艦艇艙室居住性指標(biāo)體系及其模糊關(guān)聯(lián)評(píng)估優(yōu)化研究

陳 武 彭 飛 牟金磊 閆富玉

（海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033）

0 引 言

艦艇居住性的優(yōu)劣，是衡量艦艇整體性能的重要指標(biāo)［1］.長(zhǎng)期以來(lái)，在艦艇總體設(shè)計(jì)建造中，艙室的居住環(huán)境要求往往置于武器裝備、動(dòng)力裝置等系統(tǒng)的要求之后，從而忽視居住性的改善，第二次世界大戰(zhàn)后，世界海軍進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)和平的建設(shè)時(shí)期，艦艇居住性也日益受到重視.美國(guó)海軍早在1975年就開(kāi)始關(guān)注艦艇的居住性問(wèn)題，1979年制定了海軍居住性標(biāo)準(zhǔn)與必備條件，對(duì)艦艇的居住性有了相應(yīng)的規(guī)定和要求.在1995年，又制定了艦艇居住性設(shè)計(jì)規(guī)范.俄羅斯海軍早期對(duì)船艦居住性并不重視，但現(xiàn)隨著新艦艇的研制和人本思想的普及，對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)越發(fā)重視［2－3］.

我軍在《艦船通用規(guī)范》（GJB4000－2000）中也制定了相應(yīng)的居住性規(guī)范，對(duì)艦艇的生活條件、環(huán)境、設(shè)施要求逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化.與過(guò)去相比，在艦艇居住性方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是仍然有一些問(wèn)題存在，具體來(lái)說(shuō)有以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)于居住性的評(píng)估往往依靠主觀經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有一套系統(tǒng)的評(píng)價(jià)手段；（2）規(guī)范中的居住性指標(biāo)過(guò)于寬泛，要求不夠細(xì)化，對(duì)艙室的限定較為狹隘；（3）多為對(duì)環(huán)境和設(shè)施的控制和要求，忽視了人因在其中發(fā)揮的積極作用.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合艦艇艙室的實(shí)際，并借鑒了汽車、列車等交通工具駕駛室舒適性和人因工程理論的有關(guān)內(nèi)容，提出了在作業(yè)狀態(tài)下的指揮艙室居住性指標(biāo)體系.由于影響艙室居住性的指標(biāo)數(shù)量很多，而各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)又不能統(tǒng)一界定，考慮到部分指標(biāo)只能定性評(píng)價(jià)，所以指標(biāo)的評(píng)價(jià)存在模糊性.因此本文提出基于層次分析法的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型.考慮了各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)構(gòu)建艦艇居住性綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)潛艇艙室的居住性進(jìn)行客觀全面地評(píng)價(jià).為了避免以往基于設(shè)計(jì)人員主觀經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)居住性評(píng)估方法帶來(lái)的隨意性問(wèn)題，本文將定性定量指標(biāo)引入艙室居住性評(píng)價(jià)與分析方法中.最后以潛艇指揮艙室為例進(jìn)行了居住性的分析.

1 潛艇艙室居住性評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

以指揮艙室居住性評(píng)價(jià)為例，運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，在理論和調(diào)查基礎(chǔ)上，確定指揮艙室居住性的評(píng)價(jià)指標(biāo)7項(xiàng)18條評(píng)價(jià)因素［4－6］（見(jiàn)圖1），本指標(biāo)體系以提高艇員在生活工作的舒適性和工作效能，從而增強(qiáng)綜合戰(zhàn)斗力.根據(jù)不同的分析對(duì)象，本文將指揮艙室居住性指標(biāo)體系分為2類，見(jiàn)圖1.

圖1 艙室居住性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

以文獻(xiàn)［5－6］與《艦船通用規(guī)范》（GJB4000－2000）為依據(jù).對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行定義.

2 基于模糊多關(guān)聯(lián)屬性居住性的綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 建立因素集

因素就是評(píng)價(jià)對(duì)象所涵蓋的各種屬性和成分，能從單方面來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)象.由于評(píng)價(jià)對(duì)象存在多個(gè)因素影響其性能，而所有因素的集合就被稱為因素集［7］.

