層次分析法在空間洗浴方法評價中的應用

郭飛馬,黨 磊,王小雪,張美姿

(航天神舟生物科技集團有限公司,北京100081)

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層次分析法在空間洗浴方法評價中的應用

郭飛馬,黨 磊,王小雪,張美姿*

(航天神舟生物科技集團有限公司,北京100081)

摘要：介紹了國際空間站洗浴具有操作簡單、省時、節水和節能的特點，以及空間站常用的淋浴和免沖洗兩種洗浴方法，簡述了一種定性定量相結合、系統化、層次化的分析方法和它的應用范圍，并在建立空間站洗浴方法評價指標體系的基礎上，運用層次分析法對空間站洗浴方法進行評估。評估結果顯示免沖洗方法的綜合權重高于淋浴的綜合權重，表明從空間資源占用、技術成熟度和洗浴效果三個方面來看，現階段空間站洗浴的最佳選擇是免沖洗系統。

關鍵詞：國際空間站；洗浴方法；綜合評價；層次分析法

1 引言

空間站是人們利用空間資源進行研究和應用的實驗室,需要航天員長期維護。1987年12月29日,航天員羅曼年科返回地面時,已經在和平號上生活了326個晝夜［1］。1988年12月21日從和平號上歸來的兩名航天員季托夫和馬納羅夫,創造了在太空飛行整整一年的新紀錄［1］。為了保障航天員在軌長期駐留,空間站上除提供實驗和正常運行的裝置外,還為航天員提供日常生活保障服務［2］。如個人清潔用品、飲食保障、身體鍛煉系統以及休閑娛樂服務等,其中航天員在軌洗浴系統必不可少。

空間站航天員洗浴系統能夠使航天員保持良好的個人衛生,對于維護長期在軌駐留航天員的健康、保障航天員最佳的身體和精神狀態、增強航天員的工作效率、提升航天員的生活質量具有重要意義。

目前,國外的空間站基本都有洗浴系統,能夠滿足航天員的定期全身清潔需求。美國在1973年發射成功的天空實驗室,其內安置了一個可折疊的淋浴系統,不用時收起,可以節省艙內空間,提高空間利用度［3］；蘇聯和平號空間站1986年發射入軌,在近15年的空間飛行中,航天員先后采用了淋浴、桑拿和免沖洗的干濕巾擦洗三種洗浴方式［4］；國際空間站1998年發射升空,由于國際空間站是多國聯合使用,每個國家都有自己的洗浴系統,如美國艙擁有淋浴系統、俄羅斯有淋浴和桑拿共用系統、歐盟等其他國家基本都采用免沖洗的干濕巾擦洗方法［5］。這些洗浴系統基本實現了淋浴洗浴的空間水加熱、輸送和控制技術、水回收技術、廢水中去污劑去除的離子交換技術、廢水的氣液分離技術以及免沖洗的洗護產品開發等關鍵技術的突破。在航天員洗浴技術方面積累了相當多的工程設計和實施經驗。

2 評價空間洗浴方法的影響因素

地面上簡單、常規性的洗浴操作在太空失重環境中變得非常復雜和困難,洗浴過程受多種因素影響［7］。因此,在選擇適合失重環境航天員洗浴方法的過程中,必須從各個角度考慮失重環境對洗浴過程的影響以及由此而可能產生的后果。

2.1 空間資源占用

空間站資源有限,因此對空間資源占用的比例是選擇洗浴方法首先考慮的因素。國際空間站上的每個航天員平均每天要使用大約4.4 L的水,主要用于飲用和衛生清潔,其中用于衛生清潔包括每日洗漱和全身清潔每人每日為1.33 L［8］。由于運輸成本極高,水價高達48 400美元/ L,如果全身清潔,天空實驗室和和平號空間站的淋浴系統單人單次耗水量分別為4 L和2.5 L,雖然廢水回收率平均可達44%,但一次洗浴折合水價仍然分別高達108 416和67 760美元［9］。因此耗水量是空間洗浴方法選擇的重要指標。

