某型舰炮虚拟维修训练系统故障训练评价方案研究

张凌海　冀志轩　张轶群

摘要：针对某型舰炮虚拟维修训练系统故障训练效果综合评价问题，采用模糊综合评判法与层次分析法相结合的方法，综合考虑操作步骤、操作时间、操作成效、专家评判等方面的因素，建立了故障训练综合评价指标体系，结合隶属度函数给出了故障训练的评判方法，并通过应用实例验证了该方法对评估的可行性和实用性。

关键词：舰炮；故障训练；评估标准；模糊综合评判；权重

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）20-0218-02

Fault Training Evaluation Scheme based on one Naval Gun Virtual Training System

ZHANG Ling-hai 1， JI Zhi-xuan2 ， ZHANG Yi-qun1

（1.Department of Ordnance， Naval Scholar Official School， Bengbu 233012， China； 2.Shenyang Ammunition Military Professional Agent's Room， Shenyang 110045，China）

Abstract： Aiming at the multiple evaluation on fault maintenance training effect of one naval gun virtual training system， adopt the methods of fuzzy synthetic evaluation combined with AHP. Set up the evaluation criterion of the fault maintenance training， consider the evaluation factors include the operation steps， operation time， operation results and Expert appraises. Therefore，the integrated evaluation methods for the fault maintenance training has been accomplished with the membership function. The feasibility and practicality of which have been proved by validate example.

Key words： Naval gun； Fault maintenance training； Evaluation criterion； fuzzy synthetic evaluation； weighting

某新型舰炮射速高，初速快，可靠性好，是我军大量装备的一型舰炮。为满足部队训练的需要，设计了该炮的虚拟维修训练系统。故障操作训练评估作为虚拟训练维修系统的一个重要组成部分，对提高故障维修的训练效率有非常重要的意义。但在某型舰炮虚拟维修训练系统中，操作步骤的设定并不唯一，并不能用固定的操作流程进行评定，系统需要综合考虑操作者的操作步骤、操作时间、故障判定、故障排除等各方面因素，这些因素很难给出准确的评价标准，而用模糊综合评判法可以很好地解决这个问题 [1]。

1 模糊综合评判的原理及步骤

模糊综合评判是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评判事物隶属等级状况进行综合性评价的一种方法[2]。其主要步骤为：

（1）确定评价因素和评价等级。设U=（u1，u2，…，un）为被评价对象的n种评价指标，称为指标集；V=（V1，V2，…，Vm）为每一指标所处状态的m种评价等级，称为评价集。结合本例，本模型的评价分成四个等级。具体的评价集为：V=（V1，V2，V3，V4）=（优，良，一般，差）

（2）构造评判矩阵。先用指标集中的单因素ui （i=1，2，…，n）作为单因素评判，指标ui的单因素评价子集为： （ri1，ri2…，rim） ，其中rij表示评价因素ui在评语Vj下的隶属度。一般情况下，评价子集满足。

n个指标的评价子集的集合构成总的评价矩阵R：

（3）确定权重。权重W为U上的1个模糊子集， W=（w1，w2，…，wn），其中，wi≠0，且，反映了各个因素之间的一种权重。确定权重的方法有专家估计法、最小平方和法、层次分析法等。其中层次分析法对各指标间重要程度的分析更具逻辑性，再加上数学处理，可信度较大。层次分析法确定权重的步骤如下：①构造判断矩阵，该矩阵各因素可请专家按 “1～9比率标度”判定并给值，得到判定矩阵

按下式求出权重W=（ w1，w2，…，wn ），，其中，。②权重求出后，需对判断矩阵进行一致性检验。先计算判断矩阵的最大特征根，式中表示的第i个分量。再计算一致性指标：，一致性比率：。RI为平均一致性指标，可由表1求得。当CR<0.1时，符合一致性要求[2]。

表1 平均随机一致性指标RI的值

[矩阵阶数＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&RI＼&0＼&0＼&0.58＼&0.90＼&1.12＼&1.24＼&1.32＼&1.41＼&]

（4）进行模糊合成和做出决策。R中不同的行反映了某个被评价事物在不同单因素下对各等级模糊子集的隶属程度。用权重向量W对不同指标的评价隶属度行进行综合，就可得到该被评事物从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度E，即模糊综合评价结果向量[2]。评价结果采用加权平均法，令E=WR=（ e1，e2…，em），。设评价集对应的分数为S=（s1，s2，…，sm），则总分数为：。

2 故障训练评价方案

1）评价指标选择

科学、合理地确定评价因素是取得评估标准的关键。评价标准应遵循系统性、实用性、可操作性以及定性和定量相结合的原则。对本系统的故障操作训练而言，主要三个方面考虑，分别为操作步骤，操作熟练度，操作成效。由于故障操作的步骤不唯一，尤其在故障检查阶段，系统对每一个操作都设定了操作的前提条件，根据操作步骤的重要程度以及前提条件，可以将操作步骤具体分为：①不必要操作（操作前提条件满足，但是跟本次故障操作关系不大）；②关键操作（与本次故障操作息息相关，必不可少）；③错误操作（操作前提条件不满足）。操作熟练度体现在操作时间上。操作成效包括： ①故障点查找；②故障点排除；③求助次数。此外，为满足考核需要设置了专家打分选项。综合考虑以上故障训练效果的各种因素，按照二级模糊综合评判的建模要求[3]，建立了故障训练综合评价指标体系。如图1所示。

