張 冬，張 平，方 強(qiáng)，祝 泓

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

基于模糊層次分析法的艦艇維修性評(píng)估方法

張 冬，張 平，方 強(qiáng)，祝 泓

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

維修性定量評(píng)估一直是艦艇設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一?；谂炌гO(shè)計(jì)中常用的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將層次分析法與模糊評(píng)判理論相結(jié)合，提出一種可用于艦艇維修性設(shè)計(jì)方案優(yōu)化和不同方案間維修性水平比較的新方法。在評(píng)估過程中，首先根據(jù)艦艇維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將影響維修性的因素進(jìn)行逐層分解、獨(dú)立評(píng)價(jià)，再經(jīng)逐層向上的模糊運(yùn)算，得到評(píng)估對(duì)象的維修性水平。實(shí)例計(jì)算表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)維修性由定性到定量的評(píng)估，明確地得出不同方案之間維修性水平的差別，并能發(fā)現(xiàn)方案中維修性水平的薄弱環(huán)節(jié)。

艦艇；維修性；模糊評(píng)估；層次分析法

0 引 言

維修性是指裝備在規(guī)定的條件下，按規(guī)定的程序和手段實(shí)施維修時(shí)，保持或恢復(fù)能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。艦艇裝備長(zhǎng)期在高鹽、高濕以及具有輻射和振動(dòng)的環(huán)境中工作，較陸上同類裝備更易發(fā)生故障。在艦艇裝備發(fā)生故障或失效時(shí)，艦員能否快速、準(zhǔn)確地排除故障，修復(fù)裝備，取決于裝備的維修性設(shè)計(jì)水平。在艦艇裝備研制過程中，會(huì)開展維修性設(shè)計(jì)、分析與評(píng)估等工作，其中，維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)是檢驗(yàn)維修性設(shè)計(jì)工作優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。除MTBF、MTTR等定量指標(biāo)外，在進(jìn)行艦艇設(shè)計(jì)時(shí)的一系列維修性評(píng)估指標(biāo)多為定性指標(biāo)。長(zhǎng)期以來，由于對(duì)這些指標(biāo)缺少直觀、定量的檢驗(yàn)方法，使得不少維修性問題在裝備服役后才被發(fā)現(xiàn)，增加了裝備維修成本。

設(shè)計(jì)人員一直在研究可用于確定艦艇維修性水平的方法。例如，在傳統(tǒng)艦船維修性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用維修性演示試驗(yàn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)照法。前者能直觀、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的維修性問題，但在評(píng)估之前，需要研制評(píng)估對(duì)象的樣機(jī)或演示模型，且使用該方法進(jìn)行維修性評(píng)估周期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高；后者能根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的條目，有針對(duì)性地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中維修性的薄弱環(huán)節(jié)，但該方法只能實(shí)現(xiàn)定性評(píng)估，且主觀性較強(qiáng)，不同的評(píng)價(jià)主體獲得的結(jié)果差異較大。近年來，研究人員也提出了一些可用于維修性定量評(píng)估的新方法。吳玲丹等［1］提出了用支持向量機(jī)回歸算法結(jié)合矩陣積和式函數(shù)的方法建立艦船裝備的維修性設(shè)計(jì)評(píng)估模型。高明君等［2］根據(jù)系統(tǒng)工程的基本步驟，結(jié)合產(chǎn)品的一般研制程序，提出了維修性設(shè)計(jì)要求的一體化生成過程。陸中等［3］提出了基于著色隨機(jī)時(shí)間Petri網(wǎng)的維修性建模方法，將蒙特卡羅法應(yīng)用到了維修時(shí)間仿真計(jì)算以及維修資源需求量計(jì)算中。劉福成等［4］提出了一種基于維修資源水平的維修性驗(yàn)證方法，提高了維修性驗(yàn)證工作在工程實(shí)踐中的可操作性。歐淵等［5］提出了梯形模糊層次分析法在裝甲車輛維修性要求重要度排序中的應(yīng)用，對(duì)裝甲車輛維修性要求進(jìn)行了權(quán)重計(jì)算和排序問題研究。王冬梅等［6］利用模糊數(shù)學(xué)理論中的綜合評(píng)判方法，通過綜合考慮多方面的模糊因素，提出了一種導(dǎo)彈裝備維修性分配模型。

