速射火炮健康状态评估系统与方法

技术领域

本文件涉及计算机技术领域，尤其涉及一种速射火炮健康状态评估系统与方法。

背景技术

随着装备服役时间的增加，各项性能指标必然会不断下降，故障率也会相应升高，从而严重影响装备的正常使用和部队战斗力的提高。这就要求在执行训练或作战任务前能够准确预测其在未来任务段内可能发生的故障和故障发生的时机，并以此为基础进一步确定其能否完成给定的训练和作战任务，是否需要维修，需要多大规模的维修。当前对于火炮装备的健康状态评估，大多还基于火炮的结构和动态参数，但对于小口径速射火炮，其结构非常紧凑，但自动机工作环境非常恶劣，现有的测试手段无法对火炮的关键结构和动态参数进行测量，采用弹载式动态参数测试系统，测试供输弹过程炮弹六个方面的动态参数，通过炮弹的运动来反映装备机构的运动，将炮弹的动态参数引入到评估系统，对自动机的健康状态进行评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种速射火炮健康状态评估系统与方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种速射火炮健康状态评估系统，包括：

信息管理模块，用于对速射火炮的各类信息进行统一管理，作为初始状态获取的依据；

性能监测模块，用于进行初始状态获取，并获取测试装备数据和测试弹数据，并根据所述测试装备数据和测试弹数据进行模糊决策，获取决策结果，根据所述决策结果确定维修决策；

健康状态评估模块，用于根据建立的评估模型和测试到的装备当前状态数据进行评估，得到健康状态评估结果；

系统维护模块，用于对系统数据进行维护。

本发明提供一种速射火炮健康状态评估方法，包括：

通过信息管理模块对速射火炮的各类信息进行统一管理，作为初始状态获取的依据；

通过性能监测模块进行初始状态获取，并获取测试装备数据和测试弹数据，并根据所述测试装备数据和测试弹数据进行模糊决策，获取决策结果，根据所述决策结果确定维修决策；

通过健康状态评估模块，根据建立的评估模型和测试到的装备当前状态数据进行评估，得到健康状态评估结果；

通过系统维护模块对系统数据进行维护。

采用本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统，能够面向管理、使用和维修人员，提供有关信息的实时查询，在训练和作战任务给定的情况下，能够实现装备完成任务的健康状态评估，全面实现综合信息管理、任务成功性评估和维修决策。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统的示意图；

图2是本发明实施例的速射火炮健康状态评估指标体系的建立步骤的流程图；

图3是本发明实施例的速射火炮健康状态评估指标体系的示意图；

图4是本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统的开发流程示意图；

图5是本发明实施例的系统指标维护界面的示意图；

图6是本发明实施例的权重计算界面的示意图；

图7是本发明实施例的状态数据输入界面的示意图；

图8是本发明实施例的评估结果数据界面的示意图；

图9是本发明实施例的监测数据界面的示意图；

图10是本发明实施例的速射火炮健康状态评估方法的路程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种速射火炮健康状态评估系统，图1是本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统具体包括：

信息管理模块10，用于对速射火炮的各类信息进行统一管理，作为初始状态获取的依据；所述信息管理模块10具体用于：出厂信息管理、历史使用信息管理、历史维修信息管理和当前状态信息管理。

性能监测模块12，用于进行初始状态获取，并获取测试装备数据和测试弹数据，并根据所述测试装备数据和测试弹数据进行模糊决策，获取决策结果，根据所述决策结果确定维修决策；

健康状态评估模块14，用于根据建立的评估模型和测试到的装备当前状态数据进行评估，得到健康状态评估结果；所述健康状态评估模块14具体用于：进行可靠性框图建立、相关参数计算、任务成功度计算、推理过程解释、以及评估结果输出。具体地：确定弹的姿态、运动速度、角速度以及各链的位移这些参数的定义与计算公式，并在此基础上计算自动机关键部件工作效能综合指标：首先计算底层指标，然后采用层次分析法AHP，计算得到各层指标的权重，并对所述权重进行一致性检验；根据系统的评价对象和系统的指标属性确定评价准则，得到健康状态评估结果。

系统维护模块16，用于对系统数据进行维护。所述系统维护模块具体用于：进行数据库维护、知识库维护和诊断知识库维护。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

