□ 韓立偉 □ 茍秉宸 □ 蔣 超

西北工業(yè)大學 機電學院計算機輔助工業(yè)設計實驗室 西安 710072

1 概述

海洋作為覆蓋地球表面最大的區(qū)域，蘊含著豐富的生物資源和礦物資源［1］，隨著陸地資源的過度開發(fā)和使用，海洋已經(jīng)成為各國競爭的新領域。作為西北工業(yè)大學計算機輔助工業(yè)設計實驗室承接的國家重點863項目，載人深海潛水器的相關研究不僅對我國載人深潛技術的開發(fā)和研究有著重要作用，也對國家海洋資源的探索有著重要意義。載人深海潛水器艙為標準球形艙，艙內(nèi)環(huán)境設計主要針對能直接影響潛航員和乘客的工作效率、心理、生理、安全和舒適度等方面的艙內(nèi)設備進行整體設計和優(yōu)化，在保證人員安全的同時提高作業(yè)效率。因此，深海潛水器的艙內(nèi)環(huán)境設計是深海潛水器總體設計中不可忽視的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，用于設計評價的理論方法有很多，如模糊評價法、質(zhì)量功能展開法、灰色關聯(lián)法、層次分析法、數(shù)理統(tǒng)計評價法及專家系統(tǒng)評價法。隨著深入研究，模糊層次分析法［2-3］、模糊熵權(quán)法［4］等更為綜合的評價方法也相繼提出。然而以上大部分評價方法具有主觀性和評價指標單一性，無法客觀選取指標權(quán)重和考慮系統(tǒng)多指標之間的聯(lián)系，不能滿足此類由多層次灰色關聯(lián)信息構(gòu)建的深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境綜合系統(tǒng)。

本文將層次分析法 (AnalyticalHierarchyProcess,AHP)引入灰色關聯(lián)系統(tǒng)理論，建立多層次、多指標的層次灰色關聯(lián)系統(tǒng)模型，確定評價指標權(quán)重值并對評價值定量化處理，求出各個指標的灰色關聯(lián)性，更為先進和科學地對深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計進行評價。

2 潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標體系

潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價主要是對載人艙內(nèi)環(huán)境的整體性、功能性和人機性等方面設計的優(yōu)劣進行綜合評價。參考灰色系統(tǒng)理論方法［7-10］，將評價指標逐層細化為多個因素集，制定出潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標層次體系，該評價指標體系是一個由多個分系統(tǒng)構(gòu)成、具有灰色性和層次性的層次灰色關聯(lián)系統(tǒng)。

依據(jù)最終評價目標和實際設計目標，并結(jié)合工業(yè)設計理論知識和已有設計評價指標準則［4-6］，將潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標主要確立為4個方面：整體造型、艙內(nèi)色彩、人機功效、其它。由于學科知識限制和實際設計的需求，根據(jù)設計中所需要考慮的重點因素，對指標層因素進行優(yōu)化篩選，省略實際設計中重要程度較低的要素，例如設備造型具有藝術感，最終建立載人深海潛水器艙內(nèi)人機環(huán)境設計評價指標層次體系，如圖2所示。

▲圖1 載人深海潛水器艙示意圖

3 層次灰色關聯(lián)分析模型

灰色關聯(lián)分析方法主要針對灰色系統(tǒng)中指標間動態(tài)關系提供量化分析和描述，但無法全面評估指標間的重要度關系。層次分析法實質(zhì)是將復雜問題簡化、拆解為多項指標因素，并通過相互之間重要程度的比較，建立層次模型和構(gòu)建判斷矩陣。因此，可用于確定評價體系中各指標的權(quán)重值。

設潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計中待評價的n個方案組成灰色系統(tǒng)的方案集，其中｛X0｝是參照方案。每個方案有M個因素集，即指標集。按其不同屬性，將其分解為m個灰色分系統(tǒng)， 每一分系統(tǒng)分別有 m1、m2、．．、mm個因素，滿足：

▲圖2 載人深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標層次體系

3.1 分系統(tǒng)的灰色關聯(lián)

設第i灰色分系統(tǒng)中第j方案的mi因素可用矢量Xi，j表示：

第i灰色分系統(tǒng)母方案（參考方案）mi的因素可用矢量 Vi，0表示為 Vi，0=［vi，01，vi，02，...，vi，0m］T。對于灰色分系統(tǒng)中mi因素考慮不同的權(quán)重，其權(quán)矢量表示為wih=［wi1，wi2，...，wim］，并且滿足。 其中 wih為灰色分系統(tǒng)中第 h 因素的權(quán)重，h=1，2，...，mi。

第i灰色分系統(tǒng)中每一方案與該系統(tǒng)中母方案（參考方案）的關聯(lián)系數(shù)為：

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ∈（0，1），一般情況下取 0.5。

由式（3）可見，關聯(lián)系數(shù)反映了第j方案與母方案的緊密程度。關聯(lián)系數(shù)最大，說明j方案就是母方案；反之關聯(lián)系數(shù)越小，說明j方案與母方案差別越大。

第i灰色分系統(tǒng)中每一方案與該分系統(tǒng)中母方案的關聯(lián)度為：

關聯(lián)度分析實質(zhì)上是灰色系統(tǒng)中每一方案與該系統(tǒng)中母方案進行幾何關系的比較。對每個分系統(tǒng)，利用式（3）可求得幾個方案與母方案的關聯(lián)度，為了論述方便，令：

如要進行灰色系統(tǒng)高一層的灰色關聯(lián)分析，可采用式（6）:

