改进模糊层次分析法在虚拟维修训练评估中的应用

矫永康,李小民,毛 琼

(军械工程学院无人机工程系,石家庄050003)

改进模糊层次分析法在虚拟维修训练评估中的应用

矫永康,李小民,毛 琼

(军械工程学院无人机工程系,石家庄050003)

为更合理地对无人机虚拟维修训练进行综合评估,对传统层次分析法和模糊综合评估法进行改进。改进的层次分析法在确定指标权重时,引入拟优传递矩阵,无需进行一致性检验,避免了人为调整判断矩阵的盲目性;改进的模糊综合评估法利用加权平均型模型,对所有因素均衡兼顾,将评语集按等级进行区间化赋值,使计算得到的综合评价结果更加可信。以某型无人机的虚拟维修训练为例进行评估,结果表明,改进方法简单易行,在Virtools环境下进行工程实现与验证,可有效地记录受训人员的操作信息,系统针对操作记录自行打分,取得了较好的评估效果。

层次分析法;权重;模糊综合评估;区间赋值;虚拟维修训练;无人机

1 概述

随着计算机仿真和虚拟现实技术的发展,在很多领域人们都在利用虚拟维修训练系统代替实装进行维修训练[1]。对于虚拟维修来说,如何设定完善、灵活并且能够真实反映客观实际和主观评判评估系统也是当前研究的热点内容之一。目前,常用的评估方法有层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)、模糊综合评价法及灰色聚类评估法等[2]。由于在进行虚拟维修训练评估时,使用的评语常带有模糊性,因此宜采用模糊综合评价方法,同时,AHP可以将专家知识和主观经验用数量形式表达和处理,尽量减少人主观臆断带来的弊端。因此,本文将这2种方法结合起来,通过改进的AHP确定各级指标权重,引入拟优传递矩阵,避免了在一致性检验不满足后人为地对判断矩阵的盲目调整,可减低计算量;利用改进模糊综合评价法进行训练水平评估,使用加权平均模型代替取大取小模糊算子,评语集按等级进行区间化赋值代替最大隶属度原则,使评价结果更可信。

2 改进的层次分析法

2.1 改进层次分析法的原理

层次分析法[3-6]是一种定性与定量相结合的系统分析方法。其基本原理是:首先将问题层次化,按照因素之间的相互关系和隶属关系将其分层;然后对各层的因素作对比分析,引入一定比率的标度理论来构造判断矩阵,通过求解判断矩阵的特征向量,得到各层次要素对上层某要素的重要性次序,建立权重向量。

传统的层次分析法确定指标权重时,必须进行一致性检验,当检验没通过时,需要凭人为大致的估计重新调整判断矩阵,再计算,直到通过为止。这样不仅盲目性大,而且计算量很大,精度不高。针对这一问题,本文在传统AHP方法的基础上进行改进。专家直接将各层因素两两比较形成的判断矩阵A不一定是一致性矩阵,但将矩阵A作如下转换后得到的矩阵B则是一致性矩阵:

其中,bij为矩阵B的第i行、第j列的元素;矩阵B称为A的拟优传递矩阵[7]。这样就保证得到了矩阵B一定满足一致性检验,求取其最大特征根λmax所对应的特征向量w,经规范化处理后便得到各层次要素的权重分配。

2.2 改进层次分析法的步骤

改进的层次分析法步骤如下:

(1)建立层次结构模型。

(2)采用9分位的比例标度,构造两两比较判断矩阵A:A=(aij)n×n,i,j=1,2,…,n,其中,aii=1,aij=1/aji。

(3)构建拟优传递矩阵B:

(4)求拟优传递矩阵B各行元素之积:。

3 改进的模糊综合评估法

模糊综合评估[8-11]的基本思想是:复杂对象不能再以“非此即彼”的思想去评价,它往往是介于“好”与“坏”之间。本文模糊综合评估模型面向对象是虚拟维修训练,采用单级模糊综合评估即可,其流程如图1所示。

图1 单级模糊综合评估流程

(1)确定因素集U。因素集是指影响被评判对象的若干因素组成的集合,U=[u1,u2,…,un],其中,ui代表各影响因素。

(2)确定评语集V。V={v1,v2,…,vm}为指标的评价等级数,训练质量本身就是个模糊的概念,其评价结果也只能用模糊集合来建立,因此建立评价模糊集合V={v1,v2,v3,v4},其中,v1为优秀;v2为良好;v3为合格;v4为不合格。

(4)确定模糊评估矩阵R。因素集U中的任一因素对评语集中的任一元素都有一定影响,将这个影响系数记为rij,则由这些影响系数组成单因素评估矩阵R:

图2 隶属函数曲线

得到模糊综合评价结果为B:

B=w·R=(b1,b2,…,bn)

然后对B中各元素进行归一化处理,即:

对于评语集V={v1,v2,…,vm},目前的模型主要是针对v1,v2,…,v4赋予确定的值,这种方法和实际情况存在一定偏差。本文评语集采用区间表示法,即v1↔(d1,d′1),v2↔(d2,d′2),…,vn↔(dn,d′n),采用以下公式计算评估结果E:

