舰船风浪环境适应性综合评价分析∗

张炜灵 蔡 烽 杨 波 刘 琼

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

舰船在风浪中的环境适应性是指舰船在所遭遇风浪等一切外界条件的作用下，不仅能保证其原有的性能［1］，甚至可以利用环境提高其各方面的性能。近年来，随着海军战略的转型，越来越多的舰船需要在大风浪环境下航行，必要时需要在恶劣的环境条件下完成各项任务。这对舰船在风浪环境下的适应性提出了更高的要求。舰船在风浪环境下的适应性已经成为了海上力量的倍增器，甚至已经成为了海上作战的第三种重要力量［2］。

国内对舰船环境适应性的研究还处于起步阶段，很多工作还不够完善。应荣镕［3～4］等基于FSA（Formal Safty Assessment）的模糊综合评价方法评估了舰船航行的风险等级。焦甲龙［5］采用主观综合方法结合模糊评价模型评价了舰船的风浪环境适应性。杨虎［6］基于多目标综合评判了水面舰船风浪环境适应性。刘猛［7］等计算舰船倾覆力矩以及风倾力矩对风浪中的转向进行离开定量的评估。武月琴等［8］选择合适的合成算子采用模糊综合评估的方法分别提出了装备与下层产品的综合环境适应性评估方法。韩智国［9］结合舰船的特点，研究了舰船评估指标体系以及部分指标的评估方法。

2 风浪环境适应性评估模型

一个完整的评估体系需要包括以下三个方面:合适的评价指标、合理的指标权重、科学的度量评价。本文结合现有的经验，从耐波性、快速性、稳性、操纵性以及人员工作舒适性五个方面出发建立了一套完善的评价指标；将层次分析法和变异系数法结合，综合主观评判和客观数据评判确定权重；运用功效系数法结合加权几何平均评价法进行综合评估打分；最后对主观权重和客观数据权重的偏好因子进行分析，突出说明某些船型对风浪环境有较强的适应性。

3 评价指标体系

对舰船在风浪中的适应性评价，首先需要建立一个科学合理的指标体系。本文综合多方面因素建立了一套完善的评价指标，如表1所示。

3.1 权重集

对于指标权重设置，本文首先采用主观的层次分析法，利用专家打分原则分析出各个指标的权重，同时结合数据本身，利用变异系数法客观的给出各个指标的权重，最后引入客观和主观的偏好因子进行综合确定指标的权重分布。

3.1.1 层次分析法

层次分析法作为最常用最有效的评价方法，在各种评价体系中都被广泛应用。具体描述如下。

由专家对每一层的指标分别两两比较打分，用1、3、5、7、9 以及中间数值来代表指标间的相互重要程度，并构建判断矩阵。

求解判断矩阵的最大特征值对应的特征向量，归一化处理后将其作为各因素对上一级指标的影响权重W1i 。一致性检验。计算一致性指标，其中，当CR ≤0.1 时，认为判断矩阵符合一致性要求。

3.1.2 变异系数法

变异系数法［10］（Coefficient of variation method）是直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法。指标差异性越大，也就是越难以实现的指标，越能衡量出评价单位的差距；如果指标差异性不明显，那么这个指标用来衡量评价单位就失去了意义。为了消除各项指标量纲不同的影响，本文采用如下变异系数法:

其中，Vi是各指标的变异系数；σi是第i 项指标的标准差；xˉi是第项指标的平均数。

各项指标的权重为

3.1.3 综合权重计算

引入偏好因子β，综合权重为层析分析权重和变异系数权重的加权。

3.2 功效系数法度量指标

功效系数法是用来度量指标实际值与允许变动范围内的相对位置［11］。由于舰船在风浪中作业时，对某些指标往往有上下限的限制，该度量方法应用在这里十分合适。度量过程如下。

计算各指标的功效系数:

3.3 加权几何平均综合评分

加权几何评价法特别适用于指标间关系比较强的事物，而且对指标的变动，尤其是较小的变动反应更为敏感。由于舰船在风浪中的运动往往都有较强的耦合性，该评价方法尤其适用于对舰船风浪适应性的评价。评分公式如下:

其中，M为打分幅值，单个指标的评分范围为[100-M,100]。

4 算例分析

参照文献［13］给出的船型数据，对以下5 种船型在七级海况下以航速30kn 迎浪状态下的环境适应性进行综合评价。

由于条件有限，文中只列出了部分典型数据，如表2 所示。由层次分析法得到第一层指标的权重{0.3,0.6,0.1}［13］。

表2 指标数据

为了综合考虑客观和主观因素，本文取偏好因子β=0.5，权重分布如表3所示。为了能明显区分出这些船型的风浪环境适应性的差异，打分幅值M=80，单指标得评分范围为[20,100]，各船型得分如表4所示。

表3 指标权重表

为了进一步分析评价过程中主观权重和客观权重带来的不同影响，本文计算了这些船型在不同偏好因子下的得分情况，如表5所示。

表4 得分情况表

表5 不同偏好因子的得分情况

5 结语

本文综合考虑多方面因素，建立了一套综合的舰船风浪环境适应性的评价指标体系。利用功效系数度量指标，最后以综合得分的形式直观呈现，将不同船型的环境适应性进行了有效的区分。

通过算例计算，对不同的偏好因子进行了分析，说明了无论是客观上还是主观上，船型V2的环境适应性都是最好的，R1的环境适应性都是最差的。该结果与实际相符，说明了本文的评价方法的准确性。