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第32卷第2期 2010年2月舰 船 科 学 技 , Feb.,2010
舰艇生命力评估方法现状及特殊问题对策
贾 佳,李 炜,张凤香
(海军装备研究院舰船论证研究所,北京100161)
目前,评估舰艇生命力的方法很多,不同的方法适用于不同的阶段和层次,为了更有效地对这些方法摘 要:进行综合运用,对这些方法进行了总结分析。首先,按照指标体系的结构层次将评估流程划分为设备、系统和总体3个评估阶段,并界定各阶段所讨论问题的范围;其次,对常用的评估方法进行优化组合,得到3种基本评估模式;再次,对3种模式中用到的各种评估方法进行了系统地对比分析,并给出各种方法的适用条件和不足;最后,针对目前评估中难以解决的不确定性和动态性等特殊问题进行了分析,并给出了相应对策。
关键词: 舰艇;生命力;评估;方法;对策
中图分类号: U674
文献标识码: A
文章编号: 1672-7649(2010)02-0133-05
DOI:.1672-
Astudyonthemethodsforshipsurvivabilityassessmentandthe
solutiononsomespecialissues ———————————————————————————————————————————————
JIAJia,LIWei,ZHANGFeng-xiang
(InstituteofNavalVessels,NavalAcademyofArmament,Beijing100161,China)
Abstract:
Atpresenttherearemanymethodstoassessshipsurvivabilitybutdifferentmethodissuit
,,accordingtothehierarchyoftheindicatorsystem,theassessmentflowwaspartitionedintothreeassessmentphasesthatareequipment,,,themethodsusedinthosepatternswerecontrastedandanalyzed,,somespecialissuesincurrentassessmentsuchasuncertaintyanddynamicswereanalyzedandsomecountermeasuresweregiven.
Keywords: ship;survivability;assessment;method;countermeasure
性,因此仅仅用一两种方法对其生命力进行评估无法
达到良好效果,应该比较各种方法,博采众家之长,综
合运用,以达到较好的评价效果。本文在总结了生命
力评估流程的基础上,按照评估流程,对不同评估阶
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段的评估方法做出了系统总结,给出各种方法的适用
条件,并找出评估中存在的难点,给出了相应的对策。0 引 言舰艇生命力评估是舰艇生命力研究的重要组成部分,它既是进行生命力方案决策的依据,也是进行生命力优化设计的基础。我国从20世纪90年代初开始对全舰总体及系统进行生命力综合评估,逐步从
定性分析过渡到定量分析,取得了较大进步。尤
其是近些年随着计算机科学和数学的发展,学术界尝
试了大量新方法进行生命力评估。但是由于舰艇是
一个涉及多因素的复杂系统,具有不确定性和动态[1]1 构建指标体系及评估流程舰艇生命力评估是指在一定的破坏环境中对舰艇进行损伤计算,并得出全面反映舰艇生命力状况的收稿日期:2009-06-05;修回日期:2009-07-20
作者简介:贾佳(1980-),男,硕士研究生,助理讲师,主要研究方向为舰艇生命力评估。
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舰 船 科 学 技 术第32卷
指标的过程。评估目标是得到各种破坏因素作用下舰艇总体的损伤等级概率。而总体的损伤等级概率是由各分解指标综合得到。因此,首先要确定生命力
指标分解形式,也就是构建生命力指标体系。
依据舰艇的特点,将指标体系用指标树的形式自上而下构建3个层次,即总体层、系统层和设备层。依据指标体系的划分,对应将评估———————————————————————————————————————————————
流程分为以下3步(见图1):
第一步,计算出设备层各设备的生命力指标;第二步,将各设备的生命力指标进行综合,得到各系统的损伤等级概率;
第三步,将各系统的损伤等级概率进行综合,得到舰艇总体的损伤等级概率,即舰艇总体生命力。
这里需要注意3点:1)因为具体设备类型多,联系复杂,并且直接与破坏环境交汇,因此对设备层的评估较为复杂,将其进一步划分为3个模块,即破坏环境建模、设备/平台建模、弹舰交汇建模。2)平台系统较特殊,其下层不易按设备划分,而应该按性能分为不沉性、结构强度、火灾危险性等。其评估方法与设备系统的评估方法截然不同,应区别对待。
3)由于舰艇的复杂性,有些系统下又可以划分为若干层次子系统。如机动性系统,可下分为推进和操船2个子系统
。
2)
。
1)在总体层评估之后使用蒙特卡洛法(见图
图2 Assessmentpattern?
