艦船動力系統的綜合體系評價研究

李　斌

(青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071)

艦船動力系統的綜合體系評價研究

李斌

(青島遠洋船員職業學院，山東 青島 266071)

摘要：以艦船動力系統綜合體系評價為研究對象。通過對評價過程的分析和評價體系指標的選擇，考慮到對評價指標的數據處理和量化分析，采用了層次分析法(AHP) 評價模型實現對艦船評價指標的優化計算，并通過對該模型的實例分析獲取綜合評價結果。結果表明，該方法能夠客觀評估出艦船動力系統的狀態水平，具有一定的應用和參考價值。

關鍵詞：船艦動力系統； 層次分析法；綜合評價

0引言

艦船結構設計復雜，多個系統相互作用共同保證艦船的運行，而動力系統又是艦船系統的核心，動力系統的性能好壞對艦船有著重要影響。隨著對空間格局的縮小和海洋安全的重視，艦船將被賦予更多職能。因此，艦船的安全、穩定便成為衡量艦船設計的重要因素，而艦船的動力系統便成為艦船性能評估的對象。因評估視角和評價標準的不同，評估方法也有多種可以選擇，如模糊分析法、多學科協同法、神經網絡法等[1]。考慮到艦船動力系統評價涉及到的是一個多層次、多因素的決策過程，為了保證對艦船動力系統評價的科學、客觀，本文選用層次分析法(AHP)，以定性和定量分析相結合實現艦船動力系統的綜合評價。

1綜合體系評價方法

1.1　評價的基本流程

層次分析法(AHP)在城市系統綜合評價、石油含量分析、經濟預算管理、交通規劃等許多領域有著廣泛的應用，本文以層次分析法進行艦船動力系統的綜合評價，需要考慮到艦船的動力性能、能量提供、操作管理等各個方面，問題復雜，方案論證難度大，必須明晰評價的基本流程，有效搭建評價的整體框架結構，以合適的評估模型和科學的計算方法，從可操作性、簡潔完整、層次性、適用性等原則出發進行綜合體系的評價，圖1即為本文經過綜合考慮各因素后實現的艦船動力系統綜合評價的基本流程示意圖[2]。

圖1　評價基本流程Fig.1　The process of evaluation

1.2　指標體系的選取

在確定評價的基本流程后，便根據艦船動力系統的結構組成和動力因素選擇恰當的評價指標，組成評價指標體系。評價指標體系務必力求可操作、科學實用，艦船的職能是護航保衛戰斗，必須要保證艦船裝備的續航、靈敏和高效性，所以從艦船的壽命期限、攻擊力和科學管理出發，依照層次分析法的分析原理，本文選取3層指標進行分析；在總的艦船動力系統評價目標下，選取艦船的性能指標、狀態指標和管理措施指標作為二級指標；在二級指標下，艦船的性能指標分別選出靈敏性、續航性、保障性和高效性作為三級指標，狀態指標下選取燃油分析和汽輪分析作為艦船動力狀態的三級指標，管理措施下分別選取檔案管理、制度規定、人員水平和常規檢查作為艦船維護管理下的三級指標[3]。這樣，至上而下，利用層次分析法就建立了艦船動力系統的綜合評價指標體系，如圖2所示。

圖2　艦船動力系統綜合評價指標體系Fig.2　The index system of marine propulsion system evaluation

1.3　評價模型的建立

因評價指標的選擇對評價總體有著一定的影響，而評價指標的重要程度因各個人認識和主觀上的差異，無法對評價指標的重要程度具體量化分析，因此，以評價體系為基礎，建立相應的評價模型，用數學方法對評價指標進行優化計算，實現對評價指標的相關性、可靠性的分析和數據處理，得到同評價目標相匹配的硬性量化參數，避免經驗和主觀造成的評價缺陷。本文中采用層次分析法(AHP)評價模型消除指標的主觀差異，量化指標參數，得到與實際情況相符合的權重大小，保證評價模型的計算結果符合艦船動力系統指標評價的客觀實際。

