基于層次分析法的動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估方法

羅 恒，張靜巧，劉東民，劉元春

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

基于層次分析法的動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估方法

羅 恒，張靜巧，劉東民，劉元春

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

為了對船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究、維修保障工作提供指導(dǎo)和借鑒作用，文章分析船用動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的特點(diǎn)及其評估方法研究的必要性，討論動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估參數(shù)及指標(biāo)。結(jié)合動力系統(tǒng)主要設(shè)備特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析法建立動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估模型，并定性、定量的對評估中各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析，最終的分析結(jié)果與船舶實(shí)際情況相符，從而驗(yàn)證層次分析法對動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估的科學(xué)性和價(jià)值。

動力系統(tǒng)；層次分析；技術(shù)狀態(tài)；評估方法

0 引 言

船舶動力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備綜合體，涵蓋的系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備諸多、相互間耦合關(guān)系復(fù)雜而構(gòu)成一個(gè)整體，是保證船舶正常航行、安全、正常作業(yè)、停泊以及船員、旅客正常工作和生活所必需的核心部分。作為船舶的重要組成部分，決定了船舶重要物理參數(shù)和性能水平的重要影響因素[1]。

船舶動力系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)是否達(dá)到要求直接決定了動力系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備是否可持續(xù)正常運(yùn)行，因此有效的狀態(tài)評估船舶動力系統(tǒng)，可及時(shí)預(yù)判、發(fā)現(xiàn)并排除船舶故障，從而極大減少船舶使用過程及后期的維修工作量，同時(shí)為船員改善工作條件，還可實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)成功檢測和自動化控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)[2]。

層次分析方法應(yīng)用十分廣泛，在經(jīng)濟(jì)管理、科技管理、資源分配、電力分配、橋梁評估和其他很多工程領(lǐng)域都成功解決實(shí)際問題[3]。該方法重點(diǎn)是構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，從而使得復(fù)雜決策問題條理化、清晰化；其次該方法需要在工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)知識和專家的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，主要通過指標(biāo)的權(quán)重和層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系定性定量反映；三是該方法實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，有效解決實(shí)際問題，實(shí)用性較強(qiáng)。對于動力系統(tǒng)狀態(tài)評估方法，金家善等[4]提出機(jī)械設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)綜合評估方法，只給出動力裝置綜合狀態(tài)監(jiān)測、評估系統(tǒng)的基本組成[5]，層次分析法在大型水面艦艇動力系統(tǒng)總體性能分析中得到應(yīng)用，但是未能涉及到系統(tǒng)的設(shè)備[6]。本文針對船舶動力系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)用層次分析方法對動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行有效的評估，起到能有效判斷各級系統(tǒng)指標(biāo)、設(shè)備及其相互間的狀態(tài)關(guān)系。

1 評價(jià)參數(shù)

各種船舶動力裝置雖然動力類型、傳動方式等不同，但其對動力基本特性卻有著相同要求。動力系統(tǒng)基本特性指標(biāo)包括技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和性能指標(biāo)。這些指標(biāo)是評判動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能好壞或優(yōu)劣的重要依據(jù)[7]。

1.1 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)決定動力系統(tǒng)技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，包含功率指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)與尺寸指標(biāo)[8]。

功率指標(biāo)表示船舶做功能力，為保證船舶具有一定的航速，要求推進(jìn)裝置提供足夠的功率，動力裝置的功率安裝由最大航速確定，并考慮功率儲備。

質(zhì)量指標(biāo)：干重（所有機(jī)器、器具和管系的質(zhì)量）、濕重 （除干重外，還有機(jī)器、器具、管系內(nèi)部裝滿工質(zhì)和消耗物品）、總重（除濕重外，還有消耗物品的貯存量），該指標(biāo)是相對于船舶排水量而言，在一定的排水量下，要求動力裝置的質(zhì)量輕些。

尺寸指標(biāo)：由于動力系統(tǒng)絕大部分系統(tǒng)和設(shè)備都集中在機(jī)艙，故可用機(jī)艙的尺寸來表示。機(jī)艙應(yīng)能合理布置動力裝置，使得管理、維修方便，因此機(jī)艙應(yīng)盡可能寬敞，但考慮船舶有效裝載容積，希望機(jī)艙小些可增大有效裝載。

1.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

反映燃料在動力裝置中熱能轉(zhuǎn)換率，有燃料消耗率、裝置總效率、熱效率及每海里消耗燃料和運(yùn)轉(zhuǎn)維修經(jīng)濟(jì)性，包括燃滑油消耗費(fèi)用、動力裝置的效率和維修建造費(fèi)用等指標(biāo)。

1）燃滑油消耗：降低動力裝置的燃滑油消耗，可延長船舶續(xù)航能力。燃料消耗含發(fā)動機(jī)、輔助設(shè)備和發(fā)電機(jī)組，其不僅關(guān)系到裝置熱經(jīng)濟(jì)性，而且直接決定船舶的航速與航行工況，也影響了裝置的管理水平、運(yùn)輸管理水平。滑油價(jià)格貴，對系統(tǒng)影響較大，也影響船舶經(jīng)濟(jì)性。

