装备体系结构脆性及其评价方法
蒋卓1，2，＊，盛锴1，2
1.中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065
2.民机全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065
摘 要： 为了表征多元环境下装备体系在遭受自身或外部干扰和破坏后的抵抗能力，根据装备体系结构网络化的特点，在对其组成系统进行集对分析的基础上，对装备体系结构的脆性进行评价分析。该方法首先讨论了装备体系结构脆性及其传递机理，然后通过引入信息熵的概念来定量地评估了装备体系结构的脆性，用以衡量在危机因素发生时装备体系结构发生崩溃的不确定程度。最后，以舰载机保障体系为例，证明该脆性评价方法对于装备体系的设计具有一定的意义。
关键词： 装备体系；脆性；熵；集对分析
装备体系是指由多个装备系统组成，为完成一定作战目标而构建的更高层次的系统[1]。装备体系结构是对装备体系定性的描述，它的主要功能就是使子系统高效地综合在一起从而能够完成特定的使命[2]。对装备体系结构中存在的多种危机因素进行分析，并评价这些危机因素发生时体系发生崩溃的不确定程度即是体系结构的脆性分析，它是评价装备体系结构是否健壮的一种手段。
目前，国内关于装备体系的研究，多集中在航空航天、国防和通信等行业[3～5]，遇到的问题则往往需要在未经测试的多元环境下进行应急处理。面对这种情况，传统的装备体系结构评价方法难免有所局限[6]。国外针对体系的研究，多是集中在电力系统[7]、武器系统[8]等领域，这些研究普遍认为体系崩溃是由各组成系统的脆性触发和传递引起的。因此，开展装备体系结构脆性研究，不仅可以为装备体系结构的分析与评价提供有力的支撑，也为装备体系的设计、构建和演化发展提供了有益参考。
通过分析装备体系结构的脆性及其传递机理，本文引入熵和集对分析法来计算装备体系结构的脆性，给装备体系的评价提供了一种量化评价手段。最后，应用舰载机保障体系结构的脆性评价实例来验证该方法。
1 装备体系结构的脆性
装备体系结构是装备体系发挥能力的支撑，完整的装备体系结构主要包括：组成系统、组成系统间的交互、组成系统与环境的交互、结构的指导原则[9]。本文对于装备体系的研究从结构入手，借鉴复杂网络研究中脆弱性的说法，引入“脆性”这一特性来表征体系抵抗破坏或干扰的能力。
在现有研究中，关于脆性的定义有很多的讨论[10,11]，但都是从系统的角度考虑的，并没有给出装备体系结构脆性的定义。基于现有关于脆性的讨论以及装备体系结构的特性，本文认为，在不确定的环境中，若装备体系的组成系统或部分要素在危机因素（自身的疲劳或外界的干扰)的诱发下，其状态从有序转变成无序，并最终发生崩溃，而在与其他子系统交换信息和能量的过程中，出现无序的状态依次传递的连锁效应，并最终导致整个体系崩溃的特性，即为装备体系结构的脆性。
装备体系结构中首先发生崩溃的部分称为脆性源，因脆性传递而导致崩溃的部分称为脆性接收者，这一传递过程则称为脆性激发。考虑到装备体系结构的层次性以及脆性传递过程大多是横向和纵向共同作用的结果，本文将装备体系结构划分为体系结构级、组成系统级和危机因素级[12]。由于体系的脆性激发过程是由各组成系统之间的交互导致，因此，在体系结构的脆性激发过程研究中，研究组成系统之间的关系尤为重要。本文引入集对分析法来分析脆性激发中组成系统的脆性传递过程[13]。装备体系结构的脆性激发过程如图1所示。
根据集对分析法中对两两事物之间关系的分析，在脆性激发过程中，脆性源和脆性接收者之间存在三种脆性关系：同一性、对立性和差异性。
本系统处理器采用s3c2440，该芯片是三星公司推出的16/32RISC处理器，采用ARM920T内核，整体设计融合了MMU，AMBA BUS和Harvard结构，具有独立的16kB指令Cache和16kB数据Cache。Linux内核采用Linux2.6.30.4。图像采集设备采用中星微ZC301数字摄像头，该摄像头为USB接口。该终端的系统结构图如图1所示。
图1 装备体系结构脆性传递模型
Fig.1 Brittleness trigger model of equipment SoS architecture
2 基于熵的装备体系结构脆性评价
2.1 装备体系结构的网络描述
装备体系结构往往具有网络的特点，因此，本文将装备体系结构抽象成网络进行研究，组成系统表示为网络中的节点V ，组成系统间的交互表示为网络中的边E ，则装备体系结构可以表示为G =(V ,E )。
2.2 装备体系结构脆性熵
