层次分析法在空间洗浴方法评价中的应用

郭飞马,党 磊,王小雪,张美姿

(航天神舟生物科技集团有限公司,北京100081)



层次分析法在空间洗浴方法评价中的应用

郭飞马,党 磊,王小雪,张美姿*

(航天神舟生物科技集团有限公司,北京100081)

摘要：介绍了国际空间站洗浴具有操作简单、省时、节水和节能的特点，以及空间站常用的淋浴和免冲洗两种洗浴方法，简述了一种定性定量相结合、系统化、层次化的分析方法和它的应用范围，并在建立空间站洗浴方法评价指标体系的基础上，运用层次分析法对空间站洗浴方法进行评估。评估结果显示免冲洗方法的综合权重高于淋浴的综合权重，表明从空间资源占用、技术成熟度和洗浴效果三个方面来看，现阶段空间站洗浴的最佳选择是免冲洗系统。

关键词：国际空间站；洗浴方法；综合评价；层次分析法

1 引言

空间站是人们利用空间资源进行研究和应用的实验室,需要航天员长期维护。1987年12月29日,航天员罗曼年科返回地面时,已经在和平号上生活了326个昼夜［1］。1988年12月21日从和平号上归来的两名航天员季托夫和马纳罗夫,创造了在太空飞行整整一年的新纪录［1］。为了保障航天员在轨长期驻留,空间站上除提供实验和正常运行的装置外,还为航天员提供日常生活保障服务［2］。如个人清洁用品、饮食保障、身体锻炼系统以及休闲娱乐服务等,其中航天员在轨洗浴系统必不可少。

空间站航天员洗浴系统能够使航天员保持良好的个人卫生,对于维护长期在轨驻留航天员的健康、保障航天员最佳的身体和精神状态、增强航天员的工作效率、提升航天员的生活质量具有重要意义。

目前,国外的空间站基本都有洗浴系统,能够满足航天员的定期全身清洁需求。美国在1973年发射成功的天空实验室,其内安置了一个可折叠的淋浴系统,不用时收起,可以节省舱内空间,提高空间利用度［3］；苏联和平号空间站1986年发射入轨,在近15年的空间飞行中,航天员先后采用了淋浴、桑拿和免冲洗的干湿巾擦洗三种洗浴方式［4］；国际空间站1998年发射升空,由于国际空间站是多国联合使用,每个国家都有自己的洗浴系统,如美国舱拥有淋浴系统、俄罗斯有淋浴和桑拿共用系统、欧盟等其他国家基本都采用免冲洗的干湿巾擦洗方法［5］。这些洗浴系统基本实现了淋浴洗浴的空间水加热、输送和控制技术、水回收技术、废水中去污剂去除的离子交换技术、废水的气液分离技术以及免冲洗的洗护产品开发等关键技术的突破。在航天员洗浴技术方面积累了相当多的工程设计和实施经验。

2 评价空间洗浴方法的影响因素

地面上简单、常规性的洗浴操作在太空失重环境中变得非常复杂和困难,洗浴过程受多种因素影响［7］。因此,在选择适合失重环境航天员洗浴方法的过程中,必须从各个角度考虑失重环境对洗浴过程的影响以及由此而可能产生的后果。

2.1 空间资源占用

空间站资源有限,因此对空间资源占用的比例是选择洗浴方法首先考虑的因素。国际空间站上的每个航天员平均每天要使用大约4.4 L的水,主要用于饮用和卫生清洁,其中用于卫生清洁包括每日洗漱和全身清洁每人每日为1.33 L［8］。由于运输成本极高,水价高达48 400美元/ L,如果全身清洁,天空实验室和和平号空间站的淋浴系统单人单次耗水量分别为4 L和2.5 L,虽然废水回收率平均可达44%,但一次洗浴折合水价仍然分别高达108 416和67 760美元［9］。因此耗水量是空间洗浴方法选择的重要指标。

