馬天宇，王濤濤，辛 磊，楊松林，姚曉寧

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

水面無(wú)人艇是一種能夠遙控或自主航行的小型無(wú)人化水面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)［1，2］。通過(guò)搭載不同傳感器或設(shè)備模塊，USV主要用于完成水面巡邏、情報(bào)搜集、監(jiān)視與偵察、反水雷、反潛、中繼通信、干擾敵軍通信網(wǎng)絡(luò)、誘殺敵方潛艇、遠(yuǎn)程火力攻擊等不同任務(wù)［3］。

近年來(lái)，對(duì)于USV的研究，在很多方面都取得了顯著的進(jìn)展。但在水面無(wú)人艇平臺(tái)性能的設(shè)計(jì)方面，一直缺少理論性的體系指導(dǎo)。USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，隨機(jī)性較強(qiáng)，因此這是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。本文以層次分析(AHP)和模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)因素指標(biāo)，建立了USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)的指標(biāo)評(píng)估體系。通過(guò)C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了界面友好的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)模糊綜合評(píng)估軟件系統(tǒng)，并通過(guò)USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)方案算例驗(yàn)證了其可靠性。

1 層次分析和模糊綜合評(píng)判

層次分析法(Analytic Hierachy Process，簡(jiǎn)稱AHP法)是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)專家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種將定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)層次分析方法［4］。

模糊綜合評(píng)判法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題，適合各種不確定性問(wèn)題的解決［5］。

2 評(píng)估體系

USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)，它包括硬件、軟件和環(huán)境等復(fù)雜多變的因素。設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取應(yīng)遵循系統(tǒng)性、可比性、科學(xué)性、實(shí)用性和可操作性，以保證評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。本文在對(duì)USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，吸取相關(guān)船舶領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)［6-8］，構(gòu)建了水面無(wú)人艇平臺(tái)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估體系，如圖1所示。其中，一級(jí)指標(biāo)3個(gè)，分別為:總體性能GP，艇體性能HP和隱蔽性能CP;二級(jí)指標(biāo)16個(gè)，分別為:外形U1，排水量 U2，航速 U3，續(xù)航力 U4，控制方式 U5，快速性U6，操縱性 U7，耐波性 U8，浮性 U9，穩(wěn)性 U10，抗傾覆性U11，雷達(dá)反射波 U12，紅外特性 U13，磁特性 U14，噪聲U15和可見(jiàn)光U16;三級(jí)指標(biāo)10個(gè)，分別為:航向穩(wěn)定性U71，回轉(zhuǎn)性 U72，轉(zhuǎn)艏性和跟從性 U73，停船性 U74，橫搖 U81，縱搖 U82，艏搖 U83，橫蕩 U84，縱蕩U85和垂蕩 U86。

3 評(píng)估流程

3.1 綜合評(píng)估數(shù)學(xué)模型

根據(jù)USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的評(píng)估體系，建立了基于AHP的綜合評(píng)估數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(1)。

圖1 USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估體系

式中:A11、A12和 A13分別為 GP、HP和 CP的權(quán)重;A111～A115分別為U1～U5的權(quán)重，A121～A126分別為 U6～U11的權(quán)重，A131～A125分別為 U12～U16的權(quán)重;A1221～A1224分別為 U71～U74的權(quán)重，A1231～A1236分別為U81～U86的權(quán)重。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，權(quán)重的確定是一項(xiàng)最基本也是最重要的工作。權(quán)重值的大小直接影響到綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，權(quán)重值的變動(dòng)可能引起被評(píng)價(jià)對(duì)象優(yōu)劣順序的改變。因而需合理地確定指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)圖1列出的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)估體系，采用AHP原理，確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重。

USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)方案評(píng)估體系中各指標(biāo)的權(quán)重通過(guò)以下步驟進(jìn)行計(jì)算:

(1)對(duì)同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣(Pi，Qi，Ri)。在判斷過(guò)程中利用1～9標(biāo)度法將定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。1～9標(biāo)度的含義見(jiàn)表1。

(2)由判斷矩陣(P，Q1，Q2，Q3，R1，R2)，采用和積法計(jì)算各級(jí)指標(biāo)判斷矩陣的特征向量(指標(biāo)權(quán)重):

第一層指標(biāo)權(quán)重向量B=(A11，A12，A13);

第二層指標(biāo)權(quán)重向量 C1=(A111，A112，A113，A114，A115)，C2=(A121，A122，A123，A124，A125，A126)，C3=(A131，A132，A133，A134，A135)。

第三層指標(biāo)權(quán)重向量 D1=(A1221，A1222，A1223，A1224)，D2=(A1231，A1232，A1233，A1234，A1235)。

表1 1～9標(biāo)度的含義

(3)一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI為:

式中:n為判斷矩陣A的階數(shù)，λmax為判斷矩陣A的最大特征根。

計(jì)算一致性比例CR:

式中:RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，是CI的修正系數(shù)，RI取值見(jiàn)表2。

經(jīng)計(jì)算，CR＜0.1，判斷矩陣滿足一致性要求。

3.3 隸屬度計(jì)算

隸屬函數(shù)采用模糊分布的方法確定。通過(guò)大量艇體數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的最后一層因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇模糊數(shù)學(xué)中對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行擬合，確定相應(yīng)隸屬度函數(shù)，計(jì)算得出相應(yīng)的隸屬度。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

以二級(jí)指標(biāo)中的續(xù)航力子系統(tǒng)U4為例，構(gòu)造其隸屬度函數(shù)，見(jiàn)式(4)。將U4值代入隸屬度函數(shù)η(U4)中，就可得到相應(yīng)的續(xù)航力的隸屬度。續(xù)航力的模糊分布函數(shù)采用偏小型嶺形分布，其他最后一層的評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算方法同理可得到。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算例分析

VS2010是微軟的一種軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C#是微軟配合平臺(tái)而推出的一種新型的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。它具有C++的功能，又像Visual Basic一樣簡(jiǎn)單。C#利用 VS2010作為其強(qiáng)大的平臺(tái)，使它在Windows圖形界面等方面得到廣泛應(yīng)用。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的平臺(tái)性能設(shè)計(jì)方案的模糊綜合評(píng)價(jià)方法的分析，在VS2010平臺(tái)上應(yīng)用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了界面友好的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)的模糊綜合評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)流程如圖2所示，軟件系統(tǒng)界面如圖3所示。界面主要包括兩方面內(nèi)容:

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

(1)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)設(shè)計(jì)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置和設(shè)計(jì)指標(biāo)的上下限、取值。

(2)評(píng)估計(jì)算得到的評(píng)估結(jié)果。

該軟件系統(tǒng)使用方便，具體操作步驟為:

(1)按照輸入設(shè)計(jì)的要求指標(biāo)，填入權(quán)重，設(shè)計(jì)范圍和設(shè)計(jì)變量。

(2)點(diǎn)擊評(píng)估計(jì)算button控件，軟件系統(tǒng)內(nèi)部的程序會(huì)按設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行計(jì)算，在界面右上方會(huì)顯示得到的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)綜合評(píng)估的結(jié)果。

4.2 算例分析

本文以2艘自主航行的無(wú)人滑行艇USV-1和USV-2為例，對(duì)USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)進(jìn)行模糊綜合評(píng)估。這里主要考慮操縱性和耐波性的指標(biāo)因素的不同。評(píng)估結(jié)果顯示，USV-1值約為0.658 8，USV-2值約為0.754 4;在航向穩(wěn)定性、橫搖、縱搖和橫蕩方面，USV-2有明顯的優(yōu)勢(shì)。綜合比較分析可知:USV-2平臺(tái)性能設(shè)計(jì)方案比較好。由此可見(jiàn)，本文將AHP與模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合運(yùn)用到USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)估中具有一定實(shí)用價(jià)值，為USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)提供了一種可靠的方法。

圖3 軟件系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了基于AHP法的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)的綜合評(píng)估數(shù)學(xué)模型，采用模糊綜合評(píng)判方法構(gòu)造USV平臺(tái)性能總目標(biāo)函數(shù)，利用層次分析法確定了各個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重，通過(guò)大量艇體數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇模糊數(shù)學(xué)中對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行擬合，確定了相應(yīng)隸屬度函數(shù)參數(shù)，最終基于C#語(yǔ)言在VS2010上開(kāi)發(fā)了界面友好的USV平臺(tái)性能設(shè)計(jì)綜合評(píng)估軟件系統(tǒng)并驗(yàn)證了其可靠性，為USV平臺(tái)性能的設(shè)計(jì)提供了一種綜合評(píng)估的新方法和技術(shù)體系。

［1］ 周洪光，馬愛(ài)民，夏朗.無(wú)人水面航行器發(fā)展［J］.國(guó)防科技，2009，30(6):17-20.

［2］ 李家良.水面無(wú)人艇發(fā)展與應(yīng)用［J］.火力與指揮控制，2012，37(6):203-207.

［3］ 馬天宇，楊松林，王濤濤，等.多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展概述［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(6):7-13.

［4］ 穆歌，李巧麗，孟慶均，等.系統(tǒng)建模(第2版)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［5］ 楊松林.工程模糊論方法及其應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

［6］ 曾廣武，吳九強(qiáng)，肖偉，等.艦艇綜合性能優(yōu)化中的層次分析模糊綜合評(píng)判方法及其程序系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)艦船研究，2007，2(1):19-23，29.

［7］ 史國(guó)友，賈傳熒.船舶操縱安全綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型的研究［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23(3):16-20.

［8］ 肖袁根，眭愛(ài)國(guó)，侯小軍，等.基于模糊數(shù)學(xué)法的艦船耐波性綜合評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)造船，2011，52(1):235-244.