上述研究分別從不同的角度提出了對(duì)裝備維修性進(jìn)行評(píng)估或驗(yàn)證的方法，并取得了一定的成果。但由于艦艇裝備的種類與數(shù)量規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的裝備，影響評(píng)價(jià)的多是一些具有模糊性的主觀因素，而上述方法提出時(shí)沒有考慮艦艇的特點(diǎn)，也沒有考慮對(duì)艦艇設(shè)計(jì)中現(xiàn)有維修性評(píng)價(jià)方法的兼容，因此，要在艦艇設(shè)計(jì)中應(yīng)用上述方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)其維修性進(jìn)行系統(tǒng)的定量評(píng)估較困難。正因如此，目前艦艇設(shè)計(jì)中常用的還是定性評(píng)估方法，即設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)照法，如何在現(xiàn)有定性評(píng)估方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估，是艦艇維修性設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。

本文將對(duì)艦艇維修性定量評(píng)估進(jìn)行研究，采用一種將層次分析法與模糊理論相結(jié)合的評(píng)估方法。其中，模糊理論是以模糊集合為基礎(chǔ)，并以處理概念模糊不確定的事物為研究對(duì)象?；谀：碚摰脑u(píng)估方法適于評(píng)估要素為主觀評(píng)估指標(biāo)的系統(tǒng)，能夠?qū)傮w性能或表現(xiàn)的優(yōu)劣受多種因素影響的事物作出一個(gè)合理、綜合的總體評(píng)判［7－11］。該評(píng)估方法的基本原理是通過比較設(shè)計(jì)方案中各因素與維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則目標(biāo)要求之間的相似程度并進(jìn)行評(píng)分，然后，由底層影響因素逐步向上層指標(biāo)進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到設(shè)計(jì)方案的維修性水平。綜合評(píng)分越高，就說明方案與初始設(shè)定的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的契合度越高，即該方案擁有較高的維修性水平。利用模糊層次分析法可以降低維修性評(píng)估的成本，能將艦艇設(shè)計(jì)中常用的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的內(nèi)容進(jìn)行量化處理，實(shí)現(xiàn)艦艇裝備的維修性評(píng)估由定性向定量的轉(zhuǎn)變。下面，首先將艦艇設(shè)計(jì)常用的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為維修性的評(píng)估指標(biāo)體系；然后，按照指標(biāo)體系的層次關(guān)系，建立艦艇裝備的維修性評(píng)估模型，依次為各層次影響因素分配權(quán)重，再加以綜合評(píng)判，得到一個(gè)定量的維修性水平；最后，以對(duì)某艦艇系統(tǒng)2套不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行維修性評(píng)估為例，闡述如何得出不同方案之間維修性水平的差別程度，以及如何發(fā)現(xiàn)維修性薄弱環(huán)節(jié)。

1 方法概要

1.1 建立維修性評(píng)估指標(biāo)體系

應(yīng)用模糊層次分析法進(jìn)行評(píng)估的關(guān)鍵是建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系。因此，要對(duì)艦艇的維修性進(jìn)行定量評(píng)估，首先應(yīng)建立評(píng)價(jià)體系。由于艦艇裝備的系統(tǒng)、設(shè)備構(gòu)成較復(fù)雜，數(shù)量龐大，因此，可以以一級(jí)或二級(jí)系統(tǒng)為維修性評(píng)估對(duì)象。維修性檢驗(yàn)的指標(biāo)多具有模糊性，為便于分析與評(píng)價(jià)，以艦艇設(shè)計(jì)中常用的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，將維修性的各基本要素逐層展開，即對(duì)可達(dá)性、標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、防差錯(cuò)、維修安全性以及快速診斷能力等分別進(jìn)行分層細(xì)化。限于整個(gè)艦艇的裝備規(guī)模，較合適的方法是對(duì)某一個(gè)艦艇裝備（或系統(tǒng)）的維修性建立獨(dú)立的評(píng)估體系。根據(jù)常用的艦艇裝備維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定的某艦艇系統(tǒng)的維修性評(píng)估體系如圖1所示。