系统的总体设计是根据需求分析，遵循一定的设计原则，确定整个系统及各个子系统的物理模块结构。总体框架设计和模块划分的恰当与否直接关系到整个系统性能的高低，因此在进行总体框架设计和模块划分时必须按照以下原则进行，以保证各功能模块的分解尽可能合理：(1)尽量使模块的内聚度高，模块间的耦合度低。(2)模块的大小适中。(3)模块接口简单，以便降低复杂度、冗余度。(4)模块相互之间的调用深度不宜过大。

系统的总体框架如图1所示，主要包括信息管理模块、性能监测模块、健康状态评估模块和系统维护模块四个主要的功能模块。

(1)信息管理模块

信息管理模块负责对速射火炮的各类信息进行统一管理，作为初始状态获取的依据，主要包括出厂信息管理、历史使用信息管理、历史维修信息管理和当前状态信息管理。出厂信息包括各种设计数据、制造和验收信息等。历史使用信息管理是对装备部队后的使用情况进行记录。历史使用信息通常和历史维修信息相对应，二者的组合即为完整的履历书。当前状态信息通常由用户评估和维修决策前输入，一般通过技术检查和检测获得。

(2)性能监测

性能监测是直接指导部队进行维修的部分，主要包括初始状态获取、测试装备数据、测试弹数据以及根据这些数据进行模糊决策。初始状态获取模块根据信息管理模块内的各类信息自动生成初始使用状态，用户可以通过人机对话的方式对生成的初始使用状态进行完善和修改。装备测试数据和测试弹数据是装备当前状态的直接体现，是进行决策的基础。基于模糊多属性决策能够为科学维修决策提供依据。

(3)健康评估模块

健康评估模块的主要功能是根据建立的评估模型和测试到的装备当前状态数据进行评估，主要由任务可靠性框图建立、相关参数计算、任务成功度计算、推理过程解释、评估结果输出四个部分组成。任务可靠性框图建立模块负责根据任务剖面内各个任务阶段的具体要求，结合功能分解、结构分解和功能分析的相关知识，生成任务可靠性框图，作为任务成功度逐层综合时的路径。推理过程解释是对评估结果的的解释，提出制约当前健康状态的要点。评估结果输出以评估报告的形式提供给用户。

(4)系统维护模块

系统维护主要由数据库维护、知识库维护和诊断知识库维护三个部分组成。数据库维护主要是向故障信息数据库中添加新的故障信息和数据、增加新的数据结构等。

构建自动机健康状态评估指标体系，是较为复杂的工程，首先多渠道、多方面从文献和实践中分析自动机健康状态的构成要素和主要内容，然后提炼出自动机健康状态评估的一级指标和基础指标(三级指标)；运用调查问卷对基础指标进行分析，初步剔除一些明显重复和相互包含的指标，再运用因子分析法对基础指标进行归纳总结，得到自动机健康状态评估的二级指标；根据基础指标和二级指标，从评估方式、评估要点等方面构建自动机健康状态评估体系；最后得到自动机健康状态评估标准体系。其步骤如图2所示。

对于自动机健康状态评估来说，其最终目标主要体现在自动机的可靠性和可用性两个方面。因此，在构建自动机效能评估指标时，应从动态方面来考虑，主要体现在一定的工作背景下自动机完成任务的能力上。

动态评估是指对工作状态下的自动机进行的评估。动态评估方法在工作过程中分析自动机的各个活跃要素，得到评估结果。动态评估方法既要分析评估对象的原有基础，又要分析其当前所处状况，还要分析其发展潜力。

(1)动态评估指标体系

自动机健康状态评估指标，要综合考虑自动机供弹、输弹、击发全过程中各零部件运动关系，要考虑压弹链、推弹链和扬弹链等执行机构各链间的间隙水平、弹簧马达卷簧刚度水平、扬弹机构弹性联轴节扭转刚度和弯曲刚度水平、炮闩缓冲器刚度水平、导气孔间隙水平、输弹机刚度水平、复进机刚度水平、复进制动器流液孔间隙水平、液量水平等。

自动机的工作效能贯彻于自动机各机构运动的全过程，且都可以转化为工作行动时的状态数据来考虑。所以，通过自动机工作时弹、关键机构的运动指标来体现所有影响因素。因此，项目主要从弹的姿态、运动速度、角速度，各链的位移等参数来衡量自动机的健康状态。

