（控制科学与工程专业论文）可靠性评定中专家信息的提取研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 手葡要 高技术武器装备组成复杂、试验费用高。因此，b a y e s 小子样可靠性评定方法 得到越来越多的关注。专家信息是b a y e s 方法中验前信息的重要来源。本论文对 专家信息在可靠性评定中的应用流程和方法进行了研究，给出了从单个专家处获 得验前分布的方法。论文的主要研究工作如下： 将专家信息在可靠性评定中的应用划分为描述、收集、转化和融合四个部分， 并分别给出了具体步骤，为专家信息的应用提供了规范化流程。 归纳总结了专家信息描述形式的类型，根据描述方式的不同将专家信息分为 使用模糊、统计和其他方法描述的专家信息等类型，并对每个分类进行了详细划 分，为专家信息的标准化使用奠定了基础。 专家信息的一致性是专家信息有效性的前提。论文给出了两种情况下的专家 信息一致性定义与检验方法：以分位点为例的单描述形式一致性定义与检验方法， 和以分位点和矩为例的多种描述形式下一致性定义和检验方法。 在现有专家信息转化为验前分布方法的基础上进行综合分类，给出了不同描 述形式的转化方法之间的联系，为每种描述形式找到至少一种转化为验前分布的 方法。 结合某装备可靠性试验，应用本文中专家信息的提取流程，给出了专家信息 在可靠性试验评定中的应用实例。 主题词：可靠性专家信息描述检验转化 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h em g h t e c hw e a p o m yh a v es o m ec h 甜a c t e r i s t i c ss u c ha sc o r n p l i c a t e d ，c o s t l yf o r t e s t s ob a y e s i a ns m a l ls a m p l er e l i a b i l i t ) rt e s ta n de v a l u a t i o nm e t h o dr e c e i v e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s e x p e r ti 川o m a t i o ni sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fp r i o ri i l | o n n a t i o ni i l b a y e s i a nm e l o d t h ea p p l i c a t i o no fe x p e r ti n f o m a t i o ni 1 1r e l i a b i l 时t e s ta n de v a l m t i o n i ss t u d i e di nt h i sm e s i s ，a n dt 1 1 em e t l l o dh o wt og e tt 1 1 ep r i o rd i s t r i b u t i o n 丘o mm e i n d i v i d u a le x p e r ti sg i v e n t h ec o 删b u t i o 璐o f 也i st h e s i sa r ea sf o l l o w s t h ep r o c e s sf o re l i c i t i n ge x p e r ti n f o m l a t i o ni sd i v i d e di n t of o u rs t 印s ，i e d e s c r i p t i o n ，c 0 1 l e c t i o n ，位m s f 0 m l a t i o na n d 向s i o n t h ed e t a i l e dp r o c e s so ft h e s es t e p s a r eg i v e n ，a 1 1 dm e 印p l i c a t i o no fe x p e r ti n f b n n a t i o ni 1 1r e a l i t ) ，i so f f e r e d t h r o u g l le n 啪e r a t m gt h ec l l l t e md e s c r i p t i o nf o n n so fe x p e r ti n f o n n a t i o n ，m e d e s c r i p t i o nf o 眦sa r ec l a s s i f i e da s3c l a s s e s ( s t a t i s t i c a l ，如z z ya n do t h e rt ) ，p e ) b y d i f f e r e n td e s c r i p t i o nm e t h o d s ，a n de v e r yd e s c r i p t i o nf 0 珊i sd i