基于模糊层次评判的火炮测试性分级评估

赵　帅，韩国柱，汪　伟

(军械工程学院 火炮工程系，石家庄　050003)



基于模糊层次评判的火炮测试性分级评估

赵帅，韩国柱，汪伟

(军械工程学院 火炮工程系，石家庄050003)

摘要：针对用故障总检测率评估火炮测试系统测试性不完备的问题，提出了基于模糊层次评判的火炮测试性分级评估模型。在对某火炮火力系统常见故障进行故障模式分析的基础上，将层次分析法和模糊综合评判的方法应用到分级评估中，实现了对某火炮火力系统的故障测试项目进行一级测试、二级测试、综合测试和工厂测试的归类；通过与某火炮火控系统分级测试分级结果的对比，验证了指标体系和方法的有效性和适用性。

关键词:测试性分级;自动检测水平;模糊层次评判;总检测率

Citation format:ZHAO Shuai, HAN Guo-zhu, WANG Wei.Artillery Testability Classification Assessment Based on Fuzzy Hierarchy Evaluation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):78-83.

随着科学技术的迅速发展，装备的性能大幅提高，自动化水平逐步提升，系统的复杂程度、维修难度也越来越高，特别是一些大型武器系统(如火炮)往往都是机、电、液、磁、光等的综合体，故障检测往往费时费力，效果不佳，装备的测试性特别是自动检测水平已成为影响装备能否发挥最佳系统效能的重要因素。

《装备测试性工作通用要求》(GJB2547A—2012)中提出“测试自动化程度必须与设备操作和维修人员的技能水平相一致。”常春贺等在文献[1]中研究了复杂装备的测试性指标确定方法；李竟然等在文献[2]中研究了电磁环境复杂程度的评估方法；舒鑫等在文献[3]中研究了使用故障树分析火炮供输弹系统故障的方法。但是在火炮的测试性方面，缺乏分别针对三级维修体制的设计考量，测试系统设计不完备，在每个维修级别上，对每个UUT如何使用ATE、BIT和通用电子测试设备进行故障检测和故障隔离没有具体的依据和方法，可能因测点和诊断方案等原因给排除故障带来困难[4]，难以使计划的测试自动化程度与维修技术人员的能力相一致。

本研究在分析测试性和总检测率的概念、内涵的基础上，指出了对测试性分级评估的实际意义，结合对基层一级、基层二级、中继级和基地级维修的测试性要求分析，研究探讨与火炮三级维修相对应的测试性分级评估指标体系和方法，实现对火炮故障检测与诊断，分别进行一级测试、二级测试、综合测试和工厂测试项目的归类，从而得到火炮不同维修级别下的自动检测水平。

1测试性和故障检测率

1.1关于测试性

测试性是指装备能及时、准确、有效地确定其内部状态(可工作、不可工作及性能下降)，并隔离其内部故障的设计特性[5]，它描述了测试信息获取的难易程度。良好的测试性设计可以极大地提高装备的“完整质量”，降低全寿命周期费用，系统有层次的设计也会给实际使用和维修带来方便，提高其可用性。

测试性的好坏可以从定性和定量两个角度考虑，定性要求包括功能和结构的划分、测点要求和故障信息要求等；定量要求通常包括故障检测率(FDR)、故障隔离率(FIR)和虚警率等指标，其中故障检测率是评价测试性好坏的基本指标，描述了装备检测并发现一个或多个故障的能力。

1.2关于故障检测率

故障检测率是指被测项目在规定时间内发生的所有故障数与在规定条件下，用规定方法能正确检出的故障数的百分数。计算公式为[5]

(1)

式中：rfd为故障检测率;k为检测到的故障模式数；λi为所检测到的第i个故障模式的故障率；λd为检测到的所有故障模式的故障率总和；λ为总故障率；ND为规定时间内的故障总数或在规定时间T内发生的故障总数；NT为正确检测到的故障数，操作人员或在给定的一系列条件下，或其他专门人员通过直接观察或其他规定的方法正确地检测出的故障数。

1.3关于分级检测率

式(1)中的λ、NT都是针对整个测试系统，对于装备使用人员和各级维修人员rfd是一样的，但在实际中，每一级维修人员的技术水平和测试设备都不同，需要根据测试复杂性、故障隔离时间、使用环境、保障要求、研制时间和费用等，对每个维修级别上的测试要求进行权衡。通过对测试性进行分级，针对每一级的维修实际，确定某一级的测试方式。

(2)

其中λn是第n级总故障率。

本文提出将总检测率的概念分解到各个维修级别中考虑，更贴近装备使用实际，更符合维修要求。

2火炮三级维修相应的测试性评估指标与方法

2.1火炮测试性分级要求分析

火炮的测试系统由各个分系统组成，每个系统动辄成百上千个测点，数据交换要求高，结构复杂而庞大，装备能不能检测出发生的故障，很大程度上取决于测试性的设计，不完善的测试性设计不但会使维修费用增加，更可能增加故障维修难度。

