基于AHP和TOPSIS的海上風電軸承試驗機設計研究

蘇晨 王斯涵 許德驊

摘要：針對現有海上風電軸承試驗機存在長期監測視覺疲勞引起的安全隱患，以及客戶對軸承實時狀態無法在線觀測等問題。通過工業設計評估準則對設備進行分析，AHP構建海上風電軸承試驗機評價指標體系得到用戶關鍵需求，設計三款概念方案并通過TOPSIS選取最優方案。運用AHP-TOPSIS集成設計方法完成了海上風電軸承試驗機設計實踐。本次研究有益于提高風電軸承檢測水平和服務質量，加快推進風電產業開發。

關鍵詞：海上風電軸承試驗機 產品設計 AHP TOPSIS模型 訪談法

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）19-0120-04

Abstract：For offshore wind power bearing testing machines，there are safety hazards caused by visual fatigue caused by long-term monitoring，and customers cannot observe the real-time status of bearings online.Through the analysis of the equipment through the industrial design evaluation criteria，AHP constructed the evaluation index system of the offshore wind power bearing testing machine to obtain the key requirements of users，designed three conceptual schemes and selected the optimal scheme through TOPSIS.This research is beneficial to improve the detection level and service quality of wind power bearings，and accelerate the development of wind power industry.This research is beneficial to improve the detection level and service quality of wind power bearings，and accelerate the development of wind power industry.

Keywords：Offshore wind bearing testing machine Product design AHP TOPSIS model Interview method

引言

目前，傳統能源危機已成為全世界可持續發展的主要障礙，新能源的利用已成為全世界所關注的焦點。根據《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》，加快發展新能源產業成為我國目前新的發展方向。根據風能特性海上風電產業發展成為風能主要發展方向，其風能發電機的軸承運行是其成敗的核心。因此，檢測軸承的試驗平臺——海上風電軸承試驗機就尤為重要。課題來源于湖北京冶重工裝備科技有限公司海上風力發電軸承試驗設備外觀設計校企合作項目，現有產品技術已趨于成熟，為優化試驗機產品形態及服務，需要合理構建相應的評價指標體系指導設計。朱帥等提出了基于FAHP-TOPSIS的人機界面綜合評價方法對CNC機床的人機界面進行評價[1]；尹浩東等基于AHP-熵原理對電火花加工裝置設計中存在的問題進行了研究與解決[2]。綜上所述，AHP法對產品設計評價指標賦權具有一定的可行性，TOPSIS法可以較為準確地反映待評產品間的差距[3]。

一、海上風電軸承試驗機設計分析

海上風電軸承試驗機是對海上風力發電機軸承綜合性能進行測試的裝置。文章選取國內外現有風電軸承試驗機為參考對象，依據工業產品的設計與評估基本準則，主要以造型、功能、人機、結構多個角度來加以剖析，為設計要素選擇提供依據。

（一）造型分析

工業產品造型設計的構成要素主要包括形態、色彩、材質3個方面。形態上，分為單層平臺結構和雙層平臺結構，單層平臺結構是模擬風力發電機結構設計，節省空間，但存在設備體量大，垂直扶梯維修不便的問題；雙層平臺結構形態較為穩定，設備上檢修更便捷。色彩上，大多以黑、白、灰、藍色作為主色，細節處運用黃色、紅色。在材料方面，以鋼材、鑄鐵為主，有色金屬合金次之，也可使用工程塑料、橡膠等非金屬材料。

現有產品造型上存在鋼架結構裸露、維修不便、造型安全性不足等問題。整體造型設計應考慮品牌形象體現、造型安全性、操作便捷、造型美觀配色舒適等。

（二）功能分析

風電軸承試驗機由操作人員操控、設備功能較多、工作重復且檢測時間較長。在大型海上風電軸承的產品開發階段，投入風力發動機實際運轉之前，首先要做好軸承結構測試，以風電軸承的疲勞壽命測試（每日檢測一次）和極限載荷測試項目為主，檢驗軸承結構是否能適應其應用工況，找出缺陷，提前控制并改進質量。產品功能優化也在試驗機設計考慮范圍內，如軸承狀態實時在線觀測、自動化程度高等。

