船舶建造過程綠色度評價方法研究

汪 驥， 劉 玉 君， 魯 大 鵬， 鄧 燕 萍

(1.大連理工大學 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 運載工程與力學學部 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；3.船舶制造國家工程研究中心，遼寧 大連 116024)

0 引 言

當前，能源、資源以及環(huán)境問題已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的熱點，一股“綠色浪潮”，即對綠色產(chǎn)品、綠色制造、綠色技術(shù)和綠色產(chǎn)品評價的研究及推廣[1]廣泛掀起.船舶制造過程是社會化協(xié)作面非常廣的一項綜合系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的以單純追求規(guī)模和效益為目的的船舶制造業(yè)必將面臨著大量生產(chǎn)、大量消費和大量污染的發(fā)展瓶頸，面臨環(huán)境保護和節(jié)能減排的嚴峻挑戰(zhàn).

對于綠色船舶的評價方法研究，行業(yè)內(nèi)很多專家學者嘗試從船舶的整個生命周期對其進行綠色度評價[2]，但在研究過程中遇到困難較多，這是因為船舶工業(yè)屬于單件小批量生產(chǎn)過程，與其他大批量流水線生產(chǎn)的工業(yè)過程相比，在能源消耗、資金投入、對環(huán)境污染等方面均處于較高水平，而且在船舶運營和報廢過程中所需要考慮的因素更加復雜.但是，在船舶產(chǎn)品的整個生命周期中，船舶建造過程對資源能源的消耗、對環(huán)境的污染所占的比例很大，考慮到上述問題，本文以船舶建造過程為研究對象，對其進行深入分析并進行綠色度評價.

1 評價方法的確定

在影響船舶建造過程綠色度的眾多因素中，雖然有部分因素由于具有明顯的船舶行業(yè)特點，在特定環(huán)境下能夠被定量表示，但是在整個船舶建造的復雜過程中，其概念就會顯得模糊，只能定性地對它們的各項屬性進行概括，難以精確清晰地把定性的分析轉(zhuǎn)化為定量的評價，所以本文采用模糊綜合評價方法[3]，結(jié)合層次分析法理論，對船舶建造過程進行綠色度評價.具體流程如圖1所示.

2 確定評價指標并建立評價模型

2.1 確定評價指標

影響船舶建造過程綠色度的因素很多，如何確定這些影響因素，并且合理地建立層次化指標體系，直接影響到評價模型的建立.本文在確定評價指標時采用德爾斐法，由調(diào)查人員采取匿名方式發(fā)放專家調(diào)查表格，每位專家獨立填寫調(diào)查表格，然后，調(diào)查人員對問卷表格進行回收，匯總后找出共識和分歧，并將分歧問題的相關(guān)資料再次發(fā)到各專家手中征求修改意見，通過不斷降低分歧，使各專家意見趨于統(tǒng)一，最終得出調(diào)查結(jié)果[4～6].

應(yīng)用德爾斐法，本文確定并建立船舶建造過程綠色度評價因素體系.船舶建造過程綠色度評價的第一級分類情況如圖2所示，包含3個準則性因素:環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟合理性和技術(shù)先進性.在該準則因素下，又把船舶建造過程根據(jù)工藝流程進一步分解為5個基本環(huán)節(jié)分別進行評價，如圖3～10所示.以上建立的多級評價因素指標采取模糊評價理論方法，由下至上逐層進行評價分析，最終能夠得出整個船舶建造過程的綠色度.

圖2 船舶建造過程綠色度一級因素指標Fig.2 The first level index of green degree in shipbuilding process

圖3 環(huán)境協(xié)調(diào)性二級因素Fig.3 The second level index of environment coordination

2.2 建立評價模型

圖4 鋼料加工因素Fig.4 Steel processing index

圖5 分段裝焊因素Fig.5 Subsection welding index

圖6 總段組裝因素Fig.6 Section assembling index

圖7 船舶合攏因素Fig.7 Block assembling index of ship

為了系統(tǒng)分析船舶建造過程各準則下的諸多復雜因素，對船舶建造過程綠色度綜合評價結(jié)果進行量化.本文采用綜合模糊評價理論，結(jié)合船舶建造工藝的特點，建立了綠色度評價模型.其主要內(nèi)容和步驟包括:(1)建立評價因素集合；(2)建立綠色度評價集合；(3)確定各層次評價因素權(quán)重；(4)確定評價因素隸屬度；(5)建立綜合評價模型.評價模型結(jié)構(gòu)如圖11所示.

圖8 船舶下水因素Fig.8 Launching index of ship

圖9 技術(shù)先進性因素Fig.9 Technical advancement index

2.3 確定評價集和隸屬度

船舶建造過程綠色度評價集合是包含評價因素指標可能出現(xiàn)的所有評價結(jié)果組成的集合.雖然一般來說評價等級劃分得越細，評價結(jié)果就會越準確，但是，如果把評價等級分得過細，會造成評價過程過于繁瑣，并且某一因素歸屬于哪一個評價等級的判斷掌握變得困難.本文將各因素的評價分為5個等級(如表1)，即V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝.

