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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

平臺(tái)供應(yīng)船(PSV)工況復(fù)雜，一般要求主推進(jìn)系統(tǒng)具有足夠的動(dòng)力，并需有與動(dòng)力定位配合的微速航行能力和良好的操縱性[1-2]。PSV的主推進(jìn)系統(tǒng)布置方案主要包括雙機(jī)雙槳柴油機(jī)推進(jìn)和電力推進(jìn)。國內(nèi)外PSV一般采用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，隨著交流變換器技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)逐漸獲得實(shí)船應(yīng)用。電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)越性已得到眾多學(xué)者和船舶動(dòng)力專家的研究和肯定[3]，但同柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，其初投資增加、額外能量損耗等成為人們選擇電力推進(jìn)系統(tǒng)的制約因素。因此主推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性因素，必須評(píng)估所有主推進(jìn)系統(tǒng)方案，從中選取整體性能最優(yōu)的推進(jìn)型式。需綜合評(píng)估PSV的主推進(jìn)系統(tǒng)性能。PSV主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)多因素的綜合評(píng)判問題。文中借助于能將各指標(biāo)間關(guān)系明確化的AHP法[4]和便于系統(tǒng)整體評(píng)價(jià)的綜合評(píng)判法[5-7]，建立科學(xué)合理的綜合評(píng)估指標(biāo)體系，研究主推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)便易行的綜合評(píng)估方法。以6 660 kW(9 000 HP)平臺(tái)供應(yīng)船為例，考慮系統(tǒng)的適用性、可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性和人機(jī)性能之間的相互影響，綜合評(píng)判主推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)劣情況。

1 主推進(jìn)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，需要遵循系統(tǒng)優(yōu)化性、可比性、穩(wěn)定性、實(shí)用性和層次性等指標(biāo)選取原則。綜合考慮上述原則，盡可能兼顧指標(biāo)的代表性和全面性，建立適合PSV主推進(jìn)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過調(diào)研、匯總、篩選，分析得出指標(biāo)體系，擬定需要考慮的指標(biāo)因素如下。

1)適用性B1。在滿足船舶功率要求下，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的重量、尺寸的適用性。因此可利用主機(jī)單位有效功率所需系統(tǒng)的總重量以及機(jī)艙的面積飽和度分別衡量不同主推進(jìn)系統(tǒng)的重量和尺寸指標(biāo)。

2)可靠性B2?？煽啃灾赶到y(tǒng)在規(guī)定的維護(hù)、使用條件和時(shí)間內(nèi)，能穩(wěn)定工作的能力。主推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性應(yīng)考慮系統(tǒng)可靠度R、平均無故障工作時(shí)間tMTBF等因素。鑒于系統(tǒng)的tMTBF難以獲得，故只考慮系統(tǒng)可靠度R。

3)維修性B3。維修性指系統(tǒng)在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。系統(tǒng)的維修性應(yīng)考慮其通用性能WT、平均修復(fù)時(shí)間tMTTR、故障可維修程度WF、裝備使用前景(系列化程度與技術(shù)發(fā)展水平)WS等因素。依據(jù)指標(biāo)的選取原則，綜合評(píng)估時(shí)考慮系統(tǒng)故障可維修程度WF、系統(tǒng)使用前景WS。

4)經(jīng)濟(jì)性B4。經(jīng)濟(jì)性是對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)、配置、采購、使用、維修等活動(dòng)中完成規(guī)定任務(wù)所消耗資源的度量。在主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和營運(yùn)的周期中，經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的初投資和燃料年消耗量。

5)機(jī)動(dòng)性B5。推進(jìn)系統(tǒng)迅速改變工況的能力，一般包括啟動(dòng)、加速、倒車及轉(zhuǎn)向等性能。

6)人機(jī)性能B6。人機(jī)性能包括操作舒適性以及配套人數(shù)。舒適性是指操作條件的舒適度，良好的操作條件指較低的機(jī)械噪聲、溫度等；相關(guān)配套人數(shù)則反映了設(shè)備的自動(dòng)化程度。

主推進(jìn)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)見圖1。圖1所示的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括方案層Ai、準(zhǔn)則層Bi和指標(biāo)層Cij(i=1,2,…,6;j=0,1,2,3,4)。

圖1 主推進(jìn)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 主推進(jìn)系統(tǒng)綜合評(píng)估方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定步驟