（三）人機分析

操作人員行為分析。測試前，操作人員檢查試驗機狀態后，通過行車、吊車吊裝被測風電軸承置于加載試驗盤和基座之間；測試過程中，操作人員觀測數控面板并實時監測試驗工作狀況；測試后，操作人員對設備上下層機械結構進行檢修維護。

（四）結構分析

設備造型設計是以機械結構為基礎[4]。風電軸承試驗機主要由三大部分組成，分別為機械結構、輔助系統和測控系統（如圖1所示）。試驗機是由很多器件組成的復雜產品，其中，加載系統、基座、驅動裝置、試驗工裝、試驗臺試驗盤、（徑向力、軸向力、傾覆力）加載裝置等將對整機造型產生重要的影響。

（五）用戶人群分析

1.風電軸承試驗機使用對象為操作者。一方面，操作者產生作業機能衰退、勞動能力降低，有時會出現明顯的疲勞等癥狀。另一方面，依據試驗機設計需求影響因素，設計過程中需著重考慮設備關鍵部件的布局、外觀及配色的舒適性等。

2.服務對象為被測軸承企業客戶，如研發風電軸承的公司。試驗機旨在為軸承試驗企業和被測軸承企業提供更好的試驗服務，提升風電軸承試驗過程的服務性。

二、基于AHP法的海上風電軸承試驗機方案模型建立與評價

文章首先通過運用文獻研究法查閱、整理和分析國內外現有風電軸承試驗機產品資料，以及用戶訪談法收集實際產品——海上風電軸承試驗機形態和服務過程中亟待解決的痛點，整理成初步需求。構建判斷矩陣，計算需求權重值并對判斷矩陣進行一致性檢驗；根據用戶需求設計三款概念方案；對設計方案進行正負理想解貼近度排序，計算方案與正負理想解距離，最后打分評判方案選取最優方案。

（一）確定最終評價層次模型

通過上文對風電軸承試驗機設備的分析，并結合對試驗機用戶人群訪談，從造型、功能、人機、結構等角度對影響因素篩選，建立了海上風電軸承試驗機的產品設計評估指標體系。B1造型準則層包含：形態安全可靠（B11），符合企業形象（B12），操作便捷（B13），造型美觀、配色舒適（B14）。B2功能準則層包含：軸承狀態實時在線觀測（B21），自動化程度高（B22），B3人機準則層包含：易拆卸、易安裝（B31），人機交互合理（B32），產品語義明確（B33）。B4結構準則層包含：維修區方便維修（B41），功能分區合理（B42），結構布局緊湊（B43）。

（二）構建成對比較矩陣

（四）所有方案層次總排序

將方案層中各設計要求以及類目的權重值進行綜合，形成了權重排序，并根據重要性程度將其分成關鍵需求、重要需求和一般需求，以此為海上風電軸承試驗機后續設計的主要依據，權重排序結果依次為：B11=0.2144；B21=0.1888；B14=0.1208；B22=0.0944；B41=0.0810；B13=0.0700；B31=0.0668；B42=0.0515；B12=0.0392；B43=0.0326；B33=0.0257；B32=0.0147。

（五）一致性檢驗

按照一致性檢驗結果，CRA =0.0267，CRB1=0.0054，CRB2=0.0000，CRB3=0.0176，CRB4=0.0517，各判斷矩陣的CR值均小于0.1，表示雙方均存在著滿意的一致性。通過訪談法對指標重要度排序進一步篩選和劃分，最終得出產品的關鍵需求為形態安全可靠（B11）、軸承狀態實時在線觀測（B21）和造型美觀、配色舒適（B14）。

