一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法及评估方法与流程

1.本发明涉及一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法及评估方法，属于地面设备环境适应性评估技术领域。


背景技术：

2.地面设备在使用过程中自然环境条件、诱发环境条件恶劣，严重影响着产品的通用质量特性。典型的环境作用条件如气压、温度、湿度、盐雾、霉菌、振动等，环境条件的作用可能会造成地面设备性能下降、结构材料腐蚀与老化、电子器件功能失常等问题，严重时会导致产品使用事故的发生。随着系统复杂程度的不断提升，对于地面设备的环境适应性设计提出了更高的要求。在对地面设备的环境适应性设计过程中面临以下几点难题：
3.1、环境适应性设计质量严重依赖于设计师个人经验
4.在地面设备产品方案设计阶段，对其环境适应性进行设计、评估与改进，确保设计产品满足客户使用需求。目前产品环境适应性设计水平依赖于设计师个人经验，难以对设计师的环境适应性设计进行系统性的评价，由此产生的设计缺陷难以有效避免。
5.2、地面设备组成复杂
6.地面设备是集机、电、液、控于一体的复杂系统，其组成复杂，并且多为定制化产品，不同个体之间差异性大，不便于对各型地面设备进行环境适应性评估，进而不能保证地面设备的环境适应性设计质量，更不能满足客户的使用需求。
7.3、地面设备使用环境条件复杂
8.一方面，地面设备所受环境作用为辐射、温度、湿度、盐雾霉菌、振动等多因素综合作用的结果，难以从机理层面量化描述复杂环境条件对设备的功能性能以及可靠性的影响；另一方面，沿海湿热盐雾、高原低气压、高寒等地区严酷环境条件对地面设备的环境适应性提出差异性的要求。如何实现复杂环境条件作用下设备的适应性评价是面临的主要难题之一。
9.因此，本发明提出一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法及评估方法以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

10.为解决上述技术问题，本发明提供了一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法。
11.本发明通过以下技术方案得以实现：
12.一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法，包括以下主要步骤：
13.步骤一、选择地面设备：针对不同使用环境，选择不同的典型地面设备作为研究对象；
14.步骤二、建立通用评估模型：应用fmea分析法，分析不同典型地面设备在相应使用环境中的失效模式，采用层次分析法对地面设备进行层次划分，基于fmea分析和层次划分
结果，应用模糊综合评价法建立通用评估模型；
15.步骤三、建立专家知识库：建立防护措施数据库，创建评价标准，专家基于防护措施数据库，并按照评价标准，对各项防护措施的有效性进行定量评估形成专家知识库，以此类推，分别针对不同的使用环境建立相应的专家知识库；
16.步骤四、搭建评估系统：基于通用评估模型和专家知识库，结合模糊算法，以层次划分的底层指标作为输入，以各层次各指标的环境适应性为输出，搭建评估系统。
17.所述步骤二中采用层次分析法对地面设备进行层次划分包括以下主要步骤：
18.a、将地面设备的系统总体作为第一层次；
19.b、根据专业领域，将系统总体划分为电气系统、机械系统和液压系统三个子系统，完成第二层次划分；
20.c、根据环境因素作用机理差异及所采取防护措施的不同，对子系统中的环境适应性防护部位进行特性类别划分，完成第三层次划分；
21.d、对各特性类别中的各防护部件的组成部分进行特征类别划分，完成第四层次划分；
22.e、对易失效部位所处的环境条件、工况因素进行原因分析，并根据特征类别确定环境适应性防护措施，得第五层次；
23.f、根据层次划分结果，绘制层次结构树。
24.所述步骤二中基于fmea分析和层次划分结果，应用模糊综合评价法建立通用评估模型的方法包括以下主要步骤：
25.a、构建因素集，确定相邻上下层次中因素之间的关系；
26.b、构造判断矩阵，确定各层次中因素之间的权重关系；
27.c、对判断矩阵进行一致性检验；
28.d、将层次结构树的底层指标作为输入，应用模糊层次分析法依次对前一层次的环境适应性进行评估，形成通用评估模型。
29.所述步骤三中的防护措施数据库为以层次划分结果中的底层指标作为评估地面设备环境适应性的输入指标，对输入指标中的各元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据进行汇总，形成的用于描述各防护措施的数据库。
30.所述步骤三中专家根据输入指标的元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据，并结合评价标准对各元素按差、较差、良好和非常好四个等级进行评定，再根据模糊算法隶属度计算方法将评估结果量化为评估向量，各项防护措施的评估向量构成专家知识库。