能源是確保空間站上各種功能正常運行的最基本條件,空間站上動力的來源主要是太陽能。利用眾多太陽能板收集太陽能并最終將其轉化為電能供空間站使用。國際空間站太陽電池翼總數量為8個,每個功率為32.8 kW,共計262.4 kW。可供使用的能量為110 kW的電源功率,其中可供航天員使用的為46 kW。太陽能不僅需要提供艙內照明,支持系統運行,為艙內計算機和價格昂貴的科學實驗設備提供電能,甚至航天員呼吸的空氣也是依賴電將水分離獲得［10］。因此洗浴系統能分配的資源有限。

國際空間站中航天員工作非常繁忙,平均每天工作9小時執行各種實驗任務,同時由于空間站環境特殊,航天員必須保證8～12小時睡眠, 1.5小時進行必要的訓練,剩余時間還要進行吃飯、日常洗漱等必須活動,這些在地面上很容易完成的活動在空間站會占用航天員很多的時間,而且為了保證航天員身體心理的健康也要安排一定的休閑時間［11］。因此用于全身洗浴的時間就比較有限。

國際空間站建設費用昂貴,航天員居住艙的面積有限,它長8.36 m,外徑4.2 m,需要容納航天員的所有居住設施,如人衛生設施(廢物處理系統、洗浴系統)、醫療與鍛煉設備、廚房設施(進餐用具、飲水機、冷凍冷藏箱)和其他生活必需品。而根據NASA的NAS1-11399報告,淋浴室空間直徑應達到30.25英寸(約76.8 cm),高79.5英寸(約201.9 cm)才能保證淋浴系統滿足航天員的需要,據此計算國際空間站浴室大約需要占據居住艙5%的面積［12］。所以浴室使用的空間占用也是洗浴系統開發不能忽視的因素。

在空間站中,航天員洗浴后會產生廢物和廢水。廢物包括免沖洗產品的外包裝和毛巾等,處理廢物需要占用空間資源和耗能。廢水必須用毛巾或吸水刷將水吸走。否則沒有被吸走的水會形成懸浮水滴,這些水滴有可能進入到航天員的眼睛或被吸入到肺里,同時在失重環境中水對皮膚的附著增強,如果懸浮水滴進入耳鼻孔內或附著在眼眶內將很難清除,這些都會對航天員的健康安全形成威脅［13］。因此對廢物處理的考慮也是洗浴方法綜合評價的重要指標。

李一峰、徐霽，兩位今年高考中涌現出的“另類”考生，最近成了教育圈熱議的話題人物。對于他們的“另類”選擇，質疑、不解者居多，贊賞、支持者亦有之。“棄清華而選川大”的選擇遭到多數人的不解乃至嘲諷，原因恐無須贅述。以26歲的“高齡”重新參加高考，恐怕也不是任誰都有這樣的勇氣。有趣的是，兩位考生有著相同的人生志向：學醫，即便為之反復折騰，“不為良相便為良醫”的人生理想卻始終不曾泯滅，并最終得償夙愿。對于這樣的人生選擇，贊賞者主要是從堅守“初心”的角度為其揄揚，這當然沒有錯，但在筆者看來，兩位考生做了一次“不流俗”的人生選擇，對于這樣的做法，批評大可不必，贊揚也應適度。

2.2 技術成熟度

空間洗浴技術已在國際空間站中應用［14］,因此,根據NASA對技術成熟度等級的定義,國際空間站洗浴技術度為9級［15］。根據技術成熟度定義,我國淋浴技術現階段進行的關鍵技術和特性的預研為3級［16］。因神舟十號利用了海軍醫學研究所研制的海奧免沖洗洗發液和免沖洗沐浴液,因此我國的免沖洗技術定義為7級［17］。可見技術成熟度的等級也是制約空間站洗浴方法選擇的重要因素。

2.3 洗浴效果

選擇合適的洗浴方法要考慮的另一個重要因素是航天員的滿意程度。結合不同洗浴方法的裝置及洗浴產品的特點以及空間微重力的特殊環境,充分考慮在洗浴過程中可能遇到的問題,主要從洗浴舒適度和清潔度方面來考慮不同洗浴方法帶給航天員不同的感受。

