王　鵬，陳迎春，司江濤，何必海

（1.中國商飛上海飛機設(shè)計研究院，上海201210；2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240）

基于層次分析法的民用客機發(fā)動機技術(shù)評價與選型

王鵬1，2，陳迎春1，司江濤1，何必海1

（1.中國商飛上海飛機設(shè)計研究院，上海201210；2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240）

層次分析法是1種有效實用的多目標(biāo)決策方法。針對在大型客機研制中科學(xué)選擇適合的民用航空發(fā)動機問題特點，基于層次分析法，將發(fā)動機的選型要求層次化分解，建立了指標(biāo)技術(shù)評估模型，并考慮不同評估專家分配不同權(quán)重的方法。以現(xiàn)有民用發(fā)動機為例進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：層次分析法在民用客機發(fā)動機選擇中具有合理性、科學(xué)性，符合市場實際情況，適用于民用客機發(fā)動機方案選型，并可為民用客機發(fā)動機工程技術(shù)評估提供科學(xué)依據(jù)。

層次分析法；民用客機；航空發(fā)動機；選型

0　引言

發(fā)動機的噪聲和排放直接影響民用客機的適航性和舒適性，發(fā)動機的耗油率和可靠性在很大程度上影響飛機的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在民用客機設(shè)計初期，對候選民用客機發(fā)動機的評價要取得成效，必須依據(jù)1套科學(xué)可信的評估選擇方法。

民用客機發(fā)動機的技術(shù)選型是1項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到學(xué)科和內(nèi)容有飛機性能、發(fā)動機性能、氣動阻力、質(zhì)量尺寸、安全性、環(huán)保性、供應(yīng)商能力經(jīng)驗等。并且由于民用客機的售價高達(dá)上億美元，使用壽命在20 a左右，因此，民用發(fā)動機技術(shù)參數(shù)的選擇是否合理，選型是否合適、將會直接影響航空公司未來20 a的發(fā)展和盈利［1］。

本文利用層次分析法這種定性和定量相結(jié)合的方法，對候選航空民用發(fā)動機進(jìn)行全面、客觀的評價與技術(shù)選擇［2-6］，并且考慮發(fā)動機需滿足飛機要求的各項指標(biāo)，建立1套技術(shù)評價指標(biāo)體系，得出各種影響因素的權(quán)重系數(shù)。通過對影響民用發(fā)動機各指標(biāo)的評價和分析，對候選發(fā)動機進(jìn)行綜合技術(shù)評估，選出符合民用客機要求的最適合的發(fā)動機［7-8］。為整體綜合評價候選民用發(fā)動機提供1種實用可行的定量綜合評價方法，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1　技術(shù)評估指標(biāo)

民用發(fā)動機的評價涉及到的多種參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，某些評估指標(biāo)之間相互影響和制約，所以不能簡單使用定量的方法來確定。評價指標(biāo)選擇應(yīng)有代表性，在數(shù)據(jù)可信性、獨立性的原則上選?。?］。從而按照評價指標(biāo)全面、層次清晰，能夠簡明科學(xué)地構(gòu)建反映民用發(fā)動機綜合性能的評估模型，其評價指標(biāo)的選取應(yīng)著眼于發(fā)動機整體性能和飛機總體需求。本文選取發(fā)動機綜合性能評價指標(biāo)的流程［10］如圖1所示。

圖1　評價指標(biāo)建立流程

評價民用發(fā)動機的指標(biāo)與因素較多，各指標(biāo)的范疇不盡相同，因此民用發(fā)動機選型是1個復(fù)雜的決策過程。對于發(fā)動機的總體評價可分解為多方面，本文確定發(fā)動機技術(shù)評價指標(biāo)［1，11-15］如圖2所示。對選用指標(biāo)進(jìn)行分類，歸納到某具體特性來反映民用飛機總體性能的分性能［5］，構(gòu)成評估模型的中間層。

圖2　發(fā)動機技術(shù)評價指標(biāo)