能源是确保空间站上各种功能正常运行的最基本条件,空间站上动力的来源主要是太阳能。利用众多太阳能板收集太阳能并最终将其转化为电能供空间站使用。国际空间站太阳电池翼总数量为8个,每个功率为32.8 kW,共计262.4 kW。可供使用的能量为110 kW的电源功率,其中可供航天员使用的为46 kW。太阳能不仅需要提供舱内照明,支持系统运行,为舱内计算机和价格昂贵的科学实验设备提供电能,甚至航天员呼吸的空气也是依赖电将水分离获得［10］。因此洗浴系统能分配的资源有限。

国际空间站中航天员工作非常繁忙,平均每天工作9小时执行各种实验任务,同时由于空间站环境特殊,航天员必须保证8～12小时睡眠, 1.5小时进行必要的训练,剩余时间还要进行吃饭、日常洗漱等必须活动,这些在地面上很容易完成的活动在空间站会占用航天员很多的时间,而且为了保证航天员身体心理的健康也要安排一定的休闲时间［11］。因此用于全身洗浴的时间就比较有限。

国际空间站建设费用昂贵,航天员居住舱的面积有限,它长8.36 m,外径4.2 m,需要容纳航天员的所有居住设施,如人卫生设施(废物处理系统、洗浴系统)、医疗与锻炼设备、厨房设施(进餐用具、饮水机、冷冻冷藏箱)和其他生活必需品。而根据NASA的NAS1-11399报告,淋浴室空间直径应达到30.25英寸(约76.8 cm),高79.5英寸(约201.9 cm)才能保证淋浴系统满足航天员的需要,据此计算国际空间站浴室大约需要占据居住舱5%的面积［12］。所以浴室使用的空间占用也是洗浴系统开发不能忽视的因素。

在空间站中,航天员洗浴后会产生废物和废水。废物包括免冲洗产品的外包装和毛巾等,处理废物需要占用空间资源和耗能。废水必须用毛巾或吸水刷将水吸走。否则没有被吸走的水会形成悬浮水滴,这些水滴有可能进入到航天员的眼睛或被吸入到肺里,同时在失重环境中水对皮肤的附着增强,如果悬浮水滴进入耳鼻孔内或附着在眼眶内将很难清除,这些都会对航天员的健康安全形成威胁［13］。因此对废物处理的考虑也是洗浴方法综合评价的重要指标。

李一峰、徐霁，两位今年高考中涌现出的“另类”考生，最近成了教育圈热议的话题人物。对于他们的“另类”选择，质疑、不解者居多，赞赏、支持者亦有之。“弃清华而选川大”的选择遭到多数人的不解乃至嘲讽，原因恐无须赘述。以26岁的“高龄”重新参加高考，恐怕也不是任谁都有这样的勇气。有趣的是，两位考生有着相同的人生志向：学医，即便为之反复折腾，“不为良相便为良医”的人生理想却始终不曾泯灭，并最终得偿夙愿。对于这样的人生选择，赞赏者主要是从坚守“初心”的角度为其揄扬，这当然没有错，但在笔者看来，两位考生做了一次“不流俗”的人生选择，对于这样的做法，批评大可不必，赞扬也应适度。

2.2 技术成熟度

空间洗浴技术已在国际空间站中应用［14］,因此,根据NASA对技术成熟度等级的定义,国际空间站洗浴技术度为9级［15］。根据技术成熟度定义,我国淋浴技术现阶段进行的关键技术和特性的预研为3级［16］。因神舟十号利用了海军医学研究所研制的海奥免冲洗洗发液和免冲洗沐浴液,因此我国的免冲洗技术定义为7级［17］。可见技术成熟度的等级也是制约空间站洗浴方法选择的重要因素。

2.3 洗浴效果

选择合适的洗浴方法要考虑的另一个重要因素是航天员的满意程度。结合不同洗浴方法的装置及洗浴产品的特点以及空间微重力的特殊环境,充分考虑在洗浴过程中可能遇到的问题,主要从洗浴舒适度和清洁度方面来考虑不同洗浴方法带给航天员不同的感受。

