军用工程机械测试性动态评价方法

王海涛　张　琦　朱春生,2　赵鸿飞,3　李焕良

1.解放军理工大学,南京,210007　　2.中国人民解放军94686部队,上海,2021003.中国人民解放军73016部队,镇江,212416



军用工程机械测试性动态评价方法

王海涛1张琦1朱春生1,2赵鸿飞1,3李焕良1

1.解放军理工大学,南京,2100072.中国人民解放军94686部队,上海,2021003.中国人民解放军73016部队,镇江,212416

为了实现对测试性设计过程中测试性指标要求的精确、科学的评价，针对测试性评价指标的动态特性，引入了时间序列参数，构建了由评价对象、评价指标和评价时间构成的三维动态评价模型，将主观权重关系和客观权重函数确定方法相结合，提出了一种测试性动态评价三维排序矩阵的降维求解方法，实现了对军用工程机械测试性设计过程的动态评价。实例验证结果表明，该测试性动态评价方法所得测试性水平的变化与实际测试性设计过程中测试性水平的变化基本吻合，能够对军用工程机械测试性设计过程进行有效的测试性动态评价。

军用工程机械；测试性；动态评价；评价模型

0　引言

测试性评价是根据与装备测试性有关的所有信息,利用评价方法确定装备测试性水平的过程。测试性评价是装备测试性增长的重要环节,为分析装备的测试性要求、 改进装备的测试性水平提供科学的参考依据[1-2]。测试性评价技术作为对测试性设计过程所达到的测试性水平的衡量和评判工具,其评价结果的科学、准确与否，将直接影响对装备测试性水平的衡量和判断，影响装备的测试性设计过程，进而影响全寿命周期费用。因此，开展军用工程机械测试性评价技术研究，对于加强军用工程机械的测试性设计水平，提高军用工程机械的战备完好性和维修性，降低其全寿命周期费用意义重大。

测试性评价过程伴随着装备的测试性设计过程,国内外科研院所在进行测试性设计的同时，也广泛开展了对测试性评价技术的研究。文献[3]采用基于符号化的分析方法，对模拟电路进行测试性评价,该方法相对于数值计算方法,该方法具有计算简单实用、能有效消除计算误差的明显优势;文献[4]通过对测试性验证试验得到的实验数据的分析处理，结合先验数据对装备的测试性水平进行评估，通过对基于概率信息的测试性评估、基于试验数据的测试性评估及测试性综合评估发展趋势分析等内容的研究，提出了基于Bayes变动统计理论的测试性综合评估方法；文献[5]针对雷达装备缺乏系统有效的测试性评价方法的问题，提出了基于物元可拓法的雷达装备测试性评价模型，为复杂装备测试性评价提供了一种新思路;文献[1]通过综合运用层次分析法(AHP)和模糊综合评判(FCA)对工程装备测试性设计三阶段主要定性评价指标进行综合权衡，实现对工程装备测试性水平的综合评价。

军用工程机械测试性设计过程是贯穿于装备的全寿命周期,在每个阶段其测试性指标要求是不断变化的，需要根据实际需要进行测试性指标要求的确定，经过不断的改进和试验,测试性增长过程趋向稳定，从而最终满足装备的测试性指标要求，达到规定的测试性水平。本文在文献[1]所研究的测试性综合评价方法的基础上，针对测试性综合评价方法所采用的评价指标和要求比较宽泛，对测试性设计过程中测试性指标要求的动态变化不能实现精确、科学的评价，提出了一种动态的军用工程机械测试性评价方法来解决此问题。

1　军用工程机械测试性的动态评价特点

将动态评价理论[6-9]应用于军用工程机械测试性设计过程中,能够解决时间发展和数据积累等静态评价方法所解决不了的问题。军用工程机械测试性设计过程包含多个阶段，寿命周期长，单一的静态评价结果虽然能在一定程度上对军用工程机械的测试性水平进行评价，但评价指标要求单一，包含的信息量较小,动态评价与之相比要求更高、结果更科学,具体主要表现在以下几个方面：

(1)军用工程机械测试性设计过程中，需要设计人员多方面的知识，对不同的指标要求，还需要订购方和承制方协调确定,为满足测试性设计要求，测试性设计评价应注重评价结果的准确性和规范性。

