基于云重心评估法的装备健康状态评估

Ｖｏ１．３７。Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１２　火力与指挥控制　Ｆｉｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｃｏｍｍａｎｄ　ＣｏｎｔｒｏＩ　第３７卷第４期　２０１２年４月　

文章编号：１００２一Ｏ６４０（２Ｏ１２）Ｏ４—００７９—０４　

基于云重心评估法的装备健康状态评估　

齐伟伟，夏良华，李敏，郝晋峰　（军械工程学院，石家庄０５０００３）　

摘要：装备健康状态评估作为健康管理的重要组成部分，是实施状态维修的关键环节。针对装备健康状态信息的随机　性和模糊性，对状态指标体系进行了定性和定量的组合，将装备健康状态划分为５个等级，建立了基于云重心评估法的装备健　康状态评估模型，采用加权偏离度来衡量装备的健康状态，构成了定性和定量评价问的相互映射。通过应用，验证了该方法的　可行性。　关键词：装备健康状态评估，健康管理，云重心评估法　中图分类号：ＴＰ１５　文献标识码：Ａ　

Ｈｅａｌｔｈ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｌｏｕｄ　Ｇｒａｖｉｔｙ　

Ｃｅｎｔｅｒ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　

ＱＩ　Ｗｅｉ—ｗｅｉ，ＸＩＡ　Ｌｉａｎｇ—ｈｕａ，ＬＩ　Ｍｉｎ，ＨＡＯ　Ｊｉｎ—ｆｅｎｇ　

（Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｈｅａｌｔｈ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｈｅａｌｔｈ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｐｌａｙｓ　ｆｉｎ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　

ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ（ＣＢＭ）．Ａｓ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ｈｅａｌｔｈ　ｓｔａｔｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｒａｎｄｏｍ　ａｎｄ　ｆｕｚｚｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｖｉｄｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ’ｈｅａｌｔｈ　ｓｔａｔｅｓ　ｉｎｔｏ　ｆｉｖｅ　ｇｒａｄｅｓ，ａｎ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｌｏｕｄ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，　

ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　０　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｗｅｉｇｈ　ｔｈｅ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ｓｔａｔｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　

ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｏｒｋｓ　

ｗｅｌ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｈｅａｌｔｈ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，ｈｅａｌｔｈ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｃｌｏｕｄ　ＣＧ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　

引　言　

近年来随着ＣＢＭ、ＰＨＭ等理论的推广与应用，　

装备健康管理的概念逐渐为研究人员所熟悉。装备　健康管理从传统的以“修”为主的思路转变到“修”　“管”结合、重视“管理”的思路上来［１］。装备健康管理　

涉及设备管理、状态监控、健康评估、维修决策支持、　

规划及控制等，其中装备健康状态评估是健康管理　

的一个重要组成部分，是实施装备健康管理的重要　

依据。装备健康状态评估不仅是对装备技术状态的　

收稿日期：２０１１—０２－１９　修回日期：２０１１—０４—１３　＊基金项目：某部科研基金资助项目（２００７ＨＺ４３Ｏ８００２）　作者简介：齐伟伟（１９８６一），男，河南南阳人，硕士研究　生，研究方向：装备健康管理理论与应用。　评估，而且是依据获取的各种表征装备健康状态的　