v i d e di n t om o r ed e t a i l e d c l a s s i f i c a t i o n s 1 h si sm ef o u n d a t i o no fm ef 0 1 l o w - u pa p p l i c a t i o no fm ee x p e n s i n f b 姗a t i o n t h ec o n s i s t e n c yo fe x p e n f si n f o m a t i o ni s t 1 1 eg u a r a n t e eo fe x p e r t si i 响m l a t i o n v a l i d i 够t h ec o n s i s t e n c yd e f i n i t i o na n dc h e c km e 也o di sg i v e nu n d e rt 、o d i f _ f e r e n t c o n d i t i o n s ：f l r s t ，o n ed e s c r i p t i o nf o m l 似eq u a n t i l e sa se x 锄p l e ) o fi n d i v i d u a le x p e r t i n f o n n a t i o n ；s e c o n d ，s e v e r a ll ( i n d so fd e s c r i p t i o nf o m s 油eq u a n t i l e sa n dm em o m e n t s a se x a m p l e ) o fi n d i v i i l u a le x p e i r t si n f o n n a t i o n n l ee x i s t i n gm e t h o d sw h i c hc h a n g et 1 1 ee x p e r ti n f o 肌a t i o ni m o 研o rd i s t r i b u t i o n a r es v n t h e s i z e da n dc l a l s s i f i e d t h ec o l l n e c t i o nb e t w e e nt h e mi sa l s og i v e n t h em e t l l o d f o rc h a l l g i n ge v e r yd e s c r i p t i o nf o r mm t op r i o rd i s 仃i b u t i o ni so f f e r e d a s s o c i a t e dw i mt h er e l i a b i l i t yt e s to fae q u i p m e n t ，也ep r o c e s sf o re l i c i t i n ge x p e r t i 1 怕衄a t i o ni nt b i st 1 1 e s i si sa p p l i e d ，a n dt 1 1 ee x 锄p l eo fm ea p p l i c a t i o no fe x p e r t i n f o m a t i o ni nr e l i a b i l i t yt e s ta n de v a l u a t i o ni sg i v e n k e yw o r d s ： r e a b i i i t y ：e x p e r t si n f b r m a t i o n ： d e s c r i p t i o n ： c o n s i s t e n c e c h e c k ：t r a n s f o r m a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 国军标中可靠性试验评定经典方法表3 表1 2 国军标中可靠性试验评定b a y e s 方法表4 表2 1 置信区间、置信上限、置信下限实例1 3 表2 2 专家判断矩阵实例1 6 表3 1 修改前分位点相对偏差函值2 4 表3 2 口= 1 0 时& 触分布不同数目分位点，。值2 4 表3 3 修改后分位点相对偏差函值2 5 表4 11 3 个常用口头用语的概率统计值3 5 表5 1 某装备可靠度1 专家意见调查表设置3 8 表5 2 某装备可靠度2 专家意见调查表设置3 9 表5 3 专家信息职称均值关系表4 0 表5 4 专家年龄均值关系表4 0 表5 5 专家工作年限均值关系表4 0 表5 6 专家学历均值关系表4 1 表5 7 专家对研制过程熟悉程度和均值关系表4 1 表5 8 专家浮动范围均值关系表4 1 表5 9 专家浮动范围均值关系表4 2 表5 1 0 专家置信度均值关系表4 2 表5 1 1 专家置信度均值关系表：4 2 表5 1 2 由均值转化为b e t a 分布表4 3 表5 1 3 由置信区间转化为b e t a 分布表4 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 论文研究过程描述图8 图2 1 专家信息提取流程1 0 图2 2 专家信息描述形式分类图1 2 图2 3 专家给出的参数密度函数图形1 5 图2 4 专家给出的参数分布函数图形1 6 图3 1 分位点形式一致性定义示意图2 1 图3 2 吒。