（六）海上風電軸承試驗機概念方案

基于關鍵設計需求，確定了海上風電軸承試驗機的三款產品設計方案（如圖2），并運用TOPSIS法做出方案優選排序[6]。

1.形態安全可靠。從形態、材質上安全性入手，在雙層結構、試驗過程可視化、護欄安全防護、材質舒適安全等方面進行設計。

2.軸承狀態實時在線觀測。客戶PC端界面設計，完成客戶對被測風電軸承狀態實時監測。

3.造型美觀、配色舒適。從整體造型語義、色彩語義、燈光入手，把控整體造型的美觀性。

四、基于TOPSIS法的方案綜合評價與排序

通過TOPSIS對12項指標的定量分析，驗證基于AHP與TOPSIS集成設計方法應用的可行性。

（一）打分人員及初始評價矩陣

按照上文所述12個子準則層次的評估因素，確定了12個評價指標，并將其分為正、負兩個等級，可知12項評價指標均為正指標。

選擇公司產品研發主管3名，設備操作工程師2名，被測軸承企業客戶3名，共有8位工作人員對三臺海上風能軸承試驗機的產品進行了評估。分數區間為0～10（0<很差≤3，3<較差≤5，5<一般≤6，6<較好≤8，8<很好≤10），取其算術平均數作為每項評價指標的最終得分，形成初始評價矩陣。依據式5算出A方案B11=5.50，B12=7.13，B13=7.50，B14=6.38，B21=6.25，B22=6.63，B31=6.13，B32=6.50，B33=8.13，B41=6.88，B42=5.88，B43=6.50；B方案的B11=6.13，B12=6.50，B13=7.25，B14=5.88，B21=6.13，B22=5.88，B31=5.25，B32=6.00，B33=5.63，B41=7.38，B42=7.38，B43=6.13；C方案的B11=6.63，B12=5.00，B13=6.63，B14=8.13，B21=7.00，B22=6.25，B31=6.50，B32=6.13，B33=7.25，B41=5.50，B42=5.00，B43=5.50；

（二）確定正、負理想解

依據式6對以上初始評價矩陣進行標準化處理，得到標準化評價矩陣；再依據式7-8得到加權標準化評價矩陣；依據式9-10可以得出評價對象的正理想解為（0.1345，0.0257，0.0425，0.0826，0.1179，0.0577，0.0419，0.0089，0.0170，0.0520，0.0356，0.0202）；

負理想解為（0.1115，0.0180，0.0375，0.0597，0.1033，0.0512，0.0338，0.0082，0.0118，0.0388，0.0241，0.0171）

（三）TOPSIS最優解排序

方案A中 =0.0327，=0.0184，C=0.3601；方案B中 =0.0314，=0.0227，C=0.4196，方案C中 =0.0204，=0.0367，C=0.6427，通過式11計算判斷得出，方案C為最優解。

五、海上風電軸承試驗機設計實踐

通過AHP-TOPSIS集成設計方法，幫助設計者快速找到用戶需求。由上文可知，方案C較好完成了產品安全防護設計以及實現了客戶對軸承實時狀態在線觀測，同時提高了設備造型的美觀性，滿足了用戶需求（圖3）。

（一）形態安全可靠

1.雙層結構安全可靠。海上風電軸承試驗機以雙層結構為主，不同于現有設備，該設備下方設有滑道，形態更加安全可靠。試驗前，通過滑道向前移動第一層的基座，便于操作人員省力吊裝被測風電軸承置于基座上；試驗中，第二層通過各方向加載裝置完成風電軸承的疲勞壽命測試和極限載荷測試項目，從而達到檢測軸承的效果；試驗后，通過外側防護罩立柱面固定，兩側傾覆力加載裝置、滑輪滑索運動使第二層向上運動，第一層通過滑道向前運動，卸載被測風電軸承。

2.試驗過程可視化。形態上，整機半包裹式設計，對設備包裹區域和暴露區域進行劃分。對機械結構復雜裸露且不影響試驗機作業功能條件區域進行包裹；對部分機械結構易損壞區域且不影響試驗功能區域進行包裹（如伺服電機、壓力、溫度傳感器等易發生故障點設置檢修口）；對部分機械結構易損壞區域但影響試驗功能區域不包裹，為統一性美觀性僅做噴漆處理（如徑向力軸向力傾覆力加載裝置、液壓油缸故障易產生漏油、力臂斷裂等問題）。在側面支撐立柱面觀察窗口設計，采用鋼板、防彈玻璃等材料，在觀測過程起到安全防護作業，操作人員能夠清楚地看到其操作過程和狀態。

3.設備扶梯和護欄全方位防護。操作人員活動范圍內的危險處設置護欄，保護操作人員安全。試驗前后，操作人員可查看二層驅動裝置、伺服電機裝置，設備扶梯和護欄不同于現有產品，由于設備較高，二層采用不銹鋼洞洞板護欄，給予操作人員安全感。

4.材質舒適安全。材質上，不同于現有產品中僅采用單一金屬材質，該試驗機外覆件大面積采用鋼板材料、防彈玻璃和鈑金工藝，內飾和操作臺采用工程塑料對產品進行圓角、弧度等可塑性加工，多種材質結合以增加操作者的體驗。

