平臺供應船主推進系統綜合評估方法研究

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(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

平臺供應船(PSV)工況復雜，一般要求主推進系統具有足夠的動力，并需有與動力定位配合的微速航行能力和良好的操縱性[1-2]。PSV的主推進系統布置方案主要包括雙機雙槳柴油機推進和電力推進。國內外PSV一般采用柴油機推進系統，隨著交流變換器技術的發展，電力推進系統逐漸獲得實船應用。電力推進系統的優越性已得到眾多學者和船舶動力專家的研究和肯定[3]，但同柴油機推進系統相比，其初投資增加、額外能量損耗等成為人們選擇電力推進系統的制約因素。因此主推進系統的設計需考慮系統技術性和經濟性因素，必須評估所有主推進系統方案，從中選取整體性能最優的推進型式。需綜合評估PSV的主推進系統性能。PSV主推進系統設計本質上是一個多因素的綜合評判問題。文中借助于能將各指標間關系明確化的AHP法[4]和便于系統整體評價的綜合評判法[5-7]，建立科學合理的綜合評估指標體系，研究主推進系統簡便易行的綜合評估方法。以6 660 kW(9 000 HP)平臺供應船為例，考慮系統的適用性、可靠性、維修性、經濟性、機動性和人機性能之間的相互影響，綜合評判主推進系統的優劣情況。

1 主推進系統綜合評價指標

建立評價指標體系，需要遵循系統優化性、可比性、穩定性、實用性和層次性等指標選取原則。綜合考慮上述原則，盡可能兼顧指標的代表性和全面性，建立適合PSV主推進系統的綜合評價指標體系。通過調研、匯總、篩選，分析得出指標體系，擬定需要考慮的指標因素如下。

1)適用性B1。在滿足船舶功率要求下，還應考慮系統的重量、尺寸的適用性。因此可利用主機單位有效功率所需系統的總重量以及機艙的面積飽和度分別衡量不同主推進系統的重量和尺寸指標。

2)可靠性B2?？煽啃灾赶到y在規定的維護、使用條件和時間內，能穩定工作的能力。主推進系統的可靠性應考慮系統可靠度R、平均無故障工作時間tMTBF等因素。鑒于系統的tMTBF難以獲得，故只考慮系統可靠度R。

3)維修性B3。維修性指系統在規定的條件和時間內進行維修時，保持或恢復其規定狀態的能力。系統的維修性應考慮其通用性能WT、平均修復時間tMTTR、故障可維修程度WF、裝備使用前景(系列化程度與技術發展水平)WS等因素。依據指標的選取原則，綜合評估時考慮系統故障可維修程度WF、系統使用前景WS。

4)經濟性B4。經濟性是對推進系統在全壽命周期內的設計、配置、采購、使用、維修等活動中完成規定任務所消耗資源的度量。在主推進系統設計和營運的周期中，經濟性主要體現在系統的初投資和燃料年消耗量。

5)機動性B5。推進系統迅速改變工況的能力，一般包括啟動、加速、倒車及轉向等性能。

6)人機性能B6。人機性能包括操作舒適性以及配套人數。舒適性是指操作條件的舒適度，良好的操作條件指較低的機械噪聲、溫度等；相關配套人數則反映了設備的自動化程度。

主推進系統的綜合評價指標見圖1。圖1所示的綜合評價指標體系，包括方案層Ai、準則層Bi和指標層Cij(i=1,2,…,6;j=0,1,2,3,4)。

圖1 主推進系統的綜合評價指標

2 主推進系統綜合評估方法

2.1 評價指標的權重確定步驟

1)專家的選取。根據各專家的專業背景和權威性給每位專家相應的權重系數。設τs是專家的權重系數，它是對專家能力的綜合數量表示。選取船舶設計專家、輪機工程師、機務管理工程師、船舶管理者各2人，并假設其權重分別為：τ1=τ2=τ3=τ4=0.15;τ5=τ6=τ7=τ8=0.10。

2)層次結構的建立。將系統的因素按相互間的支配和隸屬關系分列為不同層次，組成一個有序的層次結構。

3)比較判斷矩陣的建立。設比較判斷矩陣

Hk=[αij] (i,j=1,2,…,n)

式中：αij——通過對Hk準則的下一層中各要素利用指數標度法兩兩判斷得到。

4)層次排序的確定及一致性檢驗。求解判斷矩陣的特征向量w可得到各要素相對重要性的定量描述。采用方根法計算各判斷矩陣的最大特征值和特征向量。具體過程如下。

(1)

(2)

(3)

③一致性檢驗。二階以內判斷矩陣總具有完全一致性；二階以上判斷矩陣，若其一致性比率C.R.<0.1，則滿足一致性要求，否則需重新構造比較判斷矩陣直到一致性比率滿足要求。

4)確定指標權重。通過步驟(1)～(3)可得到各層次對上一層次的排序以及各指標對方案層的總排序，即為其中一位專家的總排序結果。利用式(4)的加權算術平均綜合排序向量法計算得到所有專家對各指標的綜合排序值Mn×n。

M=τ1w1+τ2w2+…+τsws

(4)

