基于層次分析法的民用客機發動機技術評價與選型

王　鵬，陳迎春，司江濤，何必海

（1.中國商飛上海飛機設計研究院，上海201210；2.上海交通大學航空航天學院，上海200240）

基于層次分析法的民用客機發動機技術評價與選型

王鵬1，2，陳迎春1，司江濤1，何必海1

（1.中國商飛上海飛機設計研究院，上海201210；2.上海交通大學航空航天學院，上海200240）

層次分析法是1種有效實用的多目標決策方法。針對在大型客機研制中科學選擇適合的民用航空發動機問題特點，基于層次分析法，將發動機的選型要求層次化分解，建立了指標技術評估模型，并考慮不同評估專家分配不同權重的方法。以現有民用發動機為例進行分析。分析結果表明：層次分析法在民用客機發動機選擇中具有合理性、科學性，符合市場實際情況，適用于民用客機發動機方案選型，并可為民用客機發動機工程技術評估提供科學依據。

層次分析法；民用客機；航空發動機；選型

0　引言

發動機的噪聲和排放直接影響民用客機的適航性和舒適性，發動機的耗油率和可靠性在很大程度上影響飛機的經濟性和安全性。在民用客機設計初期，對候選民用客機發動機的評價要取得成效，必須依據1套科學可信的評估選擇方法。

民用客機發動機的技術選型是1項復雜的系統工程，涉及到學科和內容有飛機性能、發動機性能、氣動阻力、質量尺寸、安全性、環保性、供應商能力經驗等。并且由于民用客機的售價高達上億美元，使用壽命在20 a左右，因此，民用發動機技術參數的選擇是否合理，選型是否合適、將會直接影響航空公司未來20 a的發展和盈利［1］。

本文利用層次分析法這種定性和定量相結合的方法，對候選航空民用發動機進行全面、客觀的評價與技術選擇［2-6］，并且考慮發動機需滿足飛機要求的各項指標，建立1套技術評價指標體系，得出各種影響因素的權重系數。通過對影響民用發動機各指標的評價和分析，對候選發動機進行綜合技術評估，選出符合民用客機要求的最適合的發動機［7-8］。為整體綜合評價候選民用發動機提供1種實用可行的定量綜合評價方法，具有非常重要的現實意義。

1　技術評估指標

民用發動機的評價涉及到的多種參數之間關系復雜，某些評估指標之間相互影響和制約，所以不能簡單使用定量的方法來確定。評價指標選擇應有代表性，在數據可信性、獨立性的原則上選取［9］。從而按照評價指標全面、層次清晰，能夠簡明科學地構建反映民用發動機綜合性能的評估模型，其評價指標的選取應著眼于發動機整體性能和飛機總體需求。本文選取發動機綜合性能評價指標的流程［10］如圖1所示。

圖1　評價指標建立流程

評價民用發動機的指標與因素較多，各指標的范疇不盡相同，因此民用發動機選型是1個復雜的決策過程。對于發動機的總體評價可分解為多方面，本文確定發動機技術評價指標［1，11-15］如圖2所示。對選用指標進行分類，歸納到某具體特性來反映民用飛機總體性能的分性能［5］，構成評估模型的中間層。

圖2　發動機技術評價指標

2　層次分析法

2.1層次分析法的概念［16-17］

民用發動機優化選型的決策問題可以歸結為運籌學研究的范圍，目前國內外多采用模糊評判法、聚類分析法、層次分析法等進行計算決策。其中層次分析法計算的誤差最小，并且由于其在處理復雜的決策問題上的實用性和有效性，在大型決策問題中應用最廣。其最大優點是可以處理定性和定量相結合的問題，可以將決策者的主觀判斷與政策經驗導入模型，并加以量化處理。采用層次分析法綜合評估候選民用客機發動機供應商。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是將與任務決策相關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析相結合的多目標決策分析方法論。該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂（T·L·Satty）于20世紀70年代初提出的1種層次權重決策分析方法。其特點是在對需要決策的復雜問題的影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用少量的定量數據使決策的過程數學化，從而能為多準則、無明顯結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。

2.2計算流程

運用AHP方法建模，通常分為5個步驟進行［10］，計算流程如圖3所示。

圖3　計算流程

2.3遞階層次結構模型建立

民用客機發動機優化選型模型，首先要將民用發動機選型評估問題條理化、層次化，構造出1個層次分析的結構模型。在分析模型中，將選型的復雜問題分解為各種組成部分（稱為元素），再按屬性將元素分成若干組。將同組元素作為準則，對組內元素起支配作用，同時又受到同一層次目標層的支配。最高層是目標層，是需要解決問題的預定目標，中間層各組為要實現目標所涉及、考慮的準則，最底層為實現目標可能采取的各種措施、技術指標等。

使用層次分析法建立發動機選型模型包括4個層次：第1層目標層為最終優選民用客機發動機；第2層準則層為發動機選優的評價方面（準則）；第3層為各準則層下對應的具體發動機指標參數；第4層方案層為備選民用發動機。