为了完成新的教育教学使命，材料类课程的任课教师还需在本课程原教学大纲的基础上修订出具体思政融入的专业课程思政大纲，该大纲要特别注重思想政治教育与材料专业教育的具体融合和直观体现。
式中：Fi 为第i 个危机因素，Pi 为第i 个危机因素发生的概率，Hi 为第i 个危机因素发生产生的信息，H (F 1,…,Fi ,…,Fn )就是n 个危机因素产生的总信息量，也就是脆性熵。
2.2.1 脆性熵的组成
脆性熵是衡量脆性激发不确定性的熵值，包括体系的各个组成系统发生崩溃可能性大小的熵值、系统之间发生脆性传递可能性大小的熵值以及体系从外界吸收信息和能量进行自我修复可能性大小的熵值，分别表示为脆性危机熵、脆性联系熵和负熵。由于装备体系中负熵发生的情况很难度量，因此，本文不给出负熵的计算，则装备体系结构脆性熵由脆性危机熵和脆性联系熵两部分组成，如图2所示。
党中央提出乡村振兴战略的总要求是产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕。总要求中，首要提出的就是产业兴旺，足以看出国家将乡村产业所放的地位。也只有产业先振兴，农民才有稳定的收入，生活才有依靠与希望，因此产业振兴才是乡村振兴的重点。
总之，传记史学和传记文学都可以为传记学所涵盖，传记学概念也可以成立，传记学是一个横跨文学、史学、社会学、人类学、心理学等人文社科领域的综合性学科，它是一种文化形态，以传记作品为主要研究对象，分为传记文学、传记史学、介于传记史学和传记文学的传记学。就传记史学而言，隶属史学学科领域，具体可以细分为中国古代传记史学、中国近现代传记史学、中国当代传记史学和外国古代传记史学、外国近现代传记史学、外国当代传记史学六个研究分支，这样看来传记史学大有研究之处。传记史学属于历史学科的范畴，是历史学的支庶，处于边缘学科的位置。
ERP系统体现了用户高端管理的个性需求，通过ERP的应用，能够大大降低会计人员的工作量，使财务数据输入、信息输入等工作都更加便捷，提高了工作人员的效率，由此可见，它对提升企业的财务管理工作以及企业的整体发展能力都具有积极的影响，主要表现在以下方面：
式中：E SoS为体系的脆性熵；E S为体系的脆性危机熵；E L为体系的脆性联系熵。
图2 装备体系结构脆性熵
Fig.2 Brittle entropy of equipment SoS architecture
2.2.2 脆性危机熵
当舰面勤务保障系统V 4在危机因素发生导致崩溃时，综合通信系统V 7脆性同一的危机因素构成集合{V 73,V 74,V 75,V 76,V 77}，脆性波动的危机因素构成集合{V 71,V 72}，由此可以分别计算出综合综合系统V 7与舰面勤务保障系统V 4之间的脆性关联概率，分别为：
式中：ES (j )为组成该体系的第j 个系统的脆性危机熵；Pi 为该组成系统第i 个危机因素发生的概率；m 为体系的组成系统的个数；n 为组成系统包含的危机因素的个数。
显而易见，体系结构的脆性熵也是一种信息熵，可以将其表示为：
甘薯可以代替一部分主食食用，但是不宜吃得过多。早在《本草纲目拾遗》中，古人就有提到：“中满者不宜多食，能壅气”。也就是说，胃酸多的人不宜多食甘薯，吃得过多会反酸，反而对身体不利。如果过量食用甘薯，肠胃内容易产生大量二氧化碳，引起肠胀气，严重的还会让人有烧心的感觉。
则|x(t)|≤A1，|y(t)|≤A2，|u(t)|≤A3，|v(t)|≤A4，其中A1=max{x*,x*}，
2.2.3 组成系统的状态矢量
体系结构中组成系统的状态矢量可以更直观地反映系统间的脆性传递过程。状态矢量可以描述为：
式中：Vj 为第j 个组成系统的状态矢量，vji 为第j 个组成系统第i 个危机因素的激发情况，且：
由于初始状态时舰载机保障体系结构的脆性未激发，9个组成系统初始状态矢量见表2。
信息熵是描述离散系统从有序到无序状态的一个重要物理量[14]，而装备体系的崩溃正是这样一个变化过程。若一个概率系统有n 个危机因素都会导致系统发生崩溃，其中任意一个危机因素以一定的概率出现都会产生信息，这些信息就是危机因素导致系统发生崩溃的不确定性的度量。该系统所产生的总信息量也就是脆性熵，且有：
体系结构由多个系统组成，各个组成系统的脆性激发状态可以用状态变量表示，考虑到体系结构的复杂性，引入脆性关联矩阵优化脆性联系熵的计算。
体系结构的脆性激发过程中，若组成系统Vi 发生崩溃，则组成系统Vj 与组成系统Vi 发生脆性同一、脆性对立和脆性波动的概率可以用状态矢量表示，分别是p (vji ｜Vi )、q (vji ｜Vi )、r (vji ｜Vi )，且满足p (vji │Vi )+q (vji │Vi )+r (vji │Vi )=1。
