基于改进AHP法和加权TOPSIS法的舰船电网综合量化评估方法

潘华，冀欣



基于改进AHP法和加权TOPSIS法的舰船电网综合量化评估方法

潘华1，冀欣2

（1. 解放军92728部队，上海 200436；2 .海军工程大学电气工程学院，武汉 430030）

现代舰船规模不断增大，电力系统日趋复杂，在满足总体要求和稳定性要求的前提下，电网的设计方案将可以有多种选择。若继续沿用传统的设计方法去解决大型舰船电力网络的优化设计问题，既费时费力又难以保证所得到的设计方案能够在生命力、电气性能和适装性等多个方面达到最优。本文针对舰船电网设计的需求，建立了舰船电网评价指标系统，并结合改进AHP法和加权TOPSIS法，提出了舰船电网量化评估方法。通过对典型舰船电网设计方案进行对比分析，验证了该量化评估方法的准确性和有效性。

舰船电力系统 量化评估 电力系统生命力 AHP法 TOPSIS法

0 引言

随着舰船电力推进技术的不断进步、舰载高能武器装备的发展以及全电力舰船概念的提出，舰船综合电力系统得到了发展和应用[1-3]。由于作战舰船所承担的使命和任务的变化、用电设备的种类和数量的不断增加，舰船电力系统的容量日益增长，电力网络结构越来越复杂，重要用电设备对电能质量和供电连续性的要求不断提高，如何实现大型舰船电网设计方案的量化评估与选择，是舰船电力系统设计者面临的新课题。

本文从舰船电网设计的实际需求出发，从舰船电力系统结构性能、电气性能和适装性能等方面建立了量化评价指标，考虑各分项评价指标之间的相对重要性程度，结合改进AHP法和加权TOPSIS法提出了舰船电网的综合量化评估方法。通过对几种典型舰船电网设计方案的评估分析和比较，验证了本文方法的实用性和有效性。

1 改进AHP法的基本原理

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP法）是由美国学者T.L.Satty于1977年提出的一种复杂系统多目标决策方法[4]。它将复杂系统的决策问题层次化，并对决策者的推理过程进行量化的描述，避免了决策者在结构复杂和方案较多时逻辑推理上的失误，在多个领域得到了广泛应用。在运用该方法解决实际的多目标优化问题时，需要解决以下问题：

1）确定各准则和指标之间的相对重要性程度。由于实际多目标优化问题的复杂性，有时难以对各准则和指标进行两两比较。

2）当决策者因对最终的优化方案不满意而对判断矩阵作出调整后，有可能使判断矩阵不满足一致性条件，进而需要对判断矩阵反复调整。

为解决这一问题，文献[5]对标准AHP法进行了改进，提出一致性不变的判断矩阵逐步调整方法。该方法在保证判断矩阵一致性不变的前提下对矩阵元素逐步调整，以保证优化结果满足决策者的需求。本文采用该方法以建立舰船电力网络规划问题的权值体系。

改进的AHP法的求解流程如图1所示，其基本求解步骤为：

1）针对实际的多目标决策问题，明确其各决策层次之间的关系。

2）构建判断矩阵。判断矩阵A的表达形式为

3）一致性检验。衡量判断矩阵一致性的指标可表示为

2 加权TOPSIS法的基本原理

TOPSIS法又称为逼近理想解排序法，它是一种常用的有限方案多属性决策方法[6]。该方法通过多属性问题的正理想解和负理想解对方案集中各方案进行排序。该方法的基本应用步骤如下：

3 舰船电网的评价指标体系

根据GJB4000-2000中的相关要求，本文分别从电力系统生命力性能、负荷分配均衡性、适装性等方面对对舰船电网设计方案进行量化评估，各分项评价指标的计算方法分述如下。

3.1 电力系统生命力性能

舰船电力系统的生命力要求是舰船电网设计的基本要求，它要求在舰船电力系统遭受战斗损害或发生故障时，应尽量保证重要性程度较高负载的供电连续性。

根据武器对舰船船体命中点的概率分布，可获得该武器在舰船两舷、前部和后部的一个完整的命中点序列。根据武器爆炸半径和各舱室的三维坐标可计算出在各次攻击中受损的舱室，进而可统计出在各命中点遭受攻击后负载的停运情况，以及各负载的停运概率。在此基础上，可建立下列两类电力系统生命力指标：

该指标可表述为

假设第个命中点遭受攻击后，电网供电能力的下降程度为k。该指标可表述为

3.2 负荷分配失衡度

根据舰船电站设置的特点，负荷分配失衡度可以分为电站间负荷分配失衡度和同一电站下的发电机组间负荷分配失衡度两类。

3.3电网的适装性

舰船电网的适装性不仅关系到电网元件的布设难度，同时还影响到船体结构的强度和水密防火性能，因此需要对其作出相应的限制。

1）电缆总长度

从电力系统生命力、适装性和经济性的角度考虑，应尽量减小电缆的总长度。全舰电缆总长度可表述为

4 算例

本文以某型舰船电网的5种设计方案作为评价对象，按照上文所述方法对其进行量化评估。各待评价方案所对应的分项指标值如表2所示。

1）分项指标的归一化处理

由于各分项指标具有不同的量纲和取值范围，因此需对其进行归一化处理。本文基于模糊线性变换的原理，采用半梯形模糊隶属度函数对各分项指标进行归一化处理。由于各分项指标值越低意味着待评价方案的相应性能越优。因此，本文采用如下隶属度函数对各分项指标进行归一化处理

由式（16）计算得到各待评价方案所对应的分项指标的归一化值，如表3所示。

2）各分项评价指标权重的确定

基于国军标中的相关标准和要求对各分项指标间的相对重要性进行两两比较，以构造初始判断矩阵，通过对各设计方案的排序结果进行分析和评价，并对判断矩阵进行修正和优化。限于篇幅，以下直接给出最佳判断矩阵

3）计算各待评价方案的综合评价指标值

由于待评价方案所对应的综合评价指标值越低，其综合性能越优。而在所有待评价方案中，方案对应的综合评价指标值最低，其数值仅为0.2120，因此该方案综合性能最优；方案的综合指标值最高，其数值为0.7957，因此该方案综合性能最差。可见，本文提出的基于改进AHP法和加权TOPSIS法的综合量化评估方法能够有效地实现对多方案的舰船电网的量化评估。

5 结论

本文针对舰船电网设计的实际需求，从电力系统生命力性能、负荷分配均衡性和电网的适装性等角度出发，建立了7项评价指标。基于改进AHP法和加权TOPSIS法，提出了舰船电网量化评估方法。算例分析表明，该方法的能够为舰船电网设计方案的选择与优化提供可靠的量化评估手段，并且为舰船电网规划的实现提供技术支持和理论支撑。

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[8] 董威，王建辉，顾树生．系统仿真学报[J]．系统仿真学报，2007，19(17)：3996-3999．

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A Method for Comprehensive and Quantizing Evaluation of Shipboard Power Network Based on Improved AHP and Weighted TOPSIS

Pan Hua1, Ji Xin2

(1. 92787 Army Unit, Shanghai 200436, China ; 2. 92857 Army Unit, Beijing 100086, China）

TM711

A

1003-4862（2014）07-0066-05

2014-04-02

潘华(1981-), 男，工程师。研究方向：电力推进系统。