1.2 維修性評(píng)估模型建模

根據(jù)艦艇系統(tǒng)維修性評(píng)估體系的組成，影響維修性評(píng)估的要素確定為指標(biāo)集m=｛m1，m2，m3，m4，…，mk｝。影響第1級(jí)評(píng)估要素（mi，1≤i≤k）的子因素很多。將這些第2級(jí)影響因素記為mi=｛mi1，mi2，mi3，mi4，…，min｝，其中i∈（1，k）。第1級(jí)評(píng)估要素和第2級(jí)影響因素?cái)?shù)量與種類的選取，可以根據(jù)待評(píng)估裝艦裝備的維修性特點(diǎn)進(jìn)行確定。同時(shí)，若第2級(jí)影響因素仍然是由若干子因素共同影響的結(jié)果，則可以按上述規(guī)則依次建立下一個(gè)層次的評(píng)估體系。

1.3 確立各層次因素的權(quán)重分配

圖1 某艦艇系統(tǒng)的維修性評(píng)估體系組成Fig.1 Organic maintainability evaluation composition of a certain ship system

1.4 構(gòu)建評(píng)估矩陣與計(jì)算評(píng)估結(jié)果

1.4.1 評(píng)估參數(shù)集

評(píng)估參數(shù)集P是對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估的基本標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行定量分析的前提?？梢詫⒃u(píng)估等級(jí)分為｛好，較好，一般，較差，差｝，為便于進(jìn)行層次模型分析，可對(duì)各個(gè)評(píng)估等級(jí)給予相應(yīng)的分值，如可以設(shè)定P=｛90，75，60，45，30｝，為便于區(qū)別方案間的差異程度，建議采用百分值評(píng)估參數(shù)。

1.4.2 確定單因素的評(píng)估矩陣與綜合評(píng)估矩陣

1）確定單因素評(píng)估矩陣。

由于評(píng)估模型為多層次模型，在評(píng)估中，首先對(duì)次底層（即倒數(shù)第2層）的影響因素進(jìn)行單因素指標(biāo)評(píng)估，根據(jù)艦艇設(shè)計(jì)人員的分析結(jié)果對(duì)其下級(jí)影響因素分別進(jìn)行評(píng)分，建立單因素評(píng)估矩陣Ri×j。其中，i為該因素下級(jí)影響因素的個(gè)數(shù)；j為評(píng)估參數(shù)的等級(jí)數(shù)。Ri×j的各行應(yīng)進(jìn)行歸一化處理。

2）確定綜合評(píng)估矩陣。

利用上述單因素評(píng)估矩陣及其子因素的權(quán)重集進(jìn)行綜合評(píng)估矩陣的模糊合成計(jì)算，即綜合評(píng)估矩陣B1=μ1?R1。其中，μ1為權(quán)重集；R1為單因素評(píng)估矩陣；“?”為模糊合成計(jì)算符。依次利用此方法得到B2～Bk的值。

3）確定總的綜合評(píng)估矩陣，計(jì)算評(píng)估結(jié)果。

對(duì)上一步驟的綜合評(píng)估值進(jìn)行歸一化處理后，繼續(xù)采用權(quán)重集與歸一化處理的評(píng)估矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到上一級(jí)的評(píng)估結(jié)果，直至最頂層，最終確定總的綜合評(píng)估矩陣B。對(duì)綜合評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理后得到B′，將其與轉(zhuǎn)置后的評(píng)估參數(shù)集PT相乘，得到維修性評(píng)估分值P′，即P′=B′PT。這樣，就可得到關(guān)于裝備維修性的量化數(shù)值，該計(jì)算結(jié)果可用于設(shè)計(jì)方案的維修性評(píng)估，或者不同方案之間的維修性比較。