装备维修一般采用3级维修体制,第一级主要由机内测试设备(BITE)完成，将故障隔离到发生故障的外场可更换单元(LRU)；第二级借助自动测试设备(ATE)检测并隔离送修LRU内部的故障到内场可更换单元；第三级主要由基地或工厂测试设备将送修的SRU内部故障隔离到元器件或最小可更换单元[4]。

依据对测试所使用的手段、测试工作所处的环境、任务要求和保障资源等要素的分析，火炮可以把测试分作一级测试、二级测试、综合测试和工厂测试，这样便于操作，简化难度。根据维修级别维修能力分析和测试需要，把基层一级的维修测试对应于一级测试，把基层二级维修对应于二级测试，中继级维修对应于综合测试，基地级维修对应于工厂测试。

2.1.1火炮基层一级维修对测试性的要求分析—一级测试

基层一级维修由使用分队实施，由于战时基本上处于前沿阵地，可利用资源少，通常要求仅利用火炮机内设备即可完成，对故障检测要求效率和速度，基层一级的测试最好能实时完成，由于技术力量弱，仅能处理一些简单常见的故障。火炮机内测试的效率高，操作简单，主要是让装备使用者掌握装备状态，所以基层一级对应于一级测试。

2.1.2火炮基层二级维修对测试性的要求分析—二级测试级

基层二级维修一般由基层修理分队实施，是战时前线的保障力量，具有有限的维修资源，可以利用随装的测试设备和配套的电子维修车、机械维修车和光学维修车等进行维修，维修人员具有一定的维修技能，能够满足常见较复杂的故障维修要求。二级测试可以根据战术需要进行战技指标的测试，排除影响使用的功能故障，借助随装设备即可完成，所以基层二级对应于二级测试。

2.1.3火炮中继级维修对测试性的要求分析—综合测试

中继级由专门的保障分队实施，是战时的技术支援力量，具有一定的维修资源，可利用的通用和专用综合测试设备和仪器功能较完善，可进行复杂故障的测试和排除。中继级也主要针对装备的功能进行维修，只能细化到内场可更换单元，还不能将故障细化到元器件级，所以对应于综合测试。

2.1.4火炮基地级维修对测试性的要求分析—工厂测试

基地级是指大修工厂和承研承制单位，应该处理所有出现的故障问题。基地级技术力量雄厚，作为后方保障的基地有足够的时间和能力对任何故障进行诊断排除。工厂测试要求的测试资源多，操作复杂，耗时耗力，测试结果也最精细可靠，所以基地级对应工厂测试。

2.2测试性分级评估指标体系的建立

2.2.1评估指标体系的建立

现有的装备测试性评估体系多是关于技术层面的，也就是测试能力的评估，而在实际运用中单单技术层面的可达性并不能满足全面准确地确定测试项目级别的目的。为此，根据测试工作的相关要求，结合火炮维修工作实际，建立了一套针对不同维修级别确定测试级别的评估指标体系，如图1所示。

图1　基于火炮测试性分级要求分析的测试性

2.2.2评价指标分析

1) 测试手段

测试手段是影响测试性的技术因素，是测试性本身属性，它决定了测试系统是什么形式，如何运行以及运行效果。测试手段主要的指标包括测试设备和测试方法，其中测试设备应该考虑其体积、成本、品质和数据兼容性。

2) 测试环境

测试的环境因素是影响测试性的外在因素，是从装备战时所处地域进行考量的因素。战时装备可能处于一线、技术保障区域和综合保障区域，分别对应不同的维修级别，恰当的分级可以明确任务，简化步骤。

3) 任务要求

任务要求是影响测试性的被动因素，是一种外在考量，装备在战斗中有轻损、中损、重损，这就决定了维修任务的难易程度。同时，故障维修要考虑维修队装备和人员可能造成的安全威胁，故障的复杂程度不同，隔离难度也有难易之分。任务要求的指标包括故障对人员的危害度、故障对装备的危害度、测试时间要求、检测隔离要求和战损修复要求。

4) 保障资源要求

保障资源是从现有客观条件的角度评价测试性等级。保障要求属于机外影响因素，不同的维修级别要求的人员专业素质和人数不同，测试级别必须与对应维修级别配备的测试设备相一致。保障资源要求的指标包括维修器材和设备的消耗、备附零件情况和人员资源。

2.3评估模型和算法

在上述指标体系中，可以将所有指标分为：① 可以直接进行定量计算的定量指标；② 可以通过专家经验打分的定性指标。测试性评估就是基于这些定量和定性指标的综合评估。这里采用层次分析法和模糊综合评判相结合的方法进行评估。