2.2 指標的評價值

圖1中包括定性指標和定量指標，為了能夠將定性指標和定量指標組成一個有機的評價體系，需運用隸屬度函數對定性指標進行定量分析，并標準化處理評價體系的指標。

2.2.1 定性指標的評判

通過隸屬度函數綜合每位專家給出的評價等級，實現定性指標的定量描述。具體過程為：請n位具有豐富經驗知識的主推進系統專家，對每個定性指標按評語集U={很好、好、較好、一般、差、較差}進行評判。以可維度指標為例，專家依據經驗知識對系統的可維度作定性的判斷，并將結果用打”√”的方式填在調查表中。匯總各位專家的評判結果，按式(5)處理定性指標的評判值。

(5)

式中:rij——第i項定性指標對于第j方案的隸屬度；

N——評價等級數；

ρk——第k級的評價值；

nk——第k級評判的專家人數；

m——專家總人數。

將決策集U的6個等級賦予對應等級的矩陣值得到評語矩陣:A=[9,5.1966,3,1.7321,1.3161,1]T，利用式(5)計算指標的定量值并歸一化處理，完成定性指標的評判。

2.2.2 定量指標的評判

要獲得定量指標，需配置得到滿足船舶功能要求的不同主推進系統方案。通過計算不同主推進系統的重量、尺寸、系統初投資和燃油的年消耗量等指標，確定定量指標評判值。

2.2.3 評價指標的標準化處理

(6)

2.3 綜合評估

將各指標對方案層權重總排序和指標評價值進行復合計算可得到模糊綜合評估的結果。按上述步驟可確定某一主推進系統各指標對方案層的權重排序和指標的評價值，通過式(7)進行復合運算得到該方案的綜合評分。最后將所有備選方案的綜合評價結果按值大小進行排序，從中挑選出最優方案。

B=C°M

(7)

3 實例應用

以6 660 kW)9 000 HP平臺供應船不同主推進系統方案為例進行綜合評估。PSV工況包括經濟航行、全速航行、守護巡航、DP和手動靠泊平臺。分析PSV的有效功率曲線，確定在不同工況下船舶有效功率以及主機用于推進所需的功率；研究PSV電力負荷報告，可得到不同工況下用電設備的負荷以及所需PTO和發電機組的功率。從而選配出滿足要求的雙機雙槳和電力推進系統。以T1和T2分別表示雙機雙槳和電力推進系統。

1)計算指標權重值。按照2.1指標權重確定方法，可得各層指標因素的權重。表1為專家1對各層指標的權重排序。將表1中各層次指標對上一層次的權重進行總排序，可得專家1的各指標對方案層的總排序結果w1。同理可以求出其他7位專家的總排序結果，并利用式(4)平均每位專家的總排序結果可得到各指標的綜合排序值w=[0.022 3,0.055 5,0.360 9,0.137 6, 0.082 1, 0.060 7,0.055 1, 0.021 2, 0.023 7, 0.039 0, 0.043 6,0.098 3]。

表1 專家1對各層指標的權重排序

2)確定指標評價值。

①定性指標評價值。按2.2.1中的方法，選取2.1中的8位不同領域的專家并對T1和T2的定性指標進行評判。匯總評判結果，并對定性指標進行歸一化處理得到T1和T2系統定性指標的評價值，見表2。

表2 定性指標評價值

②定量指標評價值。依據所配置的T1和T2系統，可確定系統重量、尺寸和初投資。分析T1和T2在各工況下的負荷比和主機及發電機組的油耗曲線，可確定燃油消耗率。結合各工況的運行時間，可得主推進系統的燃油年消耗量。表3為定量指標的實際值，將表2和表3中的指標進行標準化處理得到指標的評價值，見表4。

表3 定量指標的實際值

表4 評價體系指標的評價值

3)綜合評估。依據表4中的數值，利用式(7)進行復合運算得到T1和T2的綜合評分分別為0.569 6和 0.796 1。因此T2比T1系統整體性能更優，該6 660 kW(9 000 HP)平臺供應船應采用電力推進系統；T2系統比T1系統節油，因此PSV采用電力推進系統對于節能環保具有重要的意義。

4 結論

基于AHP和模糊綜合評估理論提出的PSV主推進系統的技術性與經濟性相結合的綜合評估方法實現主推進系統的最優配置，使主推進系統的總體性能最優。為充分發揮各專家的智慧并消除由于個人偏好而產生的判斷誤差，通過群組AHP法確定各指標的權重值。利用專家評定的方法解決了指標體系中定性指標難以量化的問題。為消除各指標間的差異，將非極大型指標轉化為極大型指標并利用向量規范法進行評價指標的標準化處理，得到了主推進系統歸一化的評價值。

該方法是一個開放的系統，設計人員可根據自己關心的問題對指標進行適當的調整。由于指標數據的歸一化處理過程較復雜，在今后的研究工作中，可嘗試直接建立平臺供應船主推進系統同一尺度的統一型評價指標體系。同時需盡可能搜集系統的平均無故障工作時間MTBF、平均修復時間MTTR等定量指標代替指標體系中的系統可靠度、系統可維度等定性指標，使得綜合評估結果更具有說服力。

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