4 某型无人机虚拟维修训练系统操作评价

4.1 虚拟维修训练评估体系的建立

某型无人机虚拟维修训练中,受训者需要根据现象对故障进行分析,通过故障树、专家知识等对故障定位,利用相应的测试工具进行关键部位的操作,排除故障。因此,对无人机虚拟维修操作进行评价的指标体系如图3所示。

图3 无人机虚拟维修训练评估指标系统

4.2 虚拟维修评语集的确定

本文选择优秀、良好、合格、不合格4个评价等级对维修训练人员进行评价,每项指标最高为100,最低为0。将其区间化为[100,90],[89,80],[79, 60],[59,0]。

4.3 指标权重的确定

指标权重的确定过程如下:

(1)建立层次结构(图3)。

(2)通过两两因素的比较得到判断矩阵A。

(3)根据式(1)构造拟优传递矩阵B:

(4)矩阵B的特征向量w′:

(5)对w′进行归一化处理,得到各要素的权重:wi=[0.110,0.162,0.041,0.426,0.261]。

4.4 模糊评估矩阵的确定

假设系统对被考核人员甲虚拟维修训练的5个指标给出的成绩为[88,94,89,76,85],则根据梯形分布法,进行单因素模糊评判,根据式(2)～式(5)可以得到模糊关系矩阵R:

4.5 维修人员虚拟维修训练的模糊综合评判

利用加权平均型综合评估模型求得模糊综合评价结果为:

归一化处理得:

按式(6)计算最终的评价结果为:

从以上可知,人员甲的综合评判结果为良好。

5 虚拟维修训练评估实现

结合维修操作流程,训练评估可借助Virtools[14]脚本的编写来实现。将操作步骤、评估权重数据等信息存储到“Array”型表格中,通过“Get Cell”从指定的索引行和索引列获取相关的数据;跟踪受训人员的操作步骤和操作信息,按时间顺序记录到数据库中,利用“Run VSL”将训练评估算法编写成“Evaluation Algorithm”行为模块,对受训人员的操作动作进行打分评价;最终将评估结果以Xml的形式输出。图4为Xml成绩记录脚本,图5为操作评估实例演示。

图4 Xml成绩记录脚本

图5 操作评估实例演示

6 结束语

本文提出一种基于改进模糊层次法的虚拟维修训练评估方法,既避免了因一致性检验不足而引起的判断矩阵盲目调整问题,又充分利用了专家信息,使得评估结果更加精细合理。将该方法应用于某型无人机虚拟维修训练的综合评估中,并在Virtools环境下进行工程实现与验证,评估结果良好。

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[5] 郭金玉,张忠彬,孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报,2008,18(5):148-153.

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[7] 陈 策,郭久武,赵春霞.层次分析法和消去选择轮换法相结合的装备软件质量评优方法研究[J].兵工学报,2010,31(11):1481-1486.

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[14] 刘昆明.三维游戏设计宝典:Virtools游戏开发实战[M].汕头:电脑报电子音像出版社,2009.

编辑 索书志

Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation

JIAO Yong-kang,LI Xiao-min,MAO Qiong
(Department of UAV Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Aiming at making the comprehensive evaluation of virtual maintenance training more reasonable,the improvements on the basis of traditional Analytic Hierarchy Process(AHP)and fuzzy synthetic evaluation method are put forward.The optimal transfer matrix is used,and the AHP is improved with no need to verify the consistency in determining the weight of indexes and eliminate the blindness in adjusting judgment matrix artificially.The traditional fuzzy synthetic evaluation is improved,and weighted average model is used,so all factors can be considered.It is more credible to use the method of interval evaluation according to comment rank to calculate the result of comprehensive evaluation.The UAV’s virtual maintenance training is used to evaluation.Results show that the improved method is simple,the method is used in Virtools for project implementation and verification,the operational information of trainee can be recorded efficiently,the system can give scores according to the operational record,and the effect of comprehensive evaluation is satisfactory.

Analytic Hierarchy Process(AHP);weight;fuzzy comprehensive evaluation;interval assignment;virtual maintenance training;Unmanned Aerial Vehicle(UAV)

1000-3428(2014)10-0314-04

A

TP391.9

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.058

国家部委基金资助项目。

矫永康(1988-),男,硕士研究生,主研方向:无人机虚拟维修训练系统仿真;李小民,教授、博士生导师;毛 琼,助教、硕士研究生。

2013-08-12

2013-10-18E-mail:jiaoykang@163.com

中文引用格式:矫永康,李小民,毛 琼.改进模糊层次分析法在虚拟维修训练评估中的应用[J].计算机工程, 2014,40(10):314-317.

英文引用格式:Jiao Yongkang,Li Xiaomin,Mao Qiong.Application of Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process in Virtual Maintenance Training Evaluation[J].Computer Engineering,2014,40(10):314-317.