基于AHP方法的深海低溫環境物理模擬系統方案優選分析

劉保華，楊 磊，丁忠軍，于凱本，李德威，李寶鋼，劉慶亮

(國家深海基地管理中心，山東 青島 266061)

基于AHP方法的深海低溫環境物理模擬系統方案優選分析

劉保華，楊 磊*，丁忠軍，于凱本，李德威，李寶鋼，劉慶亮

(國家深海基地管理中心，山東 青島 266061)

針對深海環境溫度場分布特征及溫度模擬要求，開展了深海低溫環境物理模擬系統概念規劃和系統設計，在分析制冷方案優選判據的基礎上，針對深海低溫環境模擬試驗各設計方案，依據多元評價函數的層次分析方法，建立了通用的AHP分析模型，對各備選方案進行了優選排序和綜合評價，完成了基于多元評價函數的設計方案優選分析，分析結果與實際情況吻合，為開展深海中心環境模擬系統基礎建設提供了決策依據，同時為開展深海超高壓環境溫度模擬試驗和深海試驗儀器及裝備的測試等應用示范奠定良好基礎。

AHP方法；深海環境；低溫制冷；方案優選

深海環境溫度場的模擬是深海極端環境物理模擬系統的重要組成部分，是開展深海環境較真實模擬和再現的難點和核心問題，進入2 1世紀以后在海洋工程建設、海洋科學研究、深潛載人技術研發等需求的推動下，國內外許多科研機構和院所紛紛開展深水高壓模擬系統的研制，特別是隨著我國“蛟龍”號7000 m級海試成功，使我國成為繼美、日、俄、法之后掌握大深度載人深潛技術的國家，這極大促進了我國對深海裝備研發和深海技術應用的需求。

目前國內外許多科研機構紛紛開展了深海超高壓系統的研制，在國外，以北美、日本、西歐為代表的發達國家技術較為先進，譬如美國國家鍛造公司（EPSI）具備研制壓力達到100 MPa的高壓艙能力；日本國家海洋研究所(NMRI)于2 0 0 3年研制成功了多功能深海高壓實驗系統，該系統可實現壓力、溫度、二氧化碳和pH值等多種參數的模擬實驗研究[1]。在國內，上海交通大學建造了深海高壓環境試驗裝置；沈陽自動化研究所成功研制了72MPa深海模擬壓力試驗系統；四川海洋特種技術研究所研制了7 5MP a深水環境模擬試驗裝置；國家海洋標準計量中心研制了JSA2-1型深水環境模擬系統；中船重工702研究所研發了系列深海壓力模擬裝置[2-4]。

深海超高壓環境模擬實驗系統是國家深海基地管理中心重要的技術支撐平臺和試驗手段，主要承擔深海儀器、深海設備以及載人潛水器關鍵零部件等超高壓模擬試驗和測試任務，在深海儀器裝備的研制應用方面提供了重要的技術支撐，是國家深海基地管理中心建設必不可少的內容之一。雖然國內已經擁有了多種深海環境模擬裝置和深水壓力罐系統，但仍然存在著一些不足，在深海低溫環境模擬方面均沒有實現，所以仍不能滿足目前深海高壓環境模擬的技術要求。本文在綜合分析和比較國內外相關模擬實驗系統的優缺點基礎上，開展深海環境溫度場的模擬系統研究，開展了深海超高壓環境溫度場模擬系統概念規劃和系統設計。在分析制冷方案優選判據的基礎上，針對深海低溫環境模擬試驗各設計方案，依據多元評價函數的層次分析方法，建立了通用的A H P分析模型，對各備選方案進行了優選排序和綜合評價，完成了基于多元評價函數的設計方案優選分析，為開展深海中心環境模擬系統基礎建設提供了決策依據，并為開展深海超高壓環境溫度模擬試驗和深海試驗儀器及裝備的測試，提供了新的技術手段和實驗平臺，同時為下一步進行試驗平臺基礎的選址、設計及建設，并開展應用示范奠定良好基礎，本文的研究表明AHP 層次分析法(The analytic hierarchy process)應用到深海溫度模擬方案選擇中是可行的，該分析模型具有計算簡捷、結果準確等優點。

