一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法

摘要

本发明公开了一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法，该方法包括以下步骤：S1、根据抗震救灾装备类别构建抗震救灾装备效能评估指标体系，并对指标分类；S2、归一化抗震装备效能评估指标；S3、利用层次分析法确定抗震救灾装备效能的指标权重；S4、根据所得到的单个指标效能值及其权重，基于效用函数法建立抗震救灾装备效能评估模型，根据该模型评估抗震救灾装备效能。本发明不仅能够发现现有抗震救灾装备的不足，而且能够抗震救灾装备的发展规划及性能优化提供了科学指导。

说明书

技术领域

本发明属于系统性能评估领域，尤其涉及一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法。

背景技术

地震具有难预测、毁灭性强、波及范围广等特点，并伴有滑坡、崩塌等众多次生灾害，严重危害人民的生命及财产安全。抢险救援是部队担负的“六大任务”之一，为提升部队的抗震救援能力，需要对现有抗震救灾装备进行效能评估，进一步科学谋划抗震救灾装备发展。

目前在国内救援方面，效能评估方面较多的是运用层次分析法结合另一种分析方法进行，较少的有运用BP神经网络、信息熵的未确知测度评估等模型的，其中，BP神经网络学习时间漫长、生成的神经网络验证较为困难，信息熵的未确知测度评估模型需要对各个指标都设计测度函数，工作量庞大；相反，层次分析法能够有机结合定量和定性指标，把复杂的问题化为多层次单目标问题，且所需定量指标少，计算简便、结果明确、易于了解掌握。在运用模糊层次分析法和灰色层次分析法进行指标量化的过程中，模糊综合评判法将定量指标、定性指标均进行了模糊评价，忽略了定量指标的客观因素，更加扩大化了人为的不确定性；灰色关联度分析法确定白化权函数时，人为选择灰数区间，在人为评价估值的基础上更增加了结果的模糊性和不确定性。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法。

本发明是这样实现的，一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法，该方法包括以下步骤：

S1、根据抗震救灾装备类别构建抗震救灾装备效能评估指标体系，并对指标分类；

S2、归一化抗震装备效能评估指标；

S3、利用层次分析法确定抗震救灾装备效能的指标权重；

S4、根据所得到的单个指标效能值及其权重，基于效用函数法建立抗震救灾装备效能评估模型，根据该模型评估抗震救灾装备效能。

优选地，步骤S1包括以下步骤：

S11、分析并确定抗震救灾装备及其指标影响因素；

S12、构建抗震救灾装备效能评估指标体系；

S13、对抗震救灾装备效能评估指标进行分类。

优选地，步骤S2中，分别利用梯形效用函数和模糊综合评价法对定量指标和定性指标进行归一化。

优选地，步骤S3包括以下步骤：

S31、构造抗震救灾装备效能评估指标判断矩阵；

S32、求解抗震救灾装备效能评估指标判断矩阵的最大特征根；

S33、对抗震救灾装备效能评估指标判断矩阵进行一致性检验。

优选地，步骤S4中，所述评估模型包括基于算术平均的抗震救灾装备效能评估模型以及基于幂指数的抗震救灾装备效能评估模型。

本发明通过分析抗震救灾装备的各项技战术指标，建立抗震救灾装备效能指标体系，为抗震救灾装备效能的评估，奠定指标评估基础，在此基础上，根据上述指标体系，分别利用梯形效用函数和模糊综合评价法对定量指标和定性指标进行归一化，为抗震救灾装备效能的评估提供数据支撑，再利用层次分析法确定抗震救灾装备效能的评估指标的权重，最后通过实例验证基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法的正确性和合理性。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明不仅能够发现现有抗震救灾装备的不足，而且能够抗震救灾装备的发展规划及性能优化提供了科学指导。

附图说明

图1是本发明抗震救灾装备效能评估方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中抗震救灾装备效能评估指标体系；

