張 建 李鐵驪

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

基于DHGF法的船舶操縱性綜合評價

張 建 李鐵驪

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

在深入研究船舶的操縱性能的特點(diǎn)和各種系統(tǒng)評價方法的基礎(chǔ)上，提出一種使用方便且行之有效的船舶操縱性能的綜合評價方法。首先，在船舶固有操縱性基礎(chǔ)上，建立了操縱性的指標(biāo)體系。在深入研究Delphi法、層次分析法（AHP）、灰色關(guān)聯(lián)度法以及模糊綜合分析法的基礎(chǔ)之上，提出DHGF集成法，闡述了該方法的構(gòu)造原理和計(jì)算步驟。最后，將DHGF理論應(yīng)用于船舶操縱性評價的實(shí)踐中，得出船舶操縱性評價的結(jié)果與實(shí)際情況相同。提出DHGF集成法不僅在理論上具有優(yōu)越性、科學(xué)性，在應(yīng)用中也具有可靠性和可操作性，從而對工程上船舶的操縱性評價具有一定參考價值。

DHGF法；船舶操縱性；綜合評價

1 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶航行密度不斷增大，船速不斷提高，加之船舶向大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展，以及在限制水域中航行，人們更加關(guān)心船舶的操縱性能否滿足安全上的要求。因此，國際海事組織和各國對船舶操縱性的各個單一指標(biāo)都提出了嚴(yán)格要求。提出的評價船舶操縱性的指標(biāo)一般包括：船舶的旋回性能、保向性能、停船性能以及初始回轉(zhuǎn)性能等。以往的評價方法基本上是從單項(xiàng)性能出發(fā)來評價船舶操縱性的優(yōu)劣。

在對船舶操縱性進(jìn)行綜合評判研究中［1］，由于評判對象中存在的許多因素是灰色 （指信息量少、不充分、為“量”的概念）、模糊（指評判信息中具有概念不明確的因素，可以理解為信息的“質(zhì)”的概念）和難以量化的，使用DHGF算法可以有效地解決這些不確定因素。故應(yīng)用DHGF算法構(gòu)造船舶操縱性評價模型，并對其綜合效能進(jìn)行定量分析計(jì)算。

2 DHGF算法的簡介

基于灰色白化權(quán)和模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法稱為DHGF算法［2-3］。它是由改進(jìn)的Delphi法、層次分析法（AHP）、灰色關(guān)聯(lián)、模糊評判的成功之處結(jié)合而成的。它的理論基礎(chǔ)是灰色理論、模糊數(shù)學(xué)和從定性到定量的綜合集成方法。

灰色系統(tǒng)理論是從信息的非完備性出發(fā)和處理復(fù)雜系統(tǒng)的理論，它不是從系統(tǒng)內(nèi)部特殊的規(guī)律出發(fā)去研究系統(tǒng)，而是通過對系統(tǒng)某一層次的觀測資料加以數(shù)學(xué)處理，達(dá)到在更高層次上了解系統(tǒng)內(nèi)部變化趨勢、相互關(guān)聯(lián)等機(jī)制。模糊數(shù)學(xué)是處理模糊信息的工具，是描述和加工模糊信息的數(shù)學(xué)［4-6］。

DHGF算法的思路是運(yùn)用改進(jìn)的Delphi法匿名討論及統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化待評信息系統(tǒng)項(xiàng)目指標(biāo)，擬定出項(xiàng)目的綜合評價指標(biāo)體系；建立評價指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)；計(jì)算指標(biāo)體系底層元素的組合權(quán)重；給出評價指標(biāo)評價價值矩陣；運(yùn)用灰色理論確定評價灰類；計(jì)算灰色評價系數(shù)，得出灰色評價權(quán)向量和權(quán)矩陣；取得專家評判數(shù)據(jù)，依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論形成評判矩陣；進(jìn)行模糊計(jì)算，得出綜合評價結(jié)果［7-9］。

3 船舶操縱性評價模型的建立

根據(jù)船舶操縱性評價指標(biāo)及衡準(zhǔn)的分析，建立起船舶操縱性評價指標(biāo)體系，其中，W為目標(biāo)層，即所有指標(biāo)的制定是為了進(jìn)行船舶操縱性方案評價；B為第一層指標(biāo)，即直接影響目標(biāo)層的四大類因素；O為第二層指標(biāo)，即影響第一層指標(biāo)的直接因素，也是影響目標(biāo)層的最終因素；P為對象層。具體指標(biāo)見圖1所示。