根據(jù)艦艇系統(tǒng)的艙室居住性評(píng)估體系組成，將影響艙室居住性評(píng)估的要素確定為m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，影響第一級(jí)影響因素（1≤i≤7）的子因素很多，把這些下一級(jí)的影響因素記為 mi＝｛mi1，mi2，…，min｝.其中：i∈（1，k）.第一級(jí)影響因素和第二級(jí)影響因素?cái)?shù)量與種類的選取，可以根據(jù)艙室空間特點(diǎn)進(jìn)行確定，依此類推可建立下一個(gè)層次的因素集.

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)集

在評(píng)估過(guò)程中，該對(duì)象被給予的全部評(píng)價(jià)結(jié)果，構(gòu)成的集合就是評(píng)價(jià)集，一般用V＝｛v1，v2，…，vn｝表示.其中：vi為影響因素ui的評(píng)價(jià)結(jié)果.本文以模糊語(yǔ)言描述，如“非常好”“好”“一般”“差”“非常差”，并分別對(duì)應(yīng)評(píng)估參數(shù)集，假定為P＝｛90，75，60，45，30｝，以百分制為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn).

2.3 基于AHP的居住性評(píng)估指標(biāo)權(quán)重確定

由于各影響因素對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的重要程度不同，為了能夠反映各影響因素對(duì)于評(píng)價(jià)對(duì)象的重要程度的強(qiáng)弱關(guān)系，給所有影響因素賦予一個(gè)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，這些權(quán)重系數(shù)就組成了影響因素的權(quán)重集合.如對(duì)第一層次指標(biāo)集m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，可由層次分析法、經(jīng)驗(yàn)分析法或?qū)＜以u(píng)分法，得到相關(guān)權(quán)重集μ＝ ｛μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7｝.其中： ＝1.m1的權(quán)重為μ1，mi的權(quán)重為μi，依次類推得出其余各層次中各影響因素對(duì)上一級(jí)影響因素的評(píng)估權(quán)重.

2.4 構(gòu)建評(píng)估矩陣與計(jì)算評(píng)估結(jié)果

1）確定單影響因素評(píng)估矩陣 對(duì)因素集m中的單個(gè)影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集V中各元素的隸屬程度.由全部影響因素的評(píng)價(jià)集構(gòu)成一個(gè)總評(píng)價(jià)矩陣R.

2）確定綜合評(píng)估矩陣 根據(jù)單影響因素評(píng)估矩陣和各子影響因素的權(quán)重集，對(duì)綜合評(píng)估矩陣進(jìn)行模糊合成計(jì)算，即綜合評(píng)估矩陣B1＝μ1°R1.其中：“°”為模糊合成計(jì)算符.同理可得綜合評(píng)估矩陣至.

3）根據(jù)總綜合評(píng)估矩陣得到評(píng)價(jià)結(jié)果 對(duì)綜合評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理后，與所對(duì)應(yīng)的權(quán)重集進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到所隸屬上級(jí)的評(píng)估結(jié)果，直至頂層，獲得總的評(píng)估矩陣.令其與轉(zhuǎn)置后的評(píng)估參數(shù)集相乘，得到居住性評(píng)估分值Pm，即Pm＝.這樣就得到關(guān)于艙室居住性各個(gè)影響因素評(píng)估值Pm，這個(gè)數(shù)值可以用于評(píng)估艙室的居住性設(shè)計(jì)方案.

2.5 艙室居住性設(shè)計(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

影響艙室居住性的指標(biāo)之間并不是獨(dú)立存在的，而是相互間有著關(guān)聯(lián)關(guān)系的，這種關(guān)系被稱為關(guān)聯(lián)度.如艙室空間會(huì)影響視野可達(dá)性.但是，視野可達(dá)性不會(huì)影響艙室空間.所以，并非所有因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系都是對(duì)稱的，而是有指向性的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

根據(jù)艙室居住性特征及部分文獻(xiàn)資料［8－9］，得到產(chǎn)品艙室居住性評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表1.

表1中每行分別表示了該指標(biāo)和其他6個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度.將各指標(biāo)間強(qiáng)、弱、無(wú)3級(jí)關(guān)聯(lián)關(guān)系量化對(duì)應(yīng)為1，0.5，0分.

表1 艙室居住性指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度

2.6 艙室居住性優(yōu)化指標(biāo)有向圖

艙室居住性評(píng)價(jià)指標(biāo)有向圖直觀地表示各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

有向圖中一系列節(jié)點(diǎn)代表艙室居住性評(píng)估指標(biāo)，E＝（e12，e13，…，eij，…）是各節(jié)點(diǎn)間的有向弧，表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)度，弧eij表示ei相對(duì)于ej的關(guān)聯(lián)度.將表1所列的各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱關(guān)系用有向圖表示出來(lái)，見(jiàn)圖2.