31.一种地面设备环境适应性评估系统的评估方法，包括以下主要步骤：
32.步骤1、确定地面设备的使用环境，在评估系统中选择与地面设备使用环境相匹配的专家知识库；
33.步骤2、根据地面设备的实际组成情况，对应调整通用评估模型；
34.步骤3、从专家知识库中选择层次结构树底层输入指标的元素作为设计因素，以各元素的评估量化结果作为输入，评估系统通过模糊算法自动计算通用评估模型的各层次各指标的环境适应能力；
35.步骤4、辨识地面设备环境适应性设计薄弱点。
36.所述步骤1中地面设备的使用环境包括但不限于海岛环境、高原戈壁环境、高寒环境。
37.所述步骤2中需要根据地面设备的实际组成情况，调整通用评估模型中第四层次的因素种类，并明确第四层次中各因素之间的权重分配。
38.所述步骤3中评估系统通过模糊算法自动从后向前逐层计算各层次各指标的环境适应能力。
39.所述步骤4中根据因素权重值辨识因素重要程度，根据因素获得的评估分值辨识因素的环境适应性防护水平，基于因素的重要程度以及因素的环境适应性防护水平最终确定环境适应性设计的薄弱点。
40.本发明的有益效果在于：
41.1、评估系统以设计因素作为输入，自动、全面、准确地评估通用评估模型中各层次各指标的环境适应能力，为多型地面设备在设计阶段的环境适应性设计提供了指导性参考，有助于提高地面设备设计师的工作效率，同时能够提高地面设备的环境适应能力。
42.2、评估系统适用于评价不同类型的地面设备的环境适应性，具有较强的通用性，解决了由于各类型地面设备复杂程度不同，且个体差异大所导致的难以系统评价各类型地面设备环境适应性的通用性问题。
43.3、依托“海岛环境”、“高原戈壁环境”、“高寒环境”等不同使用环境，专家根据输入指标中各元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据，建立专家知识库，以对地面设备在不同使用环境下的适应能力进行合理评估。
44.4、仅需根据地面设备的组成差异，在评估系统上调整评估模型第四层次的因素种类、因素之间的权重分配，便可以实现多型地面设备环境适应能力的通用化评估，操作使用方便。
附图说明
45.图1为本发明的评估系统的创建流程图；
46.图2为本发明的通用评估模型的层次结构树示意图；
47.图3为本发明的专家知识库建立流程图；
48.图4为本发明的评估系统的架构图；
49.图5为本发明的评估系统的模糊层次分析模型图。
具体实施方式
50.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
51.如图1至图5所示，本发明所述的一种地面设备环境适应性评估系统的创建方法，包括以下主要步骤：
52.步骤一、选择地面设备：针对不同使用环境，选择不同的典型地面设备作为研究对象；即针对高原、高寒、湿热、盐雾等使用环境，分别选择不同的典型地面设备作为研究对象。
53.步骤二、建立通用评估模型：应用fmea分析法，分析不同典型地面设备在相应使用环境中的失效模式，采用层次分析法对地面设备进行层次划分，基于fmea分析和层次划分
结果，应用模糊综合评价法建立通用评估模型。在进行fmea分析时，将不同典型地面设备置于相应使用环境中，收集地面设备及关键部件的信息，包括产品功能、故障部件、故障模式、故障原因、故障影响、检测方法、严重程度等信息，然后分析环境因素对地面设备的作用机理。
54.步骤三、建立专家知识库：建立防护措施数据库，创建评价标准，专家基于防护措施数据库，并按照评价标准，对各项防护措施的有效性进行定量评估形成专家知识库，以此类推，分别针对不同的使用环境建立相应的专家知识库；创建评价标准，即基于经验知识及机理分析，确定评价环境适应性效果的评估准则，用于评价防护措施的环境适应性防护效果。
55.步骤四、搭建评估系统：基于通用评估模型和专家知识库，结合模糊算法，以层次划分的底层指标作为输入，以各层次各指标的环境适应性为输出，搭建评估系统。
56.所述步骤二中采用层次分析法对地面设备进行层次划分包括以下主要步骤：
57.a、将地面设备的系统总体作为第一层次。
58.b、根据专业领域，将系统总体划分为电气系统、机械系统和液压系统三个子系统，完成第二层次划分。
59.c、根据环境因素作用机理差异及所采取防护措施的不同，对子系统中的环境适应性防护部位进行特性类别划分，完成第三层次划分；即根据环境因素作用机理及所采取的环境适应性防护措施的不同，将各防护部位进行防护特性划分，以机械子系统为例，机械子系统的主要环境适应性关键特征包含主体承载、固定连接(包含螺栓/铆接、焊接)、可移动接触(包含滑动摩擦、撞击接触)等。
60.d、对各特性类别中的各防护部件的组成部分进行特征类别划分，完成第四层次划分。
