基于層次灰色關(guān)聯(lián)的深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)*

□ 韓立偉 □ 茍秉宸 □ 蔣 超

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室 西安 710072

1 概述

海洋作為覆蓋地球表面最大的區(qū)域，蘊(yùn)含著豐富的生物資源和礦物資源［1］，隨著陸地資源的過度開發(fā)和使用，海洋已經(jīng)成為各國競爭的新領(lǐng)域。作為西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室承接的國家重點(diǎn)863項(xiàng)目，載人深海潛水器的相關(guān)研究不僅對我國載人深潛技術(shù)的開發(fā)和研究有著重要作用，也對國家海洋資源的探索有著重要意義。載人深海潛水器艙為標(biāo)準(zhǔn)球形艙，艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)主要針對能直接影響潛航員和乘客的工作效率、心理、生理、安全和舒適度等方面的艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在保證人員安全的同時(shí)提高作業(yè)效率。因此，深海潛水器的艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)是深海潛水器總體設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，用于設(shè)計(jì)評價(jià)的理論方法有很多，如模糊評價(jià)法、質(zhì)量功能展開法、灰色關(guān)聯(lián)法、層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)評價(jià)法及專家系統(tǒng)評價(jià)法。隨著深入研究，模糊層次分析法［2-3］、模糊熵權(quán)法［4］等更為綜合的評價(jià)方法也相繼提出。然而以上大部分評價(jià)方法具有主觀性和評價(jià)指標(biāo)單一性，無法客觀選取指標(biāo)權(quán)重和考慮系統(tǒng)多指標(biāo)之間的聯(lián)系，不能滿足此類由多層次灰色關(guān)聯(lián)信息構(gòu)建的深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境綜合系統(tǒng)。

本文將層次分析法 (AnalyticalHierarchyProcess,AHP)引入灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)理論，建立多層次、多指標(biāo)的層次灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)模型，確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值并對評價(jià)值定量化處理，求出各個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)性，更為先進(jìn)和科學(xué)地對深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。

2 潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)體系

潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)主要是對載人艙內(nèi)環(huán)境的整體性、功能性和人機(jī)性等方面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣進(jìn)行綜合評價(jià)。參考灰色系統(tǒng)理論方法［7-10］，將評價(jià)指標(biāo)逐層細(xì)化為多個(gè)因素集，制定出潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)層次體系，該評價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)由多個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成、具有灰色性和層次性的層次灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。

依據(jù)最終評價(jià)目標(biāo)和實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)，并結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)理論知識(shí)和已有設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)則［4-6］，將潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)主要確立為4個(gè)方面：整體造型、艙內(nèi)色彩、人機(jī)功效、其它。由于學(xué)科知識(shí)限制和實(shí)際設(shè)計(jì)的需求，根據(jù)設(shè)計(jì)中所需要考慮的重點(diǎn)因素，對指標(biāo)層因素進(jìn)行優(yōu)化篩選，省略實(shí)際設(shè)計(jì)中重要程度較低的要素，例如設(shè)備造型具有藝術(shù)感，最終建立載人深海潛水器艙內(nèi)人機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)層次體系，如圖2所示。

▲圖1 載人深海潛水器艙示意圖

3 層次灰色關(guān)聯(lián)分析模型

灰色關(guān)聯(lián)分析方法主要針對灰色系統(tǒng)中指標(biāo)間動(dòng)態(tài)關(guān)系提供量化分析和描述，但無法全面評估指標(biāo)間的重要度關(guān)系。層次分析法實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜問題簡化、拆解為多項(xiàng)指標(biāo)因素，并通過相互之間重要程度的比較，建立層次模型和構(gòu)建判斷矩陣。因此，可用于確定評價(jià)體系中各指標(biāo)的權(quán)重值。

設(shè)潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)中待評價(jià)的n個(gè)方案組成灰色系統(tǒng)的方案集，其中｛X0｝是參照方案。每個(gè)方案有M個(gè)因素集，即指標(biāo)集。按其不同屬性，將其分解為m個(gè)灰色分系統(tǒng)， 每一分系統(tǒng)分別有 m1、m2、．．、mm個(gè)因素，滿足：

▲圖2 載人深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)層次體系

3.1 分系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)

設(shè)第i灰色分系統(tǒng)中第j方案的mi因素可用矢量Xi，j表示：

第i灰色分系統(tǒng)母方案（參考方案）mi的因素可用矢量 Vi，0表示為 Vi，0=［vi，01，vi，02，...，vi，0m］T。對于灰色分系統(tǒng)中mi因素考慮不同的權(quán)重，其權(quán)矢量表示為wih=［wi1，wi2，...，wim］，并且滿足。 其中 wih為灰色分系統(tǒng)中第 h 因素的權(quán)重，h=1，2，...，mi。

第i灰色分系統(tǒng)中每一方案與該系統(tǒng)中母方案（參考方案）的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ∈（0，1），一般情況下取 0.5。

由式（3）可見，關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了第j方案與母方案的緊密程度。關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，說明j方案就是母方案；反之關(guān)聯(lián)系數(shù)越小，說明j方案與母方案差別越大。

第i灰色分系統(tǒng)中每一方案與該分系統(tǒng)中母方案的關(guān)聯(lián)度為：

關(guān)聯(lián)度分析實(shí)質(zhì)上是灰色系統(tǒng)中每一方案與該系統(tǒng)中母方案進(jìn)行幾何關(guān)系的比較。對每個(gè)分系統(tǒng)，利用式（3）可求得幾個(gè)方案與母方案的關(guān)聯(lián)度，為了論述方便，令：

