改进模糊层次分析法的火控系统故障诊断方法*

杨国振，常天庆，张　雷，苏　健

（装甲兵工程学院，北京　100072）



改进模糊层次分析法的火控系统故障诊断方法*

杨国振，常天庆，张雷，苏健

（装甲兵工程学院，北京100072）

摘要：提出了一种基于改进模糊层次分析法的某型战车火控系统的故障诊断模型。分析火控系统顶层故障现象的各个影响因素，建立对应的层次结构，给出模糊判断矩阵，将基于静态的专家经验知识和基于动态的定量测试相结合，然后综合各个专家判断矩阵的差异性，由模糊层次分析法求得各影响因素的权重并进行排序，得到故障部件权重，诊断结论表明该方法准确可靠。

关键词：模糊层次分析法，专家权重矩阵，综合评判，故障诊断

0　引言

火控系统组成结构复杂，涉及光学、电子、信息、控制、液压、机械等多学科专业，系统产生故障的因素多，并且相互交织影响，带有模糊性与不确定性，因此，故障定位本质上可以认为是在多种因素综合作用下的评价决策过程，是一种多属性决策过程。

目前，火控系统故障诊断常用的方法存在局限性，定性分析法和故障树专家系统法结论受不同维修人员的知识水平、经验差别等主观因素影响，导致决策主体多元化；灰色关联度法未考虑系统动态的定量测试结果，影响结论的有效性。因此，需要从理论上建立合理的故障定位决策方案，既能够考虑诸多因素的影响，又结合在线测试的定量结果，同时能够克服专家经验的主观性和偶然性。为此，本文提出了基于改进模糊层次分析法的火控系统故障定位综合决策方法，并将其应用于某型主战坦克火控系统的原位故障诊断中。

1　改进FAHP诊断模型的建立

模糊层次分析法［1］是在传统层次分析法的基础上，充分考虑人们对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等判断的模糊性，引入模糊一致矩阵的决策方法。它弥补了层次分析法的缺陷，使分析更加科学，能够有效解决复杂的、模糊的故障诊断问题。

1.1构建递阶层次模型

首先建立描述火控系统成因或特征的内部独立的递阶层次分析结构，这是层次分析法的关键步骤。根据故障诊断综合评价体系中各指标的所属类型，将其划分为不同层次，形成故障诊断的递阶层次结构模型，如图1所示。该模型通常由3个层次组成：

目标层A（顶层）。反应火控系统相同故障现象诊断定位的可信度，是最高层。

准则层B（中间层）。准则层是为实现目标所涉及的中间环节，这一层次是影响系统故障重要度因素的指标构成，是对目标层故障剖面的具体分解和扩展。

方案层C（底层）。表示实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，是具体故障成因。

图1故障诊断递阶层次结构模型

1.2构造模糊判断矩阵

在层次结构模型中，各层组成元素的影响程度不尽相同，需要通过两两比较确定其影响程度，以建立各准则对于上一层目标的权重，以及各故障成因对于每一准则的权重。当以上一层次某要素作为比较准则时，对于下一层次中a1，a2，…，an元素，可用一个比较标度rij来表述第ai个元素与第aj个元素的重要性隶属度，判断矩阵则是下层的元素对上层元素的相对重要性两两比较而建立的矩阵。从目标层A到准则层B需构建一个模糊判断矩阵A-B，准则层B到方案层C需构建n个两两比较判断矩阵Bi-C，i=1，…n。为了使判断定量化，一般都选用1～9的比例标度法，正整数取值表示相对重要，相反情况取倒数，如表1所示。

利用德尔菲法进行评判打分，选取k位专家，经过多轮评判，每位专家分别1个目标层A到准则层B的模糊判断矩阵和n个准则层B到方案层C的判断矩阵。

表1常用1～9标度法

1.3计算权重及一致性判断

对于每个比较判断矩阵，都可对应建立一个特征方程AW=λW，求解特征向量和特征值，找出最大特征值λmax，其对应的列向量经过归一化处理后，得到该比较矩阵的权重向量。

