基于AHP-Delphi的舰船动力系统效能评估方法

杨成斌，李培凯，魏 维，徐富强

（中国人民武装警察部队海警学院，浙江 宁波 315000）

在武器装备型号立项论证、装备型号对装备体系贡献度的计算分析，以及装备型号试验、鉴定和定型等过程中，都涉及对武器装备的效能进行分析和评估。因此，武器装备的效能分析和评估一直是军事系统工程领域的一个重要问题[1]。“效能”一词在不同的学科语境下似有不同的含义，学界目前也没有对其形成一个统一、严格而明确的定义，但对于武器装备以及由各类武器装备形成的武器装备体系而言，“效能”通常是指武器装备（单装）或武器装备体系在完成具体军事任务的过程中所能取得的“效果”，以及完成既定任务的“能力”。简而言之，在军事系统工程中，效能是对装备或体系完成特定军事任务的能力和实际效果的量度[2-3]。在军事科学技术竞相发展、广泛应用的当今世界，战争中的武装对抗形式早已从作战单元间的对抗转变为作战体系间的对抗，战争的制胜机理也经历了从“体能制胜”到“火力制胜”，而后又从“平台制胜”发展到“信息制胜”的复杂演变过程[4-5]。在强调体系对抗和信息制胜的现代战争中，对武器装备体系的效能分析/评估就成为了武器装备发展战略制定、装备型号研制方案选择及武器装备体系结构优化等有关国防力量建设和军事行动运筹的实践活动中不可缺少的环节。武器装备体系是一个复杂的层次化体系，对单装的效能评估是实现武器装备体系效能分析和评估的基础，而对单装子系统的效能评估又是实现对单装整体进行效能评估的前提。本文以我国海警执法舰船的综合效能评估为背景，讨论舰船机电装备的效能评估方法问题。

1 海警舰船动力系统简介

武警海警部队是武装性质的海上综合执法力量，在近海防卫、海洋领土主权和权益维护、海上刑事案件侦察、海洋环境治理、海洋生态保护、海洋资源开发利用，以及海上搜救与应急支援等方面发挥重要作用。海警舰船是海警部队开展海上维权执法活动所倚赖的最为重要的平台装备，其动力系统的效能在很大程度上决定了任务完成质量和任务成功率的高低。

广义的舰船动力系统包括主动力系统和辅助动力系统，本文所提及的海警舰船动力系统仅指舰船主动力系统，即由主发动机（通常是中高速柴油机）、后传动装置（离合器、齿轮箱等）、传动轴系，以及为主发动机服务的油、水、气和电等管路和电气控制系统共同组成的为舰船提供航行动力的系统。舰船动力系统的主要任务是，在一定的转速要求下，将燃料的化学能持续、高效地转化为机械能，发出足够的功率，并经由后传动装置和传动轴系传递给推进器或推进系统，以克服外部负荷带来的阻力或阻扭矩，使舰船在规定的时间内改变或维持一定的航速。

根据海警舰船使命任务和动力系统的主要任务可知，评价海警舰船动力系统的效能，至少需要考虑其功率范围、功率易调节性和可靠性这几个方面。当然，上述几个方面只是十分粗略的考量，更为全面的效能指标体系会在后续小节予以详细介绍。

2 基于AHP-Delphi的效能评估方法框架

2.1 层次分析法（AHP）及其在效能评估中的应用

层次分析法是英文Analytic Hierarchy Process（直译为“理性分析的层次化过程”）的翻译，通常取其英文首字母缩写而简记为AHP。该方法是由美国数学家Saaty提出的一种定性与定量相结合的多因素综合决策方法，广泛应用于解决受多重复杂因素影响和制约的方案决策问题[6]。其基本原理是，将决策问题按总目标、分目标、评价准则及评价指标，直至具体备选方案的顺序，逐级分解，得到相对完整的、层次化的树状决策图。除最底层（方案层）外，每一层次的元素都与其下一层次的若干元素相关联，根据两两比较，可以对某一元素的下层相关元素之间的相对重要度做出判断，从而形成判断矩阵。然后，利用求解判断矩阵特征向量的办法，可求得每一层次中各元素对上一层次某元素的相对权重大小。最后，利用加权求和，可以归并得到各备选方案对总目标的总权重，总权重最大的方案即为最优方案。