(2)军用工程机械测试性设计过程中包含的步骤多，所需信息量大，需要多部门之间的协调来完成,每个过程的阶段评价结果应能够包含更多信息，避免单一。

(3)军用工程机械测试性设计过程中，不同评价指标在测试性设计不同阶段的重要程度动态变化、指标要求也随之变化，这就要求测试性评价结果不仅能体现不同设计阶段的差异，而且能体现不同指标要求的满足情况，满足对测试性设计全寿命周期的动态可比性。

2　军用工程机械测试性动态评价方法设计

目前,对动态评价方法的研究主要分两类:①确定评价指标在不同时刻的权重系数；②在时间序列中对象的属性在变化而导致的在不同时间评价指标的调整问题，即对构成综合评价各个环节的动态化处理。

2.1军用工程机械测试性动态评价模型

根据动态评价的特点，需要设计一种评价方法能够将测试性设计过程中的动态进行定量描述。本文在上述测试性综合评价方法的基础上，在由评价对象与评价指标构成的二维空间中增加时间变量，考虑时间变换对评价结果的影响，将单一指标扩展为与时间相关的指标向量，构成一个三维的评价模型，以此模型为基础，进行军用工程机械测试性动态评价方法研究。军用工程机械测试性动态评价的三维模型如图1所示。

图1　军用工程机械测试性动态评价的三维模型

军用工程机械测试性动态评价的三维模型中,包含时间维度T、指标维度U和对象维度A。每个节点评价的重点有所侧重，节点(ui,ak)侧重评价在测试性设计过程中，在某一测试性设计阶段，某系统的评价指标满足情况，此过程类似于测试性综合评价过程;节点(ui,tj)侧重评价所有被评对象在某一时间节点的测试性水平满足情况；(ui,ak,tj)侧重对全部评价对象在整个时间序列中的测试性水平的比较分析。

2.2军用工程机械测试性动态评价方法

军用工程机械测试性动态评价主要考虑不同研制阶段不同指标的值不同，不同指标在不同阶段的权重系数也可能根据不同研制阶段的重点不同而变化。因此，军用工程机械测试性动态评价的具体方法如下：

设有p个待评价对象a1,a2,…,ap，就军用工程机械而言，主要指军用工程机械的各个子系统；每个评价对象在不同时间序列中有n个评价指标，即U(ak)={u1,u2,…,un},主要指不同子系统衡量其测试性水平的指标；按照时间序列[tj,tj+1](j=1,2,…,m)建立评价对象ak(k=1,2,…,p)的多元排序评价向量为(si1,si2,…,sim),其中,si j为指标ui对应[tj,tj+1]时段的评价值，时间序列可按照军用工程机械的寿命周期划分，也可以按照军用工程机械测试性设计的不同研制阶段进行划分。根据图1建立由评价时间、评价指标和评价对象组成的动态评价三维排序矩阵，见表1。

表1　动态评价三维排序矩阵

针对上述军用工程机械测试性动态评价三维排序矩阵，采用降维的求解方法进行求解，具体步骤如下：

(1)分离评价对象ak(k=1,2,…,p),得到指标维度U和时间维度T的二维矩阵BUT。

(2)在测试性设计时间段内,对U中的每一类指标ui进行单指标综合评价,得到评价结果。

(3)与评价对象a1,a2,…,ap进行合并计算,得到关于对象维度A和指标维度U的二维矩阵BAU，二维矩阵BUT和BAU分别为

(1)

(4)对各测试性评价对象进行综合评价,得到每个评价对象的动态综合评价值。

3　军用工程机械测试性动态评价方法实现

进行动态评价时,其核心问题是确定权重函数，该过程既要考虑不同评价指标在同一时段内的重要程度，又要考虑在不同时刻某一指标表现出来的重要程度，并以此为基础来综合分析军用工程机械及其子系统的测试性水平。因此，结合图1所示的动态评价三维模型，采用主观赋权和客观赋权相结合的方法对军用工程机械的测试性设计过程进行评价。

3.1主观权重关系确定方法

在军用工程机械测试性评价的时间[t1,tm+1]内,在某时段[tj,tj+1]内指标序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak))的权重关系[10]确定过程如下：