1 深海環境溫度模擬系統設計

1.1 深海環境溫度模擬系統設計目標

1.1.1 項目概述

國家深海基地管理中心深海環境溫度模擬實驗系統需要配置水池、低溫保溫水箱、低溫冷水機組以及各種管閥件，整套試驗裝置要實現高壓艙罐體內溫度為2～1 0℃，滿足長時間溫度穩定需求，可實現打壓試件壓力測試過程中溫度恒定的功能。

1.1.2 技術要求及目標

深海環境溫度模擬實驗系統是通過冷媒水介質來實現低溫制冷和保溫功能，冷媒儲水箱應良好保溫，以盡量減小冷水冷量損失和溫度波動，冷媒溫度2～1 0℃，需使用防凍混合溶液進行循環，控制冷冰點溫度，以保證冷媒正常循環，避免制冷蒸發器的結冰危險。由于是專門配置的冷媒混合溶液，所以系統設計應考慮冷媒的重復利用，避免浪費。

1.1.3 主要技術指標

根據項目設計目標，需要完成深海溫度模擬系統低溫冷卻系統參數計算、低溫制冷保溫具體實施方案、基礎選址以及現場施工等內容，主要的技術指標滿足：

（1）深海模擬溫度控制范圍：2～10℃，測量精度0.1℃，響應時間0.1 s；

（2）溫度采集：溫度測量傳感器工作壓力≥90 MPa，精度0.1K；（3）制冷機組功率：128匹

（4）高壓艙罐體尺寸：內徑Ф1600 m m，有效長度3000 m m。

1.2 深海環境溫度模擬系統控制過程策略分析

溫度控制策略采用半主動式控制方式，通過測得的溫度特征，對高壓艙實現降溫制冷，需要實現熱傳導過程，通常工業上利用制冷機組來實現降溫和增溫處理，考慮到溫度范圍不大（深海模擬溫度控制范圍：2～1 0℃，測量精度0.1℃，響應時間0.1 s）且高壓艙體積大（1.6 m×3 m），因此考慮用制冷壓縮機＋熱交換器實現高壓艙內水的熱交換，進行高壓艙內水的溫度控制，并用保溫水套來實現低溫保溫，其控制原理如圖1所示。

圖1 低溫制冷原理控制框圖

1.3 深海環境溫度模擬系統方案設計

深海環境下的低溫溫度場模擬是深海環境模擬的主要參數之一，高壓艙內高精度低溫溫度測量與控制是深海超高壓環境模擬系統的關鍵技術也是技術難點。采用目前工業現場常用的低溫制冷設備進行溫度模擬系統集成。擬研制的深海超高壓溫度模擬系統由數據采集控制器、制冷機組、熱交換器、儲水箱、低溫保溫水槽和水泵閥件組成，結構組成示意圖見圖2。

圖2 深海環境溫度模擬控制系統示意圖

基于以上設計的方案，本文提出了3種備選方案。

方案（1）：擬研制的深海超高壓溫度模擬系統其原理是通過預先制備冷媒水，然后對深海溫度模擬主體進行溫度制冷和保溫，其中低溫環境保溫模擬的主體是壓力桶A，內徑1600 m m，有效試驗長度3000 m m，平均壁厚為400mm，該方案將壓力桶裸露處理，直接預埋在地下，該系統主要由制冷機組、壓力桶、注水泵、儲水罐和水泵閥件等系統組成。