2　層次分析法

2.1層次分析法的概念［16-17］

民用發(fā)動機優(yōu)化選型的決策問題可以歸結(jié)為運籌學(xué)研究的范圍，目前國內(nèi)外多采用模糊評判法、聚類分析法、層次分析法等進(jìn)行計算決策。其中層次分析法計算的誤差最小，并且由于其在處理復(fù)雜的決策問題上的實用性和有效性，在大型決策問題中應(yīng)用最廣。其最大優(yōu)點是可以處理定性和定量相結(jié)合的問題，可以將決策者的主觀判斷與政策經(jīng)驗導(dǎo)入模型，并加以量化處理。采用層次分析法綜合評估候選民用客機發(fā)動機供應(yīng)商。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是將與任務(wù)決策相關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法論。該方法是美國運籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂（T·L·Satty）于20世紀(jì)70年代初提出的1種層次權(quán)重決策分析方法。其特點是在對需要決策的復(fù)雜問題的影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用少量的定量數(shù)據(jù)使決策的過程數(shù)學(xué)化，從而能為多準(zhǔn)則、無明顯結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。

2.2計算流程

運用AHP方法建模，通常分為5個步驟進(jìn)行［10］，計算流程如圖3所示。

圖3　計算流程

2.3遞階層次結(jié)構(gòu)模型建立

民用客機發(fā)動機優(yōu)化選型模型，首先要將民用發(fā)動機選型評估問題條理化、層次化，構(gòu)造出1個層次分析的結(jié)構(gòu)模型。在分析模型中，將選型的復(fù)雜問題分解為各種組成部分（稱為元素），再按屬性將元素分成若干組。將同組元素作為準(zhǔn)則，對組內(nèi)元素起支配作用，同時又受到同一層次目標(biāo)層的支配。最高層是目標(biāo)層，是需要解決問題的預(yù)定目標(biāo)，中間層各組為要實現(xiàn)目標(biāo)所涉及、考慮的準(zhǔn)則，最底層為實現(xiàn)目標(biāo)可能采取的各種措施、技術(shù)指標(biāo)等。

使用層次分析法建立發(fā)動機選型模型包括4個層次：第1層目標(biāo)層為最終優(yōu)選民用客機發(fā)動機；第2層準(zhǔn)則層為發(fā)動機選優(yōu)的評價方面（準(zhǔn)則）；第3層為各準(zhǔn)則層下對應(yīng)的具體發(fā)動機指標(biāo)參數(shù)；第4層方案層為備選民用發(fā)動機。

判斷矩陣構(gòu)造、權(quán)重系數(shù)計算、判斷矩陣一致性檢驗、目標(biāo)層的權(quán)重計算等采用常規(guī)方法，不在此詳細(xì)描述。

3　民用發(fā)動機評估

3.1評估模型建立

根據(jù)民用飛機的頂層發(fā)動機需求，首先提出1個總目標(biāo)。為了能對候選發(fā)動機進(jìn)行評價，提高選型評估和選擇的準(zhǔn)確性和客觀性，將各指標(biāo)和需求按層次分解。將發(fā)動機相關(guān)各參數(shù)和因素根據(jù)其相互關(guān)聯(lián)和隸屬關(guān)系劃分為1個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，對同一層次內(nèi)的諸因素通過兩兩比較的方法確定出相對于上1層目標(biāo)的各自的權(quán)系數(shù)。這樣層層分析下去，直到最后1層，即可給出所有因素相對于總目標(biāo)而言的重要性程度的排序。分析步驟［5］如圖4所示。

圖4　發(fā)動機選型AHP分析步驟

建立基于層次分析法的動力裝置系統(tǒng)選擇評估模型，用來進(jìn)行發(fā)動機評價和選擇，見表1。

3.2專家打分與客觀數(shù)據(jù)結(jié)合的權(quán)重計算

由于各發(fā)動機評價和分性能指標(biāo)對發(fā)動機綜合性能的影響程度不同，需要明確評估指標(biāo)間的權(quán)重。采用專家打分的方法構(gòu)成判斷矩陣，請專家將指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的重要程度，準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的重要程度進(jìn)行比較，得出判斷矩陣。如準(zhǔn)則層6個分性能對準(zhǔn)則層的判斷矩陣為

