基于F-AHP贴近度计算的判别船舶IETM系统评估指标体系

2018-09-27訾一诺孔庆福

造船技术 2018年4期

訾一诺，俞翔，孔庆福

(1. 海军工程大学研究生院，湖北武汉 430000； 2. 解放军91202部队，辽宁葫芦岛 125000)

0 引言

现代船舶装备结构组成日益复杂、信息化程度越来越高，与之配套的技术资料数量成倍增加，给技术资料的使用和管理带来了很大的挑战。为满足现代高技术、信息化船舶装备对装备保障的实际需求，提高装备保障信息化水平，各国逐一开展了船舶装备交互式电子技术手册(Interactive Electronic Technical Manual, IETM)的研究。我国在逐步推进IETM研究的同时，对IETM的评估工作也随之展开，通过对船舶IETM的评估，可掌握船舶IETM系统的技术性能、工作状态和适用情况[1]。

在对船舶装备评估的众多方法中，综合模糊评判法较为常用[2]，其评判步骤为采用层次分析法和模糊数学理论建立评估指标体系，确定权重系数并收集评估数据。评估数据是影响最终评估结论的直接因素，对评估数据的处理方法虽然具有科学性与合理性，但对评估数据的采集过程却缺少必要的客观性与科学性证明。

参与打分的评判人员基本由研发人员、相关领域专家、使用人员等3类组成，他们知识层次不同，对被评估装备的认知角度也不同，通过对各层次人员所打分数进行贴近度计算，进而对评估指标体系展开判别，有助于建立更加客观、科学、有效的指标体系，优化最终评估结果，增强评估过程的说服力，指导后续评估打分人员的组成。

1 建立指标体系

所谓模糊识别，是指以模糊数学为基础从待识别对象中识别出哪些对象模式与已知模式相近或相同的识别方法，也称为F-AHP[3]。对某型船舶装备IETM评估打分数据的贴近度计算是建立在对该型船舶装备IETM的综合模糊评估基础上进行的。

对船舶装备IETM开展评估，指标体系的建立直接影响评估结果，总结以往指标体系设计经验，结合船舶IETM系统的实际情况，主要从装备IETM系统整体实现效果、船舶总体说明书实现效果、系统级装备实现效果、设备级装备实现效果等4方面进行指标体系的建立[4]。

(1) 装备IETM系统整体实现效果评估指标体系主要从系统试用总体反映指标、软件平台开发效果指标、对用户需求满足程度指标等3方面进行评价。

系统试用总体反映指标由3个二级指标组成：对本装备IETM系统的总体评价、对船员工作的帮助程度和IETM技术在船舶上推广使用的建议。

软件平台开发效果指标由6个二级指标组成：系统开发的规范性、软件平台内容模块的全面性、信息表现方式设计的丰富性、软件界面设计的合理性、系统使用的交互性和便捷性以及系统后期维护保障设计的便捷性。

对用户需求满足程度指标由3个二级指标组成：对用户开展装备知识学习工作的需求满足程度、对用户开展装备使用操作工作的需求满足程度和对用户开展装备维修保障工作的需求满足程度。

(2) 总体说明书主要采用图文并茂的方式说明船舶的总体情况，评估时主要从2个二级指标即内容权威性和表达方式的丰富性和有效性等2方面进行评价。

(3) 系统级装备IETM的实现内容主要由6个二级指标组成：安全警告模块、系统概况模块、系统主要功能特性和工作原理模块、系统组成布置及接口情况模块、系统操作使用模块以及系统维修指导模块。

(4) 设备级装备IETM的实现内容主要由8个二级指标组成：安全警告模块、设备基本情况模块、设备工作原理及接口关系模块、设备使用操作指导模块、设备维修工作指导模块、设备调试细则模块、设备图册模块以及设备器材保障模块。

