潘華，冀欣

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基于改進(jìn)AHP法和加權(quán)TOPSIS法的艦船電網(wǎng)綜合量化評(píng)估方法

潘華1，冀欣2

（1. 解放軍92728部隊(duì)，上海 200436；2 .海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430030）

現(xiàn)代艦船規(guī)模不斷增大，電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，在滿足總體要求和穩(wěn)定性要求的前提下，電網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案將可以有多種選擇。若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法去解決大型艦船電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又難以保證所得到的設(shè)計(jì)方案能夠在生命力、電氣性能和適裝性等多個(gè)方面達(dá)到最優(yōu)。本文針對(duì)艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)的需求，建立了艦船電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，并結(jié)合改進(jìn)AHP法和加權(quán)TOPSIS法，提出了艦船電網(wǎng)量化評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)典型艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該量化評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和有效性。

艦船電力系統(tǒng) 量化評(píng)估 電力系統(tǒng)生命力 AHP法 TOPSIS法

0 引言

隨著艦船電力推進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步、艦載高能武器裝備的發(fā)展以及全電力艦船概念的提出，艦船綜合電力系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。由于作戰(zhàn)艦船所承擔(dān)的使命和任務(wù)的變化、用電設(shè)備的種類和數(shù)量的不斷增加，艦船電力系統(tǒng)的容量日益增長(zhǎng)，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，重要用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量和供電連續(xù)性的要求不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)大型艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的量化評(píng)估與選擇，是艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的新課題。

本文從艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求出發(fā)，從艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能、電氣性能和適裝性能等方面建立了量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮各分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性程度，結(jié)合改進(jìn)AHP法和加權(quán)TOPSIS法提出了艦船電網(wǎng)的綜合量化評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)幾種典型艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估分析和比較，驗(yàn)證了本文方法的實(shí)用性和有效性。

1 改進(jìn)AHP法的基本原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP法）是由美國(guó)學(xué)者T.L.Satty于1977年提出的一種復(fù)雜系統(tǒng)多目標(biāo)決策方法[4]。它將復(fù)雜系統(tǒng)的決策問(wèn)題層次化，并對(duì)決策者的推理過(guò)程進(jìn)行量化的描述，避免了決策者在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和方案較多時(shí)邏輯推理上的失誤，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在運(yùn)用該方法解決實(shí)際的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，需要解決以下問(wèn)題：

1）確定各準(zhǔn)則和指標(biāo)之間的相對(duì)重要性程度。由于實(shí)際多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的復(fù)雜性，有時(shí)難以對(duì)各準(zhǔn)則和指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。

2）當(dāng)決策者因?qū)ψ罱K的優(yōu)化方案不滿意而對(duì)判斷矩陣作出調(diào)整后，有可能使判斷矩陣不滿足一致性條件，進(jìn)而需要對(duì)判斷矩陣反復(fù)調(diào)整。

為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AHP法進(jìn)行了改進(jìn)，提出一致性不變的判斷矩陣逐步調(diào)整方法。該方法在保證判斷矩陣一致性不變的前提下對(duì)矩陣元素逐步調(diào)整，以保證優(yōu)化結(jié)果滿足決策者的需求。本文采用該方法以建立艦船電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問(wèn)題的權(quán)值體系。

改進(jìn)的AHP法的求解流程如圖1所示，其基本求解步驟為：

1）針對(duì)實(shí)際的多目標(biāo)決策問(wèn)題，明確其各決策層次之間的關(guān)系。

2）構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣A的表達(dá)形式為

3）一致性檢驗(yàn)。衡量判斷矩陣一致性的指標(biāo)可表示為

2 加權(quán)TOPSIS法的基本原理

TOPSIS法又稱為逼近理想解排序法，它是一種常用的有限方案多屬性決策方法[6]。該方法通過(guò)多屬性問(wèn)題的正理想解和負(fù)理想解對(duì)方案集中各方案進(jìn)行排序。該方法的基本應(yīng)用步驟如下：

3 艦船電網(wǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)GJB4000-2000中的相關(guān)要求，本文分別從電力系統(tǒng)生命力性能、負(fù)荷分配均衡性、適裝性等方面對(duì)對(duì)艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行量化評(píng)估，各分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法分述如下。

3.1 電力系統(tǒng)生命力性能

艦船電力系統(tǒng)的生命力要求是艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本要求，它要求在艦船電力系統(tǒng)遭受戰(zhàn)斗損害或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)盡量保證重要性程度較高負(fù)載的供電連續(xù)性。

根據(jù)武器對(duì)艦船船體命中點(diǎn)的概率分布，可獲得該武器在艦船兩舷、前部和后部的一個(gè)完整的命中點(diǎn)序列。根據(jù)武器爆炸半徑和各艙室的三維坐標(biāo)可計(jì)算出在各次攻擊中受損的艙室，進(jìn)而可統(tǒng)計(jì)出在各命中點(diǎn)遭受攻擊后負(fù)載的停運(yùn)情況，以及各負(fù)載的停運(yùn)概率。在此基礎(chǔ)上，可建立下列兩類電力系統(tǒng)生命力指標(biāo)：

