2018-4基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估

中国舰船研究第13卷收稿日期：2017-10-26网络出版时间：2018-7-2415:22基金项目：国家自然科学基金资助项目（71401171）；国家部委基金资助项目；军队院校2110工程Ⅲ期建设基金资助项目（4142D45A3）作者简介：王广强，男，1991年生，硕士生。研究方向：装备管理，质量评估，系统分析与评价。吕建伟（通信作者），男，1962年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：舰船装备系统分析，装备风险分析，舰船总体六性管理等。第13卷第4期2018年8月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearchVol.13No.4Aug.2018引用格式：王广强，吕建伟，徐一帆，等.基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估［J］.中国舰船研究，2018，13（4）：70-78.WANGGQ，LVJW，XUYF，etal.Qualityevaluationofdesignalternativesofvesselbasedonimprovedcloudbarycentermethod［J］.ChineseJournalofShipResearch，2018，13（4）：70-78.基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估王广强，吕建伟，徐一帆，谢宗仁海军工程大学管理工程系，湖北武汉430033摘要：［目的目的］为处理舰船设计方案质量评估中存在的不确定性问题，提出云重心评估方法。［方法方法］阐述云理论的基本概念，对云重心方法的评估原理及基本流程进行总结分析。鉴于现有云重心算法不能有效反映质量特性与用户需求的匹配程度，通过定义质量匹配度改进云重心算法；针对评估数据量小导致的评估结果精度较低的问题，借助云发生器对评估数据进行有效扩充，从而优化评估意见。在此基础上，结合某型舰的设计方案取舍进行示例计算和分析。［结果结果］结果表明：改进后的方法对此类问题具有较好的适应性，评估结果符合舰船设计方案的质量评估要求。［结论结论］研究成果对云重心方法的应用具有较好的借鉴价值，为舰船设计方案的选择提供了一种新思路。关键词：云重心；舰船设计方案；质量评估；算法改进中图分类号：U662.2文献标志码：ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01086QualityevaluationofdesignalternativesofvesselbasedonimprovedcloudbarycentermethodWANGGuangqiang，LVJianwei，XUYifan，XIEZongrenDepartmentofManagementScienceandEngineering，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，ChinaAbstract：［Objectives］Todealwithuncertaintiesinthequalityevaluationofalternativenavyvesseldesigns，thecloudbarycenterevaluationmethodisintroduced.［Methods］Thebasicconceptofcloudtheoryisexpoundeduponandtheevaluationprincipleandbasicprocessofthecloudbarycentermethodareanalyzed.Theexistingcloudbarycenteralgorithmcannoteffectivelyexpressthematchingdegreebetweenqualitycharacteristicsanduserrequirement.Theimprovementofthecloudbarycenteralgorithmisrealizedbydefiningthequalitymatchingdegree.Duetothesmallamountofdata，theaccuracyoftheevaluationexpressisinsufficient.Theevaluationdatacanbeeffectivelyextendedthroughthecloudgeneratorsoastobetterexpresstheevaluationresults.Onthisbasis，themethodisanalyzedaccordingtoalternativevesseldesignchoices.［Results］Theresultsshowthattheimprovedmethodhasgoodadaptabilitytotheproblems，andtheevaluationresultsareinaccordancewiththequalityevaluationrequirementsofthealternativenavalvesseldesign.［Conclusions］Thefindingsofthispapercanprovidevaluablereferencesfortheapplicationofthecloudbarycentermethodandnewideasfortheselectionofalternativenavyvesseldesign.Keywords：cloudbarycenter；designalternativesofvessel；qualityevaluation；algorithmimprovement第4期0引言选择合理可行的设计方案对舰船研制而言具有重要的意义。