分布中口分位点示意图2 3 图3 3 修改前两分布曲线图2 6 图3 4 修改后两分布曲线图2 7 图4 1 各种描述形式转化为验前分布关系图3 0 图4 2 图形描述形式转化方法示例3 6 图5 1 某装备可靠度l 专家答案分布图3 9 图5 。2 某装备可靠度2 专家答案分布图4 1 第1 v 页 独；创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。立鞋一 日期聊年，2 月6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权带。) 学位论文题目：互靠丝翌塞主圭塞焦皇鲍握亟盈窒 学位论文作者签名：量! 重垒一 作者指导教师厶：氩尘_ ：士垫 日期：执矽年i 月占日 日期：州年l _ 月6 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究背景和意义 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力【1 1 。现代科学 技术的迅速发展使得工程产品和活动越来越复杂，规模越来越大，产品的可靠性 问题显得更为突出【2 】。武器装备系统的可靠性是减少故障次数、节约装备维修费用、 提高装备的战备完好率、保证装备持续作战和完成任务的基础。装备的可靠性已 成为其重要的战技指标。 对装备系统进行可靠性评定的目的是估计装备可靠性达到的水平，为研制改 进、项目里程碑决策和装备定型提供依据。现有的系统可靠性评定方法可分为两 大类，一类是经典的系统可靠性评定方法，一类是基于b a y e s 理论的系统可靠性 评定方法。前者主要依据现场试验所得到的试验数据，运用经典统计方法对系统 的可靠性特性进行估计，需要的试验样本量较大。后者则主要借助于试验前的各 种信息，如专家的主观判断、历史数据等，结合现场试验数据对系统的可靠性进 行综合评估，需要的样本量较前一种少【2 j 。根据被试产品特性的不同，对成本低、 样本量大的产品进行可靠性评估时，常采用经典评估方法；而对导弹武器系统等 造价高、样本少的系统进行可靠性评估时，就应采用b a y e s 理论的小子样可靠性 评估方法，以减少样本量需求。传统的可靠性评定方法经过长期发展，已较成熟 完善；以b a y e s 理论为基础的小子样系统的试验评估方法，随着高技术装备试验 的发展曰益受到重视，具有广泛的应用前景。 验前信息是采用b a y e s 理论进行系统可靠性评估的必要前提。大量可信的验 前信息是b a y e s 方法优良性的保证【3 】。对于武器系统的可靠性评估而言，主要有以 下六种验前信息的来源：( 1 ) 单元及分系统试验信息；( 2 ) 仿真试验信息；( 3 ) 相似系 统信息：( 4 ) 系统在不同环境下的试验信息；( 5 ) 专家意见及工程经验；( 6 ) 历史信息。 对于造价昂贵、技术复杂、样本量小的装备系统( 如导弹武器系统) ，其历史信 息、相似系统信息和不同环境下的试验信息可能都非常少，因此，相关应用领域 的工程专家根据其经验给出的估计和判断是验前信息的重要来源。 专家信息是指专家根据自身的知识和经验给出的对装备性能的估计和判断， 具有很强的主观性。专家给出的主观信息往往采用了模糊语言、概率、置信区间、 分布等多种描述方式。b a y e s 方法在利用验前信息时，要求信息以概率分布的形式 表示。如何从专家处获得验前分布是急需解决的重要问题。因此，迫切需要开展 专家信息利用方法的研究，包括对不同形式的专家信息进行规范、对专家信息进 行检验、给出专家信息转化为验前分布的方法等，为专家信息在装备试验评定中 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的标准化、规范化应用提供完整的流程。 目前国内外对专家信息的研究还不充分，尤其是专家信息在可靠性试验评定 中的使用，没有标准化、规范化的描述、检验和转化方法。因此，需要开展对专 家信息在可靠性试验评定中的标准化使用流程方面的系统研究。 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金项目小子样条件下的装备可靠 性试验评定技术研究( 资助号：7 0 5 7 1 0 8 3 ) 。论文以专家信息在装备可靠性试 验评定中的应用为背景，在b a y e s 方法的理论基础上，针对目前专家信息形式多 样、无法检验、转化方法不统一的现状，通过对专家信息描述形式的划分、专家 信息一致性检验和专家信息向验前分布的转化三个步骤，对“如何从单个专家处 获得验前分布”进行了较全面的研究，为专家信息的标准化、规范化使用流程提 供了依据。