綜上所述,洗浴這個在地面上簡單可以完成的活動,在空間站中面臨著各種挑戰,而且洗浴方法的選擇受多種因素的影響,因此對我國空間站洗浴方法的選擇要考慮多種因素,并采用能將主觀評價轉換為量化指標的綜合評價方法。

3 空間站洗浴方法層次分析模型的建立

層次分析法是美國匹茲堡大學數學系教授,著名運籌學家薩迪提出來的一種定性定量相結合的、系統化、層次化的分析方法,特別適用于目標結構復雜且缺乏數據的情況。它把一個復雜問題中的各個指標通過劃分相互之間的關系,分解為若干個有序層次,每一層次中的元素具有大致相等的地位,并且每一層與上一層次和下一層次有著一定的聯系,層次之間按隸屬關系建立起一個有序的遞階層次模型［18］。在有限目標的決策中,大量需要決策的問題既有定性因素,又有定量因素,而層次分析法把定性分析與定量分析較好地結合了起來。層次分析法可以按照對空間洗浴方法影響因素的重要程度來分層確定權重,以組合權重計算綜合指數,減少了傳統主觀定權存在的偏差；同時可以把影響洗浴方法選擇的指標中不易量化的指標轉變為可以量化的指標,而且不削弱原始信息量［19］。因此我們選擇層次分析法作為評價空間站航天員洗浴方法的綜合評價方法。

3.1 指標體系

由于空間站洗浴方法評價指標體系比較復雜,根據指標體系設計原則,在詳細調研天空實驗室、和平號空間站和國際空間站的資料以及在專家咨詢的基礎上,確定影響空間站洗浴方法的主要因素并最終選取耗水量、耗能、耗時、占用空間、廢物處理、洗浴技術和浴后舒適度、清潔度、易操作性和安全性作為評價指標。

3.2 模型的層次結構

對航天員洗浴方法綜合評價主要從耗水量、耗能、耗時、占用空間、廢物處理、洗浴技術和浴后舒適度、清潔度、易操作性和安全性十個指標進行評價,故與指標體系對應,評價的目標層為空間站洗浴方法(A),方案層淋浴(C1)和免沖洗(C2),指標層為前面確定的10個評價指標B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10。因此,建立的層次結構見圖1。

圖1 洗浴方法選擇的遞階層次結構圖Fig 1 The hierarchical structure of the choice of bath method

3.3 模型的判斷矩陣

判斷矩陣是將上一級要素作為評價標準,通過對本級要素進行兩兩比較,從而確定矩陣元素。在第一級評價體系中的影響要素作為評價標準, 對B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10因素進行了兩兩比較,其中元素Bij表示要素Bi對Bj的相對重要性,建立判斷矩陣B＝［Bij］10×10。

4 現階段空間站洗浴方法評估

4.1 現階段空間站洗浴方法特點分析

現階段空間站航天員的洗浴方法主要包括淋浴和濕、干巾擦洗(免沖洗)。淋浴是地面人們洗浴的常用方式,洗浴效果好,淋浴過程和浴后感覺舒適。免沖洗方法是將免洗產品預先潤濕擦巾,或將瓶裝免洗液體倒在毛巾上擦拭頭發或全身。由于空間站微重力環境和資源有限的因素,兩種洗浴技術各自的特點如表1所示。

表1 空間站洗浴方法的特點［20］Table 1 Characteristics of bath method in space［20］

通過以上的描述和分析可以看出,現有的兩種空間站洗浴方式各有特點。選擇適當的洗浴方式要根據洗浴技術的成熟和可靠性、空間站的具體條件、航天員生理和心理需求、以及駐留/搭載任務的具體要求等多種因素來決定。