2基于AHP評估模型的優化計算

2.1　AHP分析原理

層次分析法(AHP)是一種能夠對一個被分析對象進行定性和定量相結合進行綜合分析的方法[4]。它將一個復雜性、多層次結構的系統按照一定的隸屬關系進行有效的組織起來，建立層次結構模型，在對每一層次模型的對象間的影響因素相互比較，以該領域專家的建議或經驗為參考，對各因素的重要程度大小進行評判，并構建評判矩陣，進行定性分析，實現最優化的決策分析。在構建評判矩陣的決策過程中，因專家的認識與思考視角的不同，可能會造成判斷的分歧，因此，在利用AHP法分析時，最重要的就是要處理判斷矩陣的一致性，這可通過引入偏離一致性和相對一致性公式實現，其公式分別定義如下[5]：

其中：λmax為階數為n的判斷矩陣的最大特征根；CI為偏離一致性程度；RI為平均隨機一致性程度。由上式知，CR越小，判斷矩陣的一致性程度越高。

在取得一致性判斷后，進行指標的權重計算，本文用方根法進行權重的計算，方法如下：

1)對矩陣每一行求其均值

2)對均值進行歸一化運算，求得權重向量

3)計算矩陣最大特征值

2.2　獲取指標權重

根據層次分析法的專家評判要求，結合艦船動力系統自身的特點，分別選取在動力設備研究、動力設備使用、動力設備管理、動力設備維護4個領域的專家各一名，組成專家小組，對指標權重判斷矩陣進行打分，采用方根法計算指標的權重。如動力設備維護專家依照自身的知識和經驗對二級指標中的性能指標、狀態指標、管理措施的判斷如表1所示。

表1　二級指標結構

則當4位專家全部評判完畢后，根據權重計算方法可以計算出二級指標中性能指標、狀態指標、管理措施3項各權重值如下：

A={A1(0.693),A2(0.121 1),A3(0.185 8)}，

同理，進行二級指標下的三級指標各權重值如下：

A1={A11(0.591),A12(0.174 2),A13(0.192 8),A14(0.043 9)}

A2={A21(0.721 1),A22(0.298 9)}，

A3={A31(0.122 9),A32(0.050 5),A33(0.460),A34(0.367)}。

2.3　指標數據處理與等級劃分

2.3.1數據處理

在確定權重后就要對指標的數據進行精確的分析以便獲取具體指標分值，由于艦船動力系統的指標分支龐大復雜，給各指標數據的分析帶來了困難。比如動力性能的續航性屬于一個定量范圍，無法精確計算，然而狀態指標的燃油分析就可通過科學的檢測方法來分析出艦船燃油的元素含量，進而可以根據燃油的元素含量判斷艦船動力燃油是否正常，因此，還需要對評價模型中的評價指標進行一定的通用處理，以便在進行綜合評價時保證評價結果的科學、準確。

現做以下處理：對各指標統一按照“優秀=3、良好=2、合格=1、不合格=0”這4個狀態分值進行判別，現設定在該評價模型中的第i個二級指標下有n個三級指標，第j個指標待計算分值記為pij；若該三級指標的等級狀態向量值為：

υ=(υ1,υ2,υ3,υ4)。

則統一后的分值計算為：

pij=υ×(3,2,1,0)T。

由此可計算出該二級指標的n個三級指標的分值向量為：

{pi1,pi2,…,pin}，

由上述對權重的計算，若第i個二級指標的權重為：

{Ai1,Ai2,…,Ain}，

則該二級指標的評價結果為：

pi={Ai1,Ai2,…,Ain}×{pi1,pi2,…,pin}，

若該評價模型中一級指標下有k個二級指標，二級指標的權重向量和評價結果向量分別為：

{A1,A2,…,Ak}，

{pi1,pi2,…,pik}，

則根據評價分值計算得到一級評價指標的分值結果為：

p={A1,A2,…,Ak}×{pi1,pi2,…,pik}。

2.3.2等級劃分

通過上述逐層計算后得到的一級指標分值結果即為該艦船動力系統的綜合性能狀態，如何根據該結果反映艦船的性能等級，通過《海軍艦船使用規范》所作的具體規定和本文所設置的分值級別，艦船綜合性能狀態等級劃分如表2所示。

