的推理(主动力装置系统分级如图3所示)。由于主动力装置战场损伤评估与修复研究中缺乏实际和试验数据，无法通过数据对网络的结构和条件概率进行学习和训练，需要知识工程师和领域内的专家合作对网络进行建模及给定节点的条件概率表(CPT)。图4是在GeNIe软件建立的供油装置和燃油系统的贝叶斯网络模型。

图4 GeNIe软件中供油装置和燃油系统的贝叶斯网络模型Fig.4 Bayesian network model built in GeNIe

GeNIe软件是由美国匹兹堡大学决策系统实验室开发的建立图形化推理模型的开发环境，它提供了聚类算法、多树传播算法等多种算法。实现推理的过程中系统逐步与损伤评估人员进行交互，从而明确问题的解答即损伤部件所在的位置。在GeNIe软件建立的主动力装置三四五级的贝叶斯网络模型，根据战损数据和专家经验对模型进行推理和校正。

损伤树推理方法的实现，主要是利用框架表示知识，基于产生式规则实现正向推理。根据损伤树推理的结果调用相应的贝叶斯网络模型，利用贝叶斯网络实现损伤部件的不确定性推理。

2.4 抢修决策

系统定位出设备的损伤信息以后，可以根据战场特定环境的限制条件进行有效的抢修。战场特定环境的抢修条件包括:战场允许的抢修时间、抢修模式等。战损评估人员首先选择抢修模式，系统的抢修模式分为舰员级抢修、抢修队抢修、基地修理所抢修、船厂抢修4种。不同的抢修模式有不同的抢修能力。系统首先判断损伤设备在允许的抢修模式下能否抢修，筛选出能抢修的设备，系统根据能抢修的设备判断设备抢修成功后可以实现的主动力装置的运行模式。针对每个运行模式选择需要抢修的损伤设备，调用抢修信息数据库判断这些设备的抢修顺序和在设定抢修模式下的需要的最短抢修时间。用户输入战场环境允许的抢修时间，判断针对哪种运行模式进行抢修。选择抢修方案的依据是在战场运行抢修时间内主动力装置能实现最大航速。抢修决策逻辑关系如图5所示。

图5 抢修决策逻辑图Fig.5 Logic of repair decision making

3 系统开发与应用实例

本系统采用Visual Studio 2005平台实现人机交互界面和主控模块。利用SQL Server 2005作为数据库管理和开发平台，很好地实现了与Visual Studio.NET的集成，使开发人员能使用C#之类的语言直接为SQL Server编写程序，从而实现了与微软.NET应用程序架构的紧密协作。

战损预测的模糊综合评判法和生命力分析中主动力装置稳态特性计算所需要的函数模型在MATLAB中编写，输出为可以在Visual Studio 2005中引用的COM组件。Visual Studio 2005对其进行调用和开发。利用图形化推理工具GeNIe建立的贝叶斯网络保存为*.xdsl格式的 XML文件。SMILEX(Structure Moldeling，Inference，and Learning Engine)是GeNIe的推理引擎库，是一个完全独立平台的可以实现图形化推理的函数库，能进行概率、贝叶斯网络、影响图的推理。其API函数可以实现图形化模型的创建、载入、编辑。可以在Visual Studio.NET的平台上进行建模和推理。在系统集成开发平台Visual Studio 2005中添加Smilenet.dll的引用，完成贝叶斯网络模型的嵌入使用。

本研究实现的某型主动力装置抢修决策支持系统如图6所示。

图6 某型主动力装置战损评估与抢修决策支持系统Fig.6 Battlefield damage assessment and repair decision support system of main power plant

4 结语

本文针对舰艇主动力装置进行了BDAR的研究，提出一个较为完善的解决方案，并研究了各个功能模块具体的实现方法。舰艇主动力装置战损抢修决策支持系统的开发能迅速地对主动力装备进行损伤评估、状态预测，并根据需要快速地修复损伤部位，

为战场环境下的抢修工作提供技术支持。

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Research on warship main power plant battlefield damage assessment and repair decision support system

ZENG Lu-shan，ZENG Fan-ming，KONG Qing-fu;LI Yan-qiang2
(1.College of Naval Architecture and Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Equipment Institute of Technology，Beijing 102442，China)

We still do not have a complete solution of battlefield damage assessment and repair of large and complex system of warship main power plant in our country，the vitality analysis of warship main power plant and a calculating method of warship speed under the condition of battlefield damage were developed in this paper.Using the inference method of Bayesian network and Damage Tree the damage localization of damage equipments was realized.The logic of repair decision making of warship main power plant was discussed，under the condition of battlefield，the basic system framework was built and a relatively perfect solution was put forward，repair decision support system of a certain warship main power plant was developed according to this program，development and application of the system has a strong military significance.

warship main power plant;battlefield damage assessment and repair;damage localization;repair decision making;support system

U664.1

A

1672-7649(2011)12-0115-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.028

2009-09-10;

2011-10-24

曾鲁山(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为动力装置总体优化设计与系统分析、战斗使用。