(1)从某时间段的评价指标序列{s1j(ak),s2j(ak),…,smj(ak)}中选取最重要的一个指标,记为v1。

(2)从余下的评价指标集中再选取最重要的一个指标,记为v2。

(3)以此类推,直到全部选取完成，得到评价指标的重要程度排序:v1≻v2≻…≻vn。

(4)引入描述vk与vk+1之间相对重要程度的判断因子rk，其中rk=wvk/wv(k+1)，k=1,2,…,n-1且rk≥1,该函数是符合军用工程机械测试性动态评价要求的主观判断函数，其取值参考表2。

表2　判断因子取值参考

vi的权重函数wvi的计算公式为

rk=wvk/wv(k+1)

(2)

因此可以得到

(3)

针对式(3),对i=1至i=n-1求和,得到

(4)

由于wv1+wv2+…+wvn=1,故可根据式(4)求解wvn：

(5)

根据式(3)与式(5)，可求得wv i：

(6)

得到指标集V的权重向量W=(wv1,wv2,…,wv(n-1),wv n)。

3.2客观权重函数确定方法

按照军用工程机械测试性评价的实际,通过分析权重系数wj与时间段[tj,tj+1]的相关性,对有序加权算子(OWA)[11]进行改进后,对评价值si j进行赋权。该方法的基本思想如下:将军用工程机械测试性设计过程的不同阶段与评价时刻相对应,由于不同阶段内,测试性水平评价指标的权重系数的不同，需根据军用工程机械测试性评价各阶段的特点，构造面向军用工程机械测试性设计过程的权值W关于时间T的关系函数。根据对军用工程机械测试性综合评价三阶段的分析，随着测试性设计的不断进行到最后的使用定型，测试性水平应该是一个不断增长的过程。在设计核查阶段，军用工程机械的测试性水平随着设计核查的进行，有一个不断增长的过程；在演示试验阶段，其测试性水平的增长比较缓慢，主要修正设计中的一些小问题；使用评价阶段，测试性水平随着使用的进行，比较稳定，不会有大的变化。因此，军用工程机械的测试性水平应该主要是后面阶段的测试性水平所体现出来的，开始阶段的影响应该比较小，据此建立权值W关于时间T的关系函数(图2)：

(7)

图2　非稳定时序平均加权值函数

其中,参数σ、α决定了函数图形的形状,将权值函数进行归一化处理,得到评价值的权重：

(8)

即可得到评价指标ui在[t1,tm]内的权重w(tj),子系统在[t1,tm]内的评价结果为

(9)

k=1,2,…,p;j=1,2,…,m

4　应用实例

4.1实例说明

以某型挖掘机的测试性设计为例,通过对其各子系统在设计核查阶段、演示试验阶段和使用评价阶段的评价指标的分析,对其测试性进行动态评价。评价对象集为某型挖掘机各子系统,评价对象集A={a1,a2,a3,a4,a5}={动力系统,传动系统,转向与制动系统,工作装置,电气系统},评价指标集U={u1,u2,u3,u4,u5}={固有测试性评价结果，故障检测能力(FDR),故障隔离能力(FIR),虚警率(FAR),与外部测试设备兼容性},评价时间序列T={[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]}={设计核查阶段,演示试验阶段,使用评价阶段}。

4.2模型求解

对某型挖掘机的各子系统,故障检测率(FDR)和故障隔离率(FIR)的要求值分别为0.92和0.90,最低可接受值为0.80,虚警率(FAR)的要求值为不超过0.03,最多不超过0.05。该型挖掘机测试性设计过程中的实测数据见表3。

表3　各子系统三阶段实测数据

测试性评价指标中,u1、u5是定性评价指标,u1通过固有测试性评价打分统计而得,满分100分,u5通过专家评判而得,评语集为{优,良,中,一般,差},将u1、u5转换为10分制计。u2、u3、u4为定量指标,u2、u3是故障检测率和故障隔离率,其评分标准符合梯形评价标准,如图3a所示;u4是虚警率,其评分标准也符合梯形标准，但两个梯形标准稍有区别，如图3b所示。

(a)

(b)图3　梯形分布评价标准

采用上述动态评价方法,三个阶段的实测数据经过量纲一化处理后,得到不同子系统的三维排序评价矩阵,见表4。

表4　某型挖掘机三维排序评价矩阵

根据客观赋权法,在时间段[tj,tj+1]内,对不同子系统的测试性水平进行重要程度分析,根据对军用工程机械测试性评价阶段的分析,h=2,

表5　某型挖掘机三维排序评价值矩阵

依据式(7)，取σ=2,α=0.05,可得各评价时刻的权重向量w(tj)=(0.2954,0.3347,0.3699)。根据式(9),得到五个子系统的综合评价值：