判斷矩陣構造、權重系數計算、判斷矩陣一致性檢驗、目標層的權重計算等采用常規方法，不在此詳細描述。

3　民用發動機評估

3.1評估模型建立

根據民用飛機的頂層發動機需求，首先提出1個總目標。為了能對候選發動機進行評價，提高選型評估和選擇的準確性和客觀性，將各指標和需求按層次分解。將發動機相關各參數和因素根據其相互關聯和隸屬關系劃分為1個多層次的分析結構模型，對同一層次內的諸因素通過兩兩比較的方法確定出相對于上1層目標的各自的權系數。這樣層層分析下去，直到最后1層，即可給出所有因素相對于總目標而言的重要性程度的排序。分析步驟［5］如圖4所示。

圖4　發動機選型AHP分析步驟

建立基于層次分析法的動力裝置系統選擇評估模型，用來進行發動機評價和選擇，見表1。

3.2專家打分與客觀數據結合的權重計算

由于各發動機評價和分性能指標對發動機綜合性能的影響程度不同，需要明確評估指標間的權重。采用專家打分的方法構成判斷矩陣，請專家將指標層對準則層的重要程度，準則層對目標層的重要程度進行比較，得出判斷矩陣。如準則層6個分性能對準則層的判斷矩陣為

計算得出準則層3個分性能對目標層的相對權重為（0.53960.29700.1634），同理可以計算出指標層對準則層的相對權重（0.46730.27720.1601 0.0954），以及所有指標層對準則層的相對權重系數（0.53960.29700.1634），（0.66670.3333）。由式（3）可計算出所有指標層參數對目標層的權重系數（0.25220.14960.08640.0515……0.1089 0.0545）。同時考慮不同專家間的權重影響。

針對被評候選民用發動機，采用發動機原始數據對比和專家定性評估相結合的方法，生成判斷矩陣，計算方法同上。

表1　候選發動機AHP模型結構

4　實例分析

為了能夠更好地說明以上建立的候選民用發動機技術評價方法和評估模型，以國際知名的3種發動機為評價對象，根據民用客機的實際需求，舉例分析。按照AHP法建立的評估模型，通過專家打分計算得出最終的準則層對目標層的權重系數見表2。

同樣，通過專家打分計算得出指標層對準則層的權重系數，見表3。

候選發動機評估結果見表4，發動機A與B分析結果相差不大，此2型發動機在國際上市場占有量大，分析結果符合實際航空公司選擇結果。計算結果顯示發動機A最優，表示該型發動機更適合該型飛機。算例表明使用層次分析法建立的發動機選型分析計算模型正確、客觀的反映了動力裝置評估內容，并形成1個直觀的數值結果。

表2　準則層對目標層的權重系數

表3　指標層對準則層的權重系數

表4　候選發動機評估結果

5　結束語

民用客機發動機是1個極為復雜的系統，對民用客機的影響因素繁多，因此對候選民用發動機客觀的技術評估是1件難度較大且復雜的工作，而民用客機發動機選型直接影響民用客機運營的性能和研發成本。本文將層次分析法引入民用客機候選發動機的技術評價與選擇，建立其綜合評價指標體系和選型評估方法，并建立選型評估模型，實現了對候選發動機實施有效、科學、客觀的綜合評估和選擇。從以上應用實例的分析評價結果看，該方法切實可行、符合客觀實際。將候選發動機的各種影響因素以數值形式表現出來，對比效果直觀，有助于選擇適合的民用客機發動機，提高客機在未來市場中的競爭力，并為民用發動機綜合評估論證提供了一定的理論依據，具有非常重要的現實意義。

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（編輯：張寶玲）

Technology Evaluation and Choice of Civil Aircraft Engine Based on Analytic Hierarchy Process

WANG Peng1，2，CHEN Ying-chun1，SI Jiang-tao1，HE Bi-hai1
（1.COMAC Shanghai Aircraft Design Institute，Shanghai 201210，China；2.School of Aeronaufics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Analytic Hierarchy Process（AHP）is an effective and practical multi-objective decision-making method.Aiming at the characteristics of the suitable civil aeroengine selected scientifically in development of civil aircraft，the choice requirement of engine was decomposed hierarchically based on AHP.The evaluation model of index technology was built，and the method of different evaluation experts assigned different weights was considered.Taking the existing civil engine as example，the analysis results show that AHP is reasonable，scientific in the choice of civil aircraft engine，and fits market fact.The method is suitable for the scheme choice of civil aircraft engine，and provides the scientific basis for engineering technology evaluation for civil aircraft engine.

AHP；civil aircraft；aeroengine；choice

V 219

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.017

2016-03-22基金項目：

王鵬（1976），男，碩士，高級工程師，主要從事民用飛機推進系統集成設計工作；E-mail：wangpeng@comac.cc。

引用格式：王鵬，陳迎春，司江濤，等.基于層次分析法的民用客機發動機技術評價與選型［J］.航空發動機，2016，42（5）：98-102.WANGPeng，CHEN Yingchun，SIJiangtao，etal.TechnologyevaluationandchoiceofcivilaircraftenginebasedonAnalyticHierarchyProcess［J］.Aeroengine，2016，42（5）：98-102.