4.2 指標權重和一致性分析

為了選擇更適合現階段空間站的洗浴方式,在建立指標體系的基礎上,制定專家咨詢問卷,向有關專家征求相關指標重要性和判斷依據以及熟悉程度方面的意見和建議。根據空間站洗浴方法評價指標體系的特點,共邀請10位航天工程方面的專家。專家咨詢的問卷發放數量與回收數量相同。通過專家打分來確定各個指標的重要性。然后根據建立的層次分析模型構造判斷矩陣,最后經過數學處理得到各指標在空間站航天員洗浴方法中的綜合權重［21］。判斷矩陣是計算權重的根據,因此要求矩陣大體上具有一致性,要對判斷的相容性和誤差進行分析。設相容性指標為C．I (Consistency Index),即有C．I＝(λmax-n) / (n- 1),并查找相應的平均隨機一致性指標R．I(Random Index),當n＝10時,R．I＝1.49,得出一致性比例(Consistency Ratio)C．R＝C．I/ R．I。一般情況下,若C．R＜0.1,就可以認為判斷矩陣有相容性,據此計算的權重值(ω)可以接受。依據以上闡述,得到判斷矩陣,并計算權重及一致性檢驗,如表2～4所示。

表2 現階段空間站針對所有洗浴方法指標的一致性Table 2 Consistency of indicators for all bath methods at the present stage of the space station

表3 現階段空間站針對淋浴指標的一致性Table 3 Consistency of indicators for shower at the present stage of the space station

表4 現階段空間站針對免沖洗指標的一致性Table 4 Consistency of indicators for free washing system at the present stage of the space station

通過計算,各個指標的權重一致性均在0.1以下,表明判斷矩陣有相容性,據此計算的權重值可以接受。

4.3 綜合權重分析

通過一致性分析得到各個指標的歸一化權向量,通過權向量計算方案層的綜合權重如表5。方案層C．I．的合成權重＝(B相對于A的權重) ×(B相對于C1的權重之和)；方案層C2的合成權重＝(B相對于A的權重)×(B相對于C2的權重之和)。

表5 現階段空間站針對淋浴和免沖洗的綜合權重Table 5 The comprehensive weight for shower and free washing system at the present stage of the space station

根據綜合權重判斷,免沖洗的方法更適合空間站現階段航天員洗浴,而且免沖洗產品具有簡單、省時、節能、節水的特點,也符合空間站洗浴的要求。因此證明了：建立的層次分析法綜合評價模型可以有效地評價空間站航天員洗浴方式,為我國空間站建立航天員洗浴系統提供評價手段。

5 結論

對現階段我國航天員長期在軌洗浴的各方面需求進行詳細分析,結合我國空間站的資源配置等情況,提出了我國空間站初期建設階段航天員在軌洗浴以免沖洗技術為主,保障航天員在軌全身清潔的基本需求。

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Application of Analytic Hierarchy Process in Evaluation of Bath Method in Space

GUO Feima，DANG Lei，WANG Xiaoxue，ZHANG Meizi*
（Shen zhou Space Biotechnology Group，Beijing 100081，China）

Abstract：The characteristics of bath in the international space station including easy to operate，time saving，water saving and energy saving as well as the commonly used bath methods such as shower and free washing method were introduced in this paper.Analytic hierarchy process is a combination of qualitative and quantitative，systematic and hierarchical analysis method.The concept and application of analytic hierarchy process were analyzed.Based on the evaluation model of bath methods in the space station，the bath methods in space were estimated by analytic hierarchy process.The results showed that the comprehensive weight of free washing system was higher.The result from trade study indicated that the free washing system was the best choice at the present stage of the space station in three aspects including the occupied space resources，technology maturity and washing effect.

Key words：International Space Station；bath methods；comprehensive evaluation；analytic hierarchy process

*通訊作者：張美姿(1975-),女,博士,高級工程師,研究方向為空間生物技術。E-mail：zhangmeizi＠cast.cn

作者簡介：郭飛馬(1980-),女,博士,工程師,研究方向為空間生物技術。E-mail：guofeima＠cast.cn

基金項目：載人航天預先研究項目(040102)

收稿日期：2015-05-12；修回日期：2016-02-23

中圖分類號：R852.8

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0221-06