式（6）是進行灰色系統(tǒng)高一層灰色關聯(lián)分析的依據(jù)。

3.2 全系統(tǒng)的灰色關聯(lián)模型

設灰色系統(tǒng)母方案的m個因素表示為：

V1i=［v11，v12，…，v1m］T對灰色系統(tǒng)中的 m 個因素考慮不同的權(quán)重，m個分系統(tǒng)的權(quán)矢量表示為：

wi=［w1，w2，…，wm］，滿足：，其中wi為第i個灰色系統(tǒng)的權(quán)重，i=1，2，...，m。

記灰色系統(tǒng)中每一方案與母方案的關聯(lián)系數(shù)為：

式（7）為灰色系統(tǒng)加權(quán)關聯(lián)系數(shù)的計算模型，可用于確定灰色系統(tǒng)中每一方案與母方案的關聯(lián)系數(shù)。對于具有兩個層次結(jié)構(gòu)以上的灰色系統(tǒng)，以此類推。

式（3）、式（7）為灰色系統(tǒng)不同層次關聯(lián)系數(shù)計算模型，其結(jié)構(gòu)相同?；疑到y(tǒng)的加權(quán)關聯(lián)度為：

根據(jù)式（8）可以確定灰色系統(tǒng)每一方案與母方案緊密（靠近）程度［6］，即 Qj1越大，說明該評價方案與母方案越接近，當為最大值時，此方案即為該系統(tǒng)中的母方案。

4 實例驗證

根據(jù)項目需要和要求，需對深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計提交3款設計方案，經(jīng)過評價后選擇相對較優(yōu)方案，再修改完善。

評價小組由設計師、工程師和潛航員等5位專家組成，評價階段主要工作是根據(jù)層次灰色關聯(lián)模型和圖2的評價指標體系，對深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計的3款設計方案進行評價，具體評價步驟如下。

4.1 評價指標權(quán)重值確定

依據(jù)專家經(jīng)驗并采用重要度評價法確立評價指標權(quán)重，即采用5分制李克特量（Likertscale）對評價指標進行重要度的定性評價，其中有 “非常同意”、“同意”、“不一定”、“不同意”、“非常不同意” 五種評級標準，分別記為5分、4分、3分、2分、1分五個分數(shù)值。再通過合計得到每項分值，計算各評價指標的權(quán)重值，并保證評價指標內(nèi)部權(quán)重之和為1，按比例分配各權(quán)重指標。重要度評級結(jié)果和所得評價指標權(quán)重值見表1。

4.2 評價數(shù)據(jù)獲取和無量綱化處理

3款潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計方案的初始評價數(shù)據(jù)，由5位專家根據(jù)圖2中的參考數(shù)據(jù)分別逐項打分并最終取平均分的方式獲得。評分區(qū)間為［90，99］、［80，89］、［70，79］、［60，69］、［0，59］，分別對應“優(yōu)等”、“良等”、“中等”、“合格”、“差等”五個評價級別，專家評分明細和最終評分結(jié)果見表2。為了方便比較，將每個灰色分系統(tǒng)的n個方案所有評價因素分值表示為aij=［ai1，ai2，...，ain］，通過式（9）進行無量綱化處理，得到灰色分系統(tǒng)各方案與母方案評價因素特征值Xij，見表3。

表1 深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標權(quán)重表

表2 深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計方案各評價因素專家評分結(jié)果

表3 灰色分系統(tǒng)各方案與母方案評價因素特征值

表4 設計方案灰色系統(tǒng)關聯(lián)系數(shù)

4．3 加權(quán)關聯(lián)系數(shù)計算

由每項評價指標的最大值構(gòu)成母方案序列，即最優(yōu)方案序列為全“1”序列。取分辨系數(shù) ρ=0．5，根據(jù)式（3）和式（7），可得設計方案灰色系統(tǒng)關聯(lián)系數(shù)，見表4。

由表4和式(8)計算灰色系統(tǒng)加權(quán)關聯(lián)度，見表5。

4．4 評價結(jié)果

根據(jù)表5中各方案與全系統(tǒng)母方案的灰色關聯(lián)度顯見：方案 1（0．836）優(yōu)于方案 3（0．549），方案 3 優(yōu)于方案2（0．534）。但最優(yōu)方案1仍存在許多不足，專家組給出意見是：在可能條件下可參照最優(yōu)設計方案對設計不足的指標項進行設計調(diào)整,完善設計方案，最終設計方案如圖3所示。

表5 設計方案灰色系統(tǒng)加權(quán)關聯(lián)度

▲圖3 深海載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計方案

5 結(jié)論

基于灰色關聯(lián)和層次分析法提出載人深海潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價指標體系，運用層次灰色關聯(lián)模型綜合評價了潛水器艙內(nèi)環(huán)境的3種設計方案，通過提出系統(tǒng)層次灰色關聯(lián)分析理論和對加權(quán)關聯(lián)度進行排序，弱化人為主觀因素影響，增加了評價的可靠性。通過實例驗證，層次灰色關聯(lián)評價方法不僅能夠滿足潛水器艙內(nèi)環(huán)境的多層次灰色系統(tǒng)的評價需求，而且可以通過子系統(tǒng)加權(quán)關聯(lián)度計算得出更優(yōu)的修改方案和反饋意見，補充完善設計內(nèi)容。該評價方法的客觀準確性和科學性，為具有多層次灰色系統(tǒng)特征的載人潛水器艙內(nèi)環(huán)境設計評價提供了一種科學的方法。

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