表2　艦船綜合性能狀態等級劃分

這樣經過等級的劃分，實現了對艦船動力系統綜合性能的判別，以科學的方法實現了艦船動力系統的綜合評價。

3綜合評價實例分析

現通過上述方法對我國東海某型號的艦船進行動力系統綜合體系的評價研究，該項研究是按照該艦船的年度例行試驗的各項標準進行的，已知艦船使用3年，期間經過大小共8次維修，通過對艦船標準的執行，可以驗證使用本文方法進行評價的科學性。

首先確定三級指標的分值，例如對靈敏度的計算評估法如下：

通過以往數據的分析，該艦船在艙溫度25℃，根據一定的隸屬計算，其等級狀態向量值：

υ=(0,1,0,0)，

則該性能指標的靈敏性分值結果為：

p11=(0,1,0,0)×(3,2,1,0)T=2。

之后依次可計算出該系統評估模型中的三級指標分值結果為：

續航性：

p12=(0.5,0.5,0,0)×(3,2,1,0)T=2.5；

保障性：

p13=(0,0.85,0.55,0)×(3,2,1,0)T=2.25；

高效性：

p14=(0,1,0,0)×(3,2,1,0)T=2。

則通過對該4項指標分值的計算，得出三級指標的分值向量為：

{2,2.5,2.25,2}。

確定三級指標后，再次進行二級指標的分析，由二級指標下三級指標的各權重向量知性能指標的評價值如下：

p1={0.591,0.174 2,0.192 8,0.043 9}*{2,2.5,2.25,2}T=

2.145，

狀態指標、管理措施二級指標的評價值如下：

p2={0.721 1,0.298 9}×{2.5,2.5}T=2.55，

p3={0.122 9,0.050 5,0.460,0.367}×{2,3,2,1.9}T≈2.01，

二級指標的評估分值向量則為：

{2.145,2.55,2.01}，

由一級指標的權重則可獲得一級指標的計算結果如下：

p={0.69 3,0.121 1,0.185 8}×{2.145,2.55,2.01}T≈2.169。

通過等級劃分表及評估結果表明艦船動力系統屬于良好狀態，可以進行一定的執勤護航任務，但仍需要注意平時的保養和船艦性能檢測。

4結語

本文通過應用層次分析法(AHP)實現了艦船動力系統的綜合評價研究，科學有效的進行了艦船動力系統總體性能的評估，為艦船動力系統的狀態監測和維護管理提供了具體的數據要求，實現了艦船動力系統綜合性能狀態的掌控，對艦船動力系統及時采取維護措施維持艦船的動力性能有著特殊的意義。

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Research of marine power system comprehensive evaluation system

LI Bin

(Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071,China)

Abstract：In this paper,we focus on the research of marine power system comprehensive evaluation system.By the analysis of evaluation process and the filter of evaluation index, given the data processing and quantitative analysis of the evaluation index,it used the analytic hierarchy process (AHP) evaluation model to realize the optimization of marine evaluation index calculation, and obtained the results through analyzing the instance of the model for comprehensive evaluation.The results show that the method can objectively evaluate the ship power system state level with application and reference value.

Key words：marine power system;AHP;overall evaluation

作者簡介：李斌(1973-)，男，碩士，研究方向為現代輪機管理技術。

基金項目：中遠集團科研資助項目(2013-1-R-C001)

收稿日期：2014-08-24； 修回日期： 2014-09-27

文章編號：1672-7649(2015)01-0127-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.026

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A