模糊判断矩阵是应当由专家经验估计的，不可能精确给出重要度隶属度rij的值，是有偏差的，因此，必须对判断矩阵一致性进行检验。通过计算一致性比率CR来确定，

式中：CI是一致性指标，λmax判断矩阵的最大特征根，n是判断矩阵阶数，RI是平均随机一致性指标。当CR＜0.1时，判断矩阵满足一致性要求，否则重新写出判断矩阵，直到满足一致性要求［2］。

1.4计算专家综合权重

在实践中，单一专家往往受到知识结构、学历等各方面因素的影响，难以准确客观地反映真实情况，同时不同专家给出判断矩阵的可信度不同，导致对最终结果的影响不同，为了消除不同专家判断的不一致度的影响，本文采用改进的德尔菲法［3］来解决。针对同一层次关系，k位评判专家给出k种权重向量，以目标层A到准则层B为例，构建专家权重矩阵B=（bij）k×n，bij表示第i位专家对准则Bj的权重值，先计算权重矩阵每行所有元素的集合平均值

WA-B=（w1，w2，…，wn）T是专家权重矩阵的特征向量，也就是准则层元素Bj（j=1，…，n）的专家综合权重。

1.5计算层次组合权重

第一层级专家综合权重向量确定以后，按照自上而下的层次关系，从最上一级开始，求解每一层级的专家综合权重向量。针对方案层C，分别计算各组关系的专家综合权重向量=（wi1，wi2，…，wi）jT（i=1，2，…，n，0＜j≤m），wij表示对应准则B（ii=1，…，n），j个成因方案的专家综合权重值。将第二层级n个专家综合权重向量作为列向量，无对应关系时wij=0，构建一个专家综合权重矩阵WB-C= （wi）jm×n，可计算出方案层对目标层的组合权重向量

W=WB-CWA-B（4）

将各分量值按从大到小排列，显示了方案层的因素对于目标层W的重要程度排序，即层次总排序。

2　某型火控系统实例分析

2.1故障诊断层次模型建立

武器装备火控系统是一套以火控计算机为核心的综合控制系统［4］，进行故障诊断时，依靠设备进行全面的测试，费用大、成本高，且受场地制约，所以原位故障诊断时主要以现场专家的静态知识判断为主，定位结论主观性大。采用FAHP法，针对不同的故障剖面，综合考虑对故障产生影响的各个因素，包括部件可靠性、工作环境、历史运行特性、故障前瞬时状态和测试参数等，建立故障剖面、影响因素和部件故障成因三层结构，将静态多专家知识与动态检测知识相结合，生成评判结果，对引起故障发生的各个成因进行综合评判，按照权重值大小排序，实现原位快速定位。以某型坦克火控系统典型故障“激光不能测距”为例，建立故障诊断层次结构模型，如图2所示。

图2激光不测距故障诊断层次结构模型

可靠性准则由专家对设计可靠性、故障发生频率等参数进行综合评价；工作环境准则包括温带、盐雾、湿热、高寒和沙漠等5种影响状况，实际工作中选择其一；历史特性准则按照系统运行时间分为磨合期、稳定期、危险期3种，选择其一；故障瞬态指故障发生前系统运行状态，包括启封保养、一般训练、高强度训练、战斗射击，选择其一；测试参数针对本故障指能够测试的激光高压值，特指故障时对系统的影响，正常时影响忽略不计。

2.2构建专家模糊判断矩阵

本模型的4位专家分别是研究设计、教学培训、工厂售后、部队保障的专家，通过德尔菲法进行多轮评判打分，最终每位专家给出目标层到准则层1个判断矩阵和准则层每一种状态对应到方案层的判断矩阵，所有判断矩阵存储在数据库，依据给定情况进行综合解析。本文针对温带环境、稳定期、高强度训练、激光高压低等情况下，火控系统激光不能测距故障进行诊断定位。表2是4位专家给出目标层到准则层的模糊判断矩阵。

