鞏青歌,石福麗

(武警工程大學(xué),西安710086)

器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性評估模型研究

鞏青歌,石福麗

(武警工程大學(xué),西安710086)

目的研究器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性評估模型。方法通過分析武警裝備環(huán)境適應(yīng)性要求類型及特點(diǎn),提出器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性評價因素集,分析環(huán)境因素的影響特征,基于歷史數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查確定各環(huán)境因素影響的隸屬函數(shù)。結(jié)果建立了考慮時間的器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性模糊綜合評估模型。結(jié)論通過實(shí)例驗(yàn)證了該模型合理,方法可行。

武警裝備;環(huán)境適應(yīng)性;模糊綜合評估;隸屬函數(shù)

近年來,武警裝備現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程加快,配發(fā)部隊(duì)的裝備品種不斷增加,質(zhì)量不斷提高,高科技含量裝備占裝備整體的比例也越來越大,可為部隊(duì)遂行任務(wù)提供可靠、有效的保障。同時由于武警部隊(duì)任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性,駐守和執(zhí)行任務(wù)的地域,從內(nèi)地到邊疆,從陸地到海島,從風(fēng)雪高原到戈壁沙漠,點(diǎn)多、線長、面廣,高度分散,使用環(huán)境差別大,所攜行裝備面臨各種極端環(huán)境的考驗(yàn)和危害。裝備環(huán)境適應(yīng)性等問題日益突出,已成為制約裝備效能發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。因此,開展武警裝備環(huán)境適應(yīng)性研究,對裝備在不同環(huán)境下適應(yīng)程度及影響條件的信息進(jìn)行全面收集、梳理和歸類,建立一套系統(tǒng)科學(xué)的裝備適應(yīng)性評估體系,能有效促進(jìn)裝備效能發(fā)揮和完善優(yōu)化,對實(shí)施裝備的精確化保障、精細(xì)化管理和精準(zhǔn)化科研均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

環(huán)境適應(yīng)性是裝備在壽命期內(nèi)的貯存、運(yùn)輸和使用等狀態(tài)下,可能會遇到的各種自然和誘發(fā)環(huán)境因素極端應(yīng)力的作用下,即不產(chǎn)生、不被損壞和/或能正常工作的能力[1—2]。GJB 150規(guī)定了軍事裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要包括高溫、低溫、濕熱、淋雨、太陽輻射、鹽霧、砂塵、振動、沖擊和低氣壓等項(xiàng)目[3]。針對裝備環(huán)境適應(yīng)性問題,研究者們分別對航空、艦船、車輛、電子設(shè)備及其配件的環(huán)境適應(yīng)性評估模型進(jìn)行了一些探索性研究。常用的評估方法有直接評價法、相似產(chǎn)品法、相關(guān)性評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、計算機(jī)仿真和模糊綜合評估方法等[4—8]。在應(yīng)用最為廣泛的模糊綜合評估方法中,至今已有十幾種確定隸屬函數(shù)的方法,代表性的有直覺方法、二元對比排序法和最小模糊度法等[9]。

針對器材類武警裝備使用環(huán)境特點(diǎn),文中以模糊綜合評估方法為基礎(chǔ),提出了考慮時間的器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性評估方法。其中,為了提高隸屬函數(shù)的準(zhǔn)確性,提出基于歷史數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查采用最小模糊度法待定系數(shù)法確定環(huán)境因素的隸屬函數(shù);為了提高評估結(jié)果的穩(wěn)健性,提出在評估裝備環(huán)境適應(yīng)性時考慮地區(qū)環(huán)境因素的時變特點(diǎn),建立相應(yīng)的評估模型。

1 武警裝備環(huán)境適應(yīng)性要求類型及特點(diǎn)

由于武警與解放軍的職責(zé)使命不同,配發(fā)的裝備主要以非致命性類為主,輔助有輕型武器、警用器材、工程、防化、車輛、船艇等。種類繁多,來源渠道廣泛,給裝備適應(yīng)性評估研究帶來了一定的復(fù)雜性。

裝備的環(huán)境適應(yīng)性主要取決于兩方面的因素:一是選用的材料、構(gòu)件、元器件的耐環(huán)境能力;二是采用的耐環(huán)境設(shè)計措施是否有效。其環(huán)境適應(yīng)性要求可以分為對材料及其涂鍍層、結(jié)構(gòu)件、連接件的環(huán)境適應(yīng)性要求和功能件(整機(jī)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備)的環(huán)境適應(yīng)性要求兩種類型。