方案（2）：考慮到實際打壓試驗所需的時間不確定，壓力桶為金屬材料，在長時間打壓下內部冷媒水與外部環境發生熱傳導，會造成溫度環境的非線性變化，因此本方案采用發泡保溫材料對低溫環境保溫模擬的壓力罐A進行整體封裝，利用隔熱材料將內部溫度場與外部環境隔絕，形成獨立的溫度半開環控制環境，主要由制冷機組、壓力桶、注水泵、儲水罐、發泡保溫材料和水泵閥件等系統組成。

方案（3）：深海溫度模擬方案需要滿足不同海域水溫特征，而不同海域的水文和海洋特性不一致，故在試驗中為保證實時可更改壓力桶低溫物理環境特性，對壓力罐A用冷水循環層進行包裝，通過循環水冷卻壓力罐達到低溫制冷的目的，如圖2中虛線所示，主要由制冷機組、壓力桶、注水泵、儲水罐、發泡保溫材料、低溫制冷水循環層和水泵閥件等系統組成。

2 設計方案優選分析

深海低溫環境模擬試驗方案的確定是由技術條件、施工條件、經濟條件、環境條件以及社會效益等多種影響因素決定的。目前，尚不能通過簡單的數學模型或優選判據來正確評價各種設計方案，只能通過定性分析與定量分析來綜合評價，以達到理想的“定量化”才能得出更加逼近實際情況的分析結論[5]。基于以上因素，本文采用層次分析法對深海低溫環境模擬試驗方案進行綜合評價。

2.1 影響因素分析

影響深海低溫環境模擬試驗方案的因素有很多，本文從工程應用角度對各影響因素進行了分析，主要包括建造成本、日常運行費用、使用壽命等9個方面，影響因子記為bi，如表1所示。

在深海溫度環境物理模擬試驗方案分析中，使優選分析模型判據和參數盡量涵蓋試驗方案的各個方面。

表1 深海低溫環境模擬試驗方案影響因素

2.2 AHP方案優選模型

層次分析法法(The analytic hierarchy process,簡稱AHP)的基本分析思路與人們對某一個復雜的系統決策問題的思維、判斷和決策過程大概上是一致的，是通過建立層次分析模型，將定性的結論轉換為模糊評判矩陣，根據逐層比較得到的各種關聯因素的權重，確定各方案在綜合評價指標下的價值，從而實現對方案的優選[6]。

2.2.1 構建多級評價系統

在深入分析實際情況的基礎上，為達到構建多級評價系統的目的，需建立自上而下的評價準則及備選方案等參數的多級評價系統結構模型，主要包括方案層、準則層與目標層之間的關系。多級評價結構模型參見表2。

2.2.2 構造成對比較陣

評價尺度采用 1，3，5，7，9(1-9尺度)，表示第 i元素與第j元素“同等重要、比較重要、重要、很重要、極重要”。本文在各設計方案中，將各設計方案的建造成本和運行費用取估算值作為判斷依據進行內插。

表2 多級評價結構模型

2.2.3計算相對重要度

由線性代數可知，判斷矩陣A為反對稱矩陣，則存在一特征向量，滿足：

式中：λ為矩陣特征向量對應的特征值，經歸一化處理后得到權向量ω，其分量ωi表示權重。該算法的計算量較大、計算過程較復雜，且矩陣A本身是估計值，不需要做精確的計算，故本文擬采用乘積方根法計算特征向量的近似值。

2.2.4 一致性檢驗

應用隨機一致性指標來作判斷矩陣的一致性檢驗。

式中：判斷矩陣A的維數為n；ω表示權向量；ωi表示權向量分量；CR表示隨機一致性比值；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。取500個樣本的平均值，如表3所示。

當CR<0.1時，本文認定判斷矩陣A滿足一致性要求，是可以接受的，否則就調整比較矩陣A，直到滿足一致性要求為止。

2.2.5 綜合評價指標及決策

通過以上分析建立各設計方案的評價指標的定量評價值B，得到一個定量評價矩陣：

綜合評價指標的表達式為：

式中：ω為權向量；V為綜合評價指標向量，其最大分量Vmax對應分量為最優方案。

通過優選，發現方案2的相對隸屬度最大，值為0.251，其次是方案3，優屬度為0.235，方案1隸屬度為0.216，該結果與實際情況吻合良好，說明在此適宜條件下，方案2是一種較好的方案。但是，每一種方案都有它的使用條件和適用場合，并不是在所有的條件下都是最優的，方案比對分析如表4。