图3是本发明实施例中效益型指标的梯形效用函数图；

图4是本发明实施例中成本型指标的梯形效用函数图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种基于效用函数法的抗震救灾装备效能评估方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、构建抗震救灾装备效能评估指标体系

抗震救灾装备效能是预计救援装备在复杂的灾后环境中的能力，即救援装备在规定的条件和时间下，完成进入、搜索、开辟生命通道、救出任务的度量。立足抗震救灾任务的属性特点，结合当前部队救援分队的装备配备实际，构建抗震救灾装备效能评估指标体系。

S11、抗震救灾装备及其指标影响因素分析

抗震救灾装备可以分为侦检、搜索、破拆、顶撑、障碍物移除、绳索救援、动力照明和通信八大类。

S111、侦检装备

在抗震救灾行动中，能够对现场是否存在有毒有害气体、是否漏电漏气、水源是否被污染等情况进行检测确认的设备和器材称为侦检装备。由于侦检装备大多为电子精确仪器，影响其性能的主要指标有：指标检测的多样性、准确性、使用的便携性。

S112、搜索装备

在地震救灾行动中，能够通过精确搜索和定位确定幸存者位置的设备和器材称为搜索装备。决定搜索装备关键性能指标的因素有：最大探测距离、测距精度、穿透能力。

S113、破拆装备

在抗震救灾行动中，能够通过破、拆在废墟中创建生命通道的设备和器材称为破拆装备。破拆装备因功能不同种类繁多，具体使用要根据现场实际情况而定，携带种类越多，破拆效果会更大化。所以决定性指标除了切割深度、冲击能力这两个因素外，还有自身重量这一指标。

S114、顶撑装备

在抗震救援创建生命通道的过程中，能够对狭小空间进行顶升、已创部分进行顶撑的设备和器材称为顶撑装备。决定顶撑装备关键性能指标的因素有：最大开启距离、最大承重量和自身重量。

S115、障碍物移除装备

在抗震救援创建生命通道的过程中，经破拆、顶撑都无法满足条件时，在移动且不会引发二次伤害的前提下，能够转移大型障碍物的设备和器材称为障碍物移除装备。障碍物移除装备的核心参数指标为：可将移除最大距离、移除最大重量、自身重量。

S116、绳索救援装备

在抗震救灾行动中，能够为高空或者地下狭小空间的幸存者开设营救通道的绳索设备和器材称为绳索救援装备。因为作用对象为人，既要保证绝对安全，还要在与人体充分接触的过程中被接受，所以选取最大载荷、耐磨度、优化设计度作为决定性能指标。

S117、动力照明装备

在抗震救灾行动中，能够为现场提供能源动力，保障黑暗条件下继续作业的设备和器材称为动力照明装备。决定动力照明装备的关键性能指标因素有：最大照明范围、连续工作时间和自身机动性能。

S118、通信装备

在抗震救灾行动中，实施通信联络的设备和器材称为通信装备。由于地震对空气中的电磁波具有强烈的干扰作用，结合任务，选取对基础设施的依赖性、信号的稳定性、音视频清晰度作为效能指标。

S12、抗震救灾装备效能评估指标体系构建

综上所述，整理得到抗震救灾装备效能评估指标体系，如图2所示。

S13、抗震救灾装备效能评估指标分类

为了计算抗震救灾装备的效能评估指标，将图2中的三级指标分为定性和定量指标。其中，定性指标有检测的多样性C

定量指标中，最大探测距离C

令E

S2、归一化抗震装备效能评估指标

为了统一量纲，需要对式(1)中的效能评估指标进行归一化。本发明实施例分别利用梯形效用函数和模糊综合评价法对定量指标和定性指标进行归一化。

S21、基于梯形效用函数的定量指标归一化

常用的效用函数有三角形效用函数、梯形效用函数、拟合效用函数等，其中，梯形效用函数如图3、图4所示。

由图3可得，利用梯形效用函数对效益型指标归一化的公式为：

同理，根据图4可得，利用梯形效用函数对成本型指标归一化的公式为：

式(2)和式(3)中，α

S22、基于模糊综合评价法的定性指标归一化

模糊综合评价方法是运用模糊数学的基本原理，对边界不明、不宜进行定量分析的因素进行数学化。在评估抗震救灾装备过程中，由于部分指标具有模糊不确定性，针对这类问题，本论文基于模糊综合评价法对抗震救灾装备效能评估指标体系中的定性指标进行归一化。首先，制定评估等级{P