2 應(yīng)用實(shí)例與分析

根據(jù)前節(jié)所述的方法以及圖1所示的艦艇裝備的維修型評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)某艦艇上2套不同的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案（方案A和方案B）進(jìn)行了維修性水平評(píng)估（在進(jìn)行其他艦艇裝備的維修性評(píng)估時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況增加或減少組成評(píng)估體系的影響因素）。

2.1 確定維修性評(píng)估模型

根據(jù)圖1所示的維修性評(píng)估體系確定評(píng)估集合m=｛m1，m2，m3，m4｝，各子評(píng)估集合分別為：m1=｛m11，m12，m13，m14｝，m2=｛m21，m22，m23｝，m3=｛m31，m32，m33｝，m4=｛m41，m42，m43｝。

2.2 確定各因素的權(quán)值分配

維修性總的權(quán)重分配集μ=［0.25，0.1，0.3，0.35］，可達(dá)性中各子影響因素的權(quán)重分配集μ1=［0.35，0.35，0.2，0.1］，標(biāo)準(zhǔn)化因素中各子因素的權(quán)重分配集μ2=［0.5，0.3，0.2］，防差錯(cuò)因素中各子因素的分配權(quán)重集μ3=［0.4，0.3，0.3］，維修安全性因素中各子因素的分配權(quán)重集μ4=［0.1，0.4，0.5］。

2.3 建立評(píng)估矩陣

1）確定評(píng)估參數(shù)集。

設(shè)定2套方案進(jìn)行比較的評(píng)估參數(shù)集為P=｛90，75，60，45，30｝。

2）形成單因素評(píng)估矩陣。

按照多組設(shè)計(jì)人員對(duì)各因素的評(píng)估效果記錄，對(duì)2套方案分別建立可達(dá)性、標(biāo)準(zhǔn)化、防差錯(cuò)和維修安全性的評(píng)估矩陣。

方案A的4個(gè)單因素評(píng)估矩陣分別為

3）計(jì)算綜合評(píng)估矩陣。

應(yīng)用B=μ?R求解方案A第2層的綜合評(píng)估矩陣。

同樣，可以計(jì)算得

方案B第2層的綜合評(píng)估矩陣分別為

4）確定總綜合評(píng)估矩陣，計(jì)算評(píng)估結(jié)果。

對(duì)上一步驟的綜合評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理后，分別得到2套方案的總評(píng)估矩陣。

根據(jù)總評(píng)估矩陣求解總綜合評(píng)估矩陣，分別如下。

對(duì)總綜合評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理后，可以分別得到2套方案的維修設(shè)計(jì)水平評(píng)估分

通過比較PA與PB的值，可知方案B與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的契合度更高，其維修性水平優(yōu)于方案A。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，如果需要分析引起方案A和方案B維修性水平差別的原因，可以分別對(duì)各方案主要影響維修性的因素進(jìn)行評(píng)估，即將與中的各行分別與評(píng)分參數(shù)集P相乘，便可得到量化的維修性影響因素評(píng)估值Pm。

從上述結(jié)果可以明顯看出方案A的可達(dá)性、標(biāo)準(zhǔn)化、防差錯(cuò)和維修安全性的各項(xiàng)因素的評(píng)估值均低于方案B，而其中又以標(biāo)準(zhǔn)化因素的差距最大，即可以認(rèn)為與標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)的因素為方案A維修性的最薄弱環(huán)節(jié)。因此，要改善方案A的維修性水平，首先應(yīng)從零部件的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)節(jié)入手。

3 結(jié) 語

本文提出了基于模糊層次分析法的艦艇維修性定量評(píng)估方法，將艦艇設(shè)計(jì)中常用的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了定量轉(zhuǎn)化，建立了艦艇維修性定量評(píng)估指標(biāo)體系，量化地獲得了設(shè)計(jì)方案的維修性水平，使得不同方案之間維修性水平的差別程度能夠定量地計(jì)算出，同時(shí)，也有利于清晰地發(fā)現(xiàn)艦艇維修性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為艦艇設(shè)計(jì)中的維修性評(píng)估提供了一種新的思路與手段。

影響水面艦艇維裝備修性水平的因素很多，本文考慮的是以設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的維修性定性檢驗(yàn)內(nèi)容為主體進(jìn)行量化評(píng)估，而如何將定性檢驗(yàn)內(nèi)容與其他定量指標(biāo)（MTBF、MTTR等）相結(jié)合進(jìn)行艦艇設(shè)計(jì)方案維修性的綜合評(píng)估，將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

［1］ 吳玲丹，黎放，楊元.艦船裝備維修性設(shè)計(jì)評(píng)估模型研究［J］.艦船電子工程，2008（5）：186－189.