数据进行分析，并且综合考虑装备的维修、使用、环　

境等因素对其健康状态的影响作用，采用相应的评　

估算法对装备的健康状态进行综合评估，确定装备　当前所处的健康状态。　

装备健康状态评估需要从多个层次、多个渠道　

进行，将各方面的信息融合形成合理的评估结果。由　

于采用不同的方式采集数据，因此，评估的中间结果　既可能采用精确数值定量描述，也可能采用诸如　

“优、良、中、差”此类模糊语言值定性评价　在实际运　

行中装备的状态具有随机性，测试的数据也有不确　

定性，特别是测评者的意见往往具有明显的模糊性　和随机性。因此，处理并充分利用这种不确定性，建　

立定性概念与定量概念之间的映射和转换关系，形　・８０・　（总第３７－－７０２）　火力与指挥控制　２０１２年第４期　

成评价意见的定量可比性，是装备健康管理人员所　

希望得到的结果，云重心评估法能够实现定性属性　值和定量属性值之间的转换［２］。因此，本文将云重心　

评估法应用于装备健康状态评估的研究之中。　

１　云重心评估法　

云重心评估法的主要步骤如下［２－３］：　

（１）建立评估对象的指标体系。评估指标体系　应该能够全面、真实地反应装备的技术状态，应该遵　

循科学性、独立性、可比性、可操作性的原则。　

（２）确定各指标的权重。　

（３）求各指标的云模型。在给出系统性能指标　

体系中，既有用精确数值表示的，又有用语言值表示　的。提取　组数据组成决策矩阵，　个精确数值型表　

示的一个指标就可以用一个云模型来表示，其数字　

特征为（Ｅｘ，Ｅｎ，　），其中：Ｅｘ是期望值，反映了相　

应模糊概念的信息中心值；Ｅｎ是熵，反映了定性概　念的模糊度；Ｈｅ是超熵，反映了熵的离散程度。其　

云模型为：　Ｅ　＝（Ｅ　１＋Ｅ　２＋…＋Ｅ　）／　（１）　

Ｅ　＝（ｍａｘ（Ｅ　１，Ｅ　２，…，Ｅ　）一ｍｉｎ（Ｅ　ｌ，Ｅ　２，…，　Ｅ　））／６　（２）　

同时，每个语言值型的指标也可以用一个云模　

型来表示，，ｚ个语言值（云模型）表示的一个指标就　

可以用一个一维综合云来表征。其中，　

Ｅ　＝（Ｅｘ　Ｅ　１＋Ｅ　２Ｅ　２＋…＋Ｅ　Ｅ　）／（　ｌ＋Ｅ　２＋…　＋Ｅ　）　（３）　

Ｅ　一Ｅ　＋Ｅ　：＋…＋Ｅ　（４）　

式中，Ｅ　为测得数据，ｚ＝１，２，…，Ｐ为具体指　标的下标指，　为测试数据组数。　

（４）系统状态的表示。　个指标可用户个云模　

型来刻划，那么　个指标所反映的系统状态就可以　用一个Ｐ维综合云来表示。对于　维综合云的重心　丁用一个户维的向量来表示，即Ｔ一（　，Ｔ。，…，　

Ｔ　），其中Ｔ　＝日　Ｘｂ　，ｉ＝１，２，…，Ｐ。当系统的状态　

发生变化时，其重心变化为　，Ｔ　＝（丁　，　，…，　

丁　）。　（５）用加权偏离度来衡量云重心的改变。假设　

理想状态下Ｐ维综合云重心的位置向量为口＝　

（Ｅｏ，，Ｅ　ｏ，…，Ｅ　），云重心的高度向量为６一（６　，ｂ２，　

…，ｂｐ），其中，ｂｉ一硼×０．３７１。则理想状态下的云重　心向量Ｔ。＝口Ｘ　’一（丁２，Ｔ２，…，Ｔ：）。同理可以得到　

某一状态下系统的Ｐ维综合云重心向量Ｔ：（　，　

２，…，Ｔ　）。　加权偏离度（　）可以用来衡量两种状态下综合　云重心的差异。首先将某一状态下的综合云重心向　

量归一化，得到一组向量７，Ｇ＝（砰，　，…，　）。其　

中，　

ｆ（　－－ＴＯ）／Ｔｏ　Ｔｉ＜ＴＯ　１（Ｔｉ－Ｔ￣）／Ｔｉ　≥Ｔ？，　Ｘｂｉ，ｉ＝－Ｔ？）／Ｔ　Ｔ　１，２，　Ｉ　≥Ｔ？”‘　“　

…，Ｐ　（５）　经归一化之后，表征系统状态的综合云重心向　

量均为有大小、有方向、无量纲的值。把各指标归一　