(2)评估指标的筛选与计算

在确定评估指标体系基础上，应对其中主要参数的定义与计算公式进行深入分析，主要包括弹的姿态、运动速度、角速度，各链的位移。在此基础上还应计算自动机关键部件工作效能综合指标，首先计算底层指标，然后采用层次分析法(AHP)，设定各层指标的权重，最后通过建立自动机健康状态评估的层次结构模型并计算得到。层次分析法是一种非常实用的多准则决策方法，它不仅层次清晰，而且分析过程相对简捷，其思想是先把复杂的问题分解为各个分组成因素，再将这些因素按支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过两两比较的方式确定同层次中诸因素的相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策诸方案相对重要的顺序，从而给出最终的评判结果。建立的自动机健康状态评估指标体系如图3所示。

这里选择第一发弹和第七发弹的原因是：在不实弹射击的情况下，火炮无法实现后坐，也就是若只有一发弹，无法完成从供弹到输弹的全过程。而第一发弹在靠近自动机时弹口侧，能够完成扬弹并进入输弹经动作，而七发弹则能够完成推弹和压弹动作，两发弹能够完成供输弹的完整流程。

权重是评估的重要一环，通过仿真结果和专家经验，采用AHP法构建判断矩阵，获取各指标的权重，得到的权重要有一致性，一致性检测方法为：

当判断矩阵具有完全一致性时，其最大特征根与判断矩阵的阶数相等，即λ

检查判断矩阵的一致性。当λ

为度量不同阶数的判断矩阵是否具有满意的一致性，引入CI和同阶平均随机一致性指标RI之比CR，CR称为随机一致性比率。

表1随机一致性指标RI

计算一致性比率CR：

一般，当一致性比率CR<0.1时，认为A的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验。可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造成对比较矩阵，对矩阵内的元素值加以调整，使之具有满意的一致性。

通过计算，可以得到在装备各指标权重，如表2所示：

表2速射火炮自动机健康评估各指标权重

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评价对象不同，评价的准则也各不相同。评价准则应根据系统的评价对象和系统的指标属性加以确定。我们将速射火炮的健康状态区分为四个状态，分别是优、良、合格、差，与装备评估的新、堪、待、废对应，其指标量化为是：

(1)优(新)：0.8-1；

(2)良(堪)：0.6-0.8；

(3)合格(待)：0.5-0.6；

(4)差(废)：0.5-0。

系统的开发流程如图4所示：需求分析是整个系统开发工作的基础，需求分析的主要任务是明确系统的功能需求和非功能需求。功能设计和界面设计是实现系统需求的形式和手段，数据分析和知识分析是进行推理的基础。功能界面的实施和数据库、知识库的开发分别是二者的深化。程序开发完成之后进入系统调试运行阶段，对系统整体和各个功能模块的稳定性和可靠性进行测试也是一项非常重要的工作，它是系统开发工作的继续和延伸，是系统得以长期稳定运行的必要条件。若不能满足要求，需返回前面的步骤，修改程序直到顺利运行为止。一个大型软件系统要经过多次调试后方可投入使用，即使是在软件系统配发部队使用之后，也需要根据反馈信息不断地对系统进行维护和完善。

系统指标维护界面如图5所示。在该界面，管理员用户可以根据研究的深入添加、编辑评估指标体系。通过计算已获取了专家的权重，考虑到对于其它速射火炮自动机，其权重与该型速射火炮不一致。设置权重计算界面，如图5所示，该界面根据建立的各层次指标，自动生成判断矩阵窗格，用户只需输入专家打分的值即可得到相对权重。状态数据输入界面，如图7所示，用来输入测试到的装备数据，评估和反应装备的当前状态。通过点击“下一步”按钮，即可得到速射火炮自动机的评估数据，如图8所示。根据评估数据结果，点击性能监测按钮，即可得到以监测数据，如图9所示，用户可以根据系统的决策数据提出有针对性的维修方案。

速射火炮健康状态评估系统，它基于出厂信息、历史使用信息、历史维修信息和当前状态信息，充分利用各种预测、诊断和维修知识，以初始使用状态为起点，采用基于变权动态模糊综合评判和MAS的正反向混合推理机制，评估速射火炮的健康状态，对未来任务段内可能发生的故障进行预测，并基于故障预测结果对任务成功性进行评估，为实现预知维修、精确化保障和正确的指挥决策提供科学依据，保证训练和作战任务的顺利完成。

该速射火炮健康状态评估系统能够面向管理、使用和维修人员，提供有关信息的实时查询，在训练和作战任务给定的情况下，能够实现装备完成任务的健康状态评估，全面实现综合信息管理、任务成功性评估和维修决策。

