基于AHP-Delphi的艦船動力系統效能評估方法

楊成斌，李培凱，魏 維，徐富強

（中國人民武裝警察部隊海警學院，浙江 寧波 315000）

在武器裝備型號立項論證、裝備型號對裝備體系貢獻度的計算分析，以及裝備型號試驗、鑒定和定型等過程中，都涉及對武器裝備的效能進行分析和評估。因此，武器裝備的效能分析和評估一直是軍事系統工程領域的一個重要問題[1]。“效能”一詞在不同的學科語境下似有不同的含義，學界目前也沒有對其形成一個統一、嚴格而明確的定義，但對于武器裝備以及由各類武器裝備形成的武器裝備體系而言，“效能”通常是指武器裝備（單裝）或武器裝備體系在完成具體軍事任務的過程中所能取得的“效果”，以及完成既定任務的“能力”。簡而言之，在軍事系統工程中，效能是對裝備或體系完成特定軍事任務的能力和實際效果的量度[2-3]。在軍事科學技術競相發展、廣泛應用的當今世界，戰爭中的武裝對抗形式早已從作戰單元間的對抗轉變為作戰體系間的對抗，戰爭的制勝機理也經歷了從“體能制勝”到“火力制勝”，而后又從“平臺制勝”發展到“信息制勝”的復雜演變過程[4-5]。在強調體系對抗和信息制勝的現代戰爭中，對武器裝備體系的效能分析/評估就成為了武器裝備發展戰略制定、裝備型號研制方案選擇及武器裝備體系結構優化等有關國防力量建設和軍事行動運籌的實踐活動中不可缺少的環節。武器裝備體系是一個復雜的層次化體系，對單裝的效能評估是實現武器裝備體系效能分析和評估的基礎，而對單裝子系統的效能評估又是實現對單裝整體進行效能評估的前提。本文以我國海警執法艦船的綜合效能評估為背景，討論艦船機電裝備的效能評估方法問題。

1 海警艦船動力系統簡介

武警海警部隊是武裝性質的海上綜合執法力量，在近海防衛、海洋領土主權和權益維護、海上刑事案件偵察、海洋環境治理、海洋生態保護、海洋資源開發利用，以及海上搜救與應急支援等方面發揮重要作用。海警艦船是海警部隊開展海上維權執法活動所倚賴的最為重要的平臺裝備，其動力系統的效能在很大程度上決定了任務完成質量和任務成功率的高低。

廣義的艦船動力系統包括主動力系統和輔助動力系統，本文所提及的海警艦船動力系統僅指艦船主動力系統，即由主發動機（通常是中高速柴油機）、后傳動裝置（離合器、齒輪箱等）、傳動軸系，以及為主發動機服務的油、水、氣和電等管路和電氣控制系統共同組成的為艦船提供航行動力的系統。艦船動力系統的主要任務是，在一定的轉速要求下，將燃料的化學能持續、高效地轉化為機械能，發出足夠的功率，并經由后傳動裝置和傳動軸系傳遞給推進器或推進系統，以克服外部負荷帶來的阻力或阻扭矩，使艦船在規定的時間內改變或維持一定的航速。

根據海警艦船使命任務和動力系統的主要任務可知，評價海警艦船動力系統的效能，至少需要考慮其功率范圍、功率易調節性和可靠性這幾個方面。當然，上述幾個方面只是十分粗略的考量，更為全面的效能指標體系會在后續小節予以詳細介紹。

2 基于AHP-Delphi的效能評估方法框架

2.1 層次分析法（AHP）及其在效能評估中的應用

層次分析法是英文Analytic Hierarchy Process（直譯為“理性分析的層次化過程”）的翻譯，通常取其英文首字母縮寫而簡記為AHP。該方法是由美國數學家Saaty提出的一種定性與定量相結合的多因素綜合決策方法，廣泛應用于解決受多重復雜因素影響和制約的方案決策問題[6]。其基本原理是，將決策問題按總目標、分目標、評價準則及評價指標，直至具體備選方案的順序，逐級分解，得到相對完整的、層次化的樹狀決策圖。除最底層（方案層）外，每一層次的元素都與其下一層次的若干元素相關聯，根據兩兩比較，可以對某一元素的下層相關元素之間的相對重要度做出判斷，從而形成判斷矩陣。然后，利用求解判斷矩陣特征向量的辦法，可求得每一層次中各元素對上一層次某元素的相對權重大小。最后，利用加權求和，可以歸并得到各備選方案對總目標的總權重，總權重最大的方案即為最優方案。

