基于ANP的船舶主機維修性評估研究

李泳霖，王 威，胡 斌

(1.海軍工程大學 a.管理工程系;b.艦船工程系，武漢 430033;2.92301部隊，北京 100040)

良好的維修性是船舶海上安全航行的重要保證［1］。船舶航行于海洋上，其可靠性及可維修性對保證船舶及人員的安全是至關重要的，而船舶的維修性好壞必須通過維修作業模擬實驗來評估驗證。傳統的維修性設計驗證主要依托產品的物理樣機或全船尺寸模型，然而對于船舶，用于對設計方案進行補充、驗證的物理和計算機仿真模型，大多都不適用于全船的使用和維修性設計驗證，一旦發現問題在對設計進行修改，則可能需要花費大量的經費和時間，由于設計開發周期與費用等原因，往往即使發現了存在的問題，也不能對設計進行修改［2］。因此利用有效的評價方法去評估船舶主機維修性問題，具有實際意義。

目前，國內徐書在分析艦船維修性含義的基礎上，結合修船實踐，探討了確定艦船維修性定量參數的依據和方法［3］。金永明針對船舶的特點，對維修時問數據的收集方法、計算方法進行了研究，確定了船舶設備維修性評估參數和維修性時間數據分布模型，有效地解決了船舶設備的維修性指標進行驗收難題［4］。高松歸納了維修性基礎理論和相關研究，設計并建立一套包含設計、保障、使用、維修、人員5大類因素的船舶維修性評價指標體系，為航運企業的維修決策提供準則和依據［5］。金永明通過將船舶的維修過程分解為若干個基本維修作業，并對每個基本維修作業中的影響因素進行“預想”及分析，解決了在船舶的設計階段查找船舶的維修性設計缺陷的問題［6］。本文運用ANP對船舶主機維修性進行了評估，然后檢驗了評估的有效性。

1 ANP的基本原理

ANP首先將系統元素劃分為2大部分，第一部分稱為控制因素層，包括問題目標及決策準則，所有的決策準則均被認為是彼此獨立的，且只受目標元素支配，控制因素中可以沒有決策準則，但至少有一個目標。控制層中每個準則的權重均可用傳統AHP方法獲得。第二部分為網絡層，它是由所有受控制層支配的元素組組成的，其內部是互相影響的元素構成網絡結構，圖1就是一個典型的ANP結構。

圖1 網絡分析法結構

2 ANP的計算原理

2.1 權矩陣［7］

權矩陣就是要構造網絡層中元素組之間的相互影響程度，即在 ps(s=1，2，…，m)下各元素組對 Ci(i=1，2，…，n)的相對重要性。

ps的權矩陣為

“歸一化特征向量”是根據比較矩陣采用AHP中確定特征向量的方法計算得到。

在ANP的比較矩陣中如果某元素對另外元素沒有影響，在比較矩陣中該處的值為0，相應的特征向量中的值也為0，其他的進行歸一化。

2.2 超矩陣

設 Ci中有元素 eil，ei2，…，eini，i=1，2，…，n。以控制層元素 ps(s=1，2，…，m)為準則，以 Ci(i=1，2，…，n)中的元素eik(k=1，2，…，ni)為次準則，元素組 C1，C2，…，Cn中元素按其對eik的影響力大小進行優勢度比較，即構造比較矩陣。

ps的構造比較矩陣為［8］

將Ci中所有元素對Cj中所有元素的相對影響比較矩陣計算出的歸一化特征向量組成矩陣Wij，若Cj中的元素不受Ci中的元素影響，則Wij=0。將所有這樣的矩陣Wij組成塊矩陣，最終獲得ps下的超矩陣W

這樣的無權重超矩陣有1個，是非負矩陣，無權重超矩陣的子塊Wij是列歸一化的，但W卻不是列歸一化的。

2.3 加權超矩陣

ANP中元素之間的實際影響關系度通過加權超矩陣表示。

2.4 元素權重的確定

3 實例應用

某型船舶為在總體設計階段就能充分評估和解決后續使用和維修過程中的問題，防止實船系泊試驗時才能進行定性評估［9］。急需研究一種針對艦船維修性設計驗證的新方法來買足總體設計。因此，需要明確維修性各個單項指標之間的基本情況。這里直接利用Super Decisions軟件構建維修性的指標關系及各超矩陣，指標關系如圖2所示。