综上所述,洗浴这个在地面上简单可以完成的活动,在空间站中面临着各种挑战,而且洗浴方法的选择受多种因素的影响,因此对我国空间站洗浴方法的选择要考虑多种因素,并采用能将主观评价转换为量化指标的综合评价方法。

3 空间站洗浴方法层次分析模型的建立

层次分析法是美国匹兹堡大学数学系教授,著名运筹学家萨迪提出来的一种定性定量相结合的、系统化、层次化的分析方法,特别适用于目标结构复杂且缺乏数据的情况。它把一个复杂问题中的各个指标通过划分相互之间的关系,分解为若干个有序层次,每一层次中的元素具有大致相等的地位,并且每一层与上一层次和下一层次有着一定的联系,层次之间按隶属关系建立起一个有序的递阶层次模型［18］。在有限目标的决策中,大量需要决策的问题既有定性因素,又有定量因素,而层次分析法把定性分析与定量分析较好地结合了起来。层次分析法可以按照对空间洗浴方法影响因素的重要程度来分层确定权重,以组合权重计算综合指数,减少了传统主观定权存在的偏差；同时可以把影响洗浴方法选择的指标中不易量化的指标转变为可以量化的指标,而且不削弱原始信息量［19］。因此我们选择层次分析法作为评价空间站航天员洗浴方法的综合评价方法。

3.1 指标体系

由于空间站洗浴方法评价指标体系比较复杂,根据指标体系设计原则,在详细调研天空实验室、和平号空间站和国际空间站的资料以及在专家咨询的基础上,确定影响空间站洗浴方法的主要因素并最终选取耗水量、耗能、耗时、占用空间、废物处理、洗浴技术和浴后舒适度、清洁度、易操作性和安全性作为评价指标。

3.2 模型的层次结构

对航天员洗浴方法综合评价主要从耗水量、耗能、耗时、占用空间、废物处理、洗浴技术和浴后舒适度、清洁度、易操作性和安全性十个指标进行评价,故与指标体系对应,评价的目标层为空间站洗浴方法(A),方案层淋浴(C1)和免冲洗(C2),指标层为前面确定的10个评价指标B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10。因此,建立的层次结构见图1。

图1 洗浴方法选择的递阶层次结构图Fig 1 The hierarchical structure of the choice of bath method

3.3 模型的判断矩阵

判断矩阵是将上一级要素作为评价标准,通过对本级要素进行两两比较,从而确定矩阵元素。在第一级评价体系中的影响要素作为评价标准, 对B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10因素进行了两两比较,其中元素Bij表示要素Bi对Bj的相对重要性,建立判断矩阵B＝［Bij］10×10。

4 现阶段空间站洗浴方法评估

4.1 现阶段空间站洗浴方法特点分析

现阶段空间站航天员的洗浴方法主要包括淋浴和湿、干巾擦洗(免冲洗)。淋浴是地面人们洗浴的常用方式,洗浴效果好,淋浴过程和浴后感觉舒适。免冲洗方法是将免洗产品预先润湿擦巾,或将瓶装免洗液体倒在毛巾上擦拭头发或全身。由于空间站微重力环境和资源有限的因素,两种洗浴技术各自的特点如表1所示。

表1 空间站洗浴方法的特点［20］Table 1 Characteristics of bath method in space［20］

通过以上的描述和分析可以看出,现有的两种空间站洗浴方式各有特点。选择适当的洗浴方式要根据洗浴技术的成熟和可靠性、空间站的具体条件、航天员生理和心理需求、以及驻留/搭载任务的具体要求等多种因素来决定。