2.3.1层次分析

1) 建立层次结构[6]

将影响决策的因素分为目标层、准则层、方案层，如图1所示，建立指标间的层次关系。

2) 构建判断矩阵。采用专家打分和两两重要程度比较的方式建立判断矩阵A，这里A采用Santy提出的1~9的标度给出。

3) 一致性检验。两级之间排序权值ω可以用A的最大特征值所对应的特征向量给出，即ωn=(ω1,ω2,…,ωn),在此，采用判断矩阵列向量的算术平均数作为权重向量。即

(3)

2.3.2测试性等级模糊评估[7-8]

1) 确定评语集。评语集显示评价对象各因素的品质水平，用集合表示为ν={ν1,ν2,…,νm}。

2) 采用专家打分的方式确定各评估指标对评语集的隶属关系。设要进行模糊评估的系统有满足条件的n个待评估对象，每个评估对象有m个指标。

3)单因素模糊合成评价。权值假设记为ωn=(ω1,ω2,…,ωn),选择合适的模糊算子对ωn与模糊关系矩阵R进行模糊合成运算，得到评价对象的单因素模糊综合评价结果向量B

(4)

(5)

4) 多层次模糊合成综合评价。这里采用最大隶属度法确定最后的评价结果。

3火炮火力系统测试性分级评估指标体系与方法

3.1某火炮火力系统测试性分析

3.1.1某火炮火力系统组成和故障分析

1) 某火炮火力系统组成

某火炮火力系统组成如图2所示。

2) 某火炮火力系统故障模式分析(以供输弹药系统故障模式分析为例)

供输弹药系统故障模式分析如表1所示。

以上从火力系统结构的角度对各组成部分的故障模式进行了分析，方便查找故障原因，但某一故障由哪一级排除尚未明确，也没有明确具体的测试方法。因此，需要对各个层次的测试做进一步分级处理。

3.1.2建立层次模型和确定评语集

通过对某火炮供输弹系统协调臂的测试分析，得到其测试性的影响因素集，其层次结构如图1所示。本文将评语分为4级V={基层一级，基层二级，中继级，基地级}，分别对应一级测试、二级测试、综合测试和工厂测试。

3.1.3构建比较判断矩阵并确定指标权重

通过对准则层进行两两比较可以得到准则层相对于目标层的判断矩阵(如表2所示)，并由上述方法求得相对权重向量、最大特征值和C.I、C.R。

maxλ1=4.096 10C.R=0.11/1.12=0.035 59<0.1符合一致性要求。

同样，可以得到指标层相对于准则层B1,B3,B4的判断矩阵:

ω2=(0.080.080.100.290.45)

maxλ2=5.3234C.R=0.07220<0.1

符合一致性要求。

ω3=(0.050.120.270.340.21)

maxλ3=5.383 90C.R=0.085 69<0.1

符合一致性要求。

ω4=(0.090.320.59)

maxλ4=3.009 20C.R=0.007 90<0.1

符合一致性要求。

图2　某火炮火力系统组成

结构故障模式结构故障模式本体本体变形电位计限位开关损坏托弹盘托弹盘底端被磨薄托弹盘变形控制机构电磁阀弹簧刚度下降O型圈老化阀芯卡滞测速电机角度传感器损坏接线松动脱焊接线磨断起落电机未通电电刷磨损电位计精度不够行军固定器行军固定器插销磨损协调时未解脱行程开关托弹初位/输弹线位置/托弹盘有弹/接弹到位行程开关弹簧片K值下降摆弹油缸活塞杆磨损油缸壁磨损密封圈损坏管接头漏油油缸内有气辅助机构油箱无油吸油管未插入油液下油液粘度过高/低吸油管气密性差安全阀设置值过低油滤损坏截流阀损坏电压不足小平衡机平衡机气量不足平衡机液量不足皮碗漏油活塞杆磨损排气塞漏气隔膜折断充气阀密封不好橡胶隔膜底部金属铆接处松动导向套磨损变速器润滑油杂物较多,品质下降制动器弹簧K值下降制动器摩擦盘磨损蜗轮轴承磨蜗杆蜗轮机构安装不到位蜗杆蜗轮机构磨损蜗杆轴承磨损动力机构油泵转速低无动力输入驱动箱、控制箱 PLC板损坏 继电器损坏

表2　准则层相对于目标层的判断矩阵

3.1.4构造模糊评判矩阵

采用专家打分的方式确定各评估指标的隶属度。各指标的评价采用“基层一级、基层二级、中继级、基地级”四级划分方法，各级都看成一个模糊向量。基于对某火炮供输弹系统协调臂的了解和分析及部队实践，对于准则层B1，结合自身知识经验，形成规范化的专家打分结果如表3所示。