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)有向圖

2.7 建立關(guān)聯(lián)度矩陣

為了方便計(jì)算，為了便于計(jì)算，將有向圖表達(dá)形式轉(zhuǎn)化成各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度矩陣表達(dá)式.關(guān)聯(lián)度矩陣包括評(píng)價(jià)指標(biāo)自身分值矩陣和評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度矩陣兩部分.

1）評(píng)價(jià)指標(biāo)自身分值矩陣 這是一個(gè)7×7對(duì)角線矩陣，其對(duì)角線元素是各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)自身的評(píng)價(jià)分值.

2）居住性評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)矩陣 根據(jù)圖2所示的有向圖獲得各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)矩陣，其主對(duì)角線上元素為0，矩陣可寫為

考慮如上2個(gè)矩陣的綜合影響，得到艙室居住性評(píng)價(jià)模型關(guān)聯(lián)度矩陣

該矩陣既能體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)本身的優(yōu)劣程度，又能體現(xiàn)各指標(biāo)間的聯(lián)系，能將居住性的評(píng)價(jià)模型更客觀全面地表達(dá)出來(lái).

2.8 基于關(guān)聯(lián)度矩陣積和式的艙室居住性評(píng)價(jià)

本文選擇標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)積和式作為矩陣的求解方式，對(duì)居住性評(píng)價(jià)模型的關(guān)聯(lián)度矩陣求積和式，綜合考慮到了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)情況，同時(shí)也作為居住性的綜合評(píng)價(jià)方式.

定義 積和式 對(duì)于n階矩陣A＝（aij），積和式為

式中：Sn為n階對(duì)稱群.

積和式的計(jì)算值越大，則表示對(duì)評(píng)估模型的綜合評(píng)分越高.每一種方案在矩陣（3）中所對(duì)應(yīng)著各自的評(píng)估分值｛Vi｝序列，代入式（4），得到各個(gè)方案的Per（M）值，數(shù)值最大者，則相關(guān)方案為最優(yōu).

由于艙室居住性評(píng)估模型已給出，從而確定了該模型的關(guān)聯(lián)矩陣和積和式的形式.代入某設(shè)計(jì)方案的7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，便可得到相應(yīng)的積和式值的多項(xiàng)式

綜合考慮影響居住性的各種因素，通過(guò)求艙室居住性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣的積和式，在艙室布置的設(shè)計(jì)階段可以得到一個(gè)較為可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果.同時(shí)可以通過(guò)設(shè)立8個(gè)參考基點(diǎn)將非線性的評(píng)估值換算為為線性變化的數(shù)值，即設(shè)定V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＝V7＝0.6時(shí)，式（4）中的值Per（M）＝1.566，這種方法，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)被認(rèn)為是地位相等的，即評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重己被分配，當(dāng)積和式的計(jì)算值取為1.566，則視為居住性評(píng)分為60分.這樣得出如表2所示區(qū)間表.

表2 區(qū)間表

計(jì)算艙室居住性評(píng)價(jià)模型關(guān)聯(lián)度矩陣積和式，是一種簡(jiǎn)化的評(píng)價(jià)方法，既考慮了指標(biāo)自身的評(píng)價(jià)，又考慮了各指標(biāo)之間的相互聯(lián)系，可以比較全面進(jìn)行艙室居住性的綜合評(píng)價(jià).

3 以潛艇指揮艙室居住性為例的綜合評(píng)估

基于評(píng)價(jià)指標(biāo)分析，建立揮艙室居住性綜合評(píng)價(jià)的核對(duì)表.選取潛艇相關(guān)設(shè)計(jì)人員、潛艇使用人員和艦艇專家共5名，作為評(píng)價(jià)表和核查表打分人員.由圖1中各指標(biāo)建立評(píng)價(jià)核查表.首先進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)（假定權(quán)重已給出），得出評(píng)價(jià)值；其次將數(shù)值代入居住性的評(píng)價(jià)模型（假定權(quán)重已給出），得出評(píng)價(jià)結(jié)果.

