基于层次分析法的动力系统技术状态评估方法

罗 恒，张静巧，刘东民，刘元春

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

基于层次分析法的动力系统技术状态评估方法

罗 恒，张静巧，刘东民，刘元春

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

为了对船舶动力系统设计研究、维修保障工作提供指导和借鉴作用，文章分析船用动力系统技术状态的特点及其评估方法研究的必要性，讨论动力系统技术状态评估参数及指标。结合动力系统主要设备特点，运用层次分析法建立动力系统技术状态评估模型，并定性、定量的对评估中各指标权重进行分析，最终的分析结果与船舶实际情况相符，从而验证层次分析法对动力系统技术状态评估的科学性和价值。

动力系统；层次分析；技术状态；评估方法

0 引 言

船舶动力系统是一个复杂的机电设备综合体，涵盖的系统及相关设备诸多、相互间耦合关系复杂而构成一个整体，是保证船舶正常航行、安全、正常作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的核心部分。作为船舶的重要组成部分，决定了船舶重要物理参数和性能水平的重要影响因素[1]。

船舶动力系统各项技术状态指标是否达到要求直接决定了动力系统及相关设备是否可持续正常运行，因此有效的状态评估船舶动力系统，可及时预判、发现并排除船舶故障，从而极大减少船舶使用过程及后期的维修工作量，同时为船员改善工作条件，还可实现动力系统成功检测和自动化控制系统设备状态[2]。

层次分析方法应用十分广泛，在经济管理、科技管理、资源分配、电力分配、桥梁评估和其他很多工程领域都成功解决实际问题[3]。该方法重点是构建层次结构模型，从而使得复杂决策问题条理化、清晰化；其次该方法需要在工程领域的理论基础知识和专家的工程经验基础上，主要通过指标的权重和层次结构指标体系定性定量反映；三是该方法实现起来较为简单，有效解决实际问题，实用性较强。对于动力系统状态评估方法，金家善等[4]提出机械设备的技术状态综合评估方法，只给出动力装置综合状态监测、评估系统的基本组成[5]，层次分析法在大型水面舰艇动力系统总体性能分析中得到应用，但是未能涉及到系统的设备[6]。本文针对船舶动力系统特点，结合系统相关设备运用层次分析方法对动力系统技术状态进行有效的评估，起到能有效判断各级系统指标、设备及其相互间的状态关系。

1 评价参数

各种船舶动力装置虽然动力类型、传动方式等不同，但其对动力基本特性却有着相同要求。动力系统基本特性指标包括技术指标、经济指标和性能指标。这些指标是评判动力系统设计、性能好坏或优劣的重要依据[7]。

1.1 技术指标

技术指标决定动力系统技术性能和结构特征参数，包含功率指标、质量指标与尺寸指标[8]。

功率指标表示船舶做功能力，为保证船舶具有一定的航速，要求推进装置提供足够的功率，动力装置的功率安装由最大航速确定，并考虑功率储备。

质量指标：干重（所有机器、器具和管系的质量）、湿重 （除干重外，还有机器、器具、管系内部装满工质和消耗物品）、总重（除湿重外，还有消耗物品的贮存量），该指标是相对于船舶排水量而言，在一定的排水量下，要求动力装置的质量轻些。

尺寸指标：由于动力系统绝大部分系统和设备都集中在机舱，故可用机舱的尺寸来表示。机舱应能合理布置动力装置，使得管理、维修方便，因此机舱应尽可能宽敞，但考虑船舶有效装载容积，希望机舱小些可增大有效装载。

1.2 经济指标

反映燃料在动力装置中热能转换率，有燃料消耗率、装置总效率、热效率及每海里消耗燃料和运转维修经济性，包括燃滑油消耗费用、动力装置的效率和维修建造费用等指标。

1）燃滑油消耗：降低动力装置的燃滑油消耗，可延长船舶续航能力。燃料消耗含发动机、辅助设备和发电机组，其不仅关系到装置热经济性，而且直接决定船舶的航速与航行工况，也影响了装置的管理水平、运输管理水平。滑油价格贵，对系统影响较大，也影响船舶经济性。

2）动力装置的效率：动力装置重要部分主机、轴系、推进器相应的热效率、传递效率、推进效率等对动力装置效率有重要影响，设备电功率、制冷功率和全船用热等也影响其效率。

3）维修建造费用：由于船舶动力系统复杂、类型差异使得船舶造价、维修差别很大。系统设备的可靠性直接影响后期维修费用，同时工作环境条件也影响维修建造费用[9]。

1.3 性能指标

机动性：主要指改变工况时具有的工作性能、改变或保持其运动状态的性能。没有基本的机动性，就缺少了航行安全保障，机动性直接决定起锚开航、改变航速和航向的性能。

可靠性：维持正常工作的期限或 2 次大修之间能正常工作时间。可靠性是保持、恢复船舶工作能力的重要因素，也是船舶故障分析的重要依据。影响动力装置可靠性因素除设备、分系统本身可靠性外，还与船舶设计、制造、安装和管理过程中可靠性有关。