则可建立系统V 1到系统Vm 的脆性同一矩阵A ：
因为不考虑体系结构中组成系统崩溃对自身的脆性联系的影响，因此脆性同一概率p (v 11|V 1)=p (v 22|V 2)=…=p (vmm |Vm )= 0。同理，也可以得到脆性对立矩阵B 和脆性波动矩阵C 。
考虑到组成系统之间的脆性关联应该是由脆性同一、对立和波动的共同体现。因此，装备体系结构中组成系统的脆性关联矩阵可表示为：
式中：L 为m ×m 阶体系结构脆性联系矩阵；wa ，wb ，wc 为权系数，分别反映了三种脆性联系对脆性传递过程的影响程度，在工程应用时可由专家评判来给出具体权重系数。
2.2.5 脆性联系熵
脆性联系熵是度量装备体系结构中脆性传递过程的不确定程度。整个体系结构脆性联系熵为：
式中：L 为体系结构脆性联系矩阵，ljk 为脆性联系矩阵中第j 行k 列的元素。
2.3 体系结构脆性评价步骤
（1)给出舰载机保障体系结构图
3 案例分析
本文以舰载机保障体系为例来说明体系结构的脆性评价方法的应用。在航母作战体系或航母战斗群中，大多数作战使命都由舰载机来完成，因此，舰载机是航母战斗群发挥战斗力的重要部分。同时，给舰载机提供保障的众多保障系统具备体系的特征，属于保障体系，其保障舰载机的出动和回收从而形成航母战斗群的核心力量。由于在舰载机保障体系中存在着众多危机因素，这些危机因素的发生会导致组成系统发生故障或崩溃，从而导致舰载机的出动架次率不能达到预定目标，严重影响整个航母战斗群作战任务的执行情况。因此，对舰载机保障体系进行脆性分析并找到导致体系崩溃的薄弱环节，对于舰载机保障体系的设计和分析至关重要。
3.1 构建危险因素集
根据舰载机保障体系结构和地理条件、任务气候等特点，分析构成舰载机保障体系的9个组成系统的危机因素，从而可以建立脆性评价的危险因素集。舰载机保障体系结构中组成系统及导致各组成系统发生崩溃的危机因素见表1。
3.2 计算脆性熵
根据上述体系结构脆性熵的定义，本文提出的基于熵的体系结构脆性评价方法，其具体步骤如下：（1)根据体系的特性，构建体系结构脆性评价的危险因素集。首先将体系分割成几个系统进行评估，然后根据系统的特点给出脆性激发的危险因素。（2)根据体系的组成系统的危机因素确定组成系统状态矢量。因为初始状态体系结构的脆性不激发，所以状态矢量一般为零。（3)根据组成系统的状态矢量以及组成系统间脆性同一、对立、波动的关联，得到体系结构的脆性联系矩阵。（4)根据脆性联系矩阵和熵的计算公式，计算出体系结构的脆性熵。（5)分析脆性熵的计算结果，得出结论。
可以将舰载机保障体系结构抽象成一个网络，每个组成系统就是一个节点。舰载机保障体系结构拓扑如图3所示。
（2)计算舰载机保障体系的脆性危机熵
由式(3)可以得到舰载机保障体系的脆性危机熵为：
其中各组成系统的脆性危机熵见表2。
云制造[28]是一种通过制造资源和制造能力的流通达到规模收益、实现分散资源的共享与协同的制造新模式，它融合了云计算、物联网、智能科学和高效能计算等技术，以最大化制造资源和制造能力的使用效率为目标，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，形成云制造服务池，并进行统一经营和管理。云制造服务平台为制造全生命周期过程提供动态获取、按需使用和优质廉价的云服务。因此研究云制造服务供需匹配问题具有十分重要的现实意义和应用价值。
（3)给出各组成系统的初始状态矢量
2.2.4 组成系统的脆性联系矩阵
（4)计算体系结构的脆性联系矩阵
为了验证算法的有效性，分别采用美国国防部高级研究计划局(DARPA)支持的MSTAR公开数据集和陕西渭南地区的高分辨率SAR图像进行目标和场景分类实验。实验基于caffe深度学习框架构造卷积神经网络，具体环境为：i7-6700(3.4 GHz，四核)，16 GB内存，卷积神经网络训练过程采用GPU加速。
体系的脆性危机熵是用来度量整个体系结构发生崩溃的可能性大小，它是体系的各个组成系统的脆性危机熵的加和，根据脆性熵函数的形式，体系结构的脆性危机熵可以表示为：
表1 舰载机保障体系结构中的危机因素集
Table 1 Risk factors sets of carrier aircraft support SoS architecture
图3 舰载机保障体系结构图
Fig.3 Graph of aircraft support SoS architecture
表2 各组成系统的脆性危机熵和初始状态矢量
Table 2 Brittle entropy and initial state vector of each components