论文通过某装备可靠性试验中，工程专家对两种可靠度的估计和判断， 给出了专家信息提取和转化的实例，为专家信息在可靠性试验评定中的应用提供 了参考。 1 2 国内外相关研究概况和发展趋势 系统可靠性评定的主要任务是依据系统可靠性试验的数据或其他有关系统可 靠性的信息，对系统的可靠性特性进行估计【2 】o 目前，系统可靠性评定的方法主要 有两大类，一类是经典的系统可靠性评定方法，一类是基于b a y e s 理论的系统可 靠性评定方法。本文主要研究基于b a y e s 理论的可靠性评定方法，并重点研究了 b a y e s 方法中使用专家信息作为验前信息时专家信息的提取流程。 本文的相关研究主要包括可靠性试验评定方法的研究( 即经典的和基于b a v e s 理论的可靠性评定方法的研究) ，这是论文的主要研究背景；还包括专家信息的 相关研究，这是论文的主要研究内容。以下将分别对其研究现状和发展趋势进行 综述。 1 2 1 可靠性试验评定方法研究 可靠性试验评定方法目前主要包括传统方法和b a y e s 方法。前者主要依据实 际现场试验所得到的试验数据，运用经典统计方法对系统的可靠性特性进行估计， 需要的试验样本量大。后一类方法可以借助于试验前的各种信息，如专家的主观 判断、历史数据等，结合现场试验数据对系统的可靠性进行综合估计，需要的样 本量较前一种少。 传统的可靠性试验评定方法是以数理统计大样本理论为基础的，这种基于经 典统计学的试验评定方法研究已经比较成熟。周源泉【4 】、胡昌寿【5 】等己出版了相关 专著，对指标验证与评估方法进行了系统论述。表1 1 给出了采用经典统计试验评 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 定方法的部分国军标。 表l - l 国军标中可靠性试验评定经典方法表 标准编号标准名称作用装备评估指标评估方法 常规兵器定型试验方法反坦克导弹点估计、区间 g j b 3 4 9 31 9 0可靠度 反坦克导弹系统飞行试验系统估计法 g j b 2 5 3 - 8 7舰舰导弹定型试验规程舰舰导弹系统可靠度 序贯检验法 经典m l 估 g j b 6 6 8 a 一9 7 导弹武器系统术语导弹系统飞行可靠度 计法 战略导弹武器系统性能经典m l 估 g j b 31 0 5 9 7 战略导弹系统飞行可靠度 评定方法计法 经典方法操作简单，试验双方容易接受，然而这些方案通常适用于产品试验 成本低、可提供较多试验样本量( 如3 0 个以上样本) 的情况。如果样本量小，试 验的随机性大，试验的精度就很难保证。 随着高技术武器装备系统的复杂性越来越高，其造价越来越昂贵，传统的大 样本试验评定方法不再适用。因此，基于b a y e s 理论的试验评定方法从上个世纪 5 0 年代迅速发展起来，目前，已越来越显示出其在装备试验评定中的重要作用和 广阔的应用前景。 2 0 世纪6 0 年代，人们开始利用仿真技术和b a y e s 方法对武器系统进行评估。 英国“警犬 地空导弹利用仿真试验和靶场飞行试验相结合，只发射了9 2 枚就完 成了该项研制任务；“响尾蛇 空空导弹由型号a i m 9 d 的1 2 9 发减少到a i m 9 m 的3 5 发。2 0 世纪8 0 年代，美军“天空闪光”( “麻雀a i m 7 f 的改型) 由于具 有很强的技术继承性，作战鉴定次数只有6 发，成为了美军津津乐道的成功范例； 俄罗斯“白杨”一m 导弹的研制过程只进行了4 次研制飞行试验，体现了现代武器 试验工作的新方向【3 】。由于b a y e s 理论在武器装备试验中的成功运用，大量的试验 时间和费用得以节省，使得基于b a y e s 理论的试验评定方法得到广泛应用。 在我国，2 0 世纪7 0 年代后，b a y e s 方法在飞行试验分析及评定等领域得到应 用。国防科学技术大学的张金槐教授长期从事飞行器试验统计学方面的研究工作， 出版了b a y e s 方法【6 1 、 远程火箭精度分析与评估、飞行试验统计学等 专著，在著作中讲述了b a y e s 方法的原理和b a y e s 决策的基本理论，以及在试验 评定中的具体运用，促进了b a y e s 方法在武器定型试验中的广泛应用。蔡洪、张 士峰等对b a y e s 方法在装备系统试验与评估中的应用进行了研究，不仅出版了相 关专著【3 1 ，也发表了大量论文，对b a y e s 方法在装备试验评定中的应用进行了广泛 研究。在实际应用中，b a y e s 方法中某些较成熟的评估方法，如b a y e s 估计、b a y e s 序贯检验、b a y e s 试验设计等已写入某些国军标，作为试验标准应用于武器装备的 可靠性试验评定中。