1)專家的選取。根據(jù)各專家的專業(yè)背景和權(quán)威性給每位專家相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。設(shè)τs是專家的權(quán)重系數(shù)，它是對(duì)專家能力的綜合數(shù)量表示。選取船舶設(shè)計(jì)專家、輪機(jī)工程師、機(jī)務(wù)管理工程師、船舶管理者各2人，并假設(shè)其權(quán)重分別為：τ1=τ2=τ3=τ4=0.15;τ5=τ6=τ7=τ8=0.10。

2)層次結(jié)構(gòu)的建立。將系統(tǒng)的因素按相互間的支配和隸屬關(guān)系分列為不同層次，組成一個(gè)有序的層次結(jié)構(gòu)。

3)比較判斷矩陣的建立。設(shè)比較判斷矩陣

Hk=[αij] (i,j=1,2,…,n)

式中：αij——通過對(duì)Hk準(zhǔn)則的下一層中各要素利用指數(shù)標(biāo)度法兩兩判斷得到。

4)層次排序的確定及一致性檢驗(yàn)。求解判斷矩陣的特征向量w可得到各要素相對(duì)重要性的定量描述。采用方根法計(jì)算各判斷矩陣的最大特征值和特征向量。具體過程如下。

(1)

(2)

(3)

③一致性檢驗(yàn)。二階以內(nèi)判斷矩陣總具有完全一致性；二階以上判斷矩陣，若其一致性比率C.R.<0.1，則滿足一致性要求，否則需重新構(gòu)造比較判斷矩陣直到一致性比率滿足要求。

4)確定指標(biāo)權(quán)重。通過步驟(1)～(3)可得到各層次對(duì)上一層次的排序以及各指標(biāo)對(duì)方案層的總排序，即為其中一位專家的總排序結(jié)果。利用式(4)的加權(quán)算術(shù)平均綜合排序向量法計(jì)算得到所有專家對(duì)各指標(biāo)的綜合排序值Mn×n。

M=τ1w1+τ2w2+…+τsws

(4)

2.2 指標(biāo)的評(píng)價(jià)值

圖1中包括定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，為了能夠?qū)⒍ㄐ灾笜?biāo)和定量指標(biāo)組成一個(gè)有機(jī)的評(píng)價(jià)體系，需運(yùn)用隸屬度函數(shù)對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行定量分析，并標(biāo)準(zhǔn)化處理評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)。

2.2.1 定性指標(biāo)的評(píng)判

通過隸屬度函數(shù)綜合每位專家給出的評(píng)價(jià)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)的定量描述。具體過程為：請(qǐng)n位具有豐富經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的主推進(jìn)系統(tǒng)專家，對(duì)每個(gè)定性指標(biāo)按評(píng)語集U={很好、好、較好、一般、差、較差}進(jìn)行評(píng)判。以可維度指標(biāo)為例，專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)的可維度作定性的判斷，并將結(jié)果用打”√”的方式填在調(diào)查表中。匯總各位專家的評(píng)判結(jié)果，按式(5)處理定性指標(biāo)的評(píng)判值。

(5)

式中:rij——第i項(xiàng)定性指標(biāo)對(duì)于第j方案的隸屬度；

N——評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)；

ρk——第k級(jí)的評(píng)價(jià)值；

nk——第k級(jí)評(píng)判的專家人數(shù)；

m——專家總?cè)藬?shù)。

將決策集U的6個(gè)等級(jí)賦予對(duì)應(yīng)等級(jí)的矩陣值得到評(píng)語矩陣:A=[9,5.1966,3,1.7321,1.3161,1]T，利用式(5)計(jì)算指標(biāo)的定量值并歸一化處理，完成定性指標(biāo)的評(píng)判。

2.2.2 定量指標(biāo)的評(píng)判

要獲得定量指標(biāo)，需配置得到滿足船舶功能要求的不同主推進(jìn)系統(tǒng)方案。通過計(jì)算不同主推進(jìn)系統(tǒng)的重量、尺寸、系統(tǒng)初投資和燃油的年消耗量等指標(biāo)，確定定量指標(biāo)評(píng)判值。

2.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

(6)

2.3 綜合評(píng)估

將各指標(biāo)對(duì)方案層權(quán)重總排序和指標(biāo)評(píng)價(jià)值進(jìn)行復(fù)合計(jì)算可得到模糊綜合評(píng)估的結(jié)果。按上述步驟可確定某一主推進(jìn)系統(tǒng)各指標(biāo)對(duì)方案層的權(quán)重排序和指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，通過式(7)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算得到該方案的綜合評(píng)分。最后將所有備選方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果按值大小進(jìn)行排序，從中挑選出最優(yōu)方案。

B=C°M

(7)