2)在系统层评估之后使用蒙特卡洛法(见图3)
。
图3 Assessmentpattern?
3)在设备层评估之后使用蒙特卡洛法(见图4)
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。
图4 Assessmentpattern?
图中,?,?表示所用的评估方法,其含义如
下:
?将具体设备损伤状态(概率)综合为系统的损伤状态(概率),常用损伤树法或逻辑代数法;
图1
Assessmentflowofshipsurvivability
?将平台各性能指标(如浮力损伤)标准化,有临界法、统计法、折线法、曲线法等;
?将多因素(指标)进行综合,常用加权平均法;
?将确定的损伤等级转变为损伤等级概率,常用蒙特卡洛法。
上述各种方法是解决生命力评估的一些基本方法,下面分别对他们做具体介绍。
由于设备层评估需针对具体船型和设备进行分析,较为繁琐复杂,将在他处另作专门介绍,这里只对系统层和总体层的损伤评估方法进行总结分析,其分析是建立在已经对设备层完成评估之上的。
2 舰艇生命力评估的基本模式
在对舰艇生命力进行评估的过程中,使用不同的评估方法将产生不同的评估模式,但基本模式有以下3种:
3 舰艇生命力评估的基本方法
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逻辑代数法用于解决将设备的损伤状态“综合”为设备系统的损伤等级。对于设备来说只考虑完好2、
第2期贾 佳,等:舰艇生命力评估方法现状及特殊问题对策
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坏2种,以电力系统为例(其他系统类似),一般将其分为A,B,C,D四种状态。逻辑代数法将系统的损伤状态看作1个复杂事件,把组成系统的设备看作简
单事件,简单事件通过一定的逻辑关系连接对应系统的1种损伤状态。例如对于电力系统:
SGGGC=G1P1+2P1+3P2+4P2。
式中:S级损伤状态;G(i=1,2,3,C表示系统为Ci
4)为发电机;P(j=1,2)为配电板。j
上式表示,当发电机1完好且配电板1完好,或发电机2完好且配电板1完好,或发电机3完好且配电板2完好,或发电机4完好且配电板2完好时,电力系统损伤等级为C。对于1个简单系统,逻辑代数方法是1种简单有效的方法。但对于当前越来越复杂的系统来说,设备之间的联系十分复杂,实现起来有一定的难度。基于这一原因,逻辑代数法的应用受到了限制。
损伤树法
损伤树法是用于将设备损伤状态“综合”为设备系统损伤状态的1种方法,其基本过程如下:
1)确定系统的边界,选择合理的顶事件即系统损伤状态; ———————————————————————————————————————————————
2)根据系统的结构、功能,对系统的损伤状态进行分析,建立损伤树;3)对损伤树进行简化或模块化;
4)定性分析,求出损伤树的全部最小割集;5)定量分析,这一阶段包括计算顶事件发生的概率,进行重要度和灵敏度分析等。通过损伤树将设备的损伤概率(底事件)综合为系统的损伤概率,建立各损伤状态的损伤树就可得到各损伤等级概率。
指标的标准化
指标的标准化主要针对平台的各种性能指标而言。在1次弹舰交汇之后,要根据平台各性能的损伤情况对平台系统的损伤状态进行判断。但由于初稳心高、大角稳性、总纵弯矩等平台指标的单位和量级不同,会给综合评价造成困难,因此进行综合前,需要先将各指标进行标准化。所谓标准化,一方面是将指标无量纲化;另一方面是将指标一致化,一般都化成极大值型。以浮力损失指标为例:
LF
I。F=1D
式中:LD为正常排水F为破损船浮力损失平均值;量。
[2]
浮力损失指标经标准化后成为了0,1之间的无量纲数。其他指标的处理方式类似,最后得到指标集F={f},f是平台性能指标。ii
多因素(指标)综合
在从设备层到系统层、从系统层到总体层的评估过程中,都涉及到将多种因素或多个指标综合为1个指标的问题。在综合时,通常采———————————————————————————————————————————————
取加权平均法。例如,为了得到平台系统总的损伤指标,需要对已标准化的各平台性能指标进行综合。在综合时,根据各指标对应的权重,写出权重集W={w},w的权ii是fi重,最终求得平台系统的生命力指标为S=F?W,然后依据平台系统损伤等级划分判断出平台的损伤等级。
蒙特卡洛法