表3 隨機一致性指標取值

表4 方案對比分析表

3 結論

（1）本文在綜合分析和比較國內外相關模擬實驗系統的優缺點基礎上，開展深海環境溫度場的模擬系統研究，開展了深海超高壓環境溫度場模擬系統概念規劃和系統設計；

（2）針對深海低溫環境模擬試驗各設計方案，依據多元評價函數的層次分析方法，建立了通用的A H P分析模型，對各備選方案進行了優選排序和綜合評價，完成了基于多元評價函數的設計方案優選分析，分析結果與實際情況吻合；

（3）優選方案的分析是基于多元函數的A H P模型，任何模型的結算都是有它的使用條件和場合，并不是所有的情況下都是最優的選擇，制冷的實際操作還需根據具體的情況開展應用。

K R McClay, P S Whitehouse, T Dooley, et al. 3D evolution of fold and thrust belts formed by oblique convergence [J]. Marine and Petroleum Geology,2004, 21:857-877.

[2] 劉敬喜，王敏. 深海環境模擬裝置壓力控制系統設計[J].電子設計工程，2012（4）：87-91.

[3] 侯繼偉. 深海極端海洋環境模擬平臺電液比例壓力控制技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2005：5-11.

[4] 沈國鑒，胡勇，殷俊，等. 2000m 多用途深海環境模擬裝置的可靠性分析[J]. 上海交通大學學報，1990（4）：17-25.

[5] 程建維，楊勝強，楊伍伍.唐山溝煤礦通風系統改造方案優選分析[J]. 工業安全與環保，2008（10）：50-54.

[6] 王平利，胥海倫.基于多元評價函數的空調冷熱源方案優選分析[J].制冷與空調，2002（3）：16-18.

Scheme Optimization Analysis of the Deep-sea Low Temperature Environmental Physical Simulation System Based on the Analytic Hierarchy Process

LIU Bao-hua,YANG Lei,DING Zhong-jun,YU Kai-ben,LI De-wei,LI Bao-gang,LIU Qing-liang
(National Deep-sea Base Management Center,Qingdao Shandong 266061,China)

The deep-sea low temperature environmental simulation system planning and concept design was carried out,according to the temperature distribution characters and temperature field simulation requirements.The deep-sea environment simulation system theoretical calculating model in the time and space domain was established and the simulation analysis using Ansys finite element analysis software was carried out.The theoretical calculations and simulation results show that the design temperature of the deep sea environment simulation systems meets the design requirements and the needs of deep-sea environment simulation temperature.The deep-sea environment temperature simulation system could provide new techniques and experimental platform for deep-sea instruments and equipment testing and experiments,while as a good foundation to carry out demonstration.In the analysis of refrigeration scheme optimization criterion，a general AHP analysis model for the deep-sea temperature environment simulation test of the design schemes was built based on evaluation function of the level analysis method.The research provides decision-making basis for deep-sea center environment simulation system infrastructure,at the same time laying a good foundation for deep-sea low temperature physics simulation and instrument testing application demonstration.

AHP method;deep-sea environment;refrigeration;scheme optimization

TB69

A

1003-2029(2013)02-0006-05

2012-12-19

海洋公益性行業科研專項經費資助項目——深海超高壓環境模擬系統關鍵技術研究子項目“深海超高壓環境模擬及控制關鍵技術研究”（GY10-01）

劉保華（1960-），男，博士，研究員，主要研究方向為海洋地球物理學。

楊磊（1982-），男，博士，主要研究方向為深海裝備研發、機械設計、低溫制冷技術。Email:yangsir@ndsc.org.cn

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