图1 故障训练综合评价指标体系

2）操作步骤的评价策略

确定评价指标以后一个重要的问题就是将评价指标的具体参数转变到评价集的隶属度，以创建评价矩阵。系统通过隶属度函数来计算各个指标的隶属度。隶属函数也称模糊分布函数，最常见的模糊分布是梯形分布法，具体描述为：

对于某故障操作，其标准操作流程有56步，其中关键操作步骤21步，其不必要操作的梯形分布隶属度函数如图2所示。

图2 不必要操作隶属度函数

假设操作手的不必要操作为7步，由图可知，其在V下的隶属度为（0，2/3，1/3，0）。同理，通过设定的隶属度函数可以获得关键操作和错误操作的隶属度，得到操作步骤的评价矩阵R1。

利用层次分析法确定操作步骤的三个分准则的权重。按照“1～9比率标度”建立判断矩阵并计算权重，如表2所示。

表2 操作步骤判断矩阵及权重

[A1＼&M1＼&M2＼&M3＼&权重＼&不必要操作M1＼&1＼&1/5＼&1/4＼&0.098＼&关键操作M2＼&5＼&1＼&2＼&0.568＼&错误操作M3＼&4＼&1/2＼&1＼&0.334＼&]

对此矩阵，计算可得λmax=3.025，CI=0.012，RI=0.58，可得 CR=CI/RI=0.021，查表1可知符合一致性要求。由此得出评价因素的权重向量为：W1=（0.098，0.568，0.334）。

应用模糊综合评判法，令E1=W1R1可得操作步骤在评价集下的隶属度E1=（0.378，0.589，0.033，0）。

3）操作熟练度的评价策略

熟练度主要反映的是操作时间。首先是计算时间在（V1，V2，V3，V4）下的隶属度，先将时间化转成比例的模式。假定规定操作时间为tg=300s，实际操作时间为ts=350s，首先将时间化为比值的形式ts=7/6tg。时间隶属度函数也按照实际操作时间对规定时间的比例来确定。操作时间隶属度函数如3所示。

图3 操作时间隶属度函数

则其在（V1，V2，V3，V4）下的隶属度为（0，0，1/3，2/3）。

4）操作成效的评价策略

操作成效中故障点查找和故障点排除只有两种可能，找到故障点或者排除故障点即是优，没有找到或者没有排除即是差。求助次数评价集可以通过隶属度函数获得。通过构造判定矩阵获得操作成效的三项子准则的权重，进而求得操作成效的评语集，假设值为（3/4，1/4，0，0）。

5）进行综合评判

专家打分可以直接获取，通过建立隶属度函数，获得专家打分的隶属度，假设值为（0，2/3，1/3，0）。这样就可以获得主准则层的评价矩阵。

根据“1～9比率标度”建立主准则层的判断矩阵并计算权重，如表3所示。

表3 主准则层判断矩阵及权重

[A2＼&M4＼&M5＼&M6＼&M7＼&权重＼&操作步骤M4＼&1 ＼&3 ＼&1/5 ＼&1/7 ＼&0.103 ＼&操作熟练度M5＼&1/3 ＼&1＼&1/3 ＼&1/8 ＼&0.064 ＼&操作成效M6＼&5 ＼&3 ＼&1 ＼&1/2 ＼&0.285 ＼&专家评判M7＼&7 ＼&8 ＼&2 ＼&1 ＼&0.548 ＼&]

对此矩阵，计算可得λmax=4.250，CI=0.083，RI=0.90，可得CR=CI/RI=0.092，查表1可知符合一致性要求。由此得出主准则层的权重向量为：W2=（0.103，0.064，0.285，0.548）。

应用模糊综合评判法，令E2=W2R2可得操作步骤在评价集下的隶属度E2=（0.253 ， 0.497， 0.207， 0.043）。设评价集对应的分数为S=（95，75，60，50），则该操作手的最终得分为F= E2S=75.876。

3 小结

采用层次分析法与模糊综合评判法相结合的方法，并通过隶属度函数的设定，使得某型舰炮虚拟维修训练系统的故障训练效果评估问题得到较好的解决，评价结果结合操作手的操作要素与专家评价，具有较高的可信度。同时评价指标中的隶属度函数的也可以根据操作手的熟练程度需要进行调整，在没有专家打分的情况下，可以单凭操作步骤操作熟练度操作成效进行独立打分。

参考文献：

[1] 韩红彦， 崔少辉， 李柯. 基于模糊综合评判的装备训练评估标准优选[J].兵工自动化，2007，26（11）：4-6.

[2] 杜栋， 庞庆华. 现代综合评价方法与案例精选[M].北京：清华大学出版社， 2005.

[3] 杨纶标， 高英仪. 模糊数学原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社， 2001.

[4] 何新贵. 模糊知识处理的理论与技术[M].北京：国防工业出版社， 1998.