上述分析方法也可用于武器裝備的效能評估，但在對單一艦船的動力系統進行效能評估時，并不需要從若干備選動力系統中選出效能最優的系統，而是希望通過層次化的理性分析和兩兩比較，獲得各層次中每一個元素對上層某關聯元素的相對重要度，因而需要對傳統的AHP稍作修改。在這里，將按照“艦船動力系統效能—動力系統效能評價準則—效能評價指標”的先后順序構造效能評估指標體系，并利用求取判斷矩陣特征向量的方法，獲得每一層次元素對上層關聯元素的相對權重值，最后利用遞階歸并的方法，求得最底層每一個評價指標對動力系統效能的貢獻度。

上述利用AHP方法求取效能評價指標貢獻度的基本思路如圖1所示。

圖1 基于AHP的效能指標貢獻度計算過程

2.2 德爾菲法（Delphi）及其在效能評估中的應用

20世紀50年代，美國蘭德公司與道格拉斯公司合作研究出一種收集專家意見的方法，以“Delphi”命名[7]。Delphi法是一種匿名反饋函詢法，其基本流程是：首先擬定要咨詢的問題，并向若干名業內專家匿名函詢；征得專家的意見后，對所有意見進行整理、歸納和統計；然后將整理好的意見匿名反饋給各專家，再次征求意見；在新一輪的函詢中，每一名專家將能夠參考其他專家提出的意見建議，從而適當調整自己的意見建議，因而經過新一輪函詢后，專家的意見建議將趨于一致。在此基礎上，將新一輪的專家意見再集中，再反饋，直到不同專家的意見基本收斂一致為止。

在上一節中，通過AHP分析和計算，可以得到艦船動力系統效能評價指標的相對權重，但底層的各指標究竟如何取值是一個需要進一步解決的問題。對于指標層中可以直接量化的效能指標，例如主機最大總功率、冷車起動時間等，可以通過Delphi法，得到指標值與效能值的區間對應關系。例如，經過若干次專家匿名反饋函詢，一致認為，就動力性準則而言，當艦船在標準排水量為1 000 t左右時，若主機最大總功率小于6 000 kW，則該項指標的效能值得分為5分（按10分制打分）；若主機最大功率在6 000~8 000 kW，則該項指標的效能值得分為7分；若主機最大功率在8 000~10 000 kW，則該項指標的效能值得分為9分；若主機最大功率大于10 000 kW，則該項指標的效能值得分為10分。

對于指標層中難以量化的指標，例如動力系統操作環境的舒適性，可以通過向專家提供機艙集控室和機旁操作環境的詳細描述，以及機電部門有關戰位人員的感性認識，由若干專家對該項指標的效能值進行打分，并注明評分的依據。收集整理完專家的評分結果和相應的依據之后，將其匯總并再次匿名函詢，得到新一輪的評分結果，然后再收集整理，并再次匿名函詢。經過數輪匿名函詢之后，專家對該項指標的效能值評分將趨于一致。例如，經過3輪匿名函詢后，專家對某動力系統操作環境舒適性的評分均在8分左右，則該項指標的效能值得分即為8分。

當所有底層指標的效能值均已確定之后，就可以根據每一個效能指標的權重和效能值，進行加權求和，從而得到艦船動力系統總的效能值評分。這樣，經過建立指標體系和遞階層次結構、基于AHP的權重計算、基于Delphi的底層指標效能值評估，以及最后的加權求和，就能夠得到艦船動力系統總的效能評估值。上述效能評估方法的基本流程如圖2所示。

圖2 基于AHP-Delphi的艦船動力系統效能評估流程

3 評估指標體系構建和權重計算

3.1 艦船動力系統效能評估指標體系

根據對海警艦船動力系統的結構組成、主要功能的全面分析，可以從動力性、機動性、經濟性、排放性、人機工程和通用質量特性6個方面綜合評價其總體效能，因此，在建立遞階層次結構時，可以上述6個方面的特性為準則。

