基于灰色層次分析法的聲納裝備性能評估*

張朋坤 胡金華 袁 駿 張 衛

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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基于灰色層次分析法的聲納裝備性能評估*

張朋坤 胡金華 袁 駿 張 衛

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

針對聲納裝備性能評估中性能指標的不確定性與層次性,在構建聲納裝備性能指標體系的基礎上,引入了灰色層次分析法(GAHP),給出了具體的評估模型與步驟,并以典型聲納裝備為例對模型進行驗證,結果表明該方法可以較為準確地反映聲納裝備的實際使用情況,能夠適用于聲納裝備性能的評估。

灰色層次分析法; 聲納裝備; 性能指標體系; 性能評估

Class Number TB566

1 引言

聲納是海軍艦艇的主要探測裝備之一,擔負著對水面或水下目標的警戒探測、定位跟蹤以及艦艇間導航通信等職責。如何對聲納系統性能進行科學合理的評估是聲納裝備保障領域的一項重要研究課題。在實際性能評估過程中,某些聲納性能指標,如抗干擾能力等難以被客觀定量描述;且各指標相互制約、對聲納裝備性能的影響也不盡相同,導致了聲納裝備性能評估所依據的數據資料不完整、不準確。

層次分析法是處理多層次、多目標決策問題的經典方法,而灰色理論主要研究部分信息已知而部分信息未知的信息貧乏系統[1～2]。本文針對聲納裝備性能評估中性能指標的不確定性與層次性,將兩種方法進行融合,引入灰色層次分析法來評判聲納裝備的優劣程度?；疑珜哟畏治龇?Grey Analytical Hierarchy Process,GAHP)特別適用于對多層次復雜系統中不確定的定性因素進行定量化描述,并能根據信息貧乏系統得到不同受評者的優劣排序,在系統評價和選優方面有獨特的優勢。本文首先結合聲納裝備的實際使命任務,梳理歸納了聲納裝備的主要技術性能指標體系和分層結構,其次論述灰色層次分析法的主要評估步驟,最后結合聲納裝備實例進行性能評估。

2 聲納裝備系統性能指標體系

聲納裝備通常是由若干個具有不同作戰任務的功能模塊組成,具有多指標、多關聯及層次性分明等特點。為了能夠對聲納系統實施全面客觀的性能評估,需要根據聲納裝備的具體實際建立一個科學而有效的評估指標體系。指標體系的建立應當遵循系統性、科學性、層次性、簡明性等原則,必須能夠對被測對象的各種復雜因素進行層次化梳理和總結歸納,并且可以將某些定性因素進行適當的量化處理。指標體系要能夠反映被測對象的主要特征和體系結構,為性能評估提供合理的依據。

根據上述原則,結合聲納裝備的具體作戰任務和主要功能需求,運用層次分析法和Delphi專家咨詢法,建立聲納裝備系統性能評估指標體系基本框架,如圖1所示。該指標體系是從宏觀功能上對聲納裝備指標進行了梳理和總結,其底層指標還可進行進一步的細化分析。

圖1 聲納裝備性能評估指標體系基本框架

3 灰色層次分析法的評估步驟

灰色層次分析法是以層次分析理論為框架、以灰色系統理論為指導的一種定量計算與定性分析相結合的評估方法。其核心思想是利用層次分析法確定指標體系后,按灰色系統理論計算不同層次決策的“權重”。該方法可以解決層次分析法過于依賴專家系統以及無法處理信息不完全系統的問題。具體步驟如下。

3.1 建立判斷矩陣并計算底層元素的組合權重

采用簡易表格法或者Delphi專家咨詢法,由相關專家對同一層各元素相對上一層元素的相對重要性進行兩兩比較打分,并建立判斷矩陣。按照改進“1～9標度法”[3]進行打分,標準如表1所示。

表1 相對重要性打分依據

其中打分數值aij表示i元素相對于j元素的重要程度。依據打分表可構造判斷矩陣A1={aij|i,j∈1,2,…,n}。A1實際上是一個正反矩陣。底層元素的組合權重Wm代表底層各個指標關于上層指標的重要程度。以噪聲測向U1為例,即若以U1作為準則,則在準則U1下按底層元素U1n(n=1,2,…,4)相對重要性賦予相應的權重[3],即為組合權重W1。計算組合權重有很多方法,本文采用計算判斷矩陣特征向量的方法確定組合權重。

3.2 確定指標評估矩陣

表2 評分準則

3.3 確定評估灰類

確定評價灰類主要是指在灰色層次評估法中需要確定評估的等級數、灰數及白化權函數[4]。常用的白化權函數主要有三種。本文結合評分標準,將白化權函數細化為四種,如下所示:

1) 第一類“優”,灰數為∈[d1,∞],其白化權函數如圖2(a)所示:

2) 第二類“良”,灰數為∈[0,d2,2d2],其白化權函數如圖2(b)所示:

3) 第三類“中”,灰數為∈[0,d3,2d3],其白化權函數如圖2(c)所示:

4) 第四類“差”,灰數為∈[0,d4,d5],其白化權函數如圖2(d)所示:

3.4 計算灰色評估系數、評估權向量和權矩陣

式中:I、K分別代表評估專家總數及評估等級數。

利用上述結果,構建關于評估指標U1n的權矩陣,如下:

3.5 灰色綜合評價

4 實例探討

按照以上的評估模型及算法步驟,本文選取三部艦殼聲納裝備(分別設為A、B、C),結合聲納裝備性能指標體系,運用灰色層次分析法對其主要技術性能進行評估,并將評估結果與裝備實際使用的反饋情況進行比較。