同理，根据最大崩溃路径P max=(V 4,V 1,V 5,V 6,V 2,V 3,V 7,V 8,V 9)，可以得到其他发生脆性传递的系统间的脆性联系。然后，根据式(5)可建立舰载机保障体系结构的脆性同一矩阵A 、脆性对立矩阵B 、脆性波动矩阵C 依次为：
根据舰载机保障体系的特点，综合各种因素后由专家评判赋予舰载机保障体系结构中脆性联系矩阵权系数wa =0.7,wb =0.1,wc =0.2，由式(6)可得到脆性联系矩阵：
（5)计算体系结构的脆性联系熵
根据式(7)可得舰载机保障体系结构的脆性关联熵为：
（6)求出体系结构的脆性熵
舰载机保障体系结构脆性熵包括各个组成系统的脆性危机熵和组成系统之间的脆性联系熵，所以最终计算出舰载机保障体系结构的脆性熵为：
为了增大壁板桩总体承载力，宜在浇注施工对桩端和桩侧进行注浆加固。注浆之前，要选择有代表性的桩进行注浆试验，确定合适的注浆参数。宜在桩身混凝土初凝后(3～5天)，先注少量清水疏通管路，待桩体达到70%强度后再开始注浆，注浆量控制在3～6 m3。具体如下：①沿轴线方向预埋2根注浆管，注浆管采用直径为89 mm钢管，其长度超过桩长1000 mm，其底端用土工布封堵，在钢筋笼施工结束后对称固定在钢筋笼上；②注浆材料采用水泥单液浆，水灰比0.9∶(1.0～1.1)；③注浆压力控制在1.0～1.2 MPa，具体压力待第一次注浆试验后确定；④注浆流量控制在30 L/min，桩顶上抬标高≤10 mm。
3.3 结果分析
对于以上舰载机保障体系结构的脆性熵计算结果，可以从两个层面进行分析。
（1)组成系统层面
单独分析舰载机保障体系中各组成系统的脆性危机熵时，指挥控制系统的脆性危机熵大于其他8 个组成系统的脆性危机熵，这说明当舰载机受到内部或者外部打击时，指挥控制系统极易发生崩溃，且崩溃后对整个舰载机保障体系的影响最大。因此，在设计构建舰载机保障体系时，需要重点关注指挥控制系统的脆性及其危机因素，降低其发生崩溃的可能。
（2)体系结构层面
综合分析舰载机保障体系的脆性危机熵和脆性联系熵，因为其脆性联系熵大于脆性危机熵，说明相比于组成系统自身崩溃导致的脆性激发，系统之间的脆性关联更容易导致舰载机保障体系的崩溃，因此，在分析和设计、构建舰载机保障体系结构时，需要着重降低各个组成系统之间的脆性关联，尤其强调降低关键组成系统于其他系统的脆性联系，这样能够更加有效地降低舰载机保障体系结构的脆性，从而提高最终体系的可靠性。
4 结论
本文通过引入脆性的概念，结合熵理论和集对分析法，为装备体系结构的评价提供了新的方法。通过分析，可以得出以下结论：
国家体育总局于2000年就开始在全国范围内推动建设青少年体育俱乐部，截至2015年底该项工作已经开展了16年，共资助创建了4828个青少年体育俱乐部。公办学校的体育场馆设施是国家投资建设和维护的，是青少年学生首先享受的一项福利，从这个方面来讲，如果依托学校场馆运营学生课外俱乐部，场馆的运营成本几乎为零，成本将得到极大的降低，而且学校本身都有一定数量的体育专业教师，管理起来也比较方便，如果运营得当的话，对普通学生来说，肯定是课外体育锻炼很好的选择。
（1)装备体系结构脆性的概念的提出，为装备体系的评估和分析提供了新的思路。
（2)通过集对分析理论，建立了体系中各组成系统之间的失效关联模型，对体系的失效过程分析提供了一定的借鉴作用。
（3)引入脆性熵这样一个体系结构评价的新指标，不仅能够定量分析体系各个组成系统的重要度，还为体系的保障与维护提供一定的决策。
为使该方法适用性更加广泛，对装备体系进行脆性评价时应该进一步考虑自恢复对体系结构的影响。
以V2O5为掺杂源,采用水热法成功制备了V掺杂Bi2MoO6光催化剂,研究了掺杂量对Bi2MoO6结构和性能的影响,并利用XPS、XRD、SEM、UV-vis DRS和PL等手段对其进行表征和分析。结果表明:V掺杂并没有影响催化剂的晶型,掺杂前后Bi2MoO6均为斜方晶系;但掺杂抑制晶粒生长,掺杂后光吸收性能增强,禁带宽度变窄,光生电子-空穴对复合率降低。掺杂V后样品的活性得到了有效提高,V掺杂量为1.0% 的样品的光催化活性最佳,光照50min后对罗丹明B的降解率达73%左右,较纯Bi2MoO6提高了21%。
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Brittleness of Equipment System-of-System Architecture and Evaluation Method
Jiang Zhuo1，2，＊，Sheng Kai1，2
