舰艇损管能力评估模型研究

郦 云，杨海燕，侯 岳

(1.海军驻426 厂军事代表室，辽宁 大连116001;2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064;3.海军工程大学，湖北 武汉430033)

0 引 言

舰艇损管能力是舰艇生命力的重要构成要素之一。与舰艇生命力评估类似，在舰艇设计阶段就需要对其损管系统和损管器材的损管能力进行评估，计算损管能力等级，以判断是否满足设计的需求［1］。然而，损管能力的评估又不同于生命力的评估。主要表现在:①损管能力的评估指标体系需要考虑的更为详细。损管能力评估指标需要综合考虑损管系统和损管器材对各类灾害的探测、限制和消除能力。②损管能力的评估具有一定的不确定性。例如，由于火灾自身具有一定的随机性，这就造成消防能力评估的不确定性。③损管能力的评估缺少试验和经验数据的支撑，具有小样本评估的特征。舰艇损管能力评估的实质是损管系统对灾害的干预能力，它是对灾害管制能力的综合描述。而目前很难通过试验对真实灾害下的损管综合能力进行测试和验证，缺少经验数据和试验数据支撑。

针对该“小样本、贫信息不确定”的评估难题，国内外虽然开展了部分研究，但都存在着一定的不足。文献［2 -3］使用火灾仿真和系统建模的方法，研究了火灾的危险性评估方法，虽然对消防能力的评估提供了方法支撑，但仍然没有针对消防能力给出可行的评估方法。文献［4］虽然针对水消防系统的消防能力评估进行建模，但评估方法无法应用到其他损管能力的评估中。文献［5］虽然研究了抗沉能力的评估方法，但更侧重于抗沉组织实施能力的评估，而对抗沉系统和抗沉器材的抗沉能力评估缺少有效的模型和方法。文献［6 -7］虽然提出损管能力评估的基本流程，但依然缺少必要的案例计算，因此，其实用性和有效性无法验证。

本文将根据战损实际对损管系统的功能需求，以及损管系统各层子系统的功能配置情况和可评价要素，解决该贫信息不确定的评估难题。

1 损管能力评估要素

当舰艇受到武器攻击后，会发生舱室起火、破损进水等灾害特征。如果上述灾害不能被迅速的探测、限制和消除，就会严重影响舰艇的生命力和战斗力。因此，在舰艇设计阶段，就需要对舰艇的损管能力进行评估和分析，以保证损管的能力等级达到设计要求。

由于舰艇损管能力涉及到多个方面，首先构建了损管能力评估的层次模型，如图1所示。从图1可看出，损管能力的评估要素包括3 大类，共17个指标。其中灾害探测能力类包括6个指标，消防能力类包括7个指标，抗沉能力类包括4个指标。各层指标要素之间相互独立。损管能力的等级与图1中17个指标要素的大小密切相关。

使用区间层次分析法和灰色关联分析法，建立的损管能力综合评估流程如图2所示。

2 评估要素指标权重的计算

本文使用系统工程领域的区间层次分析法，计算评估要素的指标权重。该方法根据问题的性质和达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联、影响及隶属关系按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，并最终把系统分析归结为最底层(供决策的方案措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要性权重的确定或相对优劣次序的排列问题［8］。

图1 损管能力评估要素Fig.1 Damage control ability evaluation factors

图2 损管能力综合评估流程Fig.2 Damage control evaluation progress

2.1 计算评估要素相对重要度

层次分析结构模型建立后(见图1)，将问题转化为层次中各因素相对于上层因素相对重要性的排序问题，在排序计算中，采取成对因素的比较判断，在判断中采用1～9 标度进行量化，量化方法如表1所示［9］。

表1 重要度量化方法Tab.1 Important degree quantization method

2.2 构造判断矩阵

每个系统分析都以一定的信息为基础，IAHP的信息基础主要是人们对于每一层次中各因素相对重要性给出的判断。这些判断通过引入合适的标度用数值表示出来，形成判断矩阵。

以灾害探测能力的6个指标A1～A6为例，形成如下判断矩阵:

在IAHP 中，专家进行比较的定性描述量化过程中，采取成对因素的比较判断。在上表中，A5与A2相比稍重要，A6与A1相比介于稍重要和明显重要之间，根据判断量化标度表，A5与A2的重要性量化为3，A6与A1的重要性量化为4。

2.3 权重的计算与一致性的检验

区间层次分析法计算的根本问题，是如何计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量。计算矩阵特征根的幂法使我们有可能利用计算机得到任意精确度的最大特征根及其对应的特征向量。

计算步骤为［10-11］:

1)任取与判断矩阵B 同阶的正规化初值向量W0;

4)对于预先给定的精确度ε，

5)计算上述判断矩阵最大特征根:

表2 RI的取值Tab.2 RI values

根据上述权重计算方法以及灾害探测能力6个指标的判断矩阵，可求得灾害探测能力下面6个指标A1～A6的相对权重WA1，WA2，WA3，WA4，WA5，WA6。

根据上述区间层次分析法，可依次获得灾害探测能力、消防能力和抗沉能力之间的相对权重WA，WB，WC，以及消防能力指标和抗沉能力指标的权重WB1，WB2，WB3，WB4，WB5，WB6，WB7，WC1，WC2，WC3，WC4。

3 灰色关联评估综合分析

灰色系统理论主要用于解决“小样本、贫信息不确定”问题，其特点是“少数据建模”。灰色关联分析是一种多因素统计分析法，它以各因素的样本数据为依据，用灰色关联度来描述因素之间关系的强弱、大小和次序［13］。如果样本数据列反映出两因素变化的态势(大小、分析、速度等)基本一致，则它们之间的关联度较大;反之，关联度较小。与传统的多因素分析法相比，灰色关联分析对数据要求较低且计算量小，便于广泛应用。灰色关联分析的核心是计算关联度。

3.1 确定样本矩阵和标准矩阵

根据损管能力优劣评估的实际，设定4个评价等级。

等级1:能满足90%～100%的损管需求(包括90%);

等级2:能满足70%～90%的损管需求 (包括70%);

等级3:能满足50%～70%的损管需求 (包括50%);

等级4:只满足50%以下的损管需求。

上述4个等级的量化评估值依次为1，2/3，1/3，0。

以灾害探测能力为例，有6个待评价的子指标。假设专家对灾害探测能力A1～A6这6个指标的优劣评价等级依次为等级2、等级2、等级1、等级1、等级1、等级1，则灾害探测能力的样本矩阵为:

对于上述A1～A6的4个优劣评价级别的标准矩阵为:

3.2 计算关联度

首先建立关联离散函数为［14-16］:

计算关联度为:

式中j = A 时，m = 6;j = B 时，m = 7;j = C 时，m= 4;Wjk为A，B，C 所对应的各子系统指标的权重值，此权重值正是利用区间层次分析法所得。

按照上述方法，结合灾害探测能力A1～A6的样本矩阵和标准矩阵，得到灾害探测能力对4个优劣评价等级的关联度为rA1，rA2，rA3，rA4。根据上述灰色关联法，同理可得消防能力对4个优劣评价等级的关联度为rB1，rB2，rB3，rB4，以及抗沉能力的关联度rC1，rC2，rC3，rC4。

据此得到一个综合评判的关联矩阵

4 案例计算

根据损管能力对4个优劣评估等级的关联度，从中确定最大的关联性，即关联度最大值对应的优劣级别就是损管能力最终评价等级。以某船损管系统评估为例，进行案例计算如下:

1)灾害探测能力

该船灾害探测能力A1～A6的样本矩阵为［2/3，2/3，1，1，1，1］，其标准矩阵为

由区间层次分析法得灾害探测A1～A6的权重依次为0.13，0.17，0.115，0.135，0.2，0.25。

由灰色关联分析求得:rA1=0.98，rA2=0.76，rA3=0.37，rA4=0.12。

2)消防能力

该船消防能力B1～B7的样本矩阵为［1，1，2/3，1，2/3，1，2/3］，由区间层次分析法得消防能力B1～B7的权重依次为0.17，0.11，0.12，0.135，0.16，0.125，0.18。

由灰色关联分析法求得:rB1=0.89，rB2=0.72，rB3=0.35，rB4=0.15。

3)抗沉能力

该船抗沉能力C1～C4的样本矩阵为［1/3，1，2/3，1］，由区间层次分析法得抗沉能力C1～C4的权重依次为0.27，0.21，0.23，0.29。

由灰色关联分析法求得:rC1=0.73，rC2=0.68，rC3=0.52，rC4=0.28。

该船灾害探测能力、消防能力、抗沉能力的权重依次为0.28，0.35，0.37。

r1= max(r1，r2，r3，r4)= max(0.86，0.72，0.42，0.19)，因此，综合优劣评价级别为等级1，即能满足90%～100%的损管需求。

5 结 语

舰艇损管能力评估是生命力评估中的一个关键难题。由于评估因素难以量化，评估结果难以进行试验验证，因此，目前的研究主要处在理论建模分析阶段。本文使用区间层次分析法进行了评估因素权重的计算，并使用灰色关联分析法破解了“小样本、贫信息不确定”的评估难题，建立了一种评估损管能力的新方法。

然而，舰艇损管能力不仅包括损管系统和损管器材的固有性能，还与舰员的损管处置能力密切相关。因此，如何从系统的角度，细化损管能力评估要素，并考虑评估要素之间的关联性，是以后亟需解决的另一个难题。

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