王仁義

(廣州打撈局,廣州 510260)

海洋石油平臺達(dá)到報廢年限后若沒有其它用途就必須進(jìn)行拆除.根據(jù)HIS的研究報告未來五年將有600 多座平臺達(dá)到拆除條件,海工平臺拆除市場巨大[1,2].樁腿內(nèi)切割方式因具有作業(yè)效率高、風(fēng)險低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于廢棄導(dǎo)管架平臺的拆除工作中;樁腿切割前需在樁腿內(nèi)進(jìn)行抽泥作業(yè),使樁腿內(nèi)泥面降至內(nèi)切割工作位置.清淤泵是樁腿內(nèi)抽泥系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,對抽泥系統(tǒng)的性能起著決定性作用.

清淤泵的工作性能由多個指標(biāo)所決定,選擇清淤泵時需對各指標(biāo)進(jìn)行綜合分析.計三有等[3]將三角模糊數(shù)引入到模糊層次分析法中,并利用其對大型集裝箱碼頭堆放設(shè)備進(jìn)行了綜合評價,有效減少了專家主觀因素的影響;王宇等[4]利用模糊層次分析法對數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化選擇,分析得出了數(shù)控機(jī)床設(shè)備的最優(yōu)方案;牛清娜等[5]利用模糊層次分析法進(jìn)行機(jī)械設(shè)備維修策略決策,降低了設(shè)備維修的費(fèi)用.陳希祥等[6]利用模糊層析分析法建立了測試設(shè)備的選擇評判模型,為測試設(shè)備選擇提供合理依據(jù).

清淤泵的配置選型是一個多準(zhǔn)則、多屬性的復(fù)雜決策過程.為了實現(xiàn)清淤泵的科學(xué)配置選型,本文基于熵權(quán)-模糊層次分析法建立了清淤泵的數(shù)學(xué)評價模型,并通過計算分析得出了清淤泵的綜合評價權(quán)重,從多種性能相近的清淤泵型號中選出了最優(yōu)方案.

1 清淤泵性能評價方法及評價體系

1.1 熵權(quán)-模糊層次分析法

模糊層次分析法是一種主觀賦權(quán)法,通過專家的賦分來確定各個指標(biāo)權(quán)重的大小,其權(quán)重的選擇受專家主觀經(jīng)驗影響較大[7];而熵權(quán)法是根據(jù)系統(tǒng)的各指標(biāo)提供的信息來確定權(quán)重的方法,熵表征各指標(biāo)的離散程度,指標(biāo)的離散程度越大,則對綜合評價的影響越大[8].熵權(quán)-模糊層析分析法是在模糊層次分析法的基礎(chǔ)上利用熵對準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了修正,有效的減少了主觀因素對評價結(jié)果的影響,使得評價更符合實際情況.

1.2 清淤泵性能評價體系

樁腿內(nèi)抽泥系統(tǒng)中清淤泵的性能直接決定了系統(tǒng)的效率、安全和可靠性等問題.清淤泵的選擇首先應(yīng)滿足抽泥系統(tǒng)的作業(yè)工藝要求,即保證清淤泵的工作揚(yáng)程、流量、功率達(dá)到最佳狀態(tài);其次,受樁腿內(nèi)抽泥系統(tǒng)作業(yè)空間狹小的影響,清淤泵的安裝尺寸、出口直徑、重量等指標(biāo)也需要嚴(yán)格控制;最后,清淤泵的維修周期、使用壽命、供貨周期等應(yīng)盡可能滿足海洋工作環(huán)境及任務(wù)安排的需求,即在工作周期內(nèi)能夠保證較高的使用性能.根據(jù)清淤泵的工況需求,從樁內(nèi)抽泥系統(tǒng)的作業(yè)工藝要求、工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素出發(fā),確定清淤泵性能的評價指標(biāo).

根據(jù)抽泥系統(tǒng)的工作特點,綜合考慮以上影響因素,以清淤泵的最優(yōu)型號為目標(biāo)層,以清淤泵性能評價的具體指標(biāo)為準(zhǔn)則層,以清淤泵的配置方案為方案層,建立清淤泵的性能評價遞階層次模型,如圖1所示.

圖1 清淤泵性能評價遞階層次模型

2 熵權(quán)-模糊層次分析法數(shù)學(xué)理論模型

2.1 建立層次分析模型

某配置決策方案的方案集C={C1,C2,···,Cn},評價指標(biāo)集B={B1,B2,···,Bm},指標(biāo)參數(shù)矩陣其中xij為第j個方案對應(yīng)的第i個評價指標(biāo)參數(shù).通過對所分析的問題進(jìn)行分解組合,建立遞階層次分析模型.

2.2 模糊層次分析法權(quán)重求解

(1)確定優(yōu)先關(guān)系矩陣

利用三標(biāo)度法將相鄰層次的影響因素進(jìn)行重要性對比[9],得出優(yōu)先關(guān)系矩陣式中:

其中,s(i),s(j)分 別為指標(biāo)fi與fj的相對重要性程度.

(2)優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣

構(gòu)建備選方案、制定模糊一致判斷矩陣是模糊層次分析法的核心.若矩陣滿足:rij=rik?rjk+0.5,則R為模糊一致矩陣.通過下面的步驟完成優(yōu)先關(guān)系矩陣到模糊一致矩陣的轉(zhuǎn)化.對F按行求和,記為:

變換得到:

得到的矩陣R即為模糊一致矩陣.