化之后的向量值乘以其权重值，然后再相加，取平均　

值后得到加权偏离度　的值。　

上　＝　硼　砰　（６）　ｉｆｆｉ１　式中，硼　为第ｉ个单项指标的权重值。　

（６）确定评价集。构造评语集，将其置于连续的　语言表尺上，并用云模型实现，构成一个定性评测的　

云发生器，将加权偏离度输入评测云发生器，便可得　

出评价值。　

２　自行火炮健康状态云重心评估　

自行火炮是典型的复杂系统，对其健康状态的　

描述是定性和定量的组合，综合云重心评估法的步　

骤和装自行火炮特点建立评估模型如图１所示。　

健康状态等级划分　

构建评估指标体系　二二二工二二二　获取数据　

定性数据Ｉ　Ｉ定量描述　

数据规范化　

确定指标权重　

求各指标的云模型　

系统状态表示及７０　

计算加权偏离度　

评估结果　

圈１　自行火炮健康状态云重心评估模型　

２．１装备健康等级的划分　

对装备健康状态分级即是进行评估的前提，也　

是评估结果的表现形式。基于云理论的健康状态等　

级描述，打破了传统的正常和故障的划分方法将装　

备的健康等级划分为健康、亚健康、一般劣化、严重　

劣化、危险等５个状态等级，各等级之间没有明显的　

边界划分，只有模糊的过度区域　］。云理论在描述某　齐伟伟，等：基于云重心评估法的装备健康状态评估　（总第３７－－７０３）　・８１・　

一状态对相应概念的隶属度时，隶属曲线并不是一　

条明晰的曲线，而是一概率分布［５］，也就是说其隶属　

度并不是固定值，而是用大量云滴来反映其不确定　

性，装备可能隶属于健康状态，也隶属于亚健康状　态，只是相应的隶属度不同，通过云图就可以直观的　

看出属于哪一状态的程度大，并且可以给出隶属范　

围。这种评估结果符合人的思维和语言习惯，针对不　

同的健康状态等级可以采取不同的措施。对５个健　

康状态等级的描述如表１所示。　表１装备健康状态等级划分及等级描述　

健　态　等级描述　

健康　塞　优秀＇没有经历不　

装备的主要技术性能指标在允许的范围内，　亚健康　总体性能有所下降，但不会影响任务的完　成，按计划进行维护，并加强监控。　装备的一部分主要技术性能退化，有劣化的　

一般劣化嚣　萎　

维修活动。　装备的主要技术性能劣化趋势明显，有不良　严重劣化工况记录，如果继续使用会造成不良影响，　需立即进行维修或重点监测。　

装备主要的技术性能指标达到或超过注意　危险　值，已丧失规定的功能，不排除故障无法继　续运行，需立即进行维修。　２．２　自行火炮的健康状态评估指标体系　］　在建立自行火炮的评估指标体系时，不仅要考　

虑装备的技术状态因素，还要考虑使用年限、运行工　

况、维修和环境影响等因素。如图２所示。　

白行火炮健康状态　

炮　弹　初　速　度　ｆ　ｆ茎ｆ　ｌ藩｛ｆ萋ｆ｝霎ｉ　ｌ薹ｆ　ｆ差　维修价值　

图２某自行火炮健康状态评估指标体系　

在上述评价指标体系中，前６个状态参数为定　

量指标，通过实验测量得到；后３个为定性指标，通　

过专家打分的方法得到。装备健康状态各指标的标　

度类型和量纲都不同，为便于比较，将其进行规范化　处理后，得到结果如表２所示。　

２．３确定各个状态指标的权重　

由表１的自行火炮健康状态规范化值，利用熵　

值法确定各个状态指标的权重值，具体步骤见参考　

文献［７］，计算结果如表３所示，其理想状态Ｌ＝｛１，　

ｌ，１，１，ｌ，１，ｌ，１，１｝。　２．４求各个指标的云模型的期望值和熵　由式（１）和式（２）求得各个指标的云模型的期望　

值和熵，如下页表４所示。　

表２

装备健康状态指标规范化值