基于改進AHP法和加權TOPSIS法的艦船電網綜合量化評估方法

潘華，冀欣

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基于改進AHP法和加權TOPSIS法的艦船電網綜合量化評估方法

潘華1，冀欣2

（1. 解放軍92728部隊，上海 200436；2 .海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430030）

現代艦船規模不斷增大，電力系統日趨復雜，在滿足總體要求和穩定性要求的前提下，電網的設計方案將可以有多種選擇。若繼續沿用傳統的設計方法去解決大型艦船電力網絡的優化設計問題，既費時費力又難以保證所得到的設計方案能夠在生命力、電氣性能和適裝性等多個方面達到最優。本文針對艦船電網設計的需求，建立了艦船電網評價指標系統，并結合改進AHP法和加權TOPSIS法，提出了艦船電網量化評估方法。通過對典型艦船電網設計方案進行對比分析，驗證了該量化評估方法的準確性和有效性。

艦船電力系統 量化評估 電力系統生命力 AHP法 TOPSIS法

0 引言

隨著艦船電力推進技術的不斷進步、艦載高能武器裝備的發展以及全電力艦船概念的提出，艦船綜合電力系統得到了發展和應用[1-3]。由于作戰艦船所承擔的使命和任務的變化、用電設備的種類和數量的不斷增加，艦船電力系統的容量日益增長，電力網絡結構越來越復雜，重要用電設備對電能質量和供電連續性的要求不斷提高，如何實現大型艦船電網設計方案的量化評估與選擇，是艦船電力系統設計者面臨的新課題。

本文從艦船電網設計的實際需求出發，從艦船電力系統結構性能、電氣性能和適裝性能等方面建立了量化評價指標，考慮各分項評價指標之間的相對重要性程度，結合改進AHP法和加權TOPSIS法提出了艦船電網的綜合量化評估方法。通過對幾種典型艦船電網設計方案的評估分析和比較，驗證了本文方法的實用性和有效性。

1 改進AHP法的基本原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP法）是由美國學者T.L.Satty于1977年提出的一種復雜系統多目標決策方法[4]。它將復雜系統的決策問題層次化，并對決策者的推理過程進行量化的描述，避免了決策者在結構復雜和方案較多時邏輯推理上的失誤，在多個領域得到了廣泛應用。在運用該方法解決實際的多目標優化問題時，需要解決以下問題：

1）確定各準則和指標之間的相對重要性程度。由于實際多目標優化問題的復雜性，有時難以對各準則和指標進行兩兩比較。

2）當決策者因對最終的優化方案不滿意而對判斷矩陣作出調整后，有可能使判斷矩陣不滿足一致性條件，進而需要對判斷矩陣反復調整。

為解決這一問題，文獻[5]對標準AHP法進行了改進，提出一致性不變的判斷矩陣逐步調整方法。該方法在保證判斷矩陣一致性不變的前提下對矩陣元素逐步調整，以保證優化結果滿足決策者的需求。本文采用該方法以建立艦船電力網絡規劃問題的權值體系。

改進的AHP法的求解流程如圖1所示，其基本求解步驟為：

1）針對實際的多目標決策問題，明確其各決策層次之間的關系。

2）構建判斷矩陣。判斷矩陣A的表達形式為

3）一致性檢驗。衡量判斷矩陣一致性的指標可表示為

2 加權TOPSIS法的基本原理

TOPSIS法又稱為逼近理想解排序法，它是一種常用的有限方案多屬性決策方法[6]。該方法通過多屬性問題的正理想解和負理想解對方案集中各方案進行排序。該方法的基本應用步驟如下：

3 艦船電網的評價指標體系

根據GJB4000-2000中的相關要求，本文分別從電力系統生命力性能、負荷分配均衡性、適裝性等方面對對艦船電網設計方案進行量化評估，各分項評價指標的計算方法分述如下。

3.1 電力系統生命力性能

艦船電力系統的生命力要求是艦船電網設計的基本要求，它要求在艦船電力系統遭受戰斗損害或發生故障時，應盡量保證重要性程度較高負載的供電連續性。

根據武器對艦船船體命中點的概率分布，可獲得該武器在艦船兩舷、前部和后部的一個完整的命中點序列。根據武器爆炸半徑和各艙室的三維坐標可計算出在各次攻擊中受損的艙室，進而可統計出在各命中點遭受攻擊后負載的停運情況，以及各負載的停運概率。在此基礎上，可建立下列兩類電力系統生命力指標：

該指標可表述為

假設第個命中點遭受攻擊后，電網供電能力的下降程度為k。該指標可表述為

3.2 負荷分配失衡度

根據艦船電站設置的特點，負荷分配失衡度可以分為電站間負荷分配失衡度和同一電站下的發電機組間負荷分配失衡度兩類。

3.3電網的適裝性

艦船電網的適裝性不僅關系到電網元件的布設難度，同時還影響到船體結構的強度和水密防火性能，因此需要對其作出相應的限制。

1）電纜總長度

從電力系統生命力、適裝性和經濟性的角度考慮，應盡量減小電纜的總長度。全艦電纜總長度可表述為

4 算例

本文以某型艦船電網的5種設計方案作為評價對象，按照上文所述方法對其進行量化評估。各待評價方案所對應的分項指標值如表2所示。

1）分項指標的歸一化處理

由于各分項指標具有不同的量綱和取值范圍，因此需對其進行歸一化處理。本文基于模糊線性變換的原理，采用半梯形模糊隸屬度函數對各分項指標進行歸一化處理。由于各分項指標值越低意味著待評價方案的相應性能越優。因此，本文采用如下隸屬度函數對各分項指標進行歸一化處理

由式（16）計算得到各待評價方案所對應的分項指標的歸一化值，如表3所示。

2）各分項評價指標權重的確定

基于國軍標中的相關標準和要求對各分項指標間的相對重要性進行兩兩比較，以構造初始判斷矩陣，通過對各設計方案的排序結果進行分析和評價，并對判斷矩陣進行修正和優化。限于篇幅，以下直接給出最佳判斷矩陣

3）計算各待評價方案的綜合評價指標值

由于待評價方案所對應的綜合評價指標值越低，其綜合性能越優。而在所有待評價方案中，方案對應的綜合評價指標值最低，其數值僅為0.2120，因此該方案綜合性能最優；方案的綜合指標值最高，其數值為0.7957，因此該方案綜合性能最差。可見，本文提出的基于改進AHP法和加權TOPSIS法的綜合量化評估方法能夠有效地實現對多方案的艦船電網的量化評估。

5 結論

本文針對艦船電網設計的實際需求，從電力系統生命力性能、負荷分配均衡性和電網的適裝性等角度出發，建立了7項評價指標。基于改進AHP法和加權TOPSIS法，提出了艦船電網量化評估方法。算例分析表明，該方法的能夠為艦船電網設計方案的選擇與優化提供可靠的量化評估手段，并且為艦船電網規劃的實現提供技術支持和理論支撐。

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A Method for Comprehensive and Quantizing Evaluation of Shipboard Power Network Based on Improved AHP and Weighted TOPSIS

Pan Hua1, Ji Xin2

(1. 92787 Army Unit, Shanghai 200436, China ; 2. 92857 Army Unit, Beijing 100086, China）

TM711

A

1003-4862（2014）07-0066-05

2014-04-02

潘華(1981-), 男，工程師。研究方向：電力推進系統。