61.e、对易失效部位所处的环境条件、工况因素进行原因分析，并根据特征类别确定环境适应性防护措施，得第五层次；即对各易失效部位所处的光照、湿度、盐雾、霉菌等环境条件、工况因素进行分析，从结构形式、材料、工艺等方面对各类别易失效模式进行原因分析，并根据其特征类别采取相应的环境适应性防护措施。
62.f、根据层次划分结果，绘制层次结构树。
63.所述步骤二中基于fmea分析和层次划分结果，应用模糊综合评价法建立通用评估模型的方法包括以下主要步骤：
64.a、构建因素集，确定相邻上下层次中因素之间的关系；对地面设备进行层次划分，即将各指标按指标间的相似性组成一个递阶的、有序的指标层次，将复杂问题层次化，将问题分解为不同的组成因素，构建因素集，如：
[0065]1u1＝{2u1,2u2,2u3}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
式中，1u1表示第一层第一个因素，2u1为第二层第一个因素。同理，分别针对各级指标构建因素集。
[0067]
b、构造判断矩阵，确定各层次中因素之间的权重关系。具体权重计算过程如下：
[0068]
设u
ij
为因素u
i
对因素u
j
的相对重要性数值，则u
ij
的取值如下表所示。
[0069]
表1 u
ij
取值表
[0070]
标度含义
1两个因素相比，具有同样重要性3、1/3两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要/不重要5、1/5两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要/不重要7、1/7两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要/不重要9、1/9两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要/不重要2、4、6、8上述两相邻判断的中值
[0071]
根据上表构造判断矩阵:
[0072][0073]
根据构造的判断矩阵p，计算其最大特征值及其对应的主特征向量，所求主特征向量为评价各因素重要性排序，即权数分配。
[0074]
c、对判断矩阵进行一致性检验。
[0075]
为确定所求得的权数是否合理，需对判断矩阵进行一致性检验，公式如下：
[0076][0077]
式中，cr为判断矩阵的随机一致性比率，ci为判断矩阵的一致性指标，ri为判断矩阵的平均随机一致性指标。当cr≤0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数分配合理。否则，需要调整判断矩阵，直到取得具有满意的一致性为止。
[0078]
其中ri可直接查表2得知，而ci按下式计算：
[0079][0080]
式中，n为判断矩阵的矩阵阶数，λ
max
为判断矩阵的最大特征值。
[0081]
表2 ri取值表
[0082]
[0083][0084]
d、将层次结构树的底层指标作为输入，应用模糊层次分析法依次对前一层次的环境适应性进行评估，形成通用评估模型。即依次对第四、三、二、一层次的环境适应性进行评估。
[0085]
所述步骤三中的防护措施数据库为以层次划分结果中的底层指标作为评估地面设备环境适应性的输入指标，对输入指标中的各元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据进行汇总，形成的用于描述各防护措施的数据库。输入指标中的元素，如基材、表面处理、涂覆等。
[0086]
所述步骤三中专家根据输入指标的元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据，并结合评价标准对各元素按差、较差、良好和非常好四个等级进行评定，再根据模糊算法隶属度计算方法将评估结果量化为评估向量，各项防护措施的评估向量构成专家知识库。在使用时，将各输入指标中的各元素分别放置于不同等级的环境中进行环境试验。分别针对各类使用环境建立相应的专家知识库，即针对地面设备湿热、高寒、高原等不同使用环境，分别建立相应的专家知识库，进而实现对地面设备不同环境使用下的适应性评估。
[0087]
专家知识库的具体构建过程如图3所示，“海岛环境”、“高原戈壁环境”、“高寒环境”等不同使用环境对地面设备的防护措施要求不相同。首先确定地面设备使用环境，根据地面设备的使用环境确定防护措施选项。其次，建立防护措施数据库，借助自然加速环境试验手段，测试基材、表面处理、涂覆、结构设计等环境适应性防护措施的有效性，给出防护措施在自然加速环境试验下的定性、定量评价指标，并分析防护措施作用机理，为专家对防护措施在真实使用环境下的有效性的量化评价提供参考；借助仿真分析技术，量化分析防护措施性能衰减后对地面设备的功能性能影响，辅助给出防护设计与环境适应性能力之间定性、定量关系。再次，创建评价标准，参照环境适应性测试评价相关标准、地面设备功能性能使用要求等知识信息，创建评价标准，用于评价地面设备各层级环境适应能力等级。最后，专家基于防护措施数据库，参照评价标准，结合自身知识经验给出评估结果，并对多专家评估结果进行汇总，形成专家知识库。具体操作如下：