表3　方案层相对于准则层B1的判断矩阵

同样按此法可得指标B3,B4的评判结果。

3.1.5某火炮供输弹系统协调臂测试模糊综合评判结果

按最大隶属度法，该测试项目的综合评判结果应取0.48，即应把此测试项目放在中继级，属于综合测试项目。

3.2某火炮测试性分级方法验证

3.2.1某火炮火力系统模糊综合评判结果

按照上述方法可得某火炮火力系统的测试性分级结果如表4所示。

表4　某火炮火力系统的测试性分级结果

3.2.2某火炮火控系统模糊综合评判结果

根据某火炮火控系统测试性使用的实际，采用本文的火炮测试性评估体系和方法对某火炮火控系统的测试性进行分级得到如表5所示。

表5　某火炮火控系统的测试性分级结果

3.2.3某火炮火力和火控系统测试性分级结果对比分析

从表4和表5可见，某火炮火控系统在较大覆盖率范围内实现了计算机管理与控制的功能自检故障自动检测测试，可以满足其95%左右的故障维修要求，功能测试可测试214项，约占火控系统98%的战术功能，综合测试可进行568项测试，能对全系统95%的故障进行自动诊断测试，工厂测试能进行684项测试，可以满足全炮95%左右的测试要求。相比之下，火力系统采用本文的指标体系对测试性分级以后，可见其自动检测水平，尤其是在基层二级和中继级的自动检测水平，与火控系统相比依然较低，这和装备在实际使用中火力和火控系统的自动检测现状一致。说明了该指标体系不仅对火控系统有很好的适用性，对火力系统也有较强的实用价值。

4结论

从火炮总故障检测率的概念分析出发，提出了对故障检测率分级考虑的想法，建立了与火炮基层一级、基层二级、中继级和基地级维修相对应的测试性分级评估指标体系和方法。在对火炮火力系统常见故障进行了故障模式分析的基础上，将层次分析法和模糊综合评判的方法应用到分级评估中，将火炮的故障分别用一级测试、二级测试、综合测试和工厂测试的方式进行检测，在测试系统设计之初就把系统的功能与使用和维修等级对应起来，使测试系统的设计更加完备。通过使用该体系方法对火炮火力和火控系统的计算，说明了在火炮维修特别是基层二级和中继级的维修中，火力系统的自动检测水平较低，验证了该体系方法的有效性和适用性，为评估装备测试自动化程度与维修人员技术水平一致性水平提供了方法和途径。由于作者能力有限，该指标体系难免有不足之处，需要在实践中进一步完善，以更好地服务于火炮测试性评估工作。

参考文献：

[1]常春贺,杨江平,刘飞.复杂装备系统测试性指标确定方法[J].装备指挥技术学院学报,2011,22(3):110-113.

[2]李竟然,陶西平,张鸿喜.装备实验过程中电磁环境复杂性评估方法[J].航天电子对抗,2011,27(1):58-60.

[3]舒鑫,冯国飞,唐香珺.基于故障树的某火炮供输弹机构故障分析[J].科学技术与程,2012,12(16):3990-3992.

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[5]GJB2547A—2012,装备测试性工作通用要求[S].

[6]常春贺,曹鹏举,杨江平.基于全寿命周期的雷达装备测试性综合评估[J].现代雷达,2012,34(3):12-17.

[7]陈杏莉.模糊综合评判模型在高职数学教材评价中的应用研究[J].邢台职业技术学院学报,2014,31(5)：30-33.

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(责任编辑唐定国)

Artillery Testability Classification Assessment Based on Fuzzy Hierarchy Evaluation

ZHAO Shuai, HAN Guo-zhu, WANG Wei

(Artillery Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:Due to the detection of total fault detection rate of the testability evaluation for self-propelled gun test system, a gradational evaluation model based on the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation was proposed. Based on the common failure mode analysis of gun test system, the classification of rapid test, functional test, integration test and factory test for self-propelled gun test system was realized with the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation. Comparing with some fire control system gradational test level, this study verified the applicability and effectiveness of the index system.

Key words:classification of gradational test level; automatic detecting level; fuzzy hierarchy evaluation; total detection rate

文章编号：1006-0707(2016)02-0078-06

中图分类号：TJ31

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.020

作者简介：赵帅(1991—)，男，硕士研究生，主要从事火炮与自动武器保障研究。

收稿日期：2015-08-01；修回日期：2015-08-25

本文引用格式：赵帅，韩国柱，汪伟.基于模糊层次评判的火炮测试性分级评估[J].兵器装备工程学报，2016(2):78-83.

【后勤保障与装备管理】