基于模糊层次分析法的舰艇维修性评估方法

张 冬，张 平，方 强，祝 泓

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

基于模糊层次分析法的舰艇维修性评估方法

张 冬，张 平，方 强，祝 泓

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

维修性定量评估一直是舰艇设计中的难点之一。基于舰艇设计中常用的维修性设计准则，将层次分析法与模糊评判理论相结合，提出一种可用于舰艇维修性设计方案优化和不同方案间维修性水平比较的新方法。在评估过程中，首先根据舰艇维修性设计准则，将影响维修性的因素进行逐层分解、独立评价，再经逐层向上的模糊运算，得到评估对象的维修性水平。实例计算表明，该方法能够实现对维修性由定性到定量的评估，明确地得出不同方案之间维修性水平的差别，并能发现方案中维修性水平的薄弱环节。

舰艇；维修性；模糊评估；层次分析法

0 引 言

维修性是指装备在规定的条件下，按规定的程序和手段实施维修时，保持或恢复能执行规定功能状态的能力。舰艇装备长期在高盐、高湿以及具有辐射和振动的环境中工作，较陆上同类装备更易发生故障。在舰艇装备发生故障或失效时，舰员能否快速、准确地排除故障，修复装备，取决于装备的维修性设计水平。在舰艇装备研制过程中，会开展维修性设计、分析与评估等工作，其中，维修性评价指标是检验维修性设计工作优劣的重要标准。除MTBF、MTTR等定量指标外，在进行舰艇设计时的一系列维修性评估指标多为定性指标。长期以来，由于对这些指标缺少直观、定量的检验方法，使得不少维修性问题在装备服役后才被发现，增加了装备维修成本。

设计人员一直在研究可用于确定舰艇维修性水平的方法。例如，在传统舰船维修性设计领域，设计人员经常使用维修性演示试验和设计准则对照法。前者能直观、准确地发现设计中的维修性问题，但在评估之前，需要研制评估对象的样机或演示模型，且使用该方法进行维修性评估周期较长、费用较高；后者能根据设计准则中的条目，有针对性地发现设计方案中维修性的薄弱环节，但该方法只能实现定性评估，且主观性较强，不同的评价主体获得的结果差异较大。近年来，研究人员也提出了一些可用于维修性定量评估的新方法。吴玲丹等［1］提出了用支持向量机回归算法结合矩阵积和式函数的方法建立舰船装备的维修性设计评估模型。高明君等［2］根据系统工程的基本步骤，结合产品的一般研制程序，提出了维修性设计要求的一体化生成过程。陆中等［3］提出了基于着色随机时间Petri网的维修性建模方法，将蒙特卡罗法应用到了维修时间仿真计算以及维修资源需求量计算中。刘福成等［4］提出了一种基于维修资源水平的维修性验证方法，提高了维修性验证工作在工程实践中的可操作性。欧渊等［5］提出了梯形模糊层次分析法在装甲车辆维修性要求重要度排序中的应用，对装甲车辆维修性要求进行了权重计算和排序问题研究。王冬梅等［6］利用模糊数学理论中的综合评判方法，通过综合考虑多方面的模糊因素，提出了一种导弹装备维修性分配模型。

上述研究分别从不同的角度提出了对装备维修性进行评估或验证的方法，并取得了一定的成果。但由于舰艇装备的种类与数量规模远远超过一般的装备，影响评价的多是一些具有模糊性的主观因素，而上述方法提出时没有考虑舰艇的特点，也没有考虑对舰艇设计中现有维修性评价方法的兼容，因此，要在舰艇设计中应用上述方法，实现对其维修性进行系统的定量评估较困难。正因如此，目前舰艇设计中常用的还是定性评估方法，即设计准则对照法，如何在现有定性评估方法的基础上实现定量评估，是舰艇维修性设计中亟待解决的问题。