根据不同子系统的权重,可确定该型挖掘机的测试性水平的综合值。按照最大隶属度原则,上述五个子系统的测试性水平在在时间段[tj,tj+1]内都属于“优”。

4.3结果分析

将实测评价值矩阵进行定量分析,得到各子系统的测试性动态评价曲线,如图4所示。在动态评价过程中,将各子系统每阶段的测试性评价值进行定量分析,可以得出不同子系统的测试性水平在不同阶段的变化。从图4可以看出,最终该军用工程机械每个子系统的测试性水平都在可以接受的范围内,从图中不同系统曲线的变化可知：

(1)系统1和系统2分别为动力系统和传动系统,在设计核查阶段和演示试验阶段,由于两个系统主要都是使用的比较成熟的产品,其测试性水平都挺高,但是由于军用工程机械工作环境的恶劣,在实际使用中其测试性水平有所下降。

(2)系统4和系统5分别为工作装置和电气系统，设计核查阶段测试性水平满足要求，但是在演示试验阶段起测试性水平降低明显，后通过改进设计或采取其他补救措施，在实际使用中其测试性水平不断提高。

(3)系统3为转向与制动系统，其测试性水平经过设计核查、演示试验阶段的不断磨合运行,测试性水平不断提升。

根据图4中对不同子系统测试性水平动态评价曲线和上述计算值,总体而言,该军用工程机械不同系统的测试性水平综合评价值变化与实际测试性设计过程基本吻合，各子系统的测试性综合评价值的比较关系为:H1>H2>H3>H5>H4。可根据该装备各子系统之间的权重关系,确定该装备的综合评价值。若各系统的权重相等，可得该型挖掘机的测试性综合评价值H=9.1879。

图4　各子系统的测试性动态评价曲线

5　结语

通过对军用工程机械测试性设计三阶段评价内容的分析,并引入时间序列参数,建立了由评价对象、评价目标和评价时间组成的三维动态测试性评价模型，并综合运用主观权重和客观权重函数确定方法，对测试性动态评价三维排序矩阵进行降维求解，得到测试性动态评价的三维排序评价值矩阵;通过对三维排序评价值矩阵的分析计算,得到每个子系统的测试性评价值;通过对子系统的综合计算，可确定出该型军用工程机械的测试性水平评价结论。本文所建立的军用工程机械的动态评价模型计算得到的各子系统的测试性动态评价曲线的变化，与实际的测试性设计过程中各子系统的测试性水平的变化基本吻合，这也进一步证明本文所提出的军用工程机械测试性动态评价方法的有效性。

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(编辑陈勇)

Method of Testability Dynamic Evaluation for Military Engineering Machinery

Wang Haitao1Zhang Qi1Zhu Chunsheng1,2Zhao Hongfei1,3Li Huanliang1

1.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007 2.94636Troops of PLA,Shanghai,2021003.73016 Troops of PLA,Zhenjiang,Jiangsu,212416

In order to achieve the accurate and scientific evaluation of the testability index requirements,based on the dynamic characteristics of the testability evaluation indexes,the time series were introduced to build three-dimensional evaluation model which consisted of evaluation object,evaluation index,and evaluation time.The dimension reduction algorithm which combined the subjective weight determination method and the objective weight function was used to solve the dynamic three-dimensional appraisal matrix.And the dynamic evaluation of testability design process for military engineering machinery was realized.The application instance shows that the dynamic evaluation method can provide effective evaluation for testability design process of military engineering machinery.

military engineering machinery;testability;dynamic evaluation;evaluation model

2013-03-30

江苏省自然科学基金(青年基金)资助项目(BK2012061);总装备部预研基金资助项目

TP206DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.008

王海涛,男,1978年生。解放军理工大学野战工程学院军事装备学教研中心讲师。主要研究方向为工程装备保障。张琦,男，1958年生。解放军理工大学野战工程学院教授、博士研究生导师。朱春生,男,1981年生。解放军理工大学野战工程学院博士研究生。赵鸿飞,男,1984年生。解放军理工大学野战工程学院博士研究生。李焕良,男,1977年生。解放军理工大学野战工程学院军事装备学教研中心副教授。