根据图2，令{P

表1指标赋值标准

根据表1，令

根据式(2)～式(4)对式进行归一化，可得抗震救灾装备效能评估指标归一化矩阵为：

其中，n

S3、抗震救灾装备效能指标权重计算

得到了抗震救灾装备效能评估指标归一化矩阵后，下面利用层次分析法确定抗震救灾装备效能的指标权重。

S31、构造判断矩阵

将图2指标体系分为3层，第1层E(目标层)为抗震救灾装备效能；第二层B(准则层)为细分的八大类装备；第三层C(指标层)为具体影响装备效能的参数指标。

通过专家学者和一线指战人员利用1-9标度分析法打分，得到判断矩阵为

其中，d

S32、求解最大特征根

求解各因素相对权重的方法通常有“和法”“根法”和“幂法”，本发明实施例采用“根法”对权重进行计算，其中n为阶数。

(1)先将每列求和，即

(2)对S

(3)计算最大特征值λ

令：

则：

S33、一致性检验

为了保证评估结果的唯一性，需要对判断矩阵D进行一致性检验，即：

其中RI的取值见表2。

表2 RI取值表

当CR＜0.1，认为判断矩阵的一致性可以接受，否则，要对判断矩阵再进行调整，直到获得满意的一致性。

根据式(6)～式(10)分别得到抗震救灾装备效能评估指标体系中{C

S4、抗震救灾装备效能评估基本流程

获得单个指标效能值及其权重后，下面建立抗震救灾装备效能评估模型，常用的方法有“算术平均法”和“幂指数法”。

(1)基于算术平均的抗震救灾装备效能评估模型为：

(2)基于幂指数的抗震救灾装备效能评估模型为：

效果实施例

本效果实施例对应上述方法实施例的步骤进行相应的操作。具体为：

S1、指标参数

通过查阅文献和部队调研，咨询专家得到图2中指标的原始参数见表3。

表3指标参数

S2、指标计算结果

表4定性指标计算结果

表5定量指标计算结果

S3、指标权重计算结果

寻找专家采用1～9标度法，分别给三级指标和二级指标的相对重要程度进行打分，得到对应的打分结果。

其中专家打分得到的抗震救灾装备效能二级指标的相对重要程度为：

由式(10)计算得到：

λ

进一步得到：

W

W

λ

W

(2)搜索装备三级指标判断矩阵

λ

W

(3)破拆装备三级指标判断矩阵

λ

W

(4)顶撑装备三级指标判断矩阵

λ

(5)障碍物移除装备三级指标判断矩阵

λ

(6)绳索救援装备三级指标判断矩阵

λ

(7)动力照明装备三级指标判断矩阵

λ

(8)通信装备三级指标判断矩阵

λ

S4、效能计算结果

S41、基于算术平均的抗震救灾装备效能评估模型计算结果

S42、基于幂指数的抗震救灾装备效能评估模型计算结果

根据评语对应的量化数值，此次评估结果为中。因此可见，(1)通过比较各指标权重，侦检装备和搜索装备的发展在抗震救灾装备发展中占据首要位置；(2)通过比较归一化的各指标值，侦检装备检测种类的多样性、搜索装备的测距精度、顶撑装备的自身重量、障碍物移除装备的移除最大距离、自身重量和动力照明装备的连续工作时间等方面性能还要不断提高，评估结果与实际情况比较符合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。