本文将对舰艇维修性定量评估进行研究，采用一种将层次分析法与模糊理论相结合的评估方法。其中，模糊理论是以模糊集合为基础，并以处理概念模糊不确定的事物为研究对象。基于模糊理论的评估方法适于评估要素为主观评估指标的系统，能够对总体性能或表现的优劣受多种因素影响的事物作出一个合理、综合的总体评判［7－11］。该评估方法的基本原理是通过比较设计方案中各因素与维修性设计准则目标要求之间的相似程度并进行评分，然后，由底层影响因素逐步向上层指标进行模糊运算，得到设计方案的维修性水平。综合评分越高，就说明方案与初始设定的维修性设计准则的契合度越高，即该方案拥有较高的维修性水平。利用模糊层次分析法可以降低维修性评估的成本，能将舰艇设计中常用的维修性设计准则的内容进行量化处理，实现舰艇装备的维修性评估由定性向定量的转变。下面，首先将舰艇设计常用的维修性设计准则转化为维修性的评估指标体系；然后，按照指标体系的层次关系，建立舰艇装备的维修性评估模型，依次为各层次影响因素分配权重，再加以综合评判，得到一个定量的维修性水平；最后，以对某舰艇系统2套不同的设计方案进行维修性评估为例，阐述如何得出不同方案之间维修性水平的差别程度，以及如何发现维修性薄弱环节。

1 方法概要

1.1 建立维修性评估指标体系

应用模糊层次分析法进行评估的关键是建立合理的评估指标体系。因此，要对舰艇的维修性进行定量评估，首先应建立评价体系。由于舰艇装备的系统、设备构成较复杂，数量庞大，因此，可以以一级或二级系统为维修性评估对象。维修性检验的指标多具有模糊性，为便于分析与评价，以舰艇设计中常用的维修性设计准则为基础，将维修性的各基本要素逐层展开，即对可达性、标准化、互换性、防差错、维修安全性以及快速诊断能力等分别进行分层细化。限于整个舰艇的装备规模，较合适的方法是对某一个舰艇装备（或系统）的维修性建立独立的评估体系。根据常用的舰艇装备维修性设计准则，确定的某舰艇系统的维修性评估体系如图1所示。

1.2 维修性评估模型建模

根据舰艇系统维修性评估体系的组成，影响维修性评估的要素确定为指标集m=｛m1，m2，m3，m4，…，mk｝。影响第1级评估要素（mi，1≤i≤k）的子因素很多。将这些第2级影响因素记为mi=｛mi1，mi2，mi3，mi4，…，min｝，其中i∈（1，k）。第1级评估要素和第2级影响因素数量与种类的选取，可以根据待评估装舰装备的维修性特点进行确定。同时，若第2级影响因素仍然是由若干子因素共同影响的结果，则可以按上述规则依次建立下一个层次的评估体系。

1.3 确立各层次因素的权重分配

图1 某舰艇系统的维修性评估体系组成Fig.1 Organic maintainability evaluation composition of a certain ship system

1.4 构建评估矩阵与计算评估结果

1.4.1 评估参数集

评估参数集P是对各指标进行评估的基本标准，也是对评估指标进行定量分析的前提。可以将评估等级分为｛好，较好，一般，较差，差｝，为便于进行层次模型分析，可对各个评估等级给予相应的分值，如可以设定P=｛90，75，60，45，30｝，为便于区别方案间的差异程度，建议采用百分值评估参数。

1.4.2 确定单因素的评估矩阵与综合评估矩阵

1）确定单因素评估矩阵。

由于评估模型为多层次模型，在评估中，首先对次底层（即倒数第2层）的影响因素进行单因素指标评估，根据舰艇设计人员的分析结果对其下级影响因素分别进行评分，建立单因素评估矩阵Ri×j。其中，i为该因素下级影响因素的个数；j为评估参数的等级数。Ri×j的各行应进行归一化处理。

2）确定综合评估矩阵。

利用上述单因素评估矩阵及其子因素的权重集进行综合评估矩阵的模糊合成计算，即综合评估矩阵B1=μ1◦R1。其中，μ1为权重集；R1为单因素评估矩阵；“◦”为模糊合成计算符。依次利用此方法得到B2～Bk的值。

3）确定总的综合评估矩阵，计算评估结果。

对上一步骤的综合评估值进行归一化处理后，继续采用权重集与归一化处理的评估矩阵进行模糊运算，得到上一级的评估结果，直至最顶层，最终确定总的综合评估矩阵B。对综合评估矩阵进行归一化处理后得到B′，将其与转置后的评估参数集PT相乘，得到维修性评估分值P′，即P′=B′PT。这样，就可得到关于装备维修性的量化数值，该计算结果可用于设计方案的维修性评估，或者不同方案之间的维修性比较。

2 应用实例与分析

根据前节所述的方法以及图1所示的舰艇装备的维修型评估指标体系，对某舰艇上2套不同的风机设计方案（方案A和方案B）进行了维修性水平评估（在进行其他舰艇装备的维修性评估时，可以根据实际情况增加或减少组成评估体系的影响因素）。