3 實(shí)例應(yīng)用

以6 660 kW)9 000 HP平臺(tái)供應(yīng)船不同主推進(jìn)系統(tǒng)方案為例進(jìn)行綜合評(píng)估。PSV工況包括經(jīng)濟(jì)航行、全速航行、守護(hù)巡航、DP和手動(dòng)靠泊平臺(tái)。分析PSV的有效功率曲線，確定在不同工況下船舶有效功率以及主機(jī)用于推進(jìn)所需的功率；研究PSV電力負(fù)荷報(bào)告，可得到不同工況下用電設(shè)備的負(fù)荷以及所需PTO和發(fā)電機(jī)組的功率。從而選配出滿足要求的雙機(jī)雙槳和電力推進(jìn)系統(tǒng)。以T1和T2分別表示雙機(jī)雙槳和電力推進(jìn)系統(tǒng)。

1)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值。按照2.1指標(biāo)權(quán)重確定方法，可得各層指標(biāo)因素的權(quán)重。表1為專家1對(duì)各層指標(biāo)的權(quán)重排序。將表1中各層次指標(biāo)對(duì)上一層次的權(quán)重進(jìn)行總排序，可得專家1的各指標(biāo)對(duì)方案層的總排序結(jié)果w1。同理可以求出其他7位專家的總排序結(jié)果，并利用式(4)平均每位專家的總排序結(jié)果可得到各指標(biāo)的綜合排序值w=[0.022 3,0.055 5,0.360 9,0.137 6, 0.082 1, 0.060 7,0.055 1, 0.021 2, 0.023 7, 0.039 0, 0.043 6,0.098 3]。

表1 專家1對(duì)各層指標(biāo)的權(quán)重排序

2)確定指標(biāo)評(píng)價(jià)值。

①定性指標(biāo)評(píng)價(jià)值。按2.2.1中的方法，選取2.1中的8位不同領(lǐng)域的專家并對(duì)T1和T2的定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。匯總評(píng)判結(jié)果，并對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理得到T1和T2系統(tǒng)定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，見表2。

表2 定性指標(biāo)評(píng)價(jià)值

②定量指標(biāo)評(píng)價(jià)值。依據(jù)所配置的T1和T2系統(tǒng)，可確定系統(tǒng)重量、尺寸和初投資。分析T1和T2在各工況下的負(fù)荷比和主機(jī)及發(fā)電機(jī)組的油耗曲線，可確定燃油消耗率。結(jié)合各工況的運(yùn)行時(shí)間，可得主推進(jìn)系統(tǒng)的燃油年消耗量。表3為定量指標(biāo)的實(shí)際值，將表2和表3中的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，見表4。

表3 定量指標(biāo)的實(shí)際值

表4 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的評(píng)價(jià)值

3)綜合評(píng)估。依據(jù)表4中的數(shù)值，利用式(7)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算得到T1和T2的綜合評(píng)分分別為0.569 6和 0.796 1。因此T2比T1系統(tǒng)整體性能更優(yōu)，該6 660 kW(9 000 HP)平臺(tái)供應(yīng)船應(yīng)采用電力推進(jìn)系統(tǒng)；T2系統(tǒng)比T1系統(tǒng)節(jié)油，因此PSV采用電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有重要的意義。

4 結(jié)論

基于AHP和模糊綜合評(píng)估理論提出的PSV主推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合的綜合評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)系統(tǒng)的最優(yōu)配置，使主推進(jìn)系統(tǒng)的總體性能最優(yōu)。為充分發(fā)揮各專家的智慧并消除由于個(gè)人偏好而產(chǎn)生的判斷誤差，通過群組AHP法確定各指標(biāo)的權(quán)重值。利用專家評(píng)定的方法解決了指標(biāo)體系中定性指標(biāo)難以量化的問題。為消除各指標(biāo)間的差異，將非極大型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)并利用向量規(guī)范法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到了主推進(jìn)系統(tǒng)歸一化的評(píng)價(jià)值。

該方法是一個(gè)開放的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)自己關(guān)心的問題對(duì)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于指標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化處理過程較復(fù)雜，在今后的研究工作中，可嘗試直接建立平臺(tái)供應(yīng)船主推進(jìn)系統(tǒng)同一尺度的統(tǒng)一型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)需盡可能搜集系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間MTBF、平均修復(fù)時(shí)間MTTR等定量指標(biāo)代替指標(biāo)體系中的系統(tǒng)可靠度、系統(tǒng)可維度等定性指標(biāo)，使得綜合評(píng)估結(jié)果更具有說服力。

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