2 贴近度计算对指标体系的判别

2.1 贴近度对模糊评判的影响

对船舶装备IETM进行评估，在指标体系建立后，需要由相关人员结合评估指标体系，对评估对象进行逐项打分评判，所得的分数经一系列处理后，可以直观地反映评估的结果。因对船舶装备IETM的评估打分人员不只是IETM的开发人员与相关领域专家，还包括试用IETM的系统船舶工作人员。各层次打分测评人员对IETM的认识不同，看待角度不同，对接下来的改进意见也不同。对该型船舶IETM进行打分，参与评估的专家类人员主要由科研院校高级职称人员、从事相关专业领域的企业研发人员组成，普遍知识层次高，理解程度深，对该型船舶装备IETM掌握全面；参与评估的另一部分人员由船员组成，主要为该型IETM的直接使用者，并且为首次使用，知识层次较一般，对该型IETM系统掌握不全面。因此，需要对不同层次人员的打分进行贴近度计算，判断不同层次人员对船舶装备IETM系统的熟悉掌握状况与对评估指标体系的认识了解情况。通过贴近度计算，其结果直观科学地反映出不同层次人员对IETM评估的贴近程度，总结评估指标体系设计的完整性和全面性，为后续船舶IETM系统评估工作提供改进方向，也为船舶工作人员的培养提供科学有效的意见与建议[5]。

2.2 权重计算方法

对装备系统评估的权重计算较难，且该方法目前还在逐步完善中。目前多采用层次分析法，该方法是系统工程中对非定量事件作定量分析的一种简单方法，具有较强的科学性与说服力，是对人主观判断作客观描述的一种有效方法。本文为确保权系数的科学性和准确性，设一级指标权系数为wi(i=1,2,…，m),二级指标权系数为wij(j=1,2,…，n),采用1～9比例标度的层次分析法构造A-U判断矩阵，计算过程为

(1) 设因素集

U={u1,u2,…,un}(1)

(2) 构造判断矩阵

以A标识目标，ui、uj表示评价因素，ui∈U,uj∈U,其中i，j=1,2,…，n。uij表示因素ui对因素uj的相对重要性数值，uij取值如表1所示。

表1 判断矩阵标度及其含义

根据上述符号得到判断矩阵为

(2)

称之为A-U判断矩阵。

(3) 计算重要性排序

在A-U判断矩阵中，求出最大特征值所对应的特征向量，所求特征向量即为各评价因素的权系数。

用和积法计算重要性排序，首先将每一列归一化

(3)

将每一列经正规化后的判断矩阵按行相加

(4)

对向量W′=(W1′,W2′,…,Wn′)T作正规化

(5)

根据式(5)得到的W=(W1,W2,…，Wn)T即为所求特征向量。

(4) 计算最大特征根λmax

(6)

最后进行权系数分配合理性检验，检验公式为CR=CI/RI，其中CR称为判断矩阵的随机一致性比率，CI称为判断矩阵的一致性指标。

(7)

RI称为判断矩阵的平均随机一致性指标，对于1～9阶判断矩阵，RI值如表2所示。

表2 1～9阶RI值

当CR<0.1时，认为判断矩阵具有一致性，说明权系数分配合理。

2.3 贴近度计算方法

贴近度反映不同模糊集合之间的贴近程度，常用的有格贴近度、海明贴近度、欧氏贴近度等计算方法[6]。

设A、B是有限论域上的2个模糊向量，有

A=(a1,a2,…,an)

B=(b1,b2,…,bn)

则格贴近度为

N(A,B)=(A·B)∧(A⊙B)c(8)

σ(A·B)=1-c(d(A·B))α(9)

式(9)为A,B的闵可夫斯基距离贴近度，其中p是一个变参数，p的取值不同，闵可夫斯基距离可表示一类的距离，c、α是两个适当选择的参数。

(10)

(11)

σ(A·B)的值越接近1，其2个模糊集就越靠近，本文结合实际，选择贴近度较好的海明贴近度进行计算。

3 实例分析

基于上述方法，对某型船舶装备IETM系统的模糊综合评价值进行贴近度计算，并对专家和船员的打分数据经过贴近度计算后的结果进行分析比较。

3.1 建立模糊集

以“试用情况总体反映”为模型举例，进行评估打分并计算模糊评价矩阵贴近度和单因素评价结果贴近度，文中其余指标因素的贴近度计算方法以及结果分析过程同此举例模型一致。建立因素集，U={IETM系统的总体评价U1，对船员工作的帮助程度U2，IETM技术在船舶上推广使用的建议U3}，模糊评语集{很大，较大，一般}，其对应分数为{100，80，60}。