圖10 經(jīng)濟合理性因素Fig.10 Economic rationality index

圖11 綜合評價模型結(jié)構(gòu)簡圖Fig.11 Schematic of comprehensive evaluation model

表1 評價結(jié)果分值對應(yīng)表Tab.1 Results ＆scores of the evaluation

在評語得分隸屬度表格中，根據(jù)上面評價等級的劃分，可以查出某一因素指標的各個評價等級的隸屬度；再把同一層次的各因素隸屬度進行集合，可以建立該層次的評價矩陣；然后結(jié)合各因素的權(quán)重系數(shù)計算出上一層因素的隸屬度；最后，可以得出評價集元素的量化評價結(jié)果.但是，確定隸屬度函數(shù)往往帶有主觀性，目前常用的隸屬度函數(shù)確定方法主要有模糊統(tǒng)計法、相對比較法、集合套法、例證法、德爾斐法、參考函數(shù)法和統(tǒng)計迭代法等[7].本文選用德爾斐法確定各評價因素的評價標準和隸屬度，在確定各個因素指標的評價標準時，主要依據(jù)行業(yè)內(nèi)規(guī)范、相關(guān)政策法規(guī)、專家意見和行業(yè)內(nèi)的實際狀況.應(yīng)用該方法，先得到評價集合及相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，再通過歸一化計算，最后可以得出船舶建造過程綠色度各評價因素的隸屬度.

3 綜合評價計算

3.1 計算各指標排序權(quán)重

根據(jù)層次分析法理論，要計算各個指標的排序權(quán)重系數(shù)，必須獲得合理的比較矩陣.本文采用專家調(diào)查法獲得大量的比較矩陣，并且應(yīng)用遺傳算法對比較矩陣進行修正計算.采用遺傳算法修正比較矩陣的目的是為了找到并保持大量比較矩陣的原始特征，以及對比較矩陣進行一致性修正.

據(jù)遺傳算法，本文采用十進制編碼處理比較矩陣，考慮到比較矩陣的特殊性——上、下三角對應(yīng)元素互為倒數(shù)，因此用一個n階矩陣n×(n－1)／2位長度的編碼基因串表示.在計算程序中，用一個二維數(shù)組表示一個矩陣，如數(shù)組b(i，j)中，i為種群中的個體編號，j為元素在矩陣中的位置特征.由專家調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)作為每一個矩陣的初始種群，每個個體由編碼機制將其轉(zhuǎn)化成數(shù)組形式的基因串.

比較矩陣的初始群體獲得之后，下一步是確定適應(yīng)度函數(shù)，根據(jù)優(yōu)化目的，本文確定適應(yīng)度函數(shù)為

每個個體的被選擇概率由適應(yīng)度函數(shù)計算得到，遺傳算法的選擇操作利用賭輪技術(shù)實現(xiàn)，選擇好的個體被送入交配池，供交叉算子使用.本文選擇的交叉概率定義為0.85，操作為單點交叉.交叉過程中隨機選擇交叉基因位，確定交叉點之后，直接交換兩個數(shù)組的對應(yīng)元素即可[8].此外，本文以0.05的變異概率進行變異操作，以彌補種群多樣性減少帶來的不足.由于比較矩陣的最大標度為9，矩陣中最小元素應(yīng)大約等于0.11，因此在變異操作中，隨機生成一個0.11到9的數(shù)，代替變異基因位上的數(shù)組元素.得出優(yōu)化后的比較矩陣之后，計算其最大特征值對應(yīng)的特征向量并歸一化即可得到單一準則下各因素的排序權(quán)重.

3.2 船舶建造過程綠色度的綜合評價計算

在上述評價集建立和隸屬度確定的基礎(chǔ)上，先構(gòu)成最低層因素的評價矩陣.例如，在某單一準則Cj下，第4層n個因素為D＝｛d1，d2，…dn｝，其中每個因素的評價集為Vi＝ (v1，v2，…，v5)，結(jié)合每個因素的隸屬度，構(gòu)成評價矩陣為V＝(V1V2…Vn)T，若在Cj下D＝ ｛d1，d2，…，dn｝的每個因素的排序權(quán)重為WD＝(w1w2…wn)，那么Cj的隸屬度可由下式計算:

計算結(jié)果RCj＝ (r1r2…r5)就是Cj因素的隸屬度，采用同樣的方法計算出與Cj同一層次其他因素的隸屬度，由于該層次的各因素排序權(quán)重是已知的，可以得到Cj上一層各因素的隸屬度，這樣由下至上逐層計算，就能夠得出最后的評價結(jié)果.

3.3 船舶建造過程綠色度評價軟件

圖12 船舶建造過程綠色度評價軟件Fig.12 Green degree evaluation software in shipbuilding process

在本文船舶建造過程綠色度評價指標體系和評價方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了船舶建造綠色度評價軟件(圖12)，功能主要包括兩個部分:第一是對各因素的排序權(quán)重系數(shù)的修改保存，對比較矩陣的記錄優(yōu)化以及對各因素隸屬度的修改；第二是對整個建造過程綠色度的整體評價和綜合意見的生成.

在系統(tǒng)中，為保證排序權(quán)重以及評價標準的動態(tài)性，可以不斷增加更多專家的意見，并選擇優(yōu)化比較矩陣命令自動計算新的排序權(quán)重和保存新的比較矩陣.此外，本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對各層次因素的單獨評價和整體綜合評價結(jié)果并給出建議.

4 結(jié) 論

本文通過對船舶建造過程以及綠色產(chǎn)品定義的深入研究，采用德爾斐法，建立了船舶建造過程綠色度評價因素體系，主要考慮環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟合理性、技術(shù)先進性3個準則，建立了層次分析的評價模型.在此基礎(chǔ)上，再次應(yīng)用德爾斐法確定了各個影響因素的隸屬度，最后應(yīng)用模糊綜合評價方法，提出了船舶建造過程總體綠色度的評價方法.本文的研究對船舶產(chǎn)品整個生命周期的綠色度評價具有重要的現(xiàn)實意義.

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