針對武警各類裝備性能、結(jié)構(gòu)和配發(fā)特點(diǎn),以及主要面臨的環(huán)境因素類型(自然環(huán)境還是戰(zhàn)場環(huán)境),筆者對如何開展武警裝備適應(yīng)性評估工作,提出以下的建議和方法。

武警裝備以非殺傷性武器為主,主要包括器材類、車輛船艇類、防化類等,根據(jù)各類裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可將武警裝備環(huán)境適應(yīng)性評估分為以下3類:

1)對于如頭盔、警棍、盾牌等器材類裝備,其結(jié)構(gòu)簡單、材料單純、價格便宜、配發(fā)數(shù)量大、使用頻度高,主要受自然環(huán)境影響,建議采用基層使用單位在網(wǎng)上隨時反饋“定性”類的使用意見,通過xx模型,來評估這類裝備的環(huán)境適應(yīng)性。

2)對于如車輛、船艇類裝備,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,材料、零配件種類多,價格昂貴,使用壽命長,且主要受自然環(huán)境因素影響,建議采用多級多因素的模糊綜合評判法。

3)對于防化類裝備,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要由精密器件和特殊材料構(gòu)成,適應(yīng)性主要受戰(zhàn)場環(huán)境影響,其次可考慮自然環(huán)境中儲存環(huán)境影響,建議采用多種方法結(jié)合的評估模型評判。

文中重點(diǎn)討論武警器材類裝備的適應(yīng)性評估問題。

2 環(huán)境對器材類裝備的影響分析

武器裝備所面臨的環(huán)境可分為兩大部分:自然環(huán)境和作戰(zhàn)環(huán)境[6]。自然環(huán)境是指某地域作為戰(zhàn)場之前已有的各種環(huán)境因素的總和,包括地形、氣候、海情、植被、電磁輻射,以及存在于地球表面及其附近的其他環(huán)境因素;作戰(zhàn)環(huán)境指某一地域中以前并不存在,只是作為戰(zhàn)場以后由于敵我雙方的交互作用才產(chǎn)生的各種環(huán)境因素的總和,包括目標(biāo)特性、電子戰(zhàn)環(huán)境、火力、核輻射、化學(xué)武器、友鄰部隊(duì)情況等。頭盔、警棍、盾牌等器材類裝備,構(gòu)件較少,主要由簡單電子線路、機(jī)械設(shè)備和半機(jī)械設(shè)備的綜合體組成,構(gòu)成材料容易界定(如主要由塑料、橡膠、PVC等構(gòu)成)。與解放軍相比,武警擔(dān)負(fù)的是國家內(nèi)部安全保衛(wèi)任務(wù),器材類裝備簡單實(shí)用,是武警部隊(duì)執(zhí)勤、維穩(wěn)、處突及訓(xùn)練時經(jīng)常攜帶的裝備。這些裝備面臨的“作戰(zhàn)環(huán)境”并不復(fù)雜,所以其適應(yīng)性主要考慮各種自然環(huán)境對它們的影響程度。下面重點(diǎn)討論6種主要環(huán)境因素對器材類裝備適應(yīng)性的影響,在此基礎(chǔ)上建立器材類裝備的適應(yīng)性評估模型。

1)溫度對武警器材類裝備的影響。高溫會促使金屬氧化,設(shè)備過熱;引起元器件參數(shù)發(fā)生漂移或元器件損壞,低熔點(diǎn)焊錫裂斷;使絕緣材料的絕緣性能降低、橡膠制品產(chǎn)生發(fā)粘和老化;使金屬膨脹、材料軟化、潤滑脂粘度下降,導(dǎo)致機(jī)械部分卡、松、接觸不良等。低溫容易使橡膠、塑料制品變硬、折斷或破裂,導(dǎo)致密封不好;使?jié)櫥扯仍龃笊踔羶鼋Y(jié),導(dǎo)致傳遞機(jī)構(gòu)摩擦增大、轉(zhuǎn)動困難;引起電子元器件參數(shù)發(fā)生漂移,導(dǎo)致兵器參數(shù)不穩(wěn),不能正常工作;各種材料制成的零部件因收縮率不同,導(dǎo)致機(jī)件卡死等。

