基于改進(jìn)層次分析法的動(dòng)力定位系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

馮宏偉，何祖軍，楊奕飛

（江蘇科技大學(xué) 電 子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江212003）

動(dòng)力定位系統(tǒng)效能評(píng)估，是建立在對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上的一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實(shí)質(zhì)上是人們認(rèn)識(shí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的一種方法，是人們以一定的尺度和標(biāo)準(zhǔn)來衡量動(dòng)力定位成效的觀念活動(dòng)。對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估，從根本上看，是為了規(guī)范動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，通過評(píng)估發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改善決策質(zhì)量，完善動(dòng)力定位系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制，最終全面提高定位效能。因此，評(píng)估動(dòng)力定位效能日益顯得重要。

本文從分析動(dòng)力定位系統(tǒng)的工作流程入手,在指標(biāo)的框定、指標(biāo)體系的構(gòu)建、評(píng)估方法的確定等各環(huán)節(jié),綜合考慮上述的相互聯(lián)系、相互影響的復(fù)雜關(guān)系及其對(duì)綜合效能的影響,對(duì)這類復(fù)雜系統(tǒng)綜合效能的評(píng)估進(jìn)行了探索。

1 指標(biāo)體系的建立原則

系統(tǒng)效能,是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能滿足一組特定任務(wù)要求的程度的度量[1]。而效能的評(píng)估則需要一個(gè)指標(biāo)作為評(píng)定的依據(jù)，指標(biāo)體系建立的準(zhǔn)則如下所示：

1)科學(xué)性原則

科學(xué)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是指評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)目標(biāo)的一致性；二是同一評(píng)價(jià)體系內(nèi)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相容性；三是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互獨(dú)立性[2]。

2)獨(dú)立性原則

指標(biāo)體系間應(yīng)減少重疊和相關(guān)性，相互間應(yīng)該相對(duì)獨(dú)立，這樣做的不僅降低了指標(biāo)的復(fù)雜程度，而且減少評(píng)估時(shí)對(duì)同一性能的重復(fù)評(píng)估[3]。

3)層次性

動(dòng)力定位系統(tǒng)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。為了降低評(píng)估的復(fù)雜度，應(yīng)使該系統(tǒng)具有可分解性。即，系統(tǒng)指標(biāo)可分解為若干子系統(tǒng)指標(biāo)，子系統(tǒng)指標(biāo)又可再次分解。

4)完備性原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系要全面反映整體要求，要涉及評(píng)價(jià)對(duì)象的各個(gè)方面，并且合理地構(gòu)造層次框架和指標(biāo)數(shù)量。首先評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不能偏廢，對(duì)于重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)不能遺漏。其次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系既要考慮正效應(yīng)指標(biāo)，也要考慮負(fù)效應(yīng)指標(biāo)[4]。

2 建立評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

動(dòng)力定位系統(tǒng)包括位置測量系統(tǒng)、控制器和推力器。位置測量系統(tǒng)主要用于測量船舶的實(shí)際位置和環(huán)境干擾力；控制器根據(jù)實(shí)際位置和目標(biāo)位置的偏差，計(jì)算出船舶定位到目標(biāo)位置所需要的推力；推力器的功能是根據(jù)控制器傳來的推力指令，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，來抵抗環(huán)境干擾力，使船舶處于目標(biāo)位置或者保持一定的航跡[5]，其工作流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 The block diagram of dynamic positioning system

動(dòng)力定位系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推力系統(tǒng)3個(gè)系統(tǒng)組成。因此，動(dòng)力定位系統(tǒng)效能E由方位測量能力B1，計(jì)算機(jī)控制能力 B2和動(dòng)力系統(tǒng)推力能力 B3構(gòu)成，B11、B12、B13和B21、B22、B23以及 B31、B32、B33為第 2 準(zhǔn)則層。 其評(píng)估體系模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)力定位系統(tǒng)指標(biāo)體系Fig.2 The index system of dynamic positioning systems

動(dòng)力定位系統(tǒng)的測量、控制和推力3種能力是控制船舶懸停在某一確定位置(定點(diǎn)控制)或沿著一定的預(yù)定航跡(倨跡)的根本保證，任何一種能力的缺失都將嚴(yán)重影響動(dòng)力定位系統(tǒng)的整體效能。因此，要通過這三者的有機(jī)協(xié)調(diào)才能保持船舶的穩(wěn)定性。