1.China Aircraft Strength Research Institute ，Xi 'an 710065 ，China
2.Research Institute of AVIC Full Scale Aircraft Structural Statics/Fatigue Lab. ，Xi 'an 710065 ，China
Abstract: In order to reflect the ability to resist disruptions of the equipment System-of-Systems (SoS), which is always under multiple conditions, after the influence of both intra and extra disruptive events, according to the characteristics of networked equipment SoS architecture, an effective brittleness evaluation method was proposed on the basis of set pair analysis.In the method,brittleness of equipment SoS architecture and its trigger mechanism were discussed firstly, then, brittle entropy was introduced to evaluate the brittleness of equipment SoS architecture, so as to measure the degree of uncertainty whether the system fail when risk factors occurred.Finally, taking brittleness evaluation of aircraft support SoS architecture as an example, application of the method is meaningful for design of equipment SoS.
Key Words: equipment SoS; brittleness; entropy; set pair analysis
中图分类号： V271.4+92
文献标识码： A
DOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.007
收稿日期： 2019-01-31；
退修日期： 2019-02-18；
录用日期： 2019-02-25
＊通信作者 .Tel.： 18592017428E-mail： faltas_tu@163.com
引用格式： Jiang Zhuo，Sheng Kai.Brittleness of equipment system-of-system architecture and evaluation method[J].Aeronautical Science ＆ Technology，2019，30（03）：35-40.蒋卓，盛锴.装备体系结构脆性及其评价方法[J].航空科学技术，2019，30（03）：35-40.
作者简介
蒋卓（1993- ）男，硕士研究生，工程师。主要研究方向：复杂系统与可靠性的交叉研究，飞行器强度试验研究。
Tel：18592017428
为缓解北方缺水地区水资源严重短缺的局面，保持经济社会可持续发展，2002年12月国务院批准了《南水北调工程总体规划》（以下简称《总体规划》），并开工建设东中线一期工程。按照建设目标，东线一期工程于2013年通水，中线一期工程2013年完成主体工程，2014年汛后通水。南水北调工程的建设，将从根本上改善受水区缺水状况，目前普遍存在的挤占农业和生态用水、过度开采地下水等现象得到有效遏制。而探索建立合理的水价形成机制是确保南水北调工程建成后良性运行和充分发挥工程效益的重要保证。
E-mail：faltas_tu@163.com
Received: 2019-01-31；
Revised: 2019-02-18；
Accepted: 2019-02-25
＊Corresponding author.Tel.: 18592017428E-mail: faltas_tu@163.com
标签：装备体系论文; 脆性论文; 熵论文; 集对分析论文; 中国飞机强度研究所论文; 民机全尺寸飞机结构静力论文; 疲劳实验室论文;