振动噪声控制性能：锅炉排烟的颜色、烟囱周围的热场、动力设备工作产生的振动噪声、螺旋桨运转的噪音等均会破坏船舶的隐蔽性，振动噪声的表征会暴露船舶的主要相关信息。

2 评估方法

层次分析法（AHP-Analytic Hierarchy Process）于20 世纪 70 年代由美国运筹学家、匹兹堡大学扎德教授提出的一种综合评估方法，能将定量分析与定性分析相结合[10]。可将一个复杂多属性决策问题分解为由若干因素组成，将分解的组成因素按隶属关系进行逐层分组，运用系统化思维、构建层次结构模型，再对其定性、定量分析。层次分析法深入分析问题本质、影响因素及内在关系，是一种决策思维过程；定性定量分析需借助工程领域的理论基础知识和专家的工程经验，将各因素在建立准则下比较，从而构造判断矩阵，通过计算比较可知各因素的相对重要性，是一从定性分析向定量分析过渡的过程；根据判断矩阵计算权重向量，由层次结构中方案层的诸元素与目标层的权重组成[11]。优选决策目标方案实现具体步骤及流程如图 1 所示。

2.1 构建层次结构模型

运用层次分析法分析解决复杂问题的基础是构建层次结构模型，将决策目标进行分解，分解目标又受多个指标因素影响，定性构建层次结构模型层次清晰。运用已有层次分析研究成果，结合各水面舰艇的评估指标体系构建层次结构模型[11]，并在此基础上根据蒸汽动力系统及其考核指标、主要设备特点[12]并结合实船进行结构划分，技术指标 B1、经济指标 B2、性能指标 B3同隶属于动力系统技术状态效果 A，其中 B1可继续分为 B11，B12，B13；B2，B3依此继续细分，方案层 C 由 C1，C2……C8组成，划分层次结构如图 2 所示。

2.2 构造判断矩阵

层次结构模型建立后，模型中各指标隶属关系都可明确（见图 2），可构建各层次间的矩阵模型。矩阵取值原则如表 1 所示。

表 1 判断矩阵标度的含义Tab. 1 The meaning of scale for judgment matrix

2.3 计算权重向量

构建判断矩阵后，可据计算各指标权重值，计算得到特征值和权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，现采用常用的方根法[3]，其计算步骤如下：

1） 将判断矩阵中每行元素求取几何平均值：

一方面，学校网络信息中心负责建设和维护校园网络信息安全技术平台，保证校园网络安全平稳地运行；另一方面，制订符合校情的校园网络管理规章制度，规范网络秩序，严格防止不良信息的传播，并建立相应的处罚机制。大学校园网络媒体大致可以分为传统网络媒体和大学生网络自组织(大学生自主建立的微博、贴吧、论坛、QQ群、微信群等网络载体)，后者的健康运行更需要学生干部、思政工作者、网络管理员“三位一体”负面舆情的搜集、汇报、处理的联动机制的综合管理，以营造风清气正的校园网络环境，真正为学生自主学习思政课保驾护航。

2）上述所得向量进行归一化处理，即得权重向量：

3） 计算最大特征值：

式中（Aw）i为Aw的第 i 个分项。

2.4 一致性检验

得到判断矩阵特征向量后，归一化处理，即层次单排序，将同层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性排序得到权值，一致性检验的步骤为[13-14]：一致性指标计算；平均随机一致性指标 RI 通过查表得到；一致性比例的计算。在计算结果 CR ＜ 0.1 时，判断矩阵一致性可接受。

层次总排序为层次结构模型中某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程，从最高层到最底层依次进行。对于最高层层次单排序的结果即为总排序的结果。

3 应用分析

根据上述动力系统的层次结构，构造其判断矩阵，对其各层次间进行计算，计算结果如表 2 所示。对上述数据再根据总层次排序及其计算可得到表 3。

从表 2 中可知，船舶的技术性能最重要，直接关系到船舶是否能达到并完成相关的使命、设计要求，而船舶的性能指标次之，该指标影响了船舶的性能，决定了船舶的特点。而在技术性能指标中尤以功率指标要求为最关键，设备质量应根据设计、实际情况严格控制把握；船舶性能指标中对船舶的可靠性、机动性要求最为严格。根据综合计算结果表 3，综合各个方面考虑，船舶主动设备中按照船舶主锅炉、船舶主机、主减速齿轮装置、轴系及其附件、螺旋桨、发电机、燃油泵、滑油泵的顺序表面其综合影响程度。这些均与实船设计、运行情况相符。

4 结 语

运用层次分析法对动力系统技术状态评估是一项复杂的系统工程，本文进行定性评价与定量分析相结合，并且在综合考虑了诸如技术指标、经济指标、性能指标等动力系统指标相关影响因素的基础上，从动力系统、主要设备的特性出发，做出方案并进行实例分析，对动力系统各指标的重要性程度进行排序，与舰艇实际情况相符，说明本文基于层次分析法的动力推进系统状态评估方法具有科学性和实际运用价值。另外，本文构造的递阶层次结构模型随着装备的进一步发展而需不断改善，同时在构造判断矩阵时受专家主观因素的影响，经验成分依然较大，同时随着现代数学理论的发展、层次分析方法技术的不断完善、武器装备战技术水平的不断提高都极大影响动力推进系统评估方法。

表 2 准则层权重、一致性检验结果Tab. 2 The calculating weight and testing consistency of criterion layer

表 3 方案层判断表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

青年科学基金资助项目（51509232）

罗恒(1986 - )，男，工程师。研究方向为船舶动力系统技术研究。