3 動(dòng)力定位效能評(píng)估模型

目前層次分析法普遍運(yùn)用數(shù)值1-9作為衡量標(biāo)度[6]，這具有模糊性和不確定性。例如對(duì)A比B“稍好”進(jìn)行量化時(shí)，9標(biāo)度法數(shù)值由于過于接近，不同人可能給出相近卻又不同的判斷數(shù)值。為了使標(biāo)度取值具有唯一性，本文改用三標(biāo)度法,即將準(zhǔn)則的按照重要等級(jí)由低到高分為{普通，重要，很重要}，并依次賦值{1,2,3}，最后邀請(qǐng)專家對(duì)指標(biāo)重要等級(jí)進(jìn)行評(píng)分。

根據(jù)各指標(biāo)準(zhǔn)則評(píng)分情況計(jì)算第一層準(zhǔn)則相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重值，令Bi對(duì)目標(biāo)層E影響的重要程度數(shù)為Ui(i=(i=1,2,3)，式中 W 是 B 關(guān)于目標(biāo)層 E 的ii權(quán)重。同理，令Bij對(duì)第一層的指標(biāo)Bi影響的重要程度數(shù)為(j=1,2,3)，式中 V 是 B 相對(duì)于第一層指標(biāo)ijijBi的權(quán)重。最終得到最底層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的綜合權(quán)重Wij，即 Wij=Vij×Wi(i,j=1,2,…,n)。

4 綜合評(píng)估

設(shè)動(dòng)力定位系統(tǒng)效能E的滿分為P，用滿分值乘以底層指標(biāo)的相對(duì)于綜合效能的混合權(quán)重即可。首先建立評(píng)價(jià)準(zhǔn)則集 {好、較好、一般、差}，規(guī)定所占分值的依次為1，0.75，0.5，0.25。

4.1 底層指標(biāo)的量綱統(tǒng)一

系統(tǒng)評(píng)價(jià)的最終得分依賴于能夠觀測和測量的量。第三層指標(biāo)指標(biāo)是動(dòng)力定位系統(tǒng)可以觀測和測量到的數(shù)據(jù),是評(píng)估時(shí)的重要參數(shù)。針對(duì)各分指標(biāo)屬性不同的情況,在評(píng)估前需要統(tǒng)一底層因子的量綱。本文采用德爾菲法統(tǒng)一量綱。用德爾菲法獲取定量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,然后將各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,所得百分?jǐn)?shù)即為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)；針對(duì)定性指標(biāo),可以直接采用此方法,評(píng)估底層指標(biāo)的百分比[7]。

4.2 應(yīng)用舉例

采用專家評(píng)判對(duì)某耙吸式挖泥船為研究對(duì)象進(jìn)行評(píng)估。并請(qǐng)專家判斷該動(dòng)力定位系統(tǒng)指標(biāo)體系中各指標(biāo)對(duì)動(dòng)力定位效果影響程度，評(píng)判結(jié)果如表1所示。

表1 影響程度評(píng)判Tab.1 The extent of influence

同時(shí)判斷各指標(biāo)的表現(xiàn)力，評(píng)判結(jié)果如表2所示。

經(jīng)計(jì)算得：

假設(shè)在該次效能評(píng)估中滿分P=100，則：

表2 表現(xiàn)力評(píng)判Tab.2 Performance evaluation

利用VisualBasic v6.0軟件編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)，軟件截圖如圖3～圖6所示。

圖3 動(dòng)力定位系統(tǒng)方位測量能力Fig.3 Dynamic positioning system bearings-only measurement capability

最后根據(jù)專家提供的系統(tǒng)效能等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得出該DP系統(tǒng)效能的評(píng)估結(jié)果為81.05分，屬于良好，由于該挖泥船對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求較高，所以評(píng)估結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況相符。

5 結(jié)束語

1)文中改進(jìn)的層次法使專家對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)能輕松地做出判斷，不用建立繁瑣的對(duì)比矩陣和計(jì)算權(quán)重，所以更容易被評(píng)價(jià)者接受。

圖4 系統(tǒng)控制能力Fig.4 The ability to control

圖5 動(dòng)力定位系統(tǒng)推進(jìn)能力Fig.5 Propulsion capability of Dynamic positioning system

圖6 動(dòng)力定位系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)Fig.6 Comprehensive evaluation system of Dynamic positioning system

2)改進(jìn)的層次分析法不僅可對(duì)某一艘挖泥船整個(gè)或某一子系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估，而且可對(duì)其他船舶的不同定位系統(tǒng)效能進(jìn)行排序。

3)改進(jìn)的層次分析法僅要求評(píng)估者直接給出的評(píng)判信息，且評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度并不低于層次分析法，避免了同一層指標(biāo)較多而造成的判斷矩陣的不一致性。

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