夏國(guó)清, 欒添添, 孫明曉, 仲偉東, 劉彥文
(1. 哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001;2. 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所, 上海 200011)
航母是現(xiàn)代海上作戰(zhàn)的重要組成,隨著世界各國(guó)對(duì)領(lǐng)海安全的重視,研究航母作戰(zhàn)能力成為新的熱點(diǎn)。航母作戰(zhàn)能力主要體現(xiàn)為艦載機(jī)的出動(dòng)能力[1-3]。研究對(duì)比不同作戰(zhàn)方案的艦載機(jī)出動(dòng)能力有利于最終作戰(zhàn)方案的確定[4-5]。因此,評(píng)估艦載機(jī)出動(dòng)能力具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
由于影響艦載機(jī)出動(dòng)能力的因素?cái)?shù)量多且關(guān)系復(fù)雜,因此評(píng)估的重點(diǎn)在于權(quán)重系數(shù)的確定。通常,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)估,采用主觀的層次分析法(analytic hierarchy process, AHP),通過專家評(píng)分獲得最終的評(píng)估結(jié)果。文獻(xiàn)[6]提出了螢火蟲算法-層次分析算法,從全局對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)AHP中各要素的排序權(quán)值進(jìn)行全局最優(yōu)求解,實(shí)現(xiàn)算法參數(shù)少、求解簡(jiǎn)單、收斂速度快的目的。文獻(xiàn)[7]考慮在確定綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重的過程中,采用改進(jìn)的可拓層次分析法與動(dòng)態(tài)加權(quán)法有機(jī)結(jié)合的方法,既能夠解決同類型指標(biāo)權(quán)重難以確定的問題,又能夠綜合考慮專家的個(gè)體差異及人為判斷的柔性因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的主觀影響。文獻(xiàn)[8]提出一種新的相對(duì)基偏好表示方法,在多個(gè)等級(jí)上同時(shí)刻畫成對(duì)方案間的優(yōu)于、劣于、無差異和不確定4種關(guān)系。文獻(xiàn)[9]整合了層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法。文獻(xiàn)[10]利用模糊層次分析法解決了多準(zhǔn)則決策模型問題。文獻(xiàn)[11]基于歐洲質(zhì)量管理基礎(chǔ)提出了一種結(jié)合模糊邏輯、層次分析法和業(yè)務(wù)研究方法。然而,這些評(píng)估方法主觀性和片面性較強(qiáng),容易忽略較多評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)性和矛盾性等聯(lián)系,因此難以對(duì)多元評(píng)估對(duì)象進(jìn)行全面客觀地評(píng)價(jià)。
由于艦載機(jī)出動(dòng)能力指標(biāo)較多,各個(gè)指標(biāo)之間可能存在一定的相關(guān)性,而指標(biāo)間相關(guān)將對(duì)評(píng)估對(duì)象產(chǎn)生重復(fù)信息。而主成分約簡(jiǎn)法能夠從眾多相關(guān)的指標(biāo)中約簡(jiǎn)出相互獨(dú)立的指標(biāo),并且保證約簡(jiǎn)后數(shù)據(jù)信息損失最小。文獻(xiàn)[12]提出基于Lp-模的稀疏主成分分析降維方法,通過極大化帶有稀疏正則項(xiàng)的Lp-模樣本方差,使得其在降維的同時(shí)保證了稀疏性和魯棒性。文獻(xiàn)[13]根據(jù)主成分分析法的降維去噪技術(shù)和核獨(dú)立成分分析法的盲源分離技術(shù),提出了一種關(guān)于兩者的融合方法。文獻(xiàn)[14]提出一種基于互信息的主成分分析特征選擇算法,該算法計(jì)算特征間的互信息,以互信息矩陣的特征值作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定主成分的個(gè)數(shù),并衡量主成分分析特征選擇的效果。文獻(xiàn)[15]在粒子濾波框架下,提出了一種基于概率主成分分析表觀模型的視覺跟蹤算法。文獻(xiàn)[16]提出一種新的空間稀疏數(shù)據(jù)的主成分分析預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[17]利用主成分分析法和模糊決策樹解決分類問題。