2)濕度對武警器材類裝備的影響。濕度太大容易使絕緣材料絕緣性能下降,導(dǎo)致?lián)舸?、短路、漏電、打火?金屬機(jī)件銹蝕,導(dǎo)致電蝕加劇;纖維、木制品等發(fā)霉、變質(zhì);潤滑劑變質(zhì),失去潤滑作用。

3)太陽輻射對武警器材類裝備的影響。太陽輻射會引起老化和物理反應(yīng),使一些材料脆化、軟化粘合;會導(dǎo)致裝備表面特性下降、膨脹、破裂,橡膠變質(zhì),絕緣失效,密封失效。

4)風(fēng)速對武警器材類裝備的影響。大風(fēng)使裝備受力增加,造成結(jié)構(gòu)破壞,機(jī)械強(qiáng)度降低,旋轉(zhuǎn)負(fù)荷增大,直至燒壞電機(jī)。

5)沙塵對武警器材類裝備的影響。沙塵進(jìn)入裝備內(nèi)部,導(dǎo)致電器產(chǎn)品接觸不良、打火、轉(zhuǎn)動和滑動的機(jī)件摩擦增加,油路、氣路堵塞,精加工面磨傷等。

6)鹽霧對武警器材類裝備的影響。鹽霧會引起化學(xué)反應(yīng)、銹蝕、電解。使絕緣材料的表面電阻和抗電強(qiáng)度降低,保護(hù)膜脫落,表面劣化,電氣性能變化。增大磨損,機(jī)械卡死,軸承損壞,過濾器堵塞,機(jī)械強(qiáng)度下降。產(chǎn)生電化腐蝕,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。

3 器材類裝備適應(yīng)性評估模型

查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),研究者們在評估裝備環(huán)境適應(yīng)性時,主要研究具體環(huán)境條件下的裝備適應(yīng)性,而很少考慮某一地區(qū)自然環(huán)境的時變性對裝備適應(yīng)性的影響。對于器材類武警裝備來說,其使用周期基本都是以“年”為單位,而我國大部分地區(qū)自然環(huán)境年內(nèi)差異較大,如東北地區(qū)溫度范圍為-48～35℃,使得裝備在一年內(nèi)不同時段的環(huán)境適應(yīng)性差異較大。因此,為了評價器材類武警裝備的環(huán)境適應(yīng)性,不但要考慮地區(qū)類型,還應(yīng)考慮同一地區(qū)不同季節(jié)的環(huán)境特征。

通過上述分析可知:影響裝備環(huán)境的因素具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性。主要表現(xiàn)在以下3個方面:一是裝備執(zhí)行任務(wù)的隨機(jī)性,如裝備從一個地區(qū)運(yùn)輸?shù)搅硪粋€地區(qū)執(zhí)行任務(wù);二是工作環(huán)境描述的模糊性,如工作電壓不穩(wěn),氣候寒冷、溫暖或高熱等;三是環(huán)境參數(shù)變化的不確定性,如環(huán)境溫度和濕度隨季節(jié)的變更而改變等。針對裝備環(huán)境因素的這些特點(diǎn),文中基于歷史數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查,運(yùn)用模糊理論建立各因素的模糊隸屬度函數(shù),并提出考慮時間的模糊綜合評價方法對器材類裝備進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性的綜合評估。

3.1 建立環(huán)境因素集U

環(huán)境因素集是影響裝備環(huán)境適應(yīng)性的各種因素所組成的集合。經(jīng)過上述分析,影響器材類的環(huán)境因素有{溫度,濕度,風(fēng)速,沙塵,鹽霧,太陽輻射},可記為U={u1,u2,…,u6}。

3.2 確定環(huán)境因素權(quán)重W

在模糊綜合評判中,需要根據(jù)每個因素的重要程度,賦予每個因素相應(yīng)的權(quán)重。設(shè)第i個因素ui的權(quán)重記為wi,則因素權(quán)重集W={w1,w2,…,w6}。確定權(quán)重的方法有很多種,常見的有3類,一是主觀賦權(quán)法,如專家調(diào)查法(Delphi法)和層次分析法(AHP);二是客觀賦權(quán)法,如主成分分析法和變異系數(shù)法;三是主客觀綜合集成賦權(quán)法。

通過分析,器材類裝備的環(huán)境適應(yīng)性主要取決于它的構(gòu)成材料。一般情況下,材料性能發(fā)揮受單環(huán)境因素變化影響的程度在作為裝備組件之前都經(jīng)過了大量的試驗(yàn),因此針對特定的材料,相應(yīng)的裝備研發(fā)專家對此都應(yīng)較為清楚,故可采用基于多專家打分的AHP方法來確定環(huán)境因素權(quán)重[10](限于篇幅,詳細(xì)方法略)。