借助于Delphi法請相關(guān)專家對指標(biāo)體系進(jìn)行重要度評判［10］，且利用層次分析法原理可以得到該遞階層次結(jié)構(gòu)相對于總目標(biāo)的組合權(quán)重：

評估對象的歸類依靠專家打分確定，其評估矩陣是建立在評估者的知識水平、認(rèn)識能力和個人偏愛之上的，因而很難完全排除人為因素帶來的偏差，這就使評估者在評估中提供的評估信息不甚確定，也不甚完全，從而帶有灰色性和模糊性。故本文利用灰色系統(tǒng)評估法和模糊綜合評判來處理專家對評估對象的評估矩陣。

12）在MRI引導(dǎo)下進(jìn)行各種治療（穿刺引流、射頻消融、微波治療、無水酒精注射等）應(yīng)使用專門用于MRI的操作器械，植入的放射性粒子的殼應(yīng)是合金類材料。嚴(yán)禁在MRI環(huán)境下使用具有鐵磁性的介入操作器械。

設(shè)有 r位專家參加評價E ＝ ［E1，E2，E3， …，Er］，將r位專家對所評價信息系統(tǒng)的評價構(gòu)成樣本矩陣，dli表示的含義是對于某一方案該指標(biāo)所能達(dá)到的好壞程度，一般打分標(biāo)準(zhǔn)在1～10之間，分?jǐn)?shù)越高表示對于該方案該指標(biāo)越符合要求。全部專家對所評價指標(biāo)的評價數(shù)據(jù)構(gòu)成樣本矩陣為：

確定評估灰類就是要確定評價灰類的等級數(shù)、灰類的灰數(shù)以及灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)?；翌愐鶕?jù)評價等級通過定性分析確定。常用的白化權(quán)函數(shù)有下述3種：

第 1 灰類（高），設(shè)定灰數(shù)為?∈［d1，∞），第 2灰類（中），設(shè)定灰數(shù)為?∈［0，d2，2d2），第 3 灰類（低），設(shè)定灰數(shù)為?∈［0，d3，2d3），其白化權(quán)函數(shù)分別為：

白化權(quán)函數(shù)的閾值（轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值）可以從評估樣本以外，按照某種準(zhǔn)則或經(jīng)驗(yàn)用類比的方法獲得。一般是基于測度理論，確定綜合評價標(biāo)準(zhǔn)集合V，其中m表示等級，即優(yōu)、良、中和差，以判斷方案的優(yōu)劣。

用灰色統(tǒng)計(jì)法確定灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)，求出dli屬于第e類評價評價標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)fe（dli），據(jù)此求出評判矩陣的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)（記為pie）和總灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)（記為 pi）：

再綜合r位專家對第s個評價對象的評價指標(biāo)用第 e種評價標(biāo)準(zhǔn)的灰色權(quán)值：rie＝pie／pi，進(jìn)而可構(gòu)成權(quán)矩陣R，由指標(biāo)權(quán)重和灰色評價權(quán)矩陣可得白化的綜合評價矩陣A：

由專家按系統(tǒng)應(yīng)用的需要確定評價對象等級集合，即確定等級矩陣V；再求出綜合評價結(jié)果Z：Z＝AVT。按以上步驟可對所評價系統(tǒng)做出綜合評價。

4 DHGF集成法在船舶操縱性能評價中的應(yīng)用

本文以5萬噸油輪的操縱性為研究背景，根據(jù)樣本船舶試驗(yàn)參數(shù)分別進(jìn)行操縱性綜合評價。

表1 船舶的主要參數(shù)

4.1 計(jì)算評價指標(biāo)元素的組合權(quán)重

根據(jù)反饋回來的專家調(diào)查表的統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)，利用歸一化方法整理成判斷矩陣，則O層對于 A 的組合權(quán)重為：W ＝［W1，W2， …，W9］ ＝［0.0683， 0.1784， 0.3103， 0.1721， 0.0623， 0.0858，0.0150，0.0796，0.0282］

表2 船舶操縱性數(shù)值指標(biāo)對比表

表3 判斷矩陣

4.2 確定評價量樣本矩陣

邀請船舶方面的專家，并由這些專家進(jìn)行分析打分。為了便于專家評定，規(guī)定對每一項(xiàng)的打分范圍為1～10分，由各位專家對三條船舶操縱性的各個評價指標(biāo)進(jìn)行打分，由反饋回來的專家調(diào)查表得到專家評價樣本矩陣。