上述分析方法也可用于武器装备的效能评估，但在对单一舰船的动力系统进行效能评估时，并不需要从若干备选动力系统中选出效能最优的系统，而是希望通过层次化的理性分析和两两比较，获得各层次中每一个元素对上层某关联元素的相对重要度，因而需要对传统的AHP稍作修改。在这里，将按照“舰船动力系统效能—动力系统效能评价准则—效能评价指标”的先后顺序构造效能评估指标体系，并利用求取判断矩阵特征向量的方法，获得每一层次元素对上层关联元素的相对权重值，最后利用递阶归并的方法，求得最底层每一个评价指标对动力系统效能的贡献度。

上述利用AHP方法求取效能评价指标贡献度的基本思路如图1所示。

图1 基于AHP的效能指标贡献度计算过程

2.2 德尔菲法（Delphi）及其在效能评估中的应用

20世纪50年代，美国兰德公司与道格拉斯公司合作研究出一种收集专家意见的方法，以“Delphi”命名[7]。Delphi法是一种匿名反馈函询法，其基本流程是：首先拟定要咨询的问题，并向若干名业内专家匿名函询；征得专家的意见后，对所有意见进行整理、归纳和统计；然后将整理好的意见匿名反馈给各专家，再次征求意见；在新一轮的函询中，每一名专家将能够参考其他专家提出的意见建议，从而适当调整自己的意见建议，因而经过新一轮函询后，专家的意见建议将趋于一致。在此基础上，将新一轮的专家意见再集中，再反馈，直到不同专家的意见基本收敛一致为止。

在上一节中，通过AHP分析和计算，可以得到舰船动力系统效能评价指标的相对权重，但底层的各指标究竟如何取值是一个需要进一步解决的问题。对于指标层中可以直接量化的效能指标，例如主机最大总功率、冷车起动时间等，可以通过Delphi法，得到指标值与效能值的区间对应关系。例如，经过若干次专家匿名反馈函询，一致认为，就动力性准则而言，当舰船在标准排水量为1 000 t左右时，若主机最大总功率小于6 000 kW，则该项指标的效能值得分为5分（按10分制打分）；若主机最大功率在6 000~8 000 kW，则该项指标的效能值得分为7分；若主机最大功率在8 000~10 000 kW，则该项指标的效能值得分为9分；若主机最大功率大于10 000 kW，则该项指标的效能值得分为10分。

对于指标层中难以量化的指标，例如动力系统操作环境的舒适性，可以通过向专家提供机舱集控室和机旁操作环境的详细描述，以及机电部门有关战位人员的感性认识，由若干专家对该项指标的效能值进行打分，并注明评分的依据。收集整理完专家的评分结果和相应的依据之后，将其汇总并再次匿名函询，得到新一轮的评分结果，然后再收集整理，并再次匿名函询。经过数轮匿名函询之后，专家对该项指标的效能值评分将趋于一致。例如，经过3轮匿名函询后，专家对某动力系统操作环境舒适性的评分均在8分左右，则该项指标的效能值得分即为8分。

当所有底层指标的效能值均已确定之后，就可以根据每一个效能指标的权重和效能值，进行加权求和，从而得到舰船动力系统总的效能值评分。这样，经过建立指标体系和递阶层次结构、基于AHP的权重计算、基于Delphi的底层指标效能值评估，以及最后的加权求和，就能够得到舰船动力系统总的效能评估值。上述效能评估方法的基本流程如图2所示。

图2 基于AHP-Delphi的舰船动力系统效能评估流程

3 评估指标体系构建和权重计算

3.1 舰船动力系统效能评估指标体系

根据对海警舰船动力系统的结构组成、主要功能的全面分析，可以从动力性、机动性、经济性、排放性、人机工程和通用质量特性6个方面综合评价其总体效能，因此，在建立递阶层次结构时，可以上述6个方面的特性为准则。