舰船的设计方案一般通过系统效能评估［1］、多目标优化［2］、效费比分析［3］等手段来选择，这些方法虽然具有一定的工程应用价值，但一般仅针对方案本身进行分析，并没有考虑到海军部队对舰船的使用需求。鉴于此，本文将从质量评估的角度出发，通过分析舰船设计方案与海军部队需求的匹配程度，实现多方案优选的目的。由于舰船设计方案涉及面广、信息量大［4］，同时设计师认知也有一定的局限性，故其质量评估存在较多的不确定性因素，主要表现为评估过程的随机性和评估价值的模糊性。然而，综合了概率理论和模糊理论的云理论能够在定性、定量的转换过程中将随机性和模糊性有机联系在一起，从而充分体现转换结果的不确定性。目前，以云理论为基础的云重心评估方法已在系统评估中得到广泛应用［5-8］。因此，本文拟将该方法引入舰船设计方案质量评估，用以处理评估过程中的不确定性问题。但是，将现有研究成果直接运用到质量评估中还存在2点不足：一是现有的云重心算法不能有效反映质量特性与用户需求之间的匹配程度；二是评估数据量过小会导致评估结果的精度不够。针对上述问题，本文拟对云重心评估方法进行适应性改进，并通过示例计算来验证改进效果。1云理论及云重心评估方法1.1云理论的基本概念设X={x}为精确数值表示的定量论域，Y为论域中的定性概念。任意元素x(xÎX)对Y均存在一个有稳定倾向的随机数y͂Y(x)（0y͂Y(x)1），称为x对Y的隶属度，那么隶属度y͂Y(x)在论域X上的分布就称之为云，每一个(xy͂Y(x))即为一个云滴，从而建立起云的概念［9］。在此基础上，即可形成用于不确定性分析的云理论。云模型是云理论的基础，也是云重心方法的重要工具，其中正态云模型具有普适性，故可以基于正态云模型进行分析［10］。正态云模型采用期望Ex、熵En和超熵He这3个数字特征来反映定性概念：Ex为云滴在论域空间分布的期望，是云重心所对应的论域值，也是定性概念量化的最典型样本；En为定性概念不确定性的度量，反映了代表定性概念的云滴的离散程度以及论域中可被接受的云滴的取值范围；He为熵的不确定性度量，是衡量样本数据能否形成定性概念的重要指标。图1所示为正态云模型的示意图。根据（Ex，En，He）可产生n个符合要求的云滴，其产生方法称为正态云发生器［11］，如图2所示。正态云发生器的具体算法为：首先，生成以En为期望值、以He2为方差的一个正态随机数En′i（i=1，2，…，n），En′i=NORM(EnHe2)；然后，生成以Ex为期望值、En′2i为方差的一个正态随机数xi，xi=NORM(ExEn′2i)；最后，计算出每个xi的隶属度yi，其中yi=exp(-xi-Ex)2/2En′2i，则(xiyi)即为一个云滴。按照上述步骤重复n次，即可得到n个云滴。1.2云重心方法的评估原理及基本流程云重心T的表达式为T=u´h=Ex´w（1）式中：u为云重心的位置，即期望Ex；h为云重心的高度；w为云模型的权重值。对于Ex相同的云模型，可以通过比较h的大小来区分其重要程度，因此h也即该云模型的权重值w［5］。这样，就可以利用云重心的变化来反映系统状态的变化，从而对系统的优劣状况进行评估。使用云重心评估方法时，对于云滴(xiyi)，首先应求得底层指标评价云模型的期望值。对于定量指标，可以先利用式（2）对其进行归一化，然后利用式（3）求出该指标评价云模型的期望值。图1正态云模型Fig.1Normalcloudmodel图2正态云发生器Fig.2Normalcloudgenerator(xiyi)ExEnHe正态云发生器ExHe3En10xMembershipdegree王广强等：基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估71中国舰船研究第13卷ìíîïïïï成本型：yi=ximax-xiximax-ximin效益型：yi=xi-ximinximax-ximin（2）Ex=(y1+y2++yn)/n（3）式中：xi为定量指标的不同状态值；ximax为xi的最大值；ximin为xi的最小值；yi为归一化后的指标状态值。对于定性指标：首先，由n名专家借助评语标尺进行评估，得到n个评语；然后，采用式（4）所示的综合云算法将所有评语进行换算，从而得到融合所有专家评估信息的该定性指标评价云模型的期望值。Ex=Ex1·En1+Ex2·En2++Exn·EnnEn1+En2++Enn（4）式中，Exi和Eni分别为n名专家给出的某个定性指标评价云模型的期望值和熵。在构建评语标尺云模型时，由专家分析确定每个评语在［0，1］的数量区间，然后利用式（5）求得各个评语云模型的数字特征［5］：ìíîïïEx=(Cmax+Cmin)/2En=(Cmax-Cmin)/6He=En/3（5）式中，Cmax和Cmin分别为专家给出评语区间的上限和下限。通过上述公式计算后，每个底层指标均由一个评价云模型表示。假设待评估系统可由p个指标进行评估，那么系统状态就可以用一个p维综合云表示，其云重心可由一个p维向量表示，即T=(T1T2TjTp)，其中j=1，2，，p。当系统状态发生变化时，该p维综合云的形状将随之变化，其重心也会相应地改变。假设该系统在理想状态下的云重心T0=(T01T02T0jT0p)，可利用式（6）对实际状态下的云重心T进行归一化，得到归一化的云重心TG=(TG1TG2TGjTGp)。其中，TGj=Tj-T0jmax(TjT0j)（6）在确定各指标权重wj的基础上，利用式（7）即可求得衡量云重心改变情况的加权偏离度θ：θ=åj=1pwjTGj（7）得到各级指标的加权偏离度后，就可以采用加权求和的方式求出总体指标的加权偏离度，从而得出最终的评估结果。2云重心评估方法的改进2.1考虑质量匹配度的云重心计算方法为评估舰船设计方案的质量，本文从一般产品质量的定义出发，给出舰船设计方案质量的定义，即通过该方案研制出的舰船装备所具有的一组固有特性能够满足海军需求或期望的程度。基于全面质量管理的要求，这一组固有特性既包括舰船的系统效能、增长潜力，还包括舰船装备的全寿命费用以及研制过程中的风险。按照上述定义分析，舰船设计方案质量实际上包括了两方面的含义：一方面是通过该方案研制的舰船装备所具备的特性水平α(0α1)；另一方面是海军