突變級(jí)數(shù)法沒有對(duì)指標(biāo)采用權(quán)重,但它考慮了各評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要性,從而減少了主觀性又不失科學(xué)性、合理性,而且計(jì)算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[18]將突變級(jí)數(shù)理論應(yīng)用于礦場(chǎng)頂板安全分類中。文獻(xiàn)[19]將粗糙集理論與突變級(jí)數(shù)理論相結(jié)合來分析土地生態(tài)過程。文獻(xiàn)[20]將突變級(jí)數(shù)法和指標(biāo)偏離度思想相結(jié)合提出基于突變級(jí)數(shù)法的障礙診斷模型。
本文利用主成分約簡(jiǎn)方法結(jié)合突變級(jí)數(shù)方法(principal component reduction and sudden change progression method, PCR-CPM)對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)能力進(jìn)行客觀評(píng)估,避免傳統(tǒng)的評(píng)估方法主觀性較強(qiáng)和評(píng)估過程復(fù)雜的特點(diǎn),本文主要結(jié)構(gòu)如下:首先,確定艦載機(jī)出動(dòng)能力指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu);其次,利用主成分約簡(jiǎn)方法將具有相關(guān)性的原始指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立的主分量;然后,利用突變級(jí)數(shù)方法對(duì)相互獨(dú)立的主分量進(jìn)行評(píng)估計(jì)算;最后,通過與傳統(tǒng)的評(píng)估方法進(jìn)行比較,驗(yàn)證新的綜合評(píng)估方法的有效性和可靠性。
目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于航母的使用經(jīng)驗(yàn)很少,作為理論研究,借鑒國(guó)外相關(guān)研究成果來指導(dǎo)評(píng)估指標(biāo)體系的建立。利用遞歸層次法建立具有層次性、相關(guān)性和矛盾性的三級(jí)評(píng)估指標(biāo)體系。圖1總結(jié)了國(guó)外常用的艦載機(jī)出動(dòng)能力評(píng)估指標(biāo)[1-3]。
圖1 指標(biāo)體系Fig.1 Index system
各個(gè)指標(biāo)定義如下:
(1) 緊急架次率(單位:架次):按一定的戰(zhàn)備警戒等級(jí),在幾分鐘或十幾分鐘內(nèi),已經(jīng)準(zhǔn)備好起飛的艦載機(jī)以最快速度能起飛的數(shù)量。
(2) 高峰出動(dòng)架次率(單位:架次/天):航母在短時(shí)間內(nèi)(4天)高強(qiáng)度出動(dòng)時(shí),平均一天出動(dòng)的架次。
(3) 持續(xù)出動(dòng)架次率(單位:架次/天):航母在持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間內(nèi)(30天),平均一天能出動(dòng)的架次。
(4) 能執(zhí)行任務(wù)率(單位:%):在一定的飛行計(jì)劃和后勤維修供應(yīng)能力條件下,艦載機(jī)至少能執(zhí)行一項(xiàng)規(guī)定任務(wù)的時(shí)間所占的比例。
(5) 因等待備件不能執(zhí)行任務(wù)率(單位:%):由于等待供給系統(tǒng)的備件而不能執(zhí)行任務(wù)的艦載機(jī)所占的比例。
(6) 因等待維修不能執(zhí)行任務(wù)率(單位:%):由于維修原因(正在維修或等待維修人員)使艦載機(jī)處于故障狀態(tài)的時(shí)間所占的比例。
(7) 架次完成率(單位:%):按計(jì)劃完成出動(dòng)的架次占原計(jì)劃出動(dòng)架次的比例。
(8) 飛行員利用率(單位:次/天):指飛行員平均每天的使用次數(shù),包括:順利起飛的架次,備用架次,以及起飛中斷的架次。
(9) 單機(jī)飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)概率(單位:%):在一定的約束條件下,在給定時(shí)間內(nèi),單架艦載機(jī)能實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃的概率。
(10) 單機(jī)日出動(dòng)架次(單位:架次/天):在一定的約束條件下,單架艦載機(jī)每天為完成特定任務(wù)而起飛、飛行和著艦的架次數(shù)。
(11) 再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間(單位:分鐘):在一定資源配置條件下,艦載機(jī)降落后準(zhǔn)備再次出動(dòng)所需要的時(shí)間。
(12) 彈射間隔時(shí)間(單位:分鐘):單部彈射器彈射一架飛機(jī)所需的平均時(shí)間。
(13) 起飛中斷率(單位:%):起飛前因故障或其他原因終止起飛的架次占所有預(yù)飛架次的比例。
(14) 回收間隔時(shí)間(單位:分鐘):回收一架艦載機(jī)所需要的平均時(shí)間。