2.1 确定维修性评估模型

根据图1所示的维修性评估体系确定评估集合m=｛m1，m2，m3，m4｝，各子评估集合分别为：m1=｛m11，m12，m13，m14｝，m2=｛m21，m22，m23｝，m3=｛m31，m32，m33｝，m4=｛m41，m42，m43｝。

2.2 确定各因素的权值分配

维修性总的权重分配集μ=［0.25，0.1，0.3，0.35］，可达性中各子影响因素的权重分配集μ1=［0.35，0.35，0.2，0.1］，标准化因素中各子因素的权重分配集μ2=［0.5，0.3，0.2］，防差错因素中各子因素的分配权重集μ3=［0.4，0.3，0.3］，维修安全性因素中各子因素的分配权重集μ4=［0.1，0.4，0.5］。

2.3 建立评估矩阵

1）确定评估参数集。

设定2套方案进行比较的评估参数集为P=｛90，75，60，45，30｝。

2）形成单因素评估矩阵。

按照多组设计人员对各因素的评估效果记录，对2套方案分别建立可达性、标准化、防差错和维修安全性的评估矩阵。

方案A的4个单因素评估矩阵分别为

3）计算综合评估矩阵。

应用B=μ◦R求解方案A第2层的综合评估矩阵。

同样，可以计算得

方案B第2层的综合评估矩阵分别为

4）确定总综合评估矩阵，计算评估结果。

对上一步骤的综合评估矩阵进行归一化处理后，分别得到2套方案的总评估矩阵。

根据总评估矩阵求解总综合评估矩阵，分别如下。

对总综合评估矩阵进行归一化处理后，可以分别得到2套方案的维修设计水平评估分

通过比较PA与PB的值，可知方案B与设计准则的契合度更高，其维修性水平优于方案A。在实际设计过程中，如果需要分析引起方案A和方案B维修性水平差别的原因，可以分别对各方案主要影响维修性的因素进行评估，即将与中的各行分别与评分参数集P相乘，便可得到量化的维修性影响因素评估值Pm。

从上述结果可以明显看出方案A的可达性、标准化、防差错和维修安全性的各项因素的评估值均低于方案B，而其中又以标准化因素的差距最大，即可以认为与标准化相关的因素为方案A维修性的最薄弱环节。因此，要改善方案A的维修性水平，首先应从零部件的标准化环节入手。

3 结 语

本文提出了基于模糊层次分析法的舰艇维修性定量评估方法，将舰艇设计中常用的维修性设计准则进行了定量转化，建立了舰艇维修性定量评估指标体系，量化地获得了设计方案的维修性水平，使得不同方案之间维修性水平的差别程度能够定量地计算出，同时，也有利于清晰地发现舰艇维修性设计的薄弱环节，为舰艇设计中的维修性评估提供了一种新的思路与手段。

影响水面舰艇维装备修性水平的因素很多，本文考虑的是以设计准则中的维修性定性检验内容为主体进行量化评估，而如何将定性检验内容与其他定量指标（MTBF、MTTR等）相结合进行舰艇设计方案维修性的综合评估，将是后续研究的重点。

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Evaluation of Warship’s Maintainability Design with a Fuzzy and AHP Method

ZHANG Dong，ZHANG Ping，FANG Qiang，ZHU Hong
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The quantitative assessment of warship maintainability has long been the emphasis in warship designs.In this paper，an innovative approach is proposed to optimize the design of warship maintainability and to compare the maintainability in different design schemes.This new approach is based on the conventional guidelines for the warship maintainability design，with the combination of AHP and the fuzzy evaluation theory.In the evaluation process，specifically，factors that might influence the warship’s maintainability are first decomposited hierarchically and evaluated independently according to the general guidelines for the warship maintainability design.The exact maintainability level is then obtained through a reversed fuzzy hierarchical computation process.Practical results show that this method could perform the maintainability evaluation from qualification to quantification，discriminate between different design schemes，and discover the flaws of maintainability designs at an early stage.

warship；maintainability；fuzzy evaluation；analytic hierarchy process（AHP）

U674.7+07

A

1673－3185（2013）01－102－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.01.016

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130116.1443.017.html

2012－05－09 网络出版时间：2013－01－16 14:43

国家部委基金资助项目

张 冬（1986－），男，硕士，助理工程师。研究方向：舰艇维修性设计。E-mail：zhang＿dong00＠yahoo.cn

张 平（1964－），男，高级工程师。研究方向：舰艇维修性设计。E-mail：wh＿zhk＠sohu.com

张 冬。

张智鹏］