部分采用b a y e s 方法的国军标见表1 2 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 - 2 国军标中可靠性试验评定b a y e s 方法表 标准编号标准名称 作用装备评估指标评估方法 常规兵器定型试验 g j b 3 4 9 2 9 9 0 方法反坦克导弹 反坦克导弹系统可靠度 b a y e s 试验方案设计 系统总则 常规兵器定型试验 g j b 3 4 9 3 1 9 0 方法反坦克导弹反坦克导弹系统可靠度 b a y e s 点估计 b a y e s 区间估计下限 系统飞行试验 潜舰导弹定型试验 b a y e s 序贯检验方法 g j b 3 8 6 8 9 9 潜舰导弹系统可靠度 b a y e s 序贯截尾检验方 规程 法 综上所述，b a y e s 方法在装备系统可靠性试验评定方面已经取得了一定的成 果，为节省试验费用起到了有效作用。但是，实际应用b a y e s 方法的一个关键步 骤是验前信息的确定。不同来源、不同精度的验前信息如何合理选择、验证并加 以利用，还需要更多的学者致力于该领域的研究。 1 - 2 2 专家信息的利用研究 专家信息是b a y e s 方法中验前信息的重要来源，已经受到了国内外研究学者 的广泛重视。国内外已有大量文献进行了研究。 在国外文献中，专家信息的研究涉及面广，涵盖了统计学、模糊数学、心理 学等多个学科门类；相关的研究已经形成了一定的体系，并在工程实际中得到了 一定应用。国内对专家信息的研究也已展开，但相对来说，研究范围较窄，并没 有形成一定的体系；且相关研究主要集中在理论方面，在工程实际中应用的例子 并不多见。以下将从专家信息的流程、收集、转化和应用等方面简要叙述现有的 研究工作。 ( 1 ) 专家信息的提取方法和提取流程 专家信息提取常表现为概率等统计特性的提取，也称为主观概率( s u b j e c t p r o b a b i l i 母) 提取，因此早期的文献主要基于主观概率的提取方法研究。g c h e s l e y 早在7 0 年代就对主观概率提取进行了综述，将已有的主观概率提取方法分为直接 法、间接法和混合法f 7 ，8 1 ，其中直接法包括直接估计数量、给出概率比值、使用图 形等方法；间接法使用效用函数，在决策过程中推断主观概率；混合法将直接法 和间接法结合使用。美国l o sa i 锄o s 国家实验室的j a l l eb o o k e r 和m a r ) ，m e y e r 等 出版了专著e 1 i c i t i n g a 1 1 da n a l y z i n ge x p e r tj u d g m e n t ：ap r a c t i c a lg u i d e 例对专家 信息的提取和分析给出了实用的指南，并在多篇文献u0 。1 2 j 中给出了专家信息的定 义，将专家信息的描述划分为定性描述和定量描述两类，给出了影响专家信息的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 因素，近几年的研究主要集中于模糊理论在专家信息中的应用。s 删e d 【1 3 】、 蹦f s b e e k 【1 4 。、d a l l e d s b l 【b a b “1 5 】和j 0 1 1 i lp g 1 1 6 j 等也在文献中对专家信息提取流程 进行了划分，通常包括提取前准备( 选择并对专家进行培训、确认并选择参数) 、 专家信息提取( 通过一定方式获得专家信息) 、专家信息校验( 采用定量方式对 专家信息进行衡量) 、转化( 由专家信息得到验前分布) 和评估结果反馈等4 7 个步骤，普遍对专家的选择、产生文档的记录和结果的反馈等环节比较重视。 ( 2 ) 专家信息的收集 j a i l eb & m a r ym 在文献【lo j 中将信息收集过程列为影响专家信息的首要因素， 该过程中提问的语句、回答的模式、提取者的表现等都显著影响专家信息的收集； 文献【1 7 j 认为，专家在信息提取过程中，面临各种来源的压力，尤其对核系统等重 大工程进行评估时，受到心理学、社会舆论甚至意识形态的影响；英国的 b e e p ( b a y e s i a l le 1 i c i t a ，t i o no fe x p e r t sp r o b a b i l i t ) ，) 小组的代表人物有o h a g a na 和 d 锄e d s h k h a ha 等，认为心理学因素是影响专家信息提取的主要因素，将典型的心 理学因素分为可达性、锚定、代表性等【”，1 6 】，并给出了每种影响因素的典型例子， 以及在提取中尽量避免不良影响的方法；s z w e d 【1 3 】和k a l f s b e e k 【1 4 】在流程中给出了 专家信息的诊断和检验步骤，主张专家信息的一致性应采用定量方式加以衡量， 并采用信息熵对专家信息和参数的真实分布之间的差距( 定义为c r o s s e 1 1 仃o p y ) 进 行测量，但该方法需要了解参数的真实分布，实际中通常采用历史数据或仿真数 据代替。 ( 3 ) 专家信息的转化和融合 国外方面，美国c o l l l l e c t i c u t 大学的d i p a kd e y 和j u r 】曲n gl 主要从事专家信息 向验前分布转化的参数化方法，尤其对于分位点形式的专家信息转化方法给出了 详细的步骤和证明【1 8 ，l9 1 ，证明了在常用分布下，只需知道参数的三个四分位点， 就可推断出验前分布；h o n - s h j a n gl 【2 0 ，2 1 】等在使用前四阶矩确定分布形式的基础 上，使用分段线性拟合法和t o u c h e r 曲线对专家给出的多个分位点进行拟合，得到 较满意的验前分布函数；b e e p 小组近几年的研究成果集中在专家信息向验前分布 转化的非参数方法【1 6 ，2 2 】上，通过高斯过程( g a u s s i a l lp r o c e s s ) 模型，允许密度函数采 用任意形式，建立了相应的机制能够表现对最终形式的不确定性，克服了其他转 化方法只给出最终结果而没有不确定性的问题。 国内方面，北京应用物理与计算数学研究所的马智博、朱健士等在一定分布 形式下，使用最大熵方法，将可靠度均值和置信区间形式的专家信息转化为一定 约束条件下的极值问题，从而得到了验前分布【2 3 ，2 4 j ；南京航空航天大学的温卫东、 赵德孜等【25 2 6 j 在航空发动机可靠性评估的背景下，涵盖了模糊描述中使用隶属函 数描述的大部分专家信息形式；中国科技大学的王国华、熊立等【2 7 。2 9 1 对趾口方法 在专家判断中的应用进行了一定探讨和改进，给出了模糊的专家判断矩阵的使用 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 方法；国防科大的冯静【3 0 ，3 1 1 和刘琦【3 2 ，3 3 】等对可靠性分析中专家信息的融合进行了 相关研究，提出了基于专家信息的先验分布权重计算方法和经验b a y e s 下验前信 息融合的样条函数法等新的融合方法，并针对几种常用的专家信息描述方式( 模 糊描述、语言描述、概率描述和专家打分法等) ，给出了基本的转化为验前分布 的方法。 ( 4 ) 专家信息的工程应用 除了理论方面的研究，国外的专家信息已应用在决策分析、风险评估和性能 估计等方面，取得了较好的效果。a a r o nr & l t a l l d y 【3 4 1 、h o r es & d e t l o f w 等【1 7 ，3 5 】 将专家信息应用到美国核反应系统n u i 也g 11 5 0 和放射性废品处理的安全性问题 中，结合专家信息在实际中的使用流程，对专家信息提取流程进行了划分，并提 出了许多专家信息提取中应注意的问题，是专家信息在高可靠性系统中使用的成 功案例；f r e dr 【3 6 】在风险和费用管理中应用了专家信息，对决策者起到了很好的帮 助；s c a i l l p o d o l l i c o 等将专家信息应用在铁路的可靠性评估中【3 7 】，也取得了较好 的效果。 相比之下，国内对于专家信息的研究还仅限于几个特定的领域，没有形成一 定的研究体系，关于专家信息的理论研究多，在工程实际中应用的文献并不多见。 1 2 3 专家信息研究的发展趋势 专家信息作为验前信息的重要来源，具有非常实际的应用价值。从以上相关 研究工作可以看出，装备试验评定中专家信息的研究虽然已经取得了一定成果， 但仍需进一步开展以下几个方面的研究。 ( 1 ) 专家信息应用的规范化流程 专家信息作为装备试验评定中的重要信息来源，在使用时需要一个规范的流 程。但目前尚没有这方面的应用标准和规范。 ( 2 ) 专家信息的规范化描述形式 专家给出信息的描述形式多种多样，精度差异大。如何在符合专家评估习惯 的基础上，对不同描述方式进行规范、统一，是需要迫切解决的重要问题。这不 仅影响到专家给出信息的方便性和准确性，更影响后期使用专家信息对装备性能 进行的评估。 ( 3 ) 专家信息的一致性检验 由于人脑判断的主观性和不确定性，专家信息的一致性难以保证。现有专家 信息检验主要在多个专家之间进行，目的是给出不同专家信息融合的权重。而对 于每个专家给出的不同形式的信息，总认为是可信的。这种假设并不总是合理的。 不同形式、甚至是同一种描述形式的专家信息，也可能存在不一致。实际应用中 还需要给出同一专家的信息一致性检验和调整方法。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 4 ) 专家信息的转化方法 针对不同描述形式的专家信息，现有专家信息向验前分布的转化方法主要集 中在分位点、置信区间等使用概率描述的信息形式上，而对于模糊描述的专家信 息，实用的转化方法并不多。为每种专家信息描述形式找到向验前分布的转化方 法，是实际应用中需要解决的问题。 1 3 论文的主要内容和结构安排 本论文针对专家信息在可靠性试验评定中的应用，主要解决使用流程中“如 何从专家处获得验前分布”的问题。论文的主要工作和创新点如下： ( 1 ) 给出可靠性试验评定中，专家信息的使用流程。将专家信息的使用划分 为描述、收集、转化、融合四个步骤，为专家信息的标准化、规范化使用奠定基 础： ( 2 ) 针对专家信息描述形式多样、精度差异大的现状，列举可靠性试验评定 中现有的专家信息描述形式，将专家信息的描述形式划分为使用概率、模糊和其 他方式描述的信息三大类，并进一步划分为分布相关、概率相关、模糊语言、模 糊隶属函数等多种描述形式； ( 3 ) 给出同一专家的信息一致性检验与调整方法。