2）動力裝置的效率：動力裝置重要部分主機(jī)、軸系、推進(jìn)器相應(yīng)的熱效率、傳遞效率、推進(jìn)效率等對動力裝置效率有重要影響，設(shè)備電功率、制冷功率和全船用熱等也影響其效率。

3）維修建造費(fèi)用：由于船舶動力系統(tǒng)復(fù)雜、類型差異使得船舶造價(jià)、維修差別很大。系統(tǒng)設(shè)備的可靠性直接影響后期維修費(fèi)用，同時(shí)工作環(huán)境條件也影響維修建造費(fèi)用[9]。

1.3 性能指標(biāo)

機(jī)動性：主要指改變工況時(shí)具有的工作性能、改變或保持其運(yùn)動狀態(tài)的性能。沒有基本的機(jī)動性，就缺少了航行安全保障，機(jī)動性直接決定起錨開航、改變航速和航向的性能。

可靠性：維持正常工作的期限或 2 次大修之間能正常工作時(shí)間。可靠性是保持、恢復(fù)船舶工作能力的重要因素，也是船舶故障分析的重要依據(jù)。影響動力裝置可靠性因素除設(shè)備、分系統(tǒng)本身可靠性外，還與船舶設(shè)計(jì)、制造、安裝和管理過程中可靠性有關(guān)。

振動噪聲控制性能：鍋爐排煙的顏色、煙囪周圍的熱場、動力設(shè)備工作產(chǎn)生的振動噪聲、螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音等均會破壞船舶的隱蔽性，振動噪聲的表征會暴露船舶的主要相關(guān)信息。

2 評估方法

層次分析法（AHP-Analytic Hierarchy Process）于20 世紀(jì) 70 年代由美國運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)扎德教授提出的一種綜合評估方法，能將定量分析與定性分析相結(jié)合[10]。可將一個(gè)復(fù)雜多屬性決策問題分解為由若干因素組成，將分解的組成因素按隸屬關(guān)系進(jìn)行逐層分組，運(yùn)用系統(tǒng)化思維、構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，再對其定性、定量分析。層次分析法深入分析問題本質(zhì)、影響因素及內(nèi)在關(guān)系，是一種決策思維過程；定性定量分析需借助工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)知識和專家的工程經(jīng)驗(yàn)，將各因素在建立準(zhǔn)則下比較，從而構(gòu)造判斷矩陣，通過計(jì)算比較可知各因素的相對重要性，是一從定性分析向定量分析過渡的過程；根據(jù)判斷矩陣計(jì)算權(quán)重向量，由層次結(jié)構(gòu)中方案層的諸元素與目標(biāo)層的權(quán)重組成[11]。優(yōu)選決策目標(biāo)方案實(shí)現(xiàn)具體步驟及流程如圖 1 所示。

2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

運(yùn)用層次分析法分析解決復(fù)雜問題的基礎(chǔ)是構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，將決策目標(biāo)進(jìn)行分解，分解目標(biāo)又受多個(gè)指標(biāo)因素影響，定性構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型層次清晰。運(yùn)用已有層次分析研究成果，結(jié)合各水面艦艇的評估指標(biāo)體系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型[11]，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)蒸汽動力系統(tǒng)及其考核指標(biāo)、主要設(shè)備特點(diǎn)[12]并結(jié)合實(shí)船進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，技術(shù)指標(biāo) B1、經(jīng)濟(jì)指標(biāo) B2、性能指標(biāo) B3同隸屬于動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)效果 A，其中 B1可繼續(xù)分為 B11，B12，B13；B2，B3依此繼續(xù)細(xì)分，方案層 C 由 C1，C2……C8組成，劃分層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)模型建立后，模型中各指標(biāo)隸屬關(guān)系都可明確（見圖 2），可構(gòu)建各層次間的矩陣模型。矩陣取值原則如表 1 所示。

表 1 判斷矩陣標(biāo)度的含義Tab. 1 The meaning of scale for judgment matrix

2.3 計(jì)算權(quán)重向量

構(gòu)建判斷矩陣后，可據(jù)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算得到特征值和權(quán)重向量方法主要有近似方法、求和法、方根法、特征根法、最小二乘法等，現(xiàn)采用常用的方根法[3]，其計(jì)算步驟如下：

1） 將判斷矩陣中每行元素求取幾何平均值：

一方面，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)信息中心負(fù)責(zé)建設(shè)和維護(hù)校園網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)平臺，保證校園網(wǎng)絡(luò)安全平穩(wěn)地運(yùn)行；另一方面，制訂符合校情的校園網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)章制度，規(guī)范網(wǎng)絡(luò)秩序，嚴(yán)格防止不良信息的傳播，并建立相應(yīng)的處罰機(jī)制。大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)媒體大致可以分為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)媒體和大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)自組織(大學(xué)生自主建立的微博、貼吧、論壇、QQ群、微信群等網(wǎng)絡(luò)載體)，后者的健康運(yùn)行更需要學(xué)生干部、思政工作者、網(wǎng)絡(luò)管理員“三位一體”負(fù)面輿情的搜集、匯報(bào)、處理的聯(lián)動機(jī)制的綜合管理，以營造風(fēng)清氣正的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，真正為學(xué)生自主學(xué)習(xí)思政課保駕護(hù)航。