上述6个准则需要进一步细化为底层的效能评价指标。其中，动力性准则对应的底层评价指标包括最大输出功率、适应负荷变化能力，机动性准则对应的底层评价指标包括冷态起动时间、正倒车换向时间，经济性准则对应的底层评价指标包括滑油消耗率、燃油消耗率、经济转速、购置价格，排放性准则对应的底层评价指标包括氮氧化物（NOx）排放量、未燃烧碳氢化合物（HC）排放量、颗粒物排放量和一氧化碳（CO）排放量，人机工程准则对应的底层评价指标包括操作便利性、操作环境舒适性，通用质量特性准则对应的底层评价指标包括可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性和环境适应性。

根据上述准则和底层评价指标，可以绘制出舰船动力系统效能评估指标体系的递阶层次结构，如图3所示。

图3 舰船动力系统效能评估指标体系的递阶层次结构

3.2 相对权重计算

根据标准AHP方法的实施步骤，由专家对准则层（记为B层）的6个元素对舰船动力系统效能（A层）相对重要度进行两两比较（采用经典的9标度判断方法），得到如下判断矩阵。

计算上述判断矩阵的随机一致性指标并与随机一致性检验标准进行对比，可知该判断矩阵满足随机一致性要求。计算判断矩阵的最大特征值所对应的特征向量，可得Vmax=[0.765 6 0.409 3 0.163 6 0.101 4 0.101 4 0.446 1]。

对该特征向量进行单位化，可得上述6个效能评估准则（动力性、机动性、经济性、排放性、人机工程、通用质量特性）对于动力系统效能的相对重要度权重依次为0.385 2、0.205 9、0.082 3、0.051 0、0.051 0、0.224 5。

类似地，可以分别构造6个评估准则对应的判断矩阵，即C层对B层的6个判断矩阵。通过检验判断矩阵的随机一致性（若未通过检验，需要适当调整判断矩阵）、计算最大特征值及对应的特征向量，再将各特征向量单位化，分别可得到底层效能评价指标对准则层某元素的相对重要度权重。

经过判断、检验、调整和计算，得到底层指标对准则层的相对重要度权重结果见表1。

表1 各层指标的相对权重计算结果

4 舰船动力系统效能评估实例

以海警某型执法舰的动力系统为例，该舰的主要任务是在我国东海海域进行巡逻执法，其标准排水量为600 t，其主动力系统共有4台高速柴油机，单机功率为2 200 kW，每一台主机均配有独立的后传动装置和轴系。主机的起动采用电机带动，备车时间较短，主机的正倒车依靠后传动装置中的齿轮箱实现。经过查阅随舰资料、航行数据统计和舰员反馈，得到关于该舰动力系统较为全面的信息，并经梳理汇总后分发给事前选择好的3名专家。专家按照Delphi法的要求，对动力系统的各个底层指标进行效能值评分，并注明评分依据。经过数轮匿名函询和意见收集之后，专家对该动力系统各项效能评价指标的评分结果基本一致。专家对各项指标的评分结果见表2。

表2 某型舰船动力系统效能指标的Delphi结果

根据表1给出的底层指标对舰船动力系统效能贡献度（总权）分布情况和表2给出的专家评分结果，将二者对应相乘再求和，即可得到该型舰船动力系统的综合效能值为7。由此可知，该动力系统的综合效能处于中等水平，能够满足任务需求，但有较大的改进空间。

5 结束语

通过开展舰船动力系统效能评估，可以判断既有动力系统或备选动力系统方案对舰船使命任务的满足度，为装备的编组运用、改进改型或设计方案优化提供参考。本文针对舰船动力系统效能评估影响因素多而复杂的特点，将AHP与Delphi法相结合，提出一种定量与定性相结合的舰船动力系统效能评估方法。该方法具有流程简单，可行性强和影响因素考虑全面等优点，但评估结果的可信度很大程度取决于所构建的评估指标体系的完善程度。