基于AHP和灰色聚類決策的設計參數優化選擇方法研究

葉婷 劉常青

（沈陽發動機設計研究所，遼寧沈陽 110015）

基于AHP和灰色聚類決策的設計參數優化選擇方法研究

葉婷 劉常青

（沈陽發動機設計研究所，遼寧沈陽 110015）

管路系統是復雜裝備的重要組成部分，關系到裝備是否可靠有效運行，合理選擇管路設計參數是實現裝備功能、性能的前提和基礎。針對管路設計中設計參數選擇缺乏有效方法的問題，提出了設計參數優化選擇模型。首先確定了管路設計參數、決策原則和灰類，然后結合AHP和信息熵方法確定綜合權重，運用灰色聚類決策判斷各設計參數屬于的灰類，最后以燃氣輪機燃油換向閥出口油管為案例說明了設計參數選擇過程。分析結果表明方法有一定的合理性。

AHP 信息熵 灰色聚類決策

1　引言

裝備的管路系統連接裝備的各部件/附件，擔負著傳輸燃油、運送滑油、通風放氣等重要功能，是復雜裝備的重要組成部分。管路系統是否安全可靠工作直接關系到裝備可否正常運行。而設計管路需要考慮的參數數量大、種類多，除了重要的結構參數（包括：接口尺寸、管路通徑等）、性能參數（如：強度、剛性、振動頻率等）外，還需考慮加工工藝、裝配工藝、可靠性、維修性、安全性、測試性、環境適應性、標準化等參數。出于可行性的考慮，不可能選擇所有參數進行管路設計。若選擇的參數過多，無法有效突出主要參數、弱化次要參數，導致參數冗余，可能出現設計偏差；反之，若設計參數選擇過少、不完整，致使設計參數缺失，不足以設計出符合要求的管路。因此，從眾多的參數中合理的選擇滿足設計要求的參數至關重要。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，以下簡稱：AHP）采用排序原理將研究對象排出優劣次序，并對排序結果進行分析決策［1，2］。灰色聚類決策依據白化權函數將決策對象聚集成若干個灰類，進而分析各決策對象的類別［3，4］。這兩個方法結合使用可解決本文待求問題。

2　設計參數優化選擇模型

設計參數優化選擇模型流程，第一步，確定待解決問題的決策對象、決策指標和決策對象需要區分的灰類。第二步，結合AHP和信息熵方法計算綜合權重η。首先，運用AHP方法獲得決策指標權重向量η1。①建立判斷矩陣O：決策者將決策指標兩兩相對重要性進行比較，比較尺度劃分為：絕對重要、頗為重要、重要、稍微重要、同等重要。在1～9的尺度下，通過專家評分，確定判斷矩陣O。②計算判斷矩陣O的最大特征值及其對應的特征向量。③對判斷矩陣O進行一致性檢驗。若通過則進行步驟④，反之，返回步驟①，重新建立判斷矩陣。④對特征向量進行歸一化處理，獲得決策指標權重向量η1。其次，運用信息熵方法獲得決策對象權重向量η2。①建立評價矩陣X：對決策對象關于決策指標的關聯性進行評分，評分尺度劃分為：強關聯、稍強關聯、關聯、稍弱關聯、弱關聯（見表1）。在1～9的尺度下，通過專家評分，確定判斷矩陣X。②根據式（2）對評價矩陣X標準化，得到標準化評價矩陣X*。③依據式（3）計算信息熵Hj，依據式（4）得到決策對象權重向量η2。最后，根據式（5），獲得綜合權重向量η。

表1　1～9尺度的含義

表2　主要設計參數列表

表3　各設計參數重要度

3　案例分析

以某型燃氣輪機的換向閥出口油管為例來詳細說明設計參數優化選擇過程。換向閥出口油管連接換向閥和燃油控制裝置回油管，用于傳輸高壓燃油，控制排氣裝置可調葉片開關。油管在燃氣輪機的運行過程中起著非常重要的作用，需要保證油管的安全可靠工作。

參考GJB3816-1999，管路設計中一般考慮以下要求：（1）結構方面：①滿足流量要求；②符合裝配要求；③滿足漏油量要求；④與相鄰件的距離合理。（2）性能方面：①滿足剛性要求；②符合強度要求；③避免共振。（3）可靠性維修性要求：①壽命長；②平均故障間隔時間MTBF短；③維護工時短。（4）測試方面：①具有可測量環境；②測點可視可達。（5）加工工藝方面：①加工工時短；②焊縫等級滿足要求。（6）裝配工藝方面：①裝配工時短；②裝配應力小。將以上16個設計參數確定為決策對象（見表2）。

從上可知：MTBF、強度要求、管路通徑、漏油量、接頭尺寸、壽命、自振頻率為優先選用的設計參數；剛性、裝配應力值、焊縫等級為選用的設計參數；加工工時、測點環境、相鄰件距離、維護工時、裝配工時、可視可達為不建議選用參數。

4　結果與分析

表3列出了專家評分系統對各設計參數重要度的評分結果。選擇重要度不小于4的設計參數為優先選用參數；重要度為3的參數為選用參數，重要度不大于3的參數為不建議選用參數。分析表4可知：①通徑、接口尺寸、漏油量、振動應力值、自振頻率、平均故障間隔時間、壽命為優先選用參數；②剛性、裝配應力值、焊縫等級為選用參數；③相鄰件距離、維護工時、加工工時、裝配工時、測點環境、可視可達為不建議選用參數。可見，專家評分系統的結論與本文結果基本一致，說明所提方法具有一定的合理性和有效性。

［1］余江鴻，姚齊水，李睿，等.基于灰色聚類決策的監測優化選擇方法研究［J］.測控技術，2013，32（7）：121-129.

［2］蘇華軍，李航航.基于AHP和灰色綜合評判的作戰飛機空戰性能評價［J］.電光與控制，2008，15（9）：39-42.

［3］劉志軍.基于全生命周期的機艙火災風險評估與控制模型研究［D］.大連，大連理工大學，2011.9.

［4］馬志華.現代船舶電氣設備維修決策方法研究［D］.上海，上海海事大學，2005.10.