上述6個準則需要進一步細化為底層的效能評價指標。其中，動力性準則對應的底層評價指標包括最大輸出功率、適應負荷變化能力，機動性準則對應的底層評價指標包括冷態起動時間、正倒車換向時間，經濟性準則對應的底層評價指標包括滑油消耗率、燃油消耗率、經濟轉速、購置價格，排放性準則對應的底層評價指標包括氮氧化物（NOx）排放量、未燃燒碳氫化合物（HC）排放量、顆粒物排放量和一氧化碳（CO）排放量，人機工程準則對應的底層評價指標包括操作便利性、操作環境舒適性，通用質量特性準則對應的底層評價指標包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環境適應性。

根據上述準則和底層評價指標，可以繪制出艦船動力系統效能評估指標體系的遞階層次結構，如圖3所示。

圖3 艦船動力系統效能評估指標體系的遞階層次結構

3.2 相對權重計算

根據標準AHP方法的實施步驟，由專家對準則層（記為B層）的6個元素對艦船動力系統效能（A層）相對重要度進行兩兩比較（采用經典的9標度判斷方法），得到如下判斷矩陣。

計算上述判斷矩陣的隨機一致性指標并與隨機一致性檢驗標準進行對比，可知該判斷矩陣滿足隨機一致性要求。計算判斷矩陣的最大特征值所對應的特征向量，可得Vmax=[0.765 6 0.409 3 0.163 6 0.101 4 0.101 4 0.446 1]。

對該特征向量進行單位化，可得上述6個效能評估準則（動力性、機動性、經濟性、排放性、人機工程、通用質量特性）對于動力系統效能的相對重要度權重依次為0.385 2、0.205 9、0.082 3、0.051 0、0.051 0、0.224 5。

類似地，可以分別構造6個評估準則對應的判斷矩陣，即C層對B層的6個判斷矩陣。通過檢驗判斷矩陣的隨機一致性（若未通過檢驗，需要適當調整判斷矩陣）、計算最大特征值及對應的特征向量，再將各特征向量單位化，分別可得到底層效能評價指標對準則層某元素的相對重要度權重。

經過判斷、檢驗、調整和計算，得到底層指標對準則層的相對重要度權重結果見表1。

表1 各層指標的相對權重計算結果

4 艦船動力系統效能評估實例

以海警某型執法艦的動力系統為例，該艦的主要任務是在我國東海海域進行巡邏執法，其標準排水量為600 t，其主動力系統共有4臺高速柴油機，單機功率為2 200 kW，每一臺主機均配有獨立的后傳動裝置和軸系。主機的起動采用電機帶動，備車時間較短，主機的正倒車依靠后傳動裝置中的齒輪箱實現。經過查閱隨艦資料、航行數據統計和艦員反饋，得到關于該艦動力系統較為全面的信息，并經梳理匯總后分發給事前選擇好的3名專家。專家按照Delphi法的要求，對動力系統的各個底層指標進行效能值評分，并注明評分依據。經過數輪匿名函詢和意見收集之后，專家對該動力系統各項效能評價指標的評分結果基本一致。專家對各項指標的評分結果見表2。

表2 某型艦船動力系統效能指標的Delphi結果

根據表1給出的底層指標對艦船動力系統效能貢獻度（總權）分布情況和表2給出的專家評分結果，將二者對應相乘再求和，即可得到該型艦船動力系統的綜合效能值為7。由此可知，該動力系統的綜合效能處于中等水平，能夠滿足任務需求，但有較大的改進空間。

5 結束語

通過開展艦船動力系統效能評估，可以判斷既有動力系統或備選動力系統方案對艦船使命任務的滿足度，為裝備的編組運用、改進改型或設計方案優化提供參考。本文針對艦船動力系統效能評估影響因素多而復雜的特點，將AHP與Delphi法相結合，提出一種定量與定性相結合的艦船動力系統效能評估方法。該方法具有流程簡單，可行性強和影響因素考慮全面等優點，但評估結果的可信度很大程度取決于所構建的評估指標體系的完善程度。