表2目标层A到准则层B的专家模糊判断矩阵

2.3计算层次组合权重

通过MATTLAB工具分别对4个专家模糊判断矩阵求解特征向量和特征值，找出最大特征值λmax，并进行一致性检验n=5，RI=1.12，结果如表3所示。

表3第一层级一致性检验

专家1-4模糊判断矩阵特征向量

（0.324 9 0.103 2 0.072 8 0.497 4 0.794 4）T

（0.804 7 0.086 3 0.158 8 0.308 5 0.474 0）T

（0.512 6 0.203 7 0.129 5 0.289 0 0.771 7）T

（0.109 3 0.182 1 0.300 5 0.702 3 0.609 4）T

所有CR＜0.1时，判断矩阵满足一致性要求。将每位专家模糊判断矩阵产生的特征向量归一化处理，并作为列向量构建专家权重矩阵B

按照式（2）、式（3）计算专家权重矩阵的特征向量WA-B=（0.065 5 0.001 5 0.002 0 0.139 2 0.791 8）T

同理得到准则层到方案层的专家权重矩阵特征向量分别为

WB1-C=（0.0343 0.2402 0.0945 0.1548 0.4762）TWB2-C=（0.0852 0.2456 0.1217 0.1611 0.3863）TWB3-C=（0.107 9 0.2073 0.1303 0.2073 0.3482）TWB4-C=（0.0408 0.2045 0.0867 0.1526 0.5154）TWB5-C=（0 0.0881 0 0.1947 0.7172）T

构建一个专家综合权重矩阵WB-C，根据式（4）计算方案层C对目标层A的组合权重向量。

方案层故障成因权重依次为0.672 1，0.186 2，0.114 7，0.018 7，0.008 3，故障定位排序为电源计数器盒，控制盒，瞄准镜，火控计算机，操纵台，这一结果与实际故障诊断结果一致。

3　结论

本文应用改进模糊层次分析法，对某型主战坦克火控系统故障诊断定位过程进行全面综合评判，通过分析典型故障剖面，采用层次分析法，构建专家综合权重矩阵解决了多专家判定的差异性，并充分考虑了故障诊断中的定性和定量影响因素，为制定合理的维修策略提供了理论依据，诊断结论表明该方法具备了较高应用价值。

参考文献：

［1］张吉军.模糊层次分析法（FAHP）［J］.模糊系统与数学，2000，14（2）：80-88.

［2］袁海滨.基于层次分析法的电器控制系统故障综合评判［J］.电气应用，2006，25（7）：42-44.

［3］唐忠.基于层次分析法和德尔菲法的电力企业备品备件候选评价方法［J］.上海电力学院学报，2012，28（1）：97-101.

［4］朱竞夫.现代坦克系统［M］.北京：国防工业出版社，2003.

Research on Fault Diagnosis Technique of Fire Control System Based on Modified- FAHP Method

YANG Guo-zhen，CHANG Tian-qing，ZHANG Lei，SU Jian
（Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

Abstract：A new fault diagnosis technique based on modified-FAHP method for the fire control system is proposed. Each typical failure factors which cause the top fault of the fire control system are analyzed，and then the corresponding hierarchical structure is built，several experts give the fuzzy comparison matrix，static expert knowledge is combined with the dynamic testing data，then the otherness is integrated by the expert weight matrix and the weight of failure factors is obtained by the FAHP，the diagnostic results indicate that the method is precise and available.

Key words：FAHP，expert weight matrix，comprehensive decision，fault diagnosis

作者简介：杨国振（1977-），男，河北涿州人，硕士。研究方向：武器装备自动检测技术。

*基金项目：军队维修改革科研重点基金资助项目

收稿日期：2015-01-07

文章编号：1002-0640（2016）02-0162-04

中图分类号：TP306

文献标识码：A

修回日期：2015-03-18