(15) 復(fù)飛率(單位:%):進(jìn)場(chǎng)的艦載機(jī)未能成功著艦而復(fù)飛的次數(shù)占艦載機(jī)總進(jìn)場(chǎng)次數(shù)的比例。
由于艦載機(jī)出動(dòng)能力指標(biāo)較多,各個(gè)指標(biāo)之間可能存在一定的相關(guān)性,而指標(biāo)間相關(guān)將對(duì)評(píng)估對(duì)象產(chǎn)生重復(fù)信息。利用主成分約簡(jiǎn)法,能夠從眾多相關(guān)的指標(biāo)中約簡(jiǎn)出相互獨(dú)立的指標(biāo),并且保證約簡(jiǎn)后數(shù)據(jù)信息損失最小。
主成分約簡(jiǎn)通過比較各個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)值確定指標(biāo)的重要程度。
主成分約簡(jiǎn)步驟如圖2所示。
圖2 約簡(jiǎn)過程Fig.2 Process of reduction
具體步驟如下:
步驟1指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化
由于各個(gè)指標(biāo)的量綱不同,存在不可公度性問題,需要對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理,通過數(shù)值變換來消除指標(biāo)間的量綱影響。對(duì)于原始數(shù)據(jù)矩陣X=[xij]n×m,n為對(duì)象數(shù)量,m為指標(biāo)數(shù)量,采用Z-Score法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理為Z=[zij]n×m:
(1)
步驟2確定指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣R
R=[rjk]m×m,rii=1
rjk=rkj
(2)
步驟3確定R陣的特征根
R的特征方程為
|λgIm-R|=0
(3)
式中,λg(g=1,2,…,m)為特征根,表明分量的重要性。
步驟4確定R陣的特征向量
由方程組求特征向量
[λgIm-R]Lg=0
(4)
式中,L是m維實(shí)向量。
步驟5確定R陣的貢獻(xiàn)率
αg為貢獻(xiàn)率,其表達(dá)式為
(5)
步驟6確定主分量的個(gè)數(shù)K
將各個(gè)分量按照貢獻(xiàn)率大小排序,如果原始個(gè)數(shù)較多,則取前K個(gè)代表所有分量。
(6)
根據(jù)α(K)≥95%確定主分量個(gè)數(shù)。
最終可以將m個(gè)相關(guān)指標(biāo)約簡(jiǎn)為K個(gè)不相關(guān)的主分量fi1-fiK。
(7)
經(jīng)過約簡(jiǎn)之后的指標(biāo)體系如圖3所示。
圖3 約簡(jiǎn)后指標(biāo)體系Fig.3 System after reduction
在制定艦載機(jī)作戰(zhàn)方案的過程中,需要從多個(gè)備選方案中快速選出最優(yōu)方案。按照突變級(jí)數(shù)法,所得突變級(jí)數(shù)化為0-1的數(shù),突變級(jí)數(shù)越大的方案較好。
突變級(jí)數(shù)方法步驟如圖4所示。
圖4 突變級(jí)數(shù)評(píng)估過程Fig.4 Evaluation process with catastrophe progression method
步驟1確定突變?cè)u(píng)估指標(biāo)體系的突變系統(tǒng)類型
根據(jù)指標(biāo)的子指標(biāo)數(shù)量確定突變系統(tǒng)模型,如表1所示。表1中勢(shì)函數(shù)是7種初等突變類型的常見的3種,根據(jù)一個(gè)指標(biāo)可以分解的子指標(biāo)個(gè)數(shù)確定突變函數(shù)。如果可分解為2個(gè)子指標(biāo),系統(tǒng)可視為尖點(diǎn)突變系統(tǒng)。如果可分解為3個(gè)子指標(biāo),系統(tǒng)可視為燕尾突變系統(tǒng)。如果可分解為4個(gè)子指標(biāo),系統(tǒng)可視為蝴蝶突變系統(tǒng)。
表1 突變系統(tǒng)
表1中,f(x)為一個(gè)指標(biāo)x的勢(shì)函數(shù);a,b,c和d為子指標(biāo),重要性從高到低。
步驟2歸一公式
通過對(duì)勢(shì)函數(shù)f(x)求一階倒數(shù)得到臨界點(diǎn),其表達(dá)式為
f′(x)=0
(8)
通過對(duì)勢(shì)函數(shù)f(x)求二階倒數(shù)得到奇點(diǎn),其表達(dá)式為
f″(x)=0
(9)
將x消掉,求出歸一公式。
步驟2.1尖點(diǎn)突變系統(tǒng)分解形式的分歧點(diǎn)集方程為
a=-6x2,b=8x3
(10)
化為突變模糊隸屬函數(shù),即如下歸一公式:
xa=a1/2,xb=b1/3
(11)
式中,xa為對(duì)應(yīng)a的x值;xb為對(duì)應(yīng)b的x值。
步驟2.2燕尾突變系統(tǒng)分解形式的分歧點(diǎn)集方程為
a=-6x2,b=8x3,c=-3x4
(12)
化為突變模糊隸屬函數(shù),即如下歸一公式:
xa=a1/2,xb=b1/3,xc=c1/4
(13)
步驟2.3蝴蝶突變系統(tǒng)分解形式的分歧點(diǎn)集方程為
a=-10x2,b=20x3,c=-15x4,d=4x5
(14)
化為突變模糊隸屬函數(shù),即如下歸一公式:
(15)
歸一公式實(shí)質(zhì)上是一種多維模糊隸屬函數(shù)。
步驟3綜合評(píng)估
當(dāng)存在多種方案時(shí),取每個(gè)方案的目標(biāo)為A1,A2,…,Am,則最優(yōu)結(jié)果為
C=A1∩A2∩…∩Am
(16)
相應(yīng)的隸屬函數(shù)為
μ(x)=μA1(x)∧μA2(x)∧…∧μAm(x)
(17)
式中,μAi(x)為Ai的隸屬函數(shù),為最小目標(biāo)值。
選取“尼米茲”航母在1997年的高強(qiáng)度演習(xí)為評(píng)估對(duì)象[1],為保證主成分約簡(jiǎn)的科學(xué)性,隨機(jī)抽取10個(gè)方案作為樣本,數(shù)據(jù)如表2~表5所示。
表2 架次率能力指標(biāo)
表3 艦載機(jī)可用度能力指標(biāo)
表4 任務(wù)完成能力指標(biāo)
表5 保障和彈射回收能力指標(biāo)
以保障和彈射回收能力X4指標(biāo)的主成分約簡(jiǎn)為例。
步驟1標(biāo)準(zhǔn)化
采用Z-Score法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,結(jié)果如圖5所示。
圖5 X標(biāo)準(zhǔn)化Fig.5 Standardization of X
步驟2指標(biāo)數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)矩陣
R=
(18)
步驟3相關(guān)系數(shù)矩陣特征根
(19)
步驟4相關(guān)系數(shù)矩陣特征向量
(20)
步驟5計(jì)算貢獻(xiàn)率
(21)
步驟6確定主分量個(gè)數(shù)
取α(K)≥95%,將α按照由大到小順序排列:
(22)
當(dāng)K=4時(shí),α(K)=95.24%≥95%。
步驟7確定約簡(jiǎn)主分量
由特征根、特征向量和主分量個(gè)數(shù)最終確定保障和彈射回收能力X4指標(biāo)的約簡(jiǎn)主分量f41、f42、f43和f44:
(23)
同理,重復(fù)步驟1~步驟7,可以確定架次率能力X1指標(biāo)、艦載機(jī)可用度能力X2指標(biāo)和任務(wù)完成能力X3指標(biāo)的約簡(jiǎn)主分量:
(24)
(25)
(26)
由式(23)~式(26)和貢獻(xiàn)率,可得到綜合得分模型:
(27)
根據(jù)式(27)可知各個(gè)子指標(biāo)的重要性,權(quán)重確定圖如圖6所示。
圖6 主成分分析權(quán)重Fig.6 Weights of principal components
從圖6中可以直觀了解各個(gè)子指標(biāo)的重要性的高低。同時(shí),由圖6可知,最重要的子指標(biāo)為飛行員利用率和架次完成率,其指標(biāo)權(quán)重遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)的權(quán)重。
約簡(jiǎn)后的指標(biāo)體系如圖7所示。
突變級(jí)數(shù)評(píng)估步驟:
步驟1計(jì)算約簡(jiǎn)主分量評(píng)估值并歸一化
以架次率能力X1指標(biāo)的主分量f11,f12和f13的歸一化為例,結(jié)果如表6所示。
圖7 約簡(jiǎn)后指標(biāo)體系Fig.7 Reduced system
方案f11f12f1310.53010.57160.622520.31340.61650.731430.54510.4590040.432011500.65930.212760.55410.42820.446370.98630.32990.327380.05320.69860.08159100.2813100.23900.76880.4574
步驟2根據(jù)突變類型,計(jì)算評(píng)估值
計(jì)算指標(biāo)X1,X2,X3和X4突變級(jí)數(shù)評(píng)估值。由于X1和X2子指標(biāo)個(gè)數(shù)為3,突變類型為燕尾型。由于X3和X4子指標(biāo)個(gè)數(shù)為4,突變類型為蝴蝶型。因此,計(jì)算評(píng)估值如表7所示。
表7 指標(biāo)X4突變級(jí)數(shù)評(píng)估值
步驟3計(jì)算X評(píng)估值
由于指標(biāo)X子指標(biāo)個(gè)數(shù)為4,突變類型為蝴蝶型,最終10個(gè)方案的評(píng)估結(jié)果如表8所示。
表8 指標(biāo)X突變級(jí)數(shù)評(píng)估值
為了驗(yàn)證基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)評(píng)估方法的有效性,將本文提出的PCR-CPM評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的模糊AHP(fuzzy AHP, F-AHP)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。兩種評(píng)估結(jié)果的偏差如圖9所示。