4.2 指标权重和一致性分析

为了选择更适合现阶段空间站的洗浴方式,在建立指标体系的基础上,制定专家咨询问卷,向有关专家征求相关指标重要性和判断依据以及熟悉程度方面的意见和建议。根据空间站洗浴方法评价指标体系的特点,共邀请10位航天工程方面的专家。专家咨询的问卷发放数量与回收数量相同。通过专家打分来确定各个指标的重要性。然后根据建立的层次分析模型构造判断矩阵,最后经过数学处理得到各指标在空间站航天员洗浴方法中的综合权重［21］。判断矩阵是计算权重的根据,因此要求矩阵大体上具有一致性,要对判断的相容性和误差进行分析。设相容性指标为C．I (Consistency Index),即有C．I＝(λmax-n) / (n- 1),并查找相应的平均随机一致性指标R．I(Random Index),当n＝10时,R．I＝1.49,得出一致性比例(Consistency Ratio)C．R＝C．I/ R．I。一般情况下,若C．R＜0.1,就可以认为判断矩阵有相容性,据此计算的权重值(ω)可以接受。依据以上阐述,得到判断矩阵,并计算权重及一致性检验,如表2～4所示。

表2 现阶段空间站针对所有洗浴方法指标的一致性Table 2 Consistency of indicators for all bath methods at the present stage of the space station

表3 现阶段空间站针对淋浴指标的一致性Table 3 Consistency of indicators for shower at the present stage of the space station

表4 现阶段空间站针对免冲洗指标的一致性Table 4 Consistency of indicators for free washing system at the present stage of the space station

通过计算,各个指标的权重一致性均在0.1以下,表明判断矩阵有相容性,据此计算的权重值可以接受。

4.3 综合权重分析

通过一致性分析得到各个指标的归一化权向量,通过权向量计算方案层的综合权重如表5。方案层C．I．的合成权重＝(B相对于A的权重) ×(B相对于C1的权重之和)；方案层C2的合成权重＝(B相对于A的权重)×(B相对于C2的权重之和)。

表5 现阶段空间站针对淋浴和免冲洗的综合权重Table 5 The comprehensive weight for shower and free washing system at the present stage of the space station

根据综合权重判断,免冲洗的方法更适合空间站现阶段航天员洗浴,而且免冲洗产品具有简单、省时、节能、节水的特点,也符合空间站洗浴的要求。因此证明了：建立的层次分析法综合评价模型可以有效地评价空间站航天员洗浴方式,为我国空间站建立航天员洗浴系统提供评价手段。

5 结论

对现阶段我国航天员长期在轨洗浴的各方面需求进行详细分析,结合我国空间站的资源配置等情况,提出了我国空间站初期建设阶段航天员在轨洗浴以免冲洗技术为主,保障航天员在轨全身清洁的基本需求。

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Application of Analytic Hierarchy Process in Evaluation of Bath Method in Space

GUO Feima，DANG Lei，WANG Xiaoxue，ZHANG Meizi*
（Shen zhou Space Biotechnology Group，Beijing 100081，China）

Abstract：The characteristics of bath in the international space station including easy to operate，time saving，water saving and energy saving as well as the commonly used bath methods such as shower and free washing method were introduced in this paper.Analytic hierarchy process is a combination of qualitative and quantitative，systematic and hierarchical analysis method.The concept and application of analytic hierarchy process were analyzed.Based on the evaluation model of bath methods in the space station，the bath methods in space were estimated by analytic hierarchy process.The results showed that the comprehensive weight of free washing system was higher.The result from trade study indicated that the free washing system was the best choice at the present stage of the space station in three aspects including the occupied space resources，technology maturity and washing effect.

Key words：International Space Station；bath methods；comprehensive evaluation；analytic hierarchy process

*通讯作者：张美姿(1975-),女,博士,高级工程师,研究方向为空间生物技术。E-mail：zhangmeizi＠cast.cn

作者简介：郭飞马(1980-),女,博士,工程师,研究方向为空间生物技术。E-mail：guofeima＠cast.cn

基金项目：载人航天预先研究项目(040102)

收稿日期：2015-05-12；修回日期：2016-02-23

中图分类号：R852.8

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0221-06