针对单个专家给出的多种 描述形式的验前信息，首先以分位点为例给出了单描述形式信息的一致性定义和 检验流程；在此基础上以分位点和矩形式为例，给出了多描述形式间信息的一致 性定义和检验步骤，这是本文的主要创新点； ( 4 ) 对现有的专家信息转化为验前分布的方法进行综合分类，找出各种转化 方法之间的联系，为每种专家信息描述形式找到至少一种转化为验前分布的方法； ( 5 ) 通过对某装备可靠度的问卷调查，完成了一个实际的确定专家信息描述 形式、收集专家信息、对专家信息进行检验、专家信息向验前分布的转化流程， 为工程实际应用提供了参考。 论文共分五章： 第一章绪论 主要介绍论文的有关研究背景和意义，对可靠性评定中专家信息的研究现状 和发展趋势进行了综述。 第二章专家信息的描述 给出了专家信息在可靠性试验评定中的使用流程，在列举现有专家信息描述 形式的基础上，对其进行了合理分类。 第三章单个专家信息的检验 介绍了专家信息的主要提取方式，以及提取中应注意的问题。针对同一专家 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 给出的信息，定义了单描述形式和多描述形式间的一致性，并给出了检验和调整 的方法。 第四章专家信息的转化 在现有转化方法的基础上进行综合分类，找到转化方法之间的联系；为每种 描述形式的专家信息找到至少一种转化为验前分布的方法。 第五章专家信息提取实例 根据前面介绍的专家信息提取流程，以某装备的可靠度1 、2 为例，给出从描 述、检验到转化的具体专家信息提取流程。 本论文的整体思路为：以武器装备的可靠性评定为背景，针对如何从专家处 获得验前分布的问题，将专家信息的使用分为描述、收集、转化和融合四个步骤。 首先对专家信息描述形式进行分类，给出规范化的描述形式；对收集到的专家信 息进行一致性检验，对不符合一致性的专家信息进行调整；将符合一致性的专家 信息按照描述形式的不同，分别转化为验前分布。图1 1 给出了本论文总体研究过 程的描述。 小子样条件下装备可靠性试验鉴定背景 专家信息基本概念 j 专 专家信息描述专家信息收集专家信息转化 家 专家信息收集方式 信 息 模糊统计 其他 单个专家一致性检验 各种描述各种转 提 理论学描方式 形式转化化方法 取 描述 述描述 单形式一致性检验 为验前分之间的 流 布的方法关系 程 i 多形式一致性检验 i j 专家信息提取在某装备可靠性评估中的 应用实例 图1 1 论文研究过程描述图 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章专家信息的描述 专家信息的描述是专家信息规范化提取流程的前提。本章在给出专家信息相 关定义的基础上，结合现有文献对专家信息的提取流程进行了划分。在列举现有 描述形式的基础上，对专家信息描述形式进行了详细划分，解决了专家信息描述 形式的规范化、标准化问题。 2 1 1 相关定义 2 1 专家信息及其提取流程 虽然很多文献中对专家、专家信息以及专家信息的提取给出了不同的定义， 但本质相差并不大。为了对本文的研究范围进行界定，现给出相关概念定义如下。 ( 1 ) 专家 文献【1 6 】中认为对某些量具有一定看法，且决策者希望知道其看法的人就是专 家，这个定义很广泛；文献【1 0 】中称在特定领域内具有一定背景知识、并被同行公 认具有处理技术问题能力的人为专家，该定义范围相对狭窄。综合上述定义，本 论文将专家定义为：在某方面具有一定知识和经验，能够对某闯题或某个量给出 估计和判断的人。 ( 2 ) 专家信息 文献【l l 】中认为专家能够提供两种形式的信息，一种是专业知识( e x p e n i s e ) ，用 于描述问题的结构或定义；一种是判断( j u d g m e n t ) 。文献【1 0 】中定义专家判断为根据 一定知识和经验，对某技术问题给出的具有信息量的意见。从目前工程应用中可 以看出，实际中常用的是专家判断。出于使用习惯，本文中对专家信息和专家判 断两个概念不加区别。本文中使用的专家信息定义为：专家凭借相关知识和经验 给出的估计和判断。 ( 3 ) 专家信息提取 专家信息的提取并不是一个精确的过程。为了界定其范围，本文将专家信息 提取定义为将专家信息中的有效信息提炼出来以备应用的过程。 2 1 2 专家信息的提取流程 文献1 1 6 1 中指出，专家信息的提取不仅包括对专家的提问，还包括将专家的判 断转化为概率分布的过程，它并不是一个精确的过程，但是应尽量将该过程用文 档记录下来。通常将这一过程划分为一定的步骤，从而体现为提取流程。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 合理的提取流程将形式各异的专家信息规范的转化为验前分布，最终在试验 评定中加以应用。不同的工程应用中，专家信息有着不同的提取流程。