2）上述所得向量進(jìn)行歸一化處理，即得權(quán)重向量：

3） 計(jì)算最大特征值：

式中（Aw）i為Aw的第 i 個(gè)分項(xiàng)。

2.4 一致性檢驗(yàn)

得到判斷矩陣特征向量后，歸一化處理，即層次單排序，將同層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性排序得到權(quán)值，一致性檢驗(yàn)的步驟為[13-14]：一致性指標(biāo)計(jì)算；平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI 通過查表得到；一致性比例的計(jì)算。在計(jì)算結(jié)果 CR ＜ 0.1 時(shí)，判斷矩陣一致性可接受。

層次總排序?yàn)閷哟谓Y(jié)構(gòu)模型中某層所有因素對于總目標(biāo)相對重要性的排序權(quán)值過程，從最高層到最底層依次進(jìn)行。對于最高層層次單排序的結(jié)果即為總排序的結(jié)果。

3 應(yīng)用分析

根據(jù)上述動力系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造其判斷矩陣，對其各層次間進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。對上述數(shù)據(jù)再根據(jù)總層次排序及其計(jì)算可得到表 3。

從表 2 中可知，船舶的技術(shù)性能最重要，直接關(guān)系到船舶是否能達(dá)到并完成相關(guān)的使命、設(shè)計(jì)要求，而船舶的性能指標(biāo)次之，該指標(biāo)影響了船舶的性能，決定了船舶的特點(diǎn)。而在技術(shù)性能指標(biāo)中尤以功率指標(biāo)要求為最關(guān)鍵，設(shè)備質(zhì)量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)、實(shí)際情況嚴(yán)格控制把握；船舶性能指標(biāo)中對船舶的可靠性、機(jī)動性要求最為嚴(yán)格。根據(jù)綜合計(jì)算結(jié)果表 3，綜合各個(gè)方面考慮，船舶主動設(shè)備中按照船舶主鍋爐、船舶主機(jī)、主減速齒輪裝置、軸系及其附件、螺旋槳、發(fā)電機(jī)、燃油泵、滑油泵的順序表面其綜合影響程度。這些均與實(shí)船設(shè)計(jì)、運(yùn)行情況相符。

4 結(jié) 語

運(yùn)用層次分析法對動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)評估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文進(jìn)行定性評價(jià)與定量分析相結(jié)合，并且在綜合考慮了諸如技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、性能指標(biāo)等動力系統(tǒng)指標(biāo)相關(guān)影響因素的基礎(chǔ)上，從動力系統(tǒng)、主要設(shè)備的特性出發(fā)，做出方案并進(jìn)行實(shí)例分析，對動力系統(tǒng)各指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行排序，與艦艇實(shí)際情況相符，說明本文基于層次分析法的動力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評估方法具有科學(xué)性和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。另外，本文構(gòu)造的遞階層次結(jié)構(gòu)模型隨著裝備的進(jìn)一步發(fā)展而需不斷改善，同時(shí)在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)受專家主觀因素的影響，經(jīng)驗(yàn)成分依然較大，同時(shí)隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的發(fā)展、層次分析方法技術(shù)的不斷完善、武器裝備戰(zhàn)技術(shù)水平的不斷提高都極大影響動力推進(jìn)系統(tǒng)評估方法。

表 2 準(zhǔn)則層權(quán)重、一致性檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 The calculating weight and testing consistency of criterion layer

表 3 方案層判斷表Tab. 3 The determination table of scheme layer

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A technical conditions evaluation method for power system with analytical hierarchy process

LUO Heng, ZHANG Jing-qiao, LIU Dong-min, LIU Yuan-chun
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

In order to provide guidance and reference to the research on the design of ship power system and the shipping maintenance support. The basic characteristics of technical conditions for power system and the essentiality of evaluation method are analyzed, and the evaluation parameters and indexes of technical conditions for power system are discussed in the paper. The evaluation model of technical conditions is established with the Analytical Hierarchy Process combined with the characteristics of the main equipment for power system, the qualitative and quantitative analysis of the weight of each index is carried out in the evaluation method. In the last, the analysis result is in accord with the actual situation of real ship with analytical hierarchy process. Experimental results show that the technical conditions evaluation method for power system is scientific and valuable.

power system；analytical hierarchy process；technical conditions；evaluation method

U664.81

A

1672 - 7619(2017)02 - 0079 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.016

2016 - 03 - 16；

2016 - 04 - 06

青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51509232）

羅恒(1986 - )，男，工程師。研究方向?yàn)榇皠恿ο到y(tǒng)技術(shù)研究。