根据本发明实施例的速射火炮健康状态评估系统具体具备以下特点：

(1)具有良好的人机界面

良好的人机界面包括界面设计的一致性、常用功能操作的便捷性和友好性。通过人机界面，用户能够方便地输入速射火炮的各种信息，获得详细的使用提示信息，使用户易学、易用、易操作。评估过程结束后，自动输出运算结果。同时，可以根据实际需要对系统进行维护。

(2)各种信息的综合集成

健康状态评估是建立在初始使用状态、任务要求、功能模型和故障模型基础之上的，充分利用各种信息(包括出厂信息、历史使用信息、历史维修信息和当前状态信息)是保证健康评估结果和维修决策准确性的基础。系统必须能够对各种信息进行综合集成，动态管理，自动更新和整理，与当前使用状态保持一致。

(3)具有良好的可维护性

系统内存储着速射火炮的大量信息，除系统自动完成部分信息更新、评估的逻辑一致性检查等系统维护工作之外，大量的系统维护工作(如当前状态的更正、新的评估和决策判据知识的输入、错误的评估结果删除和修改等)都需要人工完成。系统必须提供方便、简单、高效的维护方式，使得用户无须额外的指导就能进行正确的系统维护。

(4)具有较高的可靠性和安全性

推理过程应科学合理，具有一定的容错机制和故障恢复能力。当出现错误时，系统应该能检测出错误，隔离故障区，并通知用户进行人工干预，提供错误恢复的指导。例如，当一个诊断Agent出错或无法完成诊断任务时，允许该诊断Agent退出任务，整个系统不会因此而崩溃。对于系统内存储的有关信息、各类预测知识和诊断知识，必须严格控制数据的读取和修改，不同的用户具有不同的使用权限，以保证系统信息的安全性。

(5)充分利用各种评估和决策方法

无论是故障预测还是故障诊断，对同一任务都具有多种不同的方法，这些方法具有不同的特点和适用条件。为了提高预测和评估结果的准确性和可靠性，系统应该以科学的方式实现它们之间的有机集成，利用其各自的优点充分体现集体智能性，克服各自的不足，协同求解，共同完成任务。

(6)具有良好的模块性和可扩展性

由于技术开发的资金有限、对故障特性认识的不断深入及预测和评估技术的不断发展，系统开发不可能一步到位，在运行过程中需要不断修正和完善，并且随着技术的发展和新需求的提出，系统也存在着升级换代的问题。对于一个大型软件程序来讲，不可能只由一个程序实现，采用模块化的设计理念可以降低程序开发的难度，使软件结构清晰，容易阅读和理解，便于以后系统的维护与升级。对以后可能对系统进行的调整和扩展，在设计时要留有余地。MAS应采用松耦合的分散结构，一个或多个诊断Agent的加入、删除或出错时，整个诊断系统不会因此而崩溃。

(7)资源的可重用性

这不仅指程序中各种预测和诊断方法的可重用，更重要的是诊断资源(如预测和诊断知识)能被不同的诊断程序多次调用。资源的共享，特别是知识的共享将大大减轻系统开发和维护的费用，因为数据库和知识库的建立和维护通常是比较昂贵和费时的。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种速射火炮健康状态评估方法，图10是本发明实施例的速射火炮健康状态评估方法的示意图，如图10所示，根据本发明实施例的速射火炮健康状态评估方法具体包括：

步骤1001，通过信息管理模块对速射火炮的各类信息进行统一管理，作为初始状态获取的依据；步骤1001具体包括：进行出厂信息管理、历史使用信息管理、历史维修信息管理和当前状态信息管理。

步骤1002，通过性能监测模块进行初始状态获取，并获取测试装备数据和测试弹数据，并根据所述测试装备数据和测试弹数据进行模糊决策，获取决策结果，根据所述决策结果确定维修决策；

步骤1003，通过健康状态评估模块，根据建立的评估模型和测试到的装备当前状态数据进行评估，得到健康状态评估结果；步骤1003具体包括：进行可靠性框图建立、相关参数计算、任务成功度计算、推理过程解释、以及评估结果输出。具体地：

确定弹的姿态、运动速度、角速度以及各链的位移这些参数的定义与计算公式，并在此基础上计算自动机关键部件工作效能综合指标：首先计算底层指标，然后采用层次分析法AHP，计算得到各层指标的权重，并对所述权重进行一致性检验；根据系统的评价对象和系统的指标属性确定评价准则，得到健康状态评估结果。

步骤1004，通过系统维护模块对系统数据进行维护。步骤1004具体包括：进行数据库维护、知识库维护和诊断知识库维护。

本发明实施例是与上述系统实施例对应的方法实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。