损伤等级描述的仅是一次确定打击后舰艇生命力的状态,而要对该状态进行评估预测就必须求得损伤等级概率。
蒙特卡洛法就是将确定的损伤等级转变为损伤等级概率的1种较为成熟的方法,是建立在概率论中心极限定理基础上的一种统计模拟方法。它通过增大独立试验次数,使所研究事件出现的频率接近其概率。因此,要求得损伤等级概率,必须分两步:第一步,判断1次模拟打击后的损伤等级;第二步,按照一定的命中点分布,多次重复模拟打击,记录下各种损伤等级在模拟中出现的次数(频数),除以总的模拟次数即得各损伤等级概率。
[3]
T
4 舰艇生命力评估中的特殊问题及对策
舰艇是1个涉及多因素的不确定性动态复杂系统,因此在对其进行生命力评估时还要考虑以下几个方面的特殊问题。
多因素性
舰艇生命力评估涉及的因素指标众多,几乎所有层次的评估中都涉及将多因素进行综合的问题,如3种评估模式中的?和?都涉及多———————————————————————————————————————————————
因素综合问题。因此讨论这一问题,具有普遍意义。
1)综合前的准备工作:即将指标进行标准化(前文已介绍)。
2)综合方法:常用的有加权平均法、损伤树法和逻辑代数法(前文已介绍),此外还有贝叶斯网络法,神经网络评价法,模式识别法等。
3)权重的确定:在实际使用中,最常用的综合方
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权重的方法有主观赋权法、客观赋权法和主客观结合赋权法等。层次法(AHP)是目前较常用的方法,它是一种主观赋权法,主要是通过对综合的各因素进
行两两比较构造判断矩阵,然后求解判断矩阵的特征向量,将特征向量归一化就得到权重。 不确定性
生命力评估中存在着大量的不确定因素,归纳起来主要有以下3种不确定性:
1)打击的随机性
舰艇生命力评估中存在很多随机因素,但最主要的是弹舰交汇时命中点的随机性,目前蒙特卡洛法已经较好地解决了这一问题。
2)等级的模糊性
在进行损伤等级判断时,其判断均带有模糊性,此时应可用模糊评判法。用隶属度r来说明某种损伤等级的程度。如在对舰艇进行损伤等级判断时,用R=(r表示该损伤属于A,B,C,D四个A,rB,rC,rD)等级的隶属度。其中隶属度是关键,求解隶属度的方
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[5]
法有模糊统计法、三分法、套用F分布法等。
3)关联的灰色性
在对多因素进行综合评估时,若综合后的生命力指标很高,是否真的说明它的生命力水平很高呢?不尽然。因为综合后的指标不能反映综合前各因素的实际情况,很有可能一部分因素水平很低,甚至不合格,只是综合时被其他水平较高的因素给弥补了。由于短板效应,实际生命力水平要差很多。目前解决这一问题的主要手段是灰色关联理论
[6]
[1]
图5
Curveaboutrelationshipbetweenship
survivabilityandtime
1次打击后的生命力指标为基础,通过计算出舰艇损伤一步转移概率矩阵,求出任意多次打击后舰艇的生命力指标。但该法的主要不足在于实际情况中各次
打击并不独立。
协调好生命力评估三要素
生命力试验、生命力模型和生命力数据库被称为
[9]
生命力评估三要素。本文所讨论的生命力评估方法仅仅属于生命力模型的内容,需要与其他2个因素协调发展。因为试验是基础,模型———————————————————————————————————————————————
是核心,数据库如桥梁。试验为易损性模型提供数据,验证、修正模型。模型具有预测能力,可扩展生命力评估,使其适用于比试验条件更大的范围。准确的生命力评估需要借助已建立的数据库信息,进行试验与模型的比较。因此,在进行生命力评估方法研究的同时,要同时开展生命力试验和生命力数据库的研究。在生命力试验方面国外做了大量工作
[11]
[10]
,近年国内也开展了相关
,它先制定一
个参考序列,该参考序列是待综合各因素的标准值,然后将实际的评估因素序列与参考序列比较,其接近程度用关联度表示,关联度越大表示评估方案越接近标准。该理论解决了信息不完全带来的不确定性。 动态性
舰艇在遭受武器打击后,其生命力随着时间不断变化,是一个动态过程。这是由于,一方面二次破坏(浸水和火灾)会随时间蔓延,造成损伤扩大;另一方面舰员会采取各种损管措施进行损伤控制,甚至进行修复。图5给出了舰艇生命力随时间变化的关系。动态性涉及的随机因素众多,尤其是包含了人的因素,分析起来十分复杂,目前尚没有较好的解决方法。