文献【3 5 j 中 推荐在复杂系统中使用七个步骤提取专家信息：确定并选择议题、确定并选择专 家、讨论并精炼议题、进行提取训练、提取、分析聚合并处理差异、记录并交流； 文献【1 3 】使用提取前准备、专家信息提取、专家信息诊断、选择专家、专家信息融 合等七个步骤；文献【1 7 】中将专家信息的使用分为三个主要部分：提取前准备、专 家会议、校准。这些提取流程都很重视提取前的准备和文档的记录，这是专家信 息使用中的重要步骤。 结合装备试验评定实际，本文将专家信息的提取过程分为专家信息的描述、 检验、转化、融合等四个步骤。如图2 ，l 所示。 专家信息描述专家信息收集 模糊理论描述的专家信息l 专家信息收集方式 l 专家信息一致性检验调整 统计孝描述的专家信息 单形式一致性检验与诵整 其他方式描述的专家信息 多形式一致性检验与调整 专家信息转化l 统计学描述j 爿的专家信息i f 专家信息融合 模糊理论描述其他方式描述 的专家信息的专家信息 。 1 验前分布r 图2 1 专家信息提取流程 这四个阶段的主要内容如下： 专家信息的描述：在专家信息提取前给出标准化的描述形式，供专家在给出 估计判断时选择最适合自己的方式，具体分类见2 2 2 5 节。 专家信息的收集：采用一定方式获得专家信息后，对专家信息进行一定的一 致性检验，确保专家信息的有效性，具体步骤见第三章。 专家信息的转化：将上一步骤得到的、采用标准描述形式的、有效的专家信 息转化为验前分布，具体方法见第四章。 专家信息的融合：将上一步骤中得到的不同专家的验前分布融合为统一的验 前分布，不作为本文的研究内容。 由于在流程的第二步专家信息的收集中，已经对专家给出的信息进行了检验， 确保了专家信息的一致性和有效性，因此，本流程并没有包括反馈机制。在工程 应用中，可根据实际需要考虑是否添加反馈步骤。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 。2 专家信息描述的分类 2 2 1 专家信息描述的特点 专家通常采用各自熟悉的方式给出对装备性能的估计和判断，因此，专家信 息的主观性很强，描述形式多种多样、精度差异大。 ( 1 ) 专家给出的信息描述方式多种多样 由于某些专业领域的专家可能对概率理论并不太了解，通常只给出简单的描述 性语句。例如，专家给出“该装备的可靠性非常高 这样模糊的语言描述；文献【l l 】 中，专家使用了“如果温度过高，该装置将不能很好的工作”这样的“i f t h e n 推理给出对性能的描述；文献【1 2 ，3 8 1 中使用了模糊词语、模糊推理和隶属函数来描 述装备性能。对概率知识有一定了解的专家通常给出装备性能的概率描述。如“该 导弹的飞行可靠度均值大约为9 9 5 ；在确定船舶舷顶角疲劳寿命分布时，专 家给出参数服从对数正态分布或二参数威布尔分布1 3 9 】。 ( 2 ) 专家给出的信息精度差异大 专家根据自己的喜好，对装备的性能给出不同精度的参数估计。在铁路可靠性 估计中，专家给出了每英里故障数的9 9 置信区间【3 7 】；文献 1 4 】中使用均值、中位 数、众数和分位点等概率描述方式给出对装备性能参数的估计；风险管理中，常 需要专家对时间、费用和风险等给出估计和判断，文献【3 6 】中使用“最小值”、“最可 能值”和“最大值”给出对参数的估计；在可靠性估计中，专家使用均值与标准差给 出组件平均寿命的估计【3 7 】；文献【3 5 】中，专家使用分位点给出了核反应系统n u r e g 11 5 0 中可靠性的估计；文献【1 6 】中指出，专家可给出参数的前两阶矩、众数和分位 点等信息，从而能够确定参数的估计；文献【3 4 】中，为了对核废料的可靠性进行评 估，首先询问了专家0 ，0 1 与0 0 5 、0 9 5 与0 9 9 分位点；文献【1 8 】中使用0 2 5 、o 5 0 和0 7 5 三个四分位点作为专家信息的形式。 可以看出，专家给出的估计信息形式多种多样，精度各不相同，对专家信息 的利用造成了如下几方面的困难。 ( 1 ) 不同描述方式的专家信息难以比较 由于描述方式不同，不同专家给出的专家信息难以进行比较，如使用“很高”“非 常可靠”等语言描述的信息不能与“该装备可靠性的o 2 5 分位点为0 7 8 ”等概率描述 的信息直接比较； ( 2 ) 不同精度的专家信息难以比较 由于精度不同，同一种描述形式下的专家信息难以直接进行比较，如“该装备 可靠度为8 0 的置信区间为( 0 8 0 ，o 9 9 ) ”与“可靠度为9 5 的置信区间为( 0 8 5 ， 0 9 5 ) ”难以直接比较； 第l1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 不同描述形式和不同精度的专家信息难以融合 不同描述方式和不同精度给出的专家信息难以直接进行融合，需要转化为某 种共同形式再进行融合。 不规范的描述形式为专家信息的检验和向验前分布的转化带来很大困难。因 此，迫切需要对专家信息描述形式进行一定分类，并给出规范的描述形式。 2 2 - 2 专家信息描述形式分类 文献【1 0 】中将专家提供的估计和判断分为定性和定量两种形式。其中，定性形 式主要包括专家对某问题估计的文本描述，或用自然语言给出