3.1 構建指標關系

運用ANP建立指標間的關系。網絡分析法包含2個層次:控制層和網絡層。控制層又包括了目標和準則。本文的控制層即為維修性，沒有準則層。

圖2 維修性指標關系

3.2 建立判斷矩陣

ANP采用Satty提出的1～9標度賦值法。以網絡層元素組通過性(B1)中的元素抗毀性(C2)為次準則，考慮元素組B2中的元素按其對C2的影響力大小進行間接優勢度比較，可構造如表1所示的判斷矩陣。

表1 B2元素組對C2的比較矩陣

同理，分別以B1中元素C1、C3為次準則也可以構造判斷矩陣，這里限于篇幅，直接給出以上3個判斷矩陣所求得的歸一化特征向量。并且構成一個在目標準則下，元素組B1對元素組B2的關聯矩陣W12

式中:W12的列向量就是B2中的元素;C3、C4、C5對元素組B1中的元素C1、C2影響程度的排序要說明的是若B2中元素如果不受B1中元素影響，則W12=0。其他元素組對元素的比較矩陣同理，在這里不一一舉例。通過運用SD軟件得出目標作戰效能準則下的無權重超矩陣W，如表2所示。

借助SD軟件，對超矩陣W的元素加權就可以得到加權超矩陣。對加權超矩陣進行2k+1次演化，k趨近于無窮大，結果達到一致，形成一個長期穩定的矩陣，如表3所示。

3.3 計算權重

由表4得到的極限超矩陣每一列即為各元素相對于目標的相對權重，再與專家給各指標打分的分值相乘，得出船舶主機維修性評估的綜合分值。具體如表4所示。

表2 超矩陣

表3 極限矩陣

表4 各指標的權重

至此，對船舶主機維修性評估確定完成。從得到的結果看，其綜合得分為0.6878，說明船舶現有設計方案中:主機維修工作具有較好的維修性。

4 結束語

ANP是一種比AHP更系統、全面、科學的系統決策方法，其算法的核心在于有關超矩陣的運算。超矩陣的計算比較復雜，但由于有專門針對ANP而開發的Super Decisions軟件，使得計算過程變得方便、簡潔。這對該方法的推廣具有有力作用。利用ANP模型對船舶的主機維修性進行了評估，充分考慮了各影響因素之間的反饋關系和依存關系，幫助船舶企業更為合理、準確地選擇了評估方法。另外，本文只考慮了維修性的一些單項指標，沒有對標準工具作業下的維修時間進行統計，在今后的研究中還需進一步改善。

［1］ 王志炎，熊文，李江波，等.船舶維修性設計綜述［J］.經濟研究導刊，2013(3):330－331.

［2］ 李佳.基于虛擬現實技術的船舶維修性驗證系統研究［J］.中國艦船研究，2008(4):71 －73.

［3］ 徐書.艦船維修性定量參數的選擇［J］.中國修船，1994(3):39－42.

［4］ 金永明.船舶設備維修性定量評估開展方法研究［J］.技術交流，2012(6):56－58.

［5］ 高松.船舶維修性評價及其改進研究［D］.大連:大連海事大學，2010:3－12.

［6］ 金永明.船舶維修性分析和評估方法研究［D］.上海:上海交通大學，2011:33－39.

［7］ 魏末梅.企業技術創新能力評價體系與ANP法的研究［D］.重慶:重慶大學，2006:7 －8.

［8］ 李康平.基于ANP的江蘇省企業技術創新能力評價及評價系統研究［D］.南京:東南大學，2006:11－12.

［9］ 陳嬌，羅周全，侯造水.空區探測方法優選的ANP模型及其應用［J］.中國安全科學學報，2012(12):97－102.

(責任編輯楊繼森)