如要進(jìn)行灰色系統(tǒng)高一層的灰色關(guān)聯(lián)分析，可采用式（6）:

式（6）是進(jìn)行灰色系統(tǒng)高一層灰色關(guān)聯(lián)分析的依據(jù)。

3.2 全系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)模型

設(shè)灰色系統(tǒng)母方案的m個(gè)因素表示為：

V1i=［v11，v12，…，v1m］T對灰色系統(tǒng)中的 m 個(gè)因素考慮不同的權(quán)重，m個(gè)分系統(tǒng)的權(quán)矢量表示為：

wi=［w1，w2，…，wm］，滿足：，其中wi為第i個(gè)灰色系統(tǒng)的權(quán)重，i=1，2，...，m。

記灰色系統(tǒng)中每一方案與母方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

式（7）為灰色系統(tǒng)加權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算模型，可用于確定灰色系統(tǒng)中每一方案與母方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)。對于具有兩個(gè)層次結(jié)構(gòu)以上的灰色系統(tǒng)，以此類推。

式（3）、式（7）為灰色系統(tǒng)不同層次關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算模型，其結(jié)構(gòu)相同。灰色系統(tǒng)的加權(quán)關(guān)聯(lián)度為：

根據(jù)式（8）可以確定灰色系統(tǒng)每一方案與母方案緊密（靠近）程度［6］，即 Qj1越大，說明該評價(jià)方案與母方案越接近，當(dāng)為最大值時(shí)，此方案即為該系統(tǒng)中的母方案。

4 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)項(xiàng)目需要和要求，需對深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)提交3款設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過評價(jià)后選擇相對較優(yōu)方案，再修改完善。

評價(jià)小組由設(shè)計(jì)師、工程師和潛航員等5位專家組成，評價(jià)階段主要工作是根據(jù)層次灰色關(guān)聯(lián)模型和圖2的評價(jià)指標(biāo)體系，對深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的3款設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)，具體評價(jià)步驟如下。

4.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值確定

依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)并采用重要度評價(jià)法確立評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，即采用5分制李克特量（Likertscale）對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要度的定性評價(jià)，其中有 “非常同意”、“同意”、“不一定”、“不同意”、“非常不同意” 五種評級標(biāo)準(zhǔn)，分別記為5分、4分、3分、2分、1分五個(gè)分?jǐn)?shù)值。再通過合計(jì)得到每項(xiàng)分值，計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，并保證評價(jià)指標(biāo)內(nèi)部權(quán)重之和為1，按比例分配各權(quán)重指標(biāo)。重要度評級結(jié)果和所得評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值見表1。

4.2 評價(jià)數(shù)據(jù)獲取和無量綱化處理

3款潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)方案的初始評價(jià)數(shù)據(jù)，由5位專家根據(jù)圖2中的參考數(shù)據(jù)分別逐項(xiàng)打分并最終取平均分的方式獲得。評分區(qū)間為［90，99］、［80，89］、［70，79］、［60，69］、［0，59］，分別對應(yīng)“優(yōu)等”、“良等”、“中等”、“合格”、“差等”五個(gè)評價(jià)級別，專家評分明細(xì)和最終評分結(jié)果見表2。為了方便比較，將每個(gè)灰色分系統(tǒng)的n個(gè)方案所有評價(jià)因素分值表示為aij=［ai1，ai2，...，ain］，通過式（9）進(jìn)行無量綱化處理，得到灰色分系統(tǒng)各方案與母方案評價(jià)因素特征值Xij，見表3。

表1 深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

表2 深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)方案各評價(jià)因素專家評分結(jié)果

表3 灰色分系統(tǒng)各方案與母方案評價(jià)因素特征值

表4 設(shè)計(jì)方案灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)系數(shù)

4．3 加權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

由每項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的最大值構(gòu)成母方案序列，即最優(yōu)方案序列為全“1”序列。取分辨系數(shù) ρ=0．5，根據(jù)式（3）和式（7），可得設(shè)計(jì)方案灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表4。

由表4和式(8)計(jì)算灰色系統(tǒng)加權(quán)關(guān)聯(lián)度，見表5。

4．4 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表5中各方案與全系統(tǒng)母方案的灰色關(guān)聯(lián)度顯見：方案 1（0．836）優(yōu)于方案 3（0．549），方案 3 優(yōu)于方案2（0．534）。但最優(yōu)方案1仍存在許多不足，專家組給出意見是：在可能條件下可參照最優(yōu)設(shè)計(jì)方案對設(shè)計(jì)不足的指標(biāo)項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,完善設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

表5 設(shè)計(jì)方案灰色系統(tǒng)加權(quán)關(guān)聯(lián)度

▲圖3 深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)論

基于灰色關(guān)聯(lián)和層次分析法提出載人深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次灰色關(guān)聯(lián)模型綜合評價(jià)了潛水器艙內(nèi)環(huán)境的3種設(shè)計(jì)方案，通過提出系統(tǒng)層次灰色關(guān)聯(lián)分析理論和對加權(quán)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，弱化人為主觀因素影響，增加了評價(jià)的可靠性。通過實(shí)例驗(yàn)證，層次灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)方法不僅能夠滿足潛水器艙內(nèi)環(huán)境的多層次灰色系統(tǒng)的評價(jià)需求，而且可以通過子系統(tǒng)加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算得出更優(yōu)的修改方案和反饋意見，補(bǔ)充完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。該評價(jià)方法的客觀準(zhǔn)確性和科學(xué)性，為具有多層次灰色系統(tǒng)特征的載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)評價(jià)提供了一種科學(xué)的方法。

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