1) 構建判斷矩陣并計算組合權重。專家通過判斷底層指標相對于次層指標的相對重要性,填寫各個指標的重要性打分表。因為篇幅限制,這里以評估噪聲測向U1性能為例,采用簡易表格法得到聲納噪聲測向判斷矩陣A1如表3所示。

表3 聲納噪聲測向判斷矩陣A1

所得的判斷矩陣A1需要進行一致性檢測,即檢驗所得的判斷矩陣是否符合邏輯一致性。一般情況下認為CR=CI/RI<0.1時滿足一致性檢測。其中一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1),其中λmax為最大特征值,平均隨機一致性指標RI隨指標數n變化而不同[5],取值表如表4所示。通過計算可得CR<0.1,滿足一致性檢測。

表4 平均隨機一致性指標RI

根據專家打分提供的判斷矩陣計算特征向量W1=(0.492 0.246 0.098 0.164),特征向量相應的數值即為影響噪聲測向性能U1相應的底層元素的組合權重。

2) 構造各指標評估矩陣。聘請有關領域的5位專家(設為a,b,c,d,e)對三型裝備的同一指標性能進行打分。這里以噪聲測向中測向精度指標為例,構造評估矩陣D11如下:

3) 根據3.3節,3.4節的運算步驟,可得三型裝備關于指標U1的最大評估權矩陣為:

4) 灰色綜合評價。利用上述計算的指標組合權重及評估權矩陣,計算出裝備A、B、C裝備對應的噪聲測向分效能為

E1=W1·r′U1=(0.444 0.415 0.403)

同理可以求得U2、U3、U4、U5、U6對應的分效能E2、E3、E4、E5、E6。為了計算三型裝備的總效能,還需求得二級指標U2、U3、U4、U5、U6相對于一級指標即聲納裝備總體性能U的組合權重W,則三型裝備的總效能為

=(0.4684 0.4184 0.4206)

由此得到三型裝備的綜合性能排序依次是A>C>B?？梢钥闯?在噪聲測向性能方面,裝備A、B、C的性能排序由高到低依次是A>B>C,這與操作員實際使用裝備時得到的反饋結果一致。在綜合性能評估上,得到的評估結果A>C>B與評估前預期結果A>B>C不同,分析其原因,雖然裝備B比C在主要性能噪聲測向方面有較大優勢,但在其他性能指標方面與C差距不大,甚至在某些指標上,專家對裝備C給出的評分要比裝備B高。將聲納眾多性能指標綜合考慮,就能夠解釋為什么裝備C比B總體性能良好。另一方面,從裝備使用的反饋情況來看,兩型裝備總體性能之間沒有太大差距,而最后的效能評分結果也證明了B與C之間的評分差距只有0.0022,差距并不明顯。由上述結果可以證明該評估方法確實能夠較為準確地反映聲納裝備實際的總體性能。

5 結語

本文根據某三型裝備的具體性能特點及任務需求,構建了影響其總體性能的指標體系;利用灰色層次分析法構建了評估模型,并結合專家打分機制,實現了對三型裝備的總體性能評估。從評估結果來看,利用灰色層次分析法對裝備進行性能評估,實現了定性與定量的相結合,方法簡便,實用性強,所得到的評估結論與預期結果及實際使用反饋情況較為吻合,能夠在一定程度上反映出裝備性能之間的差距,對將來進行更加復雜的裝備性能評估提供了一定的指導。

[1] 鄧聚龍.灰理論基礎[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.

[2] 趙煥臣,許樹柏.層次分析法[M].北京:科學出版社,1986.

[3] 王歡,李有才,鄭春弟.基于灰色層次分析的通信系統防御能力效能評估[J].艦船電子對抗,2014,37(4):66-72.

[4] 軒永波,黃長強,王勇.基于灰色層次分析法的空間武器作戰效能評估[J].空軍工程大學學報,2011,12(2):32-37.

[5] 姚華飛,趙光磊.基于灰色AHP的防空預警探測系統效能評估[J].國外電子測量技術,2013,35(5):44-48.

[6] 楊勇,吳洋.基于灰色層次分析法的察打型無人機作戰能力評估[J].艦船電子工程,2014,34(7):134-137.

[7] 覃菊瑩.灰色層次分析法-GAHP[D].南寧:廣西大學,2003.

[8] 譚樂祖,楊明軍,向迎春,等.武器系統效能評估方法研究[J].兵工自動化,2010,29(8):13-15.

[9] 金彥豐,曹占啟.基于GAHP的艦船水聲對抗偵察裝備效能評估[J].船電技術,2013,33(6):22-25.

[10] 馬廣義,劉高峰,顧雪峰.應用改進AHP對潛艇水聲對抗的效能評估[J].聲學技術,2006,25(5):401-405.

[11] 尤揚.系統效能評估及經典方法研究[J].科技信息,2008(29):217-219.

Performance Evaluation of Sonar Equipment Based on Grey-AHP

ZHANG Pengkun HU Jinhua YUAN Jun ZHANG Wei

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Aiming at the fuzziness and hierarchy of performance indexes in performance evaluation of sonar equipment, it adopts the grey analytical hierarchy process based on building the scheme performance indexes system of sonar equipment. The concrete processes of the evaluation model are described. And with the typical sonar equipment for example carried on a verification on model, the result indicates that the model can reflect the actual situation of sonar equipment correctly and can be used in performance evaluation of sonar equipment.

grey analytical hierarchy process, sonar equipment, performance indexes system, performance evaluation

2015年2月14日,

2015年3月29日

張朋坤,男,碩士研究生,研究方向:水聲裝備綜合保障。

TB566

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.038