表4 船舶操縱性評價指標(biāo)得分

4.3 確定評價等級

基于WSR思想和測度理論，將船舶操縱性按照整體得分情況分為 I（優(yōu)）、Ⅱ（良）、Ⅲ（中）、Ⅳ（差）4個等級，按照10分制進(jìn)行打分，確定評價等級集合為：

4.4 確定評估灰類

根據(jù)相對域值取值法得到4個域值9，7，5，2，相應(yīng)的灰數(shù)和白化權(quán)函數(shù)如圖2所示。

4.5 計(jì)算灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)

對于指標(biāo)O1，A屬于各灰類的統(tǒng)計(jì)數(shù)為：

同理求出pie和總灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)pi，于是得到：

4.6 確定灰色評估權(quán)值及權(quán)矩陣

由公式rie＝求出灰色評估權(quán)值，并構(gòu)造權(quán)矩陣，則可求得單因素模糊權(quán)矩陣為：

4.7 利用模糊數(shù)學(xué)評判評價等級

由指標(biāo)權(quán)重和灰色評價權(quán)矩陣可得白化的綜合評價矩陣：

則計(jì)算評價結(jié)果

按照操縱性評價體系等級來衡量，該船的操縱性是良好的。

5 結(jié) 論

考慮到船舶操縱性能涉及因素眾多，而且經(jīng)常受到各操縱性指標(biāo)的物理性質(zhì)及量級均不一樣等約束，本文提出了基于灰色白化權(quán)和模糊數(shù)學(xué)的方法，對船舶操縱性進(jìn)行評價，該方法是一種定性和定量相結(jié)合的綜合方法，具有如下特點(diǎn)：

1）引入灰色層次法對船舶操縱性各個指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行求解，該方法是將區(qū)間灰數(shù)的白化處理方法與已有的層次分析法結(jié)合起來而形成的，考慮人對信息認(rèn)知的灰色性，比較適合船舶操縱性評價的特點(diǎn)。

2）對船舶操縱性評價指標(biāo)體系是復(fù)雜的，它受眾多因素的影響，而這些因素中往往既存在模糊性，又具有灰色性。DHGF算法綜合Delphi法、AHP、灰色理論以及模糊評判等方法，有效地解決了這些不確定性因素，可見該方法對于處理含有灰元的多層次模糊評判問題是有效和可靠的。

3）從本章提出的模型可以看出，作為模型的約束條件之一，被選指標(biāo)權(quán)重的大小會直接影響計(jì)算所得到的結(jié)果，所以利用AHP法計(jì)算各層評價指標(biāo)的權(quán)重時，要廣泛征集有關(guān)人員和專家的意見，使得所計(jì)算出的權(quán)重較好地符合實(shí)際情況，從而最大限度地提高該模型的適用性。

4）對于不同類型船舶操縱性的評價，可根據(jù)實(shí)際情況，對各個評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修改，從而提高模型的適用性。此外，根據(jù)待解決問題的實(shí)際情況，對評價指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，該模型也可用于解決其它類似評價問題。

［1］吳曉平，汪玉著.船艦系統(tǒng)綜合評估的理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

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［3］趙煥臣，許樹柏，金生著.層次分析法—一種簡易的新決策方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

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Integrated Evaluation of Ship Maneuverability Based on DHGF Algorithm

Zhang Jian Li Tie-li
School of Shipbuilding Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China

Based on the study of ship maneuverability characteristics together with a variety of performance evaluation systems， a user－friendly and effective control of ship performance evaluation method is presented.Firstly，the index system of manipulation was set based on the inherent maneuverability of ship， and available methods including the Delphi method， the Analytical Hierarchy Process （AHP）， the gray correlation method as well as the comprehensive fuzzy analysis were reviewed，and an DHGF integrated method was therefore proposed on these grounds，architecture principles of this method and the calculation procedure are illustrated.Applying the DHGF theory in an evaluation of ship maneuverability shows that the evaluated results agree with the realistic one.It proves that the DHGF integrated method has advantages both in theory and being able to use reliably and practically，providing reference for evaluation of ship maneuverability in engineering design.

DHGF algorithm；ship maneuverability；integrated evaluation

U661.33

A

1673－3185（2010）06－56－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.06.011

2009-12-02

遼寧省“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（2007186－25）

張 建（1982－），男，碩士研究生。研究方向：船舶操縱運(yùn)動仿真。E-mail：yycjzhang＠163.com

李鐵驪（1963 － ） ，女，副教授，博士生導(dǎo)師。 研究方向：船舶水動力學(xué)。 E-mail：moet＠ dlut.edu.cn