圖8 評(píng)估結(jié)果對(duì)比Fig.8 Evaluation comparison
圖9 評(píng)估結(jié)果的偏差Fig.9 Evaluation deviations
由圖8和圖9可知,基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)評(píng)估結(jié)果與AHP評(píng)估結(jié)果基本一致,說明基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)評(píng)估方法是有效可靠的,同時(shí)避免了AHP評(píng)估方法的依靠專家的主觀賦權(quán)問題,能夠較為客觀地評(píng)估方案的優(yōu)劣。
對(duì)于方案5的評(píng)估,AHP的評(píng)估結(jié)果為0.667 8,本文所提方法的評(píng)估結(jié)果為0.623 3,AHP的評(píng)估結(jié)果較高,而方案5中持續(xù)出動(dòng)架次率為170架/天,與其他方案相比最低,因等待維修不能執(zhí)行任務(wù)率為18%,與其他方案相比最高,剩余指標(biāo)與其他方案相近,通過分析可知持續(xù)出動(dòng)架次率和因等待維修不能執(zhí)行任務(wù)率是較為重要的兩個(gè)指標(biāo),因此這個(gè)方案的評(píng)估值應(yīng)與其他方案的評(píng)估值差距較大,AHP的評(píng)估結(jié)果顯示其與方案3的結(jié)果接近,這是由于主觀賦權(quán)時(shí)只體現(xiàn)了指標(biāo)之間哪個(gè)更為重要,但是指標(biāo)之間的差距大小受主觀影響可能存在與實(shí)際結(jié)果不符的情況。而本文所提方法避免了主觀影響對(duì)結(jié)果造成的影響,更為客觀可信。
因此,所選的10個(gè)方案的優(yōu)劣可以根據(jù)綜合評(píng)估值確定,結(jié)果如圖10所示。
圖10 方案優(yōu)劣排序Fig.10 Scenarios order
由圖10可知,10個(gè)方案中最好的方案為方案4,綜合評(píng)估值為0.971 9,最差的方案為方案5,綜合評(píng)估值為0.623 3。
因此,基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)綜合評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)能力的指標(biāo)重要性分析和方案排序,保證了評(píng)估的客觀性、可靠性和快速性。
本文給出了基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)的艦載機(jī)綜合評(píng)估方法,得到以下結(jié)論:
(1) 在確定艦載機(jī)出動(dòng)能力指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,針對(duì)指標(biāo)之間的高度相關(guān)性的特點(diǎn),采用主成分約簡(jiǎn)方法,將相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立分量,消除了評(píng)估指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系的影響,并根據(jù)貢獻(xiàn)度確定主分量。
(2) 利用突變級(jí)數(shù)法對(duì)約簡(jiǎn)后的主分量進(jìn)行評(píng)估,方法簡(jiǎn)易,不用權(quán)重,大大減少了評(píng)估的主觀性,同時(shí),突變級(jí)數(shù)法實(shí)際上是一種多維模糊隸屬函數(shù),適合于矛盾的多目標(biāo)評(píng)估決策問題,解決了傳統(tǒng)的評(píng)估方法對(duì)矛盾的目標(biāo)難以處理的問題。
(3) 利用主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)法相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)能力的兩級(jí)綜合評(píng)估。實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)能力的指標(biāo)重要性分析和方案排序,保證了評(píng)估的客觀性、可靠性和快速性。當(dāng)已知每個(gè)指標(biāo)的實(shí)際取值范圍時(shí),可以利用本文所提方法在該范圍內(nèi)獲得最優(yōu)方案。
基于主成分約簡(jiǎn)和突變級(jí)數(shù)的評(píng)估方法可用于其他具有強(qiáng)相關(guān)性或矛盾性的復(fù)雜系統(tǒng)的評(píng)估,簡(jiǎn)化評(píng)估過程。
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