該指標(biāo)可表述為

假設(shè)第個(gè)命中點(diǎn)遭受攻擊后，電網(wǎng)供電能力的下降程度為k。該指標(biāo)可表述為

3.2 負(fù)荷分配失衡度

根據(jù)艦船電站設(shè)置的特點(diǎn)，負(fù)荷分配失衡度可以分為電站間負(fù)荷分配失衡度和同一電站下的發(fā)電機(jī)組間負(fù)荷分配失衡度兩類。

3.3電網(wǎng)的適裝性

艦船電網(wǎng)的適裝性不僅關(guān)系到電網(wǎng)元件的布設(shè)難度，同時(shí)還影響到船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和水密防火性能，因此需要對(duì)其作出相應(yīng)的限制。

1）電纜總長(zhǎng)度

從電力系統(tǒng)生命力、適裝性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，應(yīng)盡量減小電纜的總長(zhǎng)度。全艦電纜總長(zhǎng)度可表述為

4 算例

本文以某型艦船電網(wǎng)的5種設(shè)計(jì)方案作為評(píng)價(jià)對(duì)象，按照上文所述方法對(duì)其進(jìn)行量化評(píng)估。各待評(píng)價(jià)方案所對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)指標(biāo)值如表2所示。

1）分項(xiàng)指標(biāo)的歸一化處理

由于各分項(xiàng)指標(biāo)具有不同的量綱和取值范圍，因此需對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。本文基于模糊線性變換的原理，采用半梯形模糊隸屬度函數(shù)對(duì)各分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。由于各分項(xiàng)指標(biāo)值越低意味著待評(píng)價(jià)方案的相應(yīng)性能越優(yōu)。因此，本文采用如下隸屬度函數(shù)對(duì)各分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理

由式（16）計(jì)算得到各待評(píng)價(jià)方案所對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)指標(biāo)的歸一化值，如表3所示。

2）各分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

基于國(guó)軍標(biāo)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求對(duì)各分項(xiàng)指標(biāo)間的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，以構(gòu)造初始判斷矩陣，通過(guò)對(duì)各設(shè)計(jì)方案的排序結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正和優(yōu)化。限于篇幅，以下直接給出最佳判斷矩陣

3）計(jì)算各待評(píng)價(jià)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由于待評(píng)價(jià)方案所對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值越低，其綜合性能越優(yōu)。而在所有待評(píng)價(jià)方案中，方案對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值最低，其數(shù)值僅為0.2120，因此該方案綜合性能最優(yōu)；方案的綜合指標(biāo)值最高，其數(shù)值為0.7957，因此該方案綜合性能最差?？梢?jiàn)，本文提出的基于改進(jìn)AHP法和加權(quán)TOPSIS法的綜合量化評(píng)估方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)多方案的艦船電網(wǎng)的量化評(píng)估。

5 結(jié)論

本文針對(duì)艦船電網(wǎng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，從電力系統(tǒng)生命力性能、負(fù)荷分配均衡性和電網(wǎng)的適裝性等角度出發(fā)，建立了7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)?；诟倪M(jìn)AHP法和加權(quán)TOPSIS法，提出了艦船電網(wǎng)量化評(píng)估方法。算例分析表明，該方法的能夠?yàn)榕灤娋W(wǎng)設(shè)計(jì)方案的選擇與優(yōu)化提供可靠的量化評(píng)估手段，并且為艦船電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持和理論支撐。

[1] 馬偉明．艦船動(dòng)力發(fā)展的方向－綜合電力系統(tǒng)[J]．上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(1)：1-11．

[2] 孫詩(shī)南．艦船電力系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990．

[3] 李麟，沈兵，莊勁武．艦船電力系統(tǒng)[M]：武漢：海軍工程大學(xué)出版社，2001．

[4] Saaty T L．The analytic hierarchy process [M]．New York：McGraw Hill，1980．

[5] 黃靖，張曉鋒，陳雁．船舶綜合電力系統(tǒng)多目標(biāo)故障恢復(fù)模型及應(yīng)用[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：130-137．

[6] Hwang C L，Yoon K P．Multiple attibute decision making: methods and applications[M]．New York：Spring-Verlag，1981．

[7] 董威，王建輝，顧樹(shù)生．關(guān)于偏好信息全序化的加權(quán)TOPSIS新方法[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(17)：3996-3999．

[8] 董威，王建輝，顧樹(shù)生．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(17)：3996-3999．

[9] 崔和瑞，梁麗華，王立紅．基于熵權(quán)TOPSIS分析的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估指標(biāo)體系[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27：172-175．

[10] 杜俊慧，魏法杰．基于灰色理想解法的多屬性決策方法研究[J]．中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，6(29)：510-514．

A Method for Comprehensive and Quantizing Evaluation of Shipboard Power Network Based on Improved AHP and Weighted TOPSIS

Pan Hua1, Ji Xin2

(1. 92787 Army Unit, Shanghai 200436, China ; 2. 92857 Army Unit, Beijing 100086, China）

TM711

A

1003-4862（2014）07-0066-05

2014-04-02

潘華(1981-), 男，工程師。研究方向：電力推進(jìn)系統(tǒng)。