基于模糊層次評(píng)價(jià)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)

0 引 言

隨著人類(lèi)對(duì)海洋資源需求的日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的錨泊定位由于其成本受水深的影響，錨泊定位船舶在深海作業(yè)時(shí)精確定位具有極大的困難，已經(jīng)不能滿(mǎn)足深海作業(yè)的定位要求。動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種采用推進(jìn)器來(lái)抵抗風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力的定位系統(tǒng)，由于其定位精準(zhǔn)，成本不受水深限制以及可靠性良好等優(yōu)點(diǎn)［1］，廣泛地應(yīng)用于鋪管、采砂、半潛平臺(tái)等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究取得了顯著的階段性成果。

文獻(xiàn)［2］在分析推力器分配算法的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)定位能力極限進(jìn)行了定性分析，文獻(xiàn)［3］將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法融入了動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［4］用模型試驗(yàn)的半理論半經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)推進(jìn)器推力損失進(jìn)行了計(jì)算，文獻(xiàn)［5］采用并行分布補(bǔ)償技術(shù)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［6］基于最優(yōu)控制原理對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的節(jié)能特性進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)［7］使用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了動(dòng)力定位系統(tǒng)的自適應(yīng)觀測(cè)器。文獻(xiàn)［8］運(yùn)用故障樹(shù)分析法對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器進(jìn)行了定性分析與評(píng)估。由于國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的研究工作起步較晚，利用哪些指標(biāo)以及如何對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)等問(wèn)題還有待深入探究。

從相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)綜合評(píng)估的研究尚為空白。本文根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的可靠性、可用性以及可維護(hù)性即RAM［9］三個(gè)方面建立了動(dòng)力定位系統(tǒng)的綜合評(píng)估指標(biāo)，并運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)值，模糊綜合評(píng)判算法對(duì)系統(tǒng)RAM 效能進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)。最后針對(duì)最大隸屬度結(jié)果與評(píng)分法可能出現(xiàn)的不同問(wèn)題進(jìn)行了討論，并通過(guò)算例驗(yàn)證了評(píng)估的有效性。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 評(píng)估指標(biāo)體系的選取

通過(guò)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的認(rèn)真分析，依據(jù)系統(tǒng)性、客觀性、完備性的原則，構(gòu)建了動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM指標(biāo)體系及度量標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 指標(biāo)體系Tab.1 The RAM index system of dynamic positioning systems

系統(tǒng)可靠性:系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)完成預(yù)定的定點(diǎn)控位、首向控制以及航跡控制3 方面任務(wù)的能力。其中系統(tǒng)易恢復(fù)性是指在定位失效的情況下，系統(tǒng)重建并恢復(fù)船舶定位的能力。系統(tǒng)失效率是指系統(tǒng)正常工作的情況下，相臨單位時(shí)間內(nèi)船舶定位能力的失效概率。系統(tǒng)容錯(cuò)能力是指系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，船舶保持其規(guī)定運(yùn)行狀態(tài)的性能。平均故障率是指系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間的倒數(shù)。

系統(tǒng)可用性:動(dòng)力定位系統(tǒng)船舶在海洋環(huán)境干擾中作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)有效、高效并且滿(mǎn)意的達(dá)成特定目標(biāo)的程度。其中服務(wù)完備性是指動(dòng)力定位系統(tǒng)能滿(mǎn)足海洋作業(yè)船舶定位需求的程度。功能準(zhǔn)確性是指動(dòng)力定位系統(tǒng)提供具有所需的定位能力極限和精度的結(jié)果的能力。平均可用時(shí)間是指動(dòng)力定位系統(tǒng)能持續(xù)的提供船舶所需的定位能力。系統(tǒng)易操作性是指在規(guī)定條件下系統(tǒng)能被船員操作控制的容易程度。

系統(tǒng)的可維護(hù)性:動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可被分析、修復(fù)和完善的能力。其中系統(tǒng)易分析性是指動(dòng)力定位系統(tǒng)可被診斷故障原因或標(biāo)識(shí)系統(tǒng)缺陷部分的能力。故障修復(fù)時(shí)間是指發(fā)生故障時(shí)，從發(fā)現(xiàn)故障開(kāi)始到排除故障所用的時(shí)間。系統(tǒng)可擴(kuò)展性指的是系統(tǒng)根據(jù)海洋環(huán)境或動(dòng)力定位船舶的需求增加或減少其自身設(shè)備的性能。系統(tǒng)穩(wěn)定性是指動(dòng)力定位系統(tǒng)避免由于修復(fù)和擴(kuò)充系統(tǒng)設(shè)備而造成意外結(jié)果的能力。

2 建立動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 評(píng)估模型

評(píng)語(yǔ)集是在評(píng)估某一項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，將可能出現(xiàn)的評(píng)估結(jié)果劃分為若干個(gè)等級(jí)，這些等級(jí)構(gòu)成的集合就是評(píng)語(yǔ)集［10］。因素集與評(píng)語(yǔ)集的模糊關(guān)系矩陣即模糊矩陣Ri=(rij)n×m，其中rij為第i 個(gè)因素對(duì)評(píng)語(yǔ)集V 中等級(jí)vj的隸屬度，其計(jì)算公式為:

式中:Dij為第i 個(gè)因素被評(píng)為等級(jí)vj的人數(shù);N 為評(píng)估成員總?cè)藬?shù)。

一級(jí)指標(biāo)的評(píng)估公式為:

式中:Ai=(ai1，ai1，…，ain)為二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量;Ri=(rij)n×m為二級(jí)指標(biāo)的模糊矩陣。一級(jí)指標(biāo)效能評(píng)價(jià)結(jié)束后，將Bi(i = 1，2，3)視為模糊矩陣R 的評(píng)價(jià)向量，即R=［B1B2B3］T，假設(shè)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重為A=(a1，a2，…，an)，則動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 評(píng)價(jià)公式為:E= A·R= (b1，b2，…，bn)，其中bi表示RAM 評(píng)估結(jié)果被評(píng)為vi的隸屬度。評(píng)語(yǔ)量化公式為P=E·VT，式中VT為評(píng)語(yǔ)等級(jí)量化向量。

3 算例分析

將評(píng)價(jià)結(jié)果分為:V={好、較好、一般、差}，同時(shí)依次賦值{0.9，0.7，0.5，0.3}。采用1 ～9標(biāo)度法表示指標(biāo)間的相互重要性［11］，經(jīng)專(zhuān)家小組對(duì)各級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)判后得各指標(biāo)的權(quán)重。以下僅以一級(jí)指標(biāo)為例，其對(duì)比矩陣如表2 所示。

表2 動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣Tab.2 The level indicators of RAM of dynamic positioning systems

其特征向量，即一級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量為:

同理可得二級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量:

根據(jù)專(zhuān)家組對(duì)指標(biāo)認(rèn)真評(píng)估、分析，經(jīng)歸一化得表3。

表3 權(quán)重與隸屬度數(shù)據(jù)表Tab.3 The weight and membership degree

由表3 可得隸屬度矩陣:

最后根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)RAM 進(jìn)行綜合評(píng)價(jià):

根據(jù)隸屬度最大原則，該耙吸式挖泥船的RAM綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為好。

4 評(píng)估結(jié)果的分析

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法的最大隸屬度原則，該挖泥船的RAM 綜合評(píng)估等級(jí)為“好”，而結(jié)合評(píng)語(yǔ)等級(jí)的量化向量進(jìn)行評(píng)估時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)模糊綜合評(píng)估結(jié)果量化后得分為

表4 評(píng)估結(jié)果參考標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)Tab.4 Reference standard of the evaluation results

由表4 可知，評(píng)判結(jié)論為“較好”。可以發(fā)現(xiàn)，不同的評(píng)價(jià)方法有可能得到相同或不同的評(píng)估結(jié)果。針對(duì)可能出現(xiàn)的不同情況，本文分以下2 種情況對(duì)最終評(píng)估結(jié)果的選擇進(jìn)行討論:

1)若根據(jù)最大隸屬度原則得出的結(jié)論=評(píng)語(yǔ)等級(jí)量化評(píng)估結(jié)論，則模糊綜合評(píng)估結(jié)果即為最終評(píng)估結(jié)論。

2)若根據(jù)最大隸屬度原則得出的的結(jié)論≠評(píng)語(yǔ)等級(jí)量化評(píng)估結(jié)論，則

①存在1 個(gè)以上(包括1 個(gè))的隸屬度與最大隸屬度近似，如E=［0.31 0.33 0.32 0.04］，根據(jù)最大隸屬度原則評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)該為較好，然而綜合評(píng)價(jià)結(jié)果P=E·VT=0.682 0，根據(jù)表3 可得評(píng)估結(jié)果為“一般”。這時(shí)可看出，0.31 和0.32 均與最大隸屬度相似，這時(shí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果存在不確定性，所以最終結(jié)果選擇評(píng)語(yǔ)等級(jí)量化結(jié)論“一般”。

②最大隸屬度明顯大于其余隸屬度時(shí)，如本題算例所示E=(0.807 1 0.089 4 0.049 1 0.054 5)，采用評(píng)語(yǔ)等級(jí)量化結(jié)論為一般顯然不夠合理，最大隸屬度所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)論即為最終結(jié)論。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了動(dòng)力定位系統(tǒng)可靠性、可維修性和可用性指標(biāo)體系，并利用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度理論與層次分析法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，有效避免了加權(quán)過(guò)程中主觀因素的影響，彌補(bǔ)了AHP 法的不足，并對(duì)最終結(jié)論的選取進(jìn)行了分析，讓評(píng)估結(jié)果更接近系統(tǒng)的真實(shí)情況，為今后動(dòng)力定位系統(tǒng)整體評(píng)價(jià)的展開(kāi)提供了依據(jù)。

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