計算得出準(zhǔn)則層3個分性能對目標(biāo)層的相對權(quán)重為（0.53960.29700.1634），同理可以計算出指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的相對權(quán)重（0.46730.27720.1601 0.0954），以及所有指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的相對權(quán)重系數(shù)（0.53960.29700.1634），（0.66670.3333）。由式（3）可計算出所有指標(biāo)層參數(shù)對目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)（0.25220.14960.08640.0515……0.1089 0.0545）。同時考慮不同專家間的權(quán)重影響。

針對被評候選民用發(fā)動機，采用發(fā)動機原始數(shù)據(jù)對比和專家定性評估相結(jié)合的方法，生成判斷矩陣，計算方法同上。

表1　候選發(fā)動機AHP模型結(jié)構(gòu)

4　實例分析

為了能夠更好地說明以上建立的候選民用發(fā)動機技術(shù)評價方法和評估模型，以國際知名的3種發(fā)動機為評價對象，根據(jù)民用客機的實際需求，舉例分析。按照AHP法建立的評估模型，通過專家打分計算得出最終的準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)見表2。

同樣，通過專家打分計算得出指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)，見表3。

候選發(fā)動機評估結(jié)果見表4，發(fā)動機A與B分析結(jié)果相差不大，此2型發(fā)動機在國際上市場占有量大，分析結(jié)果符合實際航空公司選擇結(jié)果。計算結(jié)果顯示發(fā)動機A最優(yōu)，表示該型發(fā)動機更適合該型飛機。算例表明使用層次分析法建立的發(fā)動機選型分析計算模型正確、客觀的反映了動力裝置評估內(nèi)容，并形成1個直觀的數(shù)值結(jié)果。

表2　準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)

表3　指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)

表4　候選發(fā)動機評估結(jié)果

5　結(jié)束語

民用客機發(fā)動機是1個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，對民用客機的影響因素繁多，因此對候選民用發(fā)動機客觀的技術(shù)評估是1件難度較大且復(fù)雜的工作，而民用客機發(fā)動機選型直接影響民用客機運營的性能和研發(fā)成本。本文將層次分析法引入民用客機候選發(fā)動機的技術(shù)評價與選擇，建立其綜合評價指標(biāo)體系和選型評估方法，并建立選型評估模型，實現(xiàn)了對候選發(fā)動機實施有效、科學(xué)、客觀的綜合評估和選擇。從以上應(yīng)用實例的分析評價結(jié)果看，該方法切實可行、符合客觀實際。將候選發(fā)動機的各種影響因素以數(shù)值形式表現(xiàn)出來，對比效果直觀，有助于選擇適合的民用客機發(fā)動機，提高客機在未來市場中的競爭力，并為民用發(fā)動機綜合評估論證提供了一定的理論依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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（編輯：張寶玲）

Technology Evaluation and Choice of Civil Aircraft Engine Based on Analytic Hierarchy Process

WANG Peng1，2，CHEN Ying-chun1，SI Jiang-tao1，HE Bi-hai1
（1.COMAC Shanghai Aircraft Design Institute，Shanghai 201210，China；2.School of Aeronaufics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Analytic Hierarchy Process（AHP）is an effective and practical multi-objective decision-making method.Aiming at the characteristics of the suitable civil aeroengine selected scientifically in development of civil aircraft，the choice requirement of engine was decomposed hierarchically based on AHP.The evaluation model of index technology was built，and the method of different evaluation experts assigned different weights was considered.Taking the existing civil engine as example，the analysis results show that AHP is reasonable，scientific in the choice of civil aircraft engine，and fits market fact.The method is suitable for the scheme choice of civil aircraft engine，and provides the scientific basis for engineering technology evaluation for civil aircraft engine.

AHP；civil aircraft；aeroengine；choice

V 219

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.017

2016-03-22基金項目：

王鵬（1976），男，碩士，高級工程師，主要從事民用飛機推進(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計工作；E-mail：wangpeng@comac.cc。

引用格式：王鵬，陳迎春，司江濤，等.基于層次分析法的民用客機發(fā)動機技術(shù)評價與選型［J］.航空發(fā)動機，2016，42（5）：98-102.WANGPeng，CHEN Yingchun，SIJiangtao，etal.TechnologyevaluationandchoiceofcivilaircraftenginebasedonAnalyticHierarchyProcess［J］.Aeroengine，2016，42（5）：98-102.