（二）軸承狀態實時在線觀測

客戶PC端界面設計主要參考風電軸承試驗機的測試控制系統，不同于傳統設備，實現客戶與試驗中心共享軸承實時狀態信息，旨在使試驗中心與客戶的互動達到最優。在人機交互設計中，應充分考慮客戶的需要，使客戶能夠更好地了解和掌握試驗機設備的功能[7]。PC端界面設計如圖4所示。

1.信號標定界面：試驗開始前，客戶可登錄海上軸承試驗機PC端首頁，查看待測軸承圖片、軸承編號信息、試驗機圖片以及檢測人員，同時，可以和試驗檢測人員進行溝通。

2.實時數據界面：試驗開始和試驗機運行時，為了便于測試人員和客戶可以即時觀察到的資料，在數控面板和客戶PC端界面上會以數字和圖表的方式呈現。軸承的軸向力、徑向力、傾覆力矩、內部溫度測量、轉速、變形與位移測量、腔內壓力測量、振動值測量、軸承轉速測量。圖片4-2中僅示范加載力矩界面，主要顯示圖形曲線及數值，由于圖表具有直觀性和吸引視覺性效果，因此在界面上方顯示加載力矩圖形曲線，下端解釋說明顯示數值報告。實時數據技術支持：采用了VB編程的控制界面，對試驗機性能參數的指示、測試數據、對圖形曲線的編輯、錄入和存儲，能夠實時接收存儲下位機PLC傳送的數據，并對實時共享的風電軸承測量數據進行處理以便于客戶觀察。

3.聯系操作人員界面：數據傳輸與共享到客戶端，客戶在PC端實時查看軸承試驗狀況，客戶可實時聯系檢測人員，與檢測人員溝通試驗情況。

4.客戶端數據報告界面：客戶端接收軸承測試實驗數據報告，系統界面簡潔明了，易操作。檢測完成后，客戶可自行查詢、打印報告、聯系檢測人員等功能，改進軸承質量。

（三）造型美觀、配色舒適

1.造型美觀。設備仿生烏龜的形態，根據生物特性，外側防護罩穩固固定，設備第一層可前后移動，外罩整體采用方形進行斜面切割，增加了造型的創新、科技感，前后開口設計迎合了試驗機上下前后運作的特點。設備細節上，底部包裹和轉角處采用倒角結構，防踢角設計，增加其美觀性和安全性。工作指示燈直觀看到工作狀態，同時增加科技感，綠燈、紅燈、無燈光三種狀態，分別代表正常工作狀態、出現故障停止工作狀態、關機狀態。設備尺寸合理，試驗機整機尺寸約為18000×9000×6500mm，并依據人機視距范圍為1590mm設置機床數控面板。

2.配色舒適。深灰色（R81，G81，B81）和白色（R205，G205，B205）為試驗機的主體色，可產生堅固有力及穩重的視覺感；深藍色（R51，G81，B121）為冷色系，它還能傳遞出“創新”和“科技”，使人感到清爽、理智、沉著冷靜[8]；由于黃色、紅色具有警示意義，在試驗機設備產品中運動部件（如加載力臂區域）進行點綴，采用黃黑相間的警示標識。

結語

文章提出了AHP和TOPSIS集成方法，完成了海上風電軸承試驗機產品安全防護設計以及實現了客戶對軸承實時狀態在線觀測，同時提高了設備造型的美觀性，滿足了用戶需求。通過工業設計評估準則對現有設備進行了分析，AHP構建海上風電軸承試驗機層次模型進行權值計算，得到用戶關鍵需求，設計三款概念方案并通過TOPSIS選取最優方案。本次研究有益于提高風電軸承檢測水平和服務質量，加快推進風電產業開發。同時，通過實例分析證明了 AHP與 TOPSIS相結合的設計方法是可行和有效的，不但可以為我國風電設備的研發和設計提供一定的理論依據，還可以提高設備的研發效率、服務質量、優化企業的資源配置。但也存在缺陷之處，由于海上風電軸承試驗機設計的不確定性與復雜性，主要由專家打分，沒有更合理的依據，后面會更科學改進研究方法來深入海上風電軸承試驗機的設計研究。▃

基金項目：國家藝術基金人才培養資助項目（20194159）；湖北省教育廳人文社資助項目（15Y054）

參考文獻

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