WU Lingdan，LI Fang，YANG Yuan.Evaluating model of maintainability design about vessel equipment［J］.Ship Electronic Engineering，2008（5）：186－189.

［2］ 高明君，郝建平，劉繼民，等.基于系統(tǒng)工程過程的維修性設(shè)計(jì)要求生成過程研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2010，17（2）：81－85.

GAO Mingjun，HAO Jianping，LIU Jimin，et al.Generation process of maintainability design requirements based on system engineering process［J］.Journal of Engineering Design，2010，17（2）：81－85.

［3］ 陸中，孫有朝，吳海橋.基于著色隨機(jī)時(shí)間Petri網(wǎng)的維修性建模方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（10）：185－191.

LU Zhong，SUN Youchao，WU Haiqiao.System maintainability modeling method based on colored stochastic time Petri net［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，47（10）：185－191.

［4］ 劉福成，尚朝軒.一種基于維修資源水平的維修性驗(yàn)證方法研究［J］.信息技術(shù)，2011（1）：49－51.

LIU Fucheng，SHANG Chaoxuan.A maintainability verification method based on the level of maintain resources［J］.Information Technology，2011（1）：49－51.

［5］ 歐淵，丁茹，張濤，等.梯形模糊層次分析法在裝甲車輛維修性要求重要度排序中的應(yīng)用［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，12（5）：72－75，83.

OU Yuan，DING Ru，ZHANG Tao，et al.Trapezium fuzzy AHP used in maintainability requirement importance compositor of armored car［J］.Journal of Academy of Military Transportation，2010，12（5）：72－75，83.

［6］ 王冬梅，王志坤，徐廷學(xué).基于模糊評(píng)判的導(dǎo)彈裝備維修性分配模型研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，20（3）：335－337.

WANG Dongmei，WANG Zhikun，XU Tingxue.Research on distribution model of missile’s maintainability based on fuzzy theory［J］.Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute，2005，20（3）：335－337.

［7］ 楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

［8］ 劉有才，劉增良.模糊專家系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

［9］ 嚴(yán)宇，劉天琪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2004，36（1）：106－110.

YAN Yu，LIU Tianqi.Dynamic security assessment of power system based on ANN and fuzzy theory［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2004，36（1）：106－110.

［10］ 南風(fēng)強(qiáng)，張友良，汪惠芬，等.數(shù)字化裝配環(huán)境下產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)方案模糊評(píng)價(jià)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，13（8）：1490－1497.

NAN Fengqiang，ZHANG Youliang，WANG Huifen，et al.Fuzzy evaluation of assembly design scheme under digital assembly environment［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2007，13（8）：1490－1497.

［11］ 張旭東，彭杰，王健，等.基于模糊理論的艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)能力評(píng)估［J］.兵工自動(dòng)化，2011，30（10）：39－42.

ZHANG Xudong，PENG Jie，WANG Jian，et al.Evaluation of air defense combat capacity in surface ship formation based on fuzzy theory［J］.Ordnance Industry Automation，2011，30（10）：39－42.

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

ZHANG Dong，ZHANG Ping，F(xiàn)ANG 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 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013－01－16 14:43

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

張 冬（1986－），男，碩士，助理工程師。研究方向：艦艇維修性設(shè)計(jì)。E-mail：zhang＿dong00＠yahoo.cn

張 平（1964－），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦艇維修性設(shè)計(jì)。E-mail：wh＿zhk＠sohu.com

張 冬。

張智鵬］