基于模糊灰色關聯分析的艦艇動力裝置綜合評估

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(海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠 233012)

艦艇動力裝置是艦艇為獲得機械能、電能和熱能而配置的機械設備的組合，其目的是保證艦艇的正常航行、停泊、作業以及人員正常生活的需要。動力裝置的性能直接影響到艦艇的綜合性能，在艦艇的設計論證階段，對動力裝置的選型論證尤為重要。采用模糊灰色關聯分析法對艦艇動力裝置進行評估，為艦艇動力裝置的選型提供參考。

1 指標體系的建立及權重的確定

1.1 評估指標體系的建立

艦艇動力裝置是一個復雜的綜合系統，各種評價指標也比較多，其基本特性指標可分為技術指標、性能指標和經濟指標。技術指標代表動力裝置技術裝備的總指標，包括功率、質量和尺寸等指標。性能指標代表動力裝置在接受命令、執行任務中的服從性、堅固性、對外界條件和工作人員的依賴性，包括機動性、可靠性、制動性、自動化程度以及振動控制性能等指標。經濟指標代表燃料在動力裝置中的熱能轉換率，包括燃油消耗率、裝置熱效率、運行和維護經濟性等。

綜合文獻[1-2]中的相關指標，選取11種典型的指標作為評估動力裝置綜合性能的指標，即動力裝置的功率、質量、尺寸、機動性、可靠性、維修性、振動、噪聲、燃油消耗率、熱效率和全壽命費用。

1) 功率。以主機的相對功率α作為評定功率的參數：

α=P/D

(1)

式中:P——主機額定功率，kW；

D——艦艇正常排水量，t。

2) 質量。以艦艇單位排水量的動力裝置質量g作為評定質量的參數:

g=G/D

(2)

式中:G——動力裝置的濕重，即所有機器、器具及管系內部裝滿工質，但不包括油水等消耗品的質量，t。

3) 尺寸。以機艙的相對面積和相對容積作為評定尺寸的參數K:

K=A/(L×B)+V/(L×B×H)

(3)

式中:A——動力裝置占地面積，m2；

V——動力裝置體積，m3；

L——機艙長度，m；

B——機艙寬度，m；

H——機艙高度，m。

4) 機動性。主要包括啟動前準備時間、啟動開車時間、加到全負荷的時間和倒車裝置倒車所需時間t:

t=tzb+tqd+tfh+tdc

(4)

式中:tzb——啟動前準備時間,s;

tqd——啟動開車時間，s；

tfh——加到全負荷的時間,s;

tdc——倒車裝置倒車所需時間,s。

5) 可靠性。用平均無故障間隔工作時間MTBF來評定動力裝置的可靠性。

6) 維修性。以平均維修時間MTTR作為評定維修性的參數。

7) 振動。以主機的振動烈度作為評定振動的參數。

8) 噪聲。以主機艙的噪聲值作為評定噪聲的參數。

9) 燃油消耗率bm。定義:

bm=(Bz+Bf+Bg)×Qph

(5)

式中:Bz——主機單位時間燃料消耗量,kg/h;

Bf——電站輔機單位時間燃料消耗量,kg/h;

Bg——輔助鍋爐單位時間燃料消耗量,kg/h。

10) 熱效率。指單位時間內主機有效功率的熱量與燃料所釋放的總熱量之比η，即:

η=(3 600×P)/((Bz+Bf+Bg)×Qph

(6)

式中：Qph——燃料的低發熱值。

11) 全壽命費用。以動力裝置的初建費、運行費和維修保障費作為評定主機費用的參數。

1.2 數據的量綱一量化

由于各項指標的量綱不同，且不同指標的數值差異很大，不能直接進行評估，就需要把指標值轉化為量綱一的量的相對數，數值的大小限制在[0,1]內。設有m個評價對象，每個評價對象有n個指標，則對于成本型指標，采用式(7)進行量綱一量化:

(7)

對于效益型指標，采用式(8)進行無量綱化:

(8)

1.3 基于模糊理論的權重確定

常用的權重確定方法通常先對指標間的相對重要程度進行相互比較，進而建立判斷矩陣，最后經過運算求得權重。為了確保權重的合理性和權威性，向動力裝置的研究設計人員、操作使用人員和工廠維修人員發出咨詢表，從而確定指標權重。常用的咨詢表在表示指標的重要程度時采用的是確定數值，而實際上由于決策者的判斷能力和偏好不同，很難用一個確定的數值來表示某個指標在決策者心目中的重要程度，而采用模糊數進行表示就容易得多。

采用基于模糊數的互補，兩兩比較賦權法[3-4]，決策者先給出各指標重要程度的兩兩比較值，得出判斷矩陣A:

(9)

式中:aij=ωi/(ωi+ωj)。1≤i,j≤n。其含義為指標i與指標j相比，二者的權重比例分配為aij∶aji=[ωi/(ωi+ωj)]∶[ωj/(ωi+ωj)]，二者之比用三角模糊數標度，標度規則見表1。

表1 模糊判別標度規則

由于各個指標參數都是確定的數值，為了運算的方便，可以將模糊權重提前轉化為確定數，這里采用均值散布法[5]，使用模糊數的均值和散布進行計算，這種方法合乎邏輯，分辨力較高。對于常見的三角模糊數， 其均值和標準差為

(10)

(11)

(12)

β是由決策者選定的權值，反映了均值與散布在決策者心中的相對重要程度，取β=0.6。對求得的數據進行歸一化處理，即求得權重。

通過對30名專家進行咨詢，計算得出：

w1=0.139 6w2=0.078 2w3=0.082 7

w4=0.093 8w5=0.090 8w6=0.076 1

w7=0.072 3w8=0.074 1w9=0.113 6

w10=0.074 1w11=0.104 7。

2 動力裝置綜合評估

2.1 灰色關聯分析

用灰色關聯度來描述因素間關系的強弱、大小和次序，其分析一般有以下幾個步驟[6-8]:

1) 確定分析序列。

(13)

xij(1≤i≤m,1≤j≤n)為量綱一量化處理后的第i個評價對象的第j個指標值，xoj(1≤j≤n)為選定的參考值，本文為xij中的最優值。

2) 求差序列。利用式(14)建立一個差序列，

Δij=|xij-xoj|，1≤i≤m,1≤j≤n

(14)

3) 計算關聯系數。通過式(15)求得關聯系數，建立關聯矩陣。

(15)

式中:ρ——分辨系數，ρ∈(0,1)，取ρ=0.8。

4) 求關聯度。通過式(16)求得關聯度，進行排序，得出評估結果。

(16)

2.2 算例仿真

某艦艇在設計論證階段，有三種型號的動力裝置1～3，量綱一量化后得到的指標參數見表2。

表2 動力裝置的指標參數

按照2.1節中的步驟，經過關聯分析，求得關聯度r1=0.857 7，r2=0.717 9，r3=0.764 7。表明動力裝置1的性能最好，其次為動力裝置3，動力裝置2最差。結果與多名專家的選型意見一致。

3 結束語

利用模糊理論確定權重，較好地解決了模糊語言不易量化的問題，灰色關聯分析用于對艦艇動力裝置的性能進行綜合評估，計算簡單，應用方便，通過編程較易實現，可供艦艇動力裝置選型論證參考。

[1] 許樂平，詹玉龍.船舶動力裝置技術管理[M].大連:大連海事大學出版社，2006.

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