3.3 確定模糊評價集V

在模糊綜合評估中,評價集是以評判的各種可能結(jié)果為元素所組成的集合。武警部隊(duì)目前對器材類裝備在上述6種自然環(huán)境下的適應(yīng)性分析是定性的,是根據(jù)專家和基層訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)反饋的數(shù)據(jù)綜合而定的。為了綜合分析各單因素的影響,將產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性分為5個等級{很好,好,一般,基本適應(yīng),不適應(yīng) },因此評價集可表為:V={v1,v2,v3,v4,v5}。

3.4 構(gòu)建隸屬函數(shù)矩陣R

模糊綜合評價中,隸屬函數(shù)形式的選擇與實(shí)際應(yīng)用問題有關(guān)。通過分析上文中確定的環(huán)境因素集,查閱相關(guān)文獻(xiàn),針對以材料為主的器材類裝備環(huán)境適應(yīng)性大都可選用梯形或三角形隸屬函數(shù)[6]。文中基于歷史數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查,采用最小模糊度法待定系數(shù)法確定環(huán)境因素的隸屬函數(shù)[7],原理如下:

設(shè)論域U為實(shí)數(shù)集,若A∈F(U)是正規(guī)模糊集,則KerA=[b,c]≠?,即?x0∈[b,c],有A(x0)= 1。若根據(jù)經(jīng)驗(yàn)還可判定SuppA=(a,d),則可令:

式中:f1(x)=(x-a)/(b-a);f2(x)=(d-x)/(d-c)。

圖1 梯形隸屬函數(shù)Fig.1 Trapezoidal membership function

圖2 三角形隸屬函數(shù)Fig.2 Triangular membership function

許多情況下,可取α=β=1,此時隸屬函數(shù)A(x)的圖形為梯形。若b=c,即KerA是單點(diǎn)集,則隸屬函數(shù)A(x)的圖形為三角形。

上述方法中,歷史數(shù)據(jù)來源于裝備研制單位、廠商和已有的裝備適應(yīng)性數(shù)據(jù);調(diào)查問卷設(shè)計在“網(wǎng)上裝備適應(yīng)性定性評估采集系統(tǒng)”中,該系統(tǒng)的主要目的是長期向基層部隊(duì)收集裝備在實(shí)際使用環(huán)境下的作戰(zhàn)效能、各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足程度和部隊(duì)使用過程中對其適用性的第一手評估數(shù)據(jù),建立各種裝備的適應(yīng)性評估數(shù)據(jù)庫。

3.5 確定綜合評判集B

隸屬函數(shù)矩陣R是集合U和V之間的一個模糊關(guān)系。由模糊數(shù)學(xué)原理,R確定了一個模糊映射,把U上的一個模糊子集A映射到V上的一個模糊子集B。A是映射的原像,B是映射的像。借助于模糊變換B=A·R=(A1,A2,…,Am)·R=(b1,b2,…,bn)。

3.6 計算綜合評估結(jié)果G

通過前述步驟可計算出某裝備在某一具體環(huán)境下的適應(yīng)性。然而同一地區(qū)的環(huán)境因素是時變的,假設(shè)其變化的頻率為δ天,則一年可分為T=[365/ δ]個時段,記作t(t=1,2,…,T)。那么該裝備在該地區(qū)的年度適應(yīng)性g可通過式(2)計算:

式中:Bt表示第t時段內(nèi)該裝備在該地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性。

又因中國地區(qū)環(huán)境特征明顯,筆者結(jié)合中國地理區(qū)劃常識和環(huán)境條件特點(diǎn)將中國地域劃分為8 (記為Z)個自然區(qū),即華北、華東、華中、華南、西南、西北、東北和青藏地區(qū)(記為z(z=1,2,…,Z))。氣候特點(diǎn)主要有:溫帶季風(fēng)、溫帶大陸、亞熱帶季風(fēng)和高原山地等4種。從而,可用加權(quán)求和法計算該裝備在全國的綜合環(huán)境適應(yīng)性G,如式(3)所示。

式中:λz是地區(qū)權(quán)重,可用裝備配發(fā)比例、地區(qū)占地面積百分比或其他類似量值來表示。

4 實(shí)例分析

本節(jié)以A,B,C三個型號防暴盾牌為例,用上述方法對它們在中國各地區(qū)及整個大陸的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評估。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素“太陽輻射”一般情況下很少定量描述,因此將它作為一個定性因素,不建立其隸屬函數(shù)。