[0088]
各专家对各元素试验结果按“差”、“较差”、“良好”、“非常好”四个等级进行评定，再根据模糊算法隶属度计算方法将评估结果量化为评估向量。设第五层包含n个因素，第五层的环境适应性防护措施第m个因素经多个专家打分，分别有n1、n2、n3、n4人次认为其属于“非常好”、“好”、“一般”、“差”等级，且n1 n2 n3 n4＝n，则该单因素的评价结果如下式(5)，n个环境适应性设计因素集合构成的专家知识库如式(6)：
[0089]5r
m
＝(5r
m1
,5r
m2
,5r
m3
,5r
m4
)＝(n1/n,n2/n,n3/n,n4/n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0090][0091]
一种地面设备环境适应性评估系统的评估方法，包括以下主要步骤：
[0092]
步骤1、确定地面设备的使用环境，在评估系统中选择与地面设备使用环境相匹配的专家知识库；
[0093]
步骤2、根据地面设备的实际组成情况，对应调整通用评估模型；
[0094]
步骤3、从专家知识库中选择层次结构树底层输入指标的元素作为设计因素，以各元素的评估量化结果作为输入，评估系统通过模糊算法自动计算通用评估模型的各层次各指标的环境适应能力；
[0095]
步骤4、辨识地面设备环境适应性设计薄弱点。
[0096]
所述步骤1中地面设备的使用环境包括但不限于海岛环境、高原戈壁环境、高寒环境。
[0097]
所述步骤2中需要根据地面设备的实际组成情况，调整通用评估模型中第四层次的因素种类，并明确第四层次中各因素之间的权重分配。通用评估模型中的第一、二、三、五层次具备通用性，适用于多种地面设备评估。
[0098]
所述步骤3中评估系统通过模糊算法自动从后向前逐层计算各层次各指标的环境适应能力。
[0099]
所述步骤4中根据因素权重值辨识因素重要程度，根据因素获得的评估分值辨识因素的环境适应性防护水平，基于因素的重要程度以及因素的环境适应性防护水平最终确定环境适应性设计的薄弱点。
[0100]
各层级环境适应能力评估过程如图5所示。第五层n个单因素评价结果对于第四层第j个因素构造的综合评价矩阵为：
[0101][0102]
设经层次分析法计算得到的第五层n个因素对于第四层第j个指标的影响权重为：
[0103]5a
j
＝(5a
j1
,5a
j2
,
…5a
jn
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0104]
则第四层第j个因素的综合评判结果为：
[0105]4r
j
＝5a
j
⊙5r
j
＝(4r
j1
,4r
j2
,4r
j3
,4r
j4
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0106]
其中，
“⊙”
表示模糊算子。
[0107]
采取同样的计算方法，依次计算出第三、二、一层次评判结果。
[0108]
具体的，将环境适应性评估流程程序化，设计环境适应性评估ui，以选择元素的形式进行输入，以此对多型地面设备的环境适应性进行评估与迭代设计。环境适应性评估系统的架构如图4所示，数据区存储专家知识数据库，包含专家针对各项设计因素在不同环境条件下的环境适应性评价、专家针对各级评价指标给予的权重。为适应于特殊设备的环境
适应性设计评估需求，通过扩展模块实现数据库的完善。界面区用于输入所采取的环境适应性设计因素，并反馈各层次环境适应性评估结果。要求能够反映各级指标的环境适应能力，并且快速辨识影响设备总体环境适应能力的关键设计因素。计算程序基于评估系统所涉及的计算方法，接收界面区传递的数据，计算各层次指标的环境适应能力，并反馈给界面区进行展示。
[0109]
本发明所提供的地面设备环境适应性评估系统的创建方法及评估方法，具有以下有益效果：
[0110]
1、评估系统以设计因素作为输入，自动、全面、准确地评估通用评估模型中各层次各指标的环境适应能力，为多型地面设备在设计阶段的环境适应性设计提供了指导性参考，有助于提高地面设备设计师的工作效率，同时能够提高地面设备的环境适应能力。
[0111]
2、评估系统适用于评价不同类型的地面设备的环境适应性，具有较强的通用性，解决了由于各类型地面设备复杂程度不同，且个体差异大所导致的难以系统评价各类型地面设备环境适应性的通用性问题。
[0112]
3、依托“海岛环境”、“高原戈壁环境”、“高寒环境”等不同使用环境，专家根据输入指标中各元素的自然加速环境试验、真实使用环境适应性数据，建立专家知识库，以对地面设备在不同使用环境下的适应能力进行合理评估。
[0113]
4、仅需根据地面设备的组成差异，在评估系统上调整评估模型第四层次的因素种类、因素之间的权重分配，便可以实现多型地面设备环境适应能力的通用化评估，操作使用方便。