3.2 贴近度计算

对总体试用情况打分进行分类，专家打分为Ai,二级指标各项分数为Aij,A1=(A11，A12，…，A1m)，A2=(A21，A22，…，A2m),Ai=(Ai1,Ai2,…，Anm),i=(1,2,3，…，n),j=(1,2,3,…，m)。船员打分为Bi,二级指标各项分数为Bij,B1=(B11，B12，…，B1m)，B2=(B21，B22，…，B2m),Bi=(Bi1,Bi2,…，Bnm),i=(1,2,3，…，n),j=(1,2,3,…，m)。对专家、船员打分进行数据处理，建立统计数据，如表3所示。

表3 总体试用情况专家、船员打分数据

由表3可得“总体试用情况”综合评价矩阵R1和R2为

根据上文，依据层次分析法求其权系数，可得A-U判断矩阵P为

按列归一化后得判断矩阵R为

得特征向量W=(0.443,0.450,0.128)T。最终对判断矩阵进行一致性检验，根据检验公式得CR=0.056 9<0.100 0，表明判断矩阵具有一致性，即W=(0.443,0.450,0.128)T可作为权向量。

根据上文所得数据，设评估结果为B，则专家B1、船员B2等2类人员模糊评价结果为B1=W⊙R1和B2=W⊙R2，即

B1=(0.443,0.450,0.128)⊙

B2=(0.443,0.450,0.128)⊙

式(16)和式(17)中，⊙为模糊算子，为充分体现权系数与信息利用程度，采用M(+，·)模糊算子即

最终得出B1与B2分别为

B1=(0.370 4，0.605 6，0.040 5)

B2=(0.185 5，0.579 2，0.256 3)

计算2类综合评估结果的海明贴近度为

δ(B1，B2)=0.856 7

再计算专家、船员等2类人员单因素评估数据贴近度，设B1i为专家评价结果，B2i为船员评价结果，B11为专家对因素U1评价结果，B12为专家对因素U2评价结果，B1n为专家对Un评价结果(i=1,2,…，n)。同理，B2i为船员对因素Ui的评价结果。计算贴近度为δ(B11，B21)=0.72，δ(B12，B22)=0.82，δ(B13，B23)=0.44。

通过贴近度对比曲线(见图1)，可明显观察到对于因素U3，专家与船员的评估数据贴近度为0.44，与1对比有较大差异。结合所得模糊综合评估矩阵贴近度及最终评估结果隶属类型，可得如下结论：

图1 贴近度对比曲线

(1) 专家、船员总体上对该型船舶装备IETM系统评估结果为良好，证明该型船舶装备IETM系统具有良好的实用性。

(2) 专家与船员就“IETM系统的总体评价”打分数据贴近度计算结果接近1，表明指标体系设计在试用情况总体反映评价上较为合理，没有出现较大偏差，指标体系设计充分考虑到专家与船员对该型IETM系统主观与客观上的认识差距，科学地建立指标体系。

(3) 专家与船员在单因素评估打分上存在个别较大差异，其明显体现为对“IETM技术在船舶上推广使用的建议”这一评价因素上，专家普遍认为“很大”，其推广意愿强烈，而船员在评语“较大”上所占比重较多，其推广意愿较专家比较低。

根据上述结论以及计算数据，经对比分析，可给出该型船舶IETM就“试用情况总体反映”方面改进的意见与建议。通过贴近度计算结果的直观反映，可知无论船员与专家，对该型船舶IETM系统对船员的帮助程度均评价较高，而在推广使用意愿上出现偏差，分析其原因有：船员认识程度较浅，对该型船舶装备IETM系统的认识角度仅限于该船型，未考虑船舶整体装配后提升的装备保障效率与产生的经济价值，仅认为是一种简单的船舶辅助工具且该船舶IETM系统并未较长时间投放于该船使用，其直观效果不明显，因此导致船员在推广使用意愿上较专家比较低，可建议该舰或今后再次用于测试的某船的相关岗位工作人员加强学习高科技、信息化维修保障装备对经济效益提升的相关知识，并了解其对船舶整体的重要意义，为后续相关船舶装备的测试评估提供更科学、更有效的评估数据。