第一步:基于歷史數(shù)據(jù)估計環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù)。以式(1)為通用隸屬函數(shù),基于歷史數(shù)據(jù)初步估計式(1)所示的環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù),見表1。

第二步:基于調(diào)查問卷修正環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù)。以第一步為基礎(chǔ),設(shè)計器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性調(diào)查問卷表(限于篇幅,文中只給出了環(huán)境適應(yīng)情況“很好”的填寫頁面,其余的4種適應(yīng)情況下問卷格式類似),見表2,其中的“估計值范圍”由第一步得到。為了深入研究器材類裝備環(huán)境適應(yīng)性,每年向各中隊(duì)(縣級市)收集1次調(diào)查問卷。使用統(tǒng)計方法修正環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù),修正后的值見表1。

第三步:基于AHP法確定環(huán)境因素權(quán)重。根據(jù)3.2節(jié),邀請了7位專家確定環(huán)境因素權(quán)重為w= {0.315,0.195,0.143,0.059,0.150,0.138},詳細(xì)步驟略。

第四步:計算裝備的地區(qū)適應(yīng)性。通過收集各地區(qū)全年的環(huán)境因素值及其變化情況,由式(2)計算待評裝備的地區(qū)適應(yīng)性,計算結(jié)果見表3。

第五步:計算裝備的全國適應(yīng)性。本例中以各地區(qū)的盾牌配發(fā)比例為權(quán)重,由式(3)計算裝備的全國適應(yīng)性,計算結(jié)果見表3(限于保密要求,例子中的有些數(shù)據(jù)做了處理)。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研分析,表3中的評估結(jié)果符合實(shí)際情況,說明了文中所提評估模型實(shí)現(xiàn)了器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性的量化分析,能為后續(xù)裝備環(huán)境適應(yīng)性研究提供參考。

表1 環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù)估計值與修正值Table 1 Estimated and corrected values of parameters in the environmental factors membership function

表2 器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性調(diào)查問卷表Table 2 The questionnaire of environmental worthiness of equipments for Armed Police Force

表3 三類盾牌的地區(qū)適應(yīng)性Table 3 Region worthiness of three kinds of shields

5 結(jié)語

研究器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性是其研制、配發(fā)和改進(jìn)的基本依據(jù)。文中所建的器材類武警裝備環(huán)境適應(yīng)性模糊綜合評估模型,一方面,基于歷史數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查聯(lián)合確定環(huán)境因素隸屬函數(shù)參數(shù),提高了參數(shù)精度;另一方面,在評估裝備環(huán)境適應(yīng)性時考慮地區(qū)環(huán)境因素的時變特點(diǎn),提高了評估結(jié)果的可用性、穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。

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Research on Environmental Worthiness Evaluation Model of Equipments for Armed Police Force

GONG Qing-ge,SHI Fu-li
(Engineering University of CAPF,Xi＇an 710086,China)

Objective To study the environmental worthiness evaluation model of equipments for armed police force. Methods Through analysis of the types and characteristics of environmental worthiness requirements of the armed police equipment,the evaluation factor set of environmental worthiness for armed police force was put forward,and the characteristics of the influences of environmental factors were analyzed,based on historical data and the questionnaire survey to determine the environmental factors affecting the membership function.Results Then the environmental worthiness fuzzy comprehensive evaluation model of equipments for armed police force was built considering time.Conclusion The rationality of the proposed model and the feasibility of the proposed method were demonstrated by examples.

equipment for armed police force;environmental worthiness;fuzzy comprehensive evaluation;membership function

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.019

E92

:A

1672-9242(2014)05-0097-06

2014-05-08;

2014-06-18

Received:2014-05-08;Revised:2014-06-18

武警工程大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(WJY201205);武警總部裝備部應(yīng)用項(xiàng)目(XXX系統(tǒng))

Fund:Supported by the Basic research Foundation Project of Engineering University of CAPF(WJY201205)and the Application Project of CAPF Headquarters Equipment Department(XXX System)

鞏青歌(1965—),女,陜西周至人,碩士,教授,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、軟件工程。

Biography:GONG Qing-ge(1965—),Female,from Zhouzhi,Shaanxi,Master,Professor,Research focus:data mining and software engineering.