在上文中已將評(píng)估等級(jí)分為｛非常好（0.8），好（0.6），一般（0.4），差（0.2），非常差（0）｝，且權(quán)值已給出.利用模糊數(shù)學(xué)的方法，根據(jù)給定數(shù)據(jù)對(duì)指揮室的居住性進(jìn)行評(píng)估如下.

1）確定居住性評(píng)估模型 根據(jù)所示的居住性評(píng)估體系確定評(píng)估集合v ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，各子評(píng)估集合分別為v1＝ ｛v11；v12，v13｝；v2＝ ｛v21，v22，v23｝；v4＝ ｛v41，v42，v43｝；v5＝ ｛v51，v52，v53｝；v6＝ ｛v61，v62，v63，v64｝和 v7＝ ｛v71，v72｝.

2）確定各影響因素的權(quán)值分配 通過(guò)小范圍的問(wèn)卷調(diào)查得到居住性一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分配集μ＝［0.15，0.21，0.13，0.22，0.14，0.08，0.07］，坐姿舒適性中各子影響因素的權(quán)重分配集＝［0.46，0.38，0.16］，操作方便性中各子因素的權(quán)重分配集＝［0.42，0.34，0.24］，艙室空間中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.39，0.29，0.32］，人機(jī)界面交互性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.38，0.30，0.32］，內(nèi)部環(huán)境適應(yīng)性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.28，0.30，0.27，015］，儀器裝置友好性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.58，0.42］.

3）構(gòu)建模型的評(píng)估矩陣 確定模型的評(píng)估參數(shù)集 給定評(píng)估參數(shù)集為P＝｛90，75，60，45，30｝.

形成單因素評(píng)估矩陣 按照多組設(shè)計(jì)人員對(duì)各因素的評(píng)估效果記錄，建立坐姿舒適性、操作方便性、視野可達(dá)性、艙室空間、人機(jī)界面交互性、內(nèi)部環(huán)境適應(yīng)性和儀器裝置友好性的評(píng)估矩陣.

6個(gè)單因素評(píng)估矩陣為

計(jì)算綜合評(píng)估矩陣 應(yīng)用B1＝μ1°R1求解第二層的綜合評(píng)估陣.

根據(jù)總綜合評(píng)估矩陣得到評(píng)價(jià)結(jié)果 對(duì)各個(gè)綜合評(píng)估矩陣歸一化運(yùn)算后得到總的評(píng)估矩陣

將中相應(yīng)參數(shù)分別與評(píng)估參數(shù)集PT相乘，可以得到量化的居住性屬性中各影響因素評(píng)估值（見(jiàn)表3）Pm.

表3 指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)

由表3可見(jiàn)，艙室空間相關(guān)的影響因素為居住性屬性中的最短板.因此，要改善方案的居住性屬性應(yīng)先從艙室空間的相關(guān)影響因素著手，考慮如何利用富裕空間進(jìn)行布置以提高舒適性，并考慮座椅、儀器操作臺(tái)、艙室環(huán)境的綜合影響.

將表3中各指標(biāo)分值代入積和式多項(xiàng)式（4）中得Per（M）＝2.015 649 2，根據(jù)評(píng)分區(qū)間表，該艙室設(shè)計(jì)方案的評(píng)估分值處于60～70之間，方案綜合評(píng)價(jià)較低，故該設(shè)計(jì)方案仍需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn).

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了適用于潛艇指揮艙室設(shè)備的居住性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.以艦船通用規(guī)范為參考，分析了潛艇指揮艙室的內(nèi)部設(shè)備及布局.結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出了針對(duì)指揮艙室居住性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的7個(gè)指標(biāo).以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，提出了潛艇指揮艙室居住性綜合評(píng)價(jià)模型.并對(duì)單殼體潛艇指揮艙室居住性分析，得出評(píng)估值，提出了優(yōu)化建議.

另外在本文關(guān)于潛艇艙室居住性評(píng)估模型的基礎(chǔ)上，深入研究基于虛擬仿真環(huán)境下的居住性分析與評(píng)價(jià)手段，為潛艇前期的方案設(shè)計(jì)與后期的維護(hù)使用在居住性評(píng)價(jià)方面提供實(shí)用有效的決策支撐.本文所構(gòu)建的居住性評(píng)估體系也可以為艦艇的居住性評(píng)估提供參考依據(jù)和內(nèi)容補(bǔ)充.

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