(3)計算指標(biāo)權(quán)重

采用按行求和歸一法來計算指標(biāo)fi對上層因素A的指標(biāo)權(quán)重為:

2.3 熵權(quán)法修正指標(biāo)

(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價指標(biāo)有不同的量綱和數(shù)量級,本文采用負(fù)向準(zhǔn)則,使用隸屬度函數(shù)變換對原始數(shù)據(jù)作歸一化處理,隸屬度函數(shù)如下:

式中,xij是第j個方案的第i個指標(biāo)的數(shù)值.m ax(xi)、min(xi)分別表示第i個準(zhǔn)則相對于各方案的最大值和最小值.

以標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算評價指標(biāo)的信息熵,即:

其中,

若yij對于給定的評價指標(biāo)i全部相等,則:

此時評價指標(biāo)的信息熵最大,取值為:

(2)計算指標(biāo)i的偏差指數(shù)gi

對于給定評價指標(biāo)i,yij的差異性越小,則ei越大,當(dāng)yi1=yi2=···=yin時,ei=emax=1,此時評價指標(biāo)i幾乎無作用.當(dāng)yij的差異性越大,ei越小,故該項指標(biāo)對于評價對象所起的作用越大.定義偏差系數(shù)向量G=(g1,g2,···,gn),其中:

(3)評價權(quán)重修正

利用偏差指數(shù)gi對 前面所求權(quán)重進(jìn)行修正:

2.4 評價方法

本文使用綜合加權(quán)評價法確定最優(yōu)方案.綜合加權(quán)評價法是目前應(yīng)用最為普遍的計算評價指數(shù)的方法,綜合考慮各指標(biāo)對評價因子的影響程度[10].綜合評價權(quán)重越大,表示方案越優(yōu).

3 基于熵權(quán)-模糊層次分析法的清淤泵性能研究

根據(jù)樁腿內(nèi)抽泥系統(tǒng)的工作要求,從諸多型號的清淤泵中篩選出5 種滿足工作要求且性能相近的清淤泵型號,清淤泵的型號及參數(shù)如表1所示.

表1 清淤泵型號及參數(shù)

3.1 模糊層次分析法確定初步權(quán)重

根據(jù)相鄰層次之間的影響,通過兩兩比較建立了11 個優(yōu)先關(guān)系矩陣,目標(biāo)層與準(zhǔn)則層之間的優(yōu)先關(guān)系矩陣為A?Bi,如表2所示.準(zhǔn)則層與方案層之間的優(yōu)先關(guān)系矩陣有B1?Ci,B2?Ci,…,B10?Ci.以B1?Ci為例建立準(zhǔn)則層與方案層的優(yōu)先關(guān)系矩陣,如表3所示.

基于模糊層次分析法將各優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)成模糊一致矩陣,并根據(jù)式(4)求得如表4所示的準(zhǔn)則層的評價權(quán)重.

表2 A?Bi 優(yōu)先關(guān)系矩陣

表3 B1?Ci 優(yōu)先關(guān)系矩陣

表4 準(zhǔn)則層的評價權(quán)重

3.2 熵權(quán)法修正權(quán)重

熵權(quán)法是根據(jù)同一指標(biāo)觀測值的差異度對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),觀測值差異越大則指標(biāo)權(quán)重越大,即熵權(quán)法完全取決于觀測值數(shù)據(jù),是一種客觀賦權(quán)法[11].熵權(quán)法求權(quán)重步驟如下:

首先,對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除各參數(shù)中量綱與數(shù)量級的影響;其次,將參數(shù)代入式(6)與式(7)中分別求得熵與偏差指數(shù);最后利用得到的偏差指數(shù)對模糊層次分析法的權(quán)重進(jìn)行修正,計算得到清淤泵各指標(biāo)的準(zhǔn)則層評價權(quán)重如表5所示.

表5 熵權(quán)修正后的準(zhǔn)則層的評價權(quán)重

3.3 加權(quán)綜合評價

將熵權(quán)修正后的準(zhǔn)則層的評價權(quán)重向量與方案的評價權(quán)重向量作內(nèi)積,得到方案層的綜合評價權(quán)重,計算公式如下:

其中,Qi為第i個 方案的綜合指標(biāo)權(quán)重,0 ≤Qi≤1,Qi越大表示方案越優(yōu);為熵權(quán)修正后的準(zhǔn)則層的評價權(quán)重向量;為模糊層次分析法得到的方案層相對評價權(quán)重向量的轉(zhuǎn)置.采用熵權(quán)-模糊層次分析法得到的綜合評價指標(biāo)權(quán)重如表6所示.

表6 清淤泵配置決策方案綜合評價權(quán)重

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)表6可知,NSQ100-60-45 型清淤泵在所有配置方案中綜合評價權(quán)重最高,NSQ100-60-45為5 種配置方案中的最優(yōu)配置方案.

結(jié)合表4與表5分析可知,流量及揚(yáng)程始終排在第1、2 位,說明清淤泵的流量及揚(yáng)程始終為其選型的過程中的主要考慮因素;在模糊層次分析法的評價權(quán)重中,維修周期與使用壽命的權(quán)重排序相同,經(jīng)過熵權(quán)耦合后,維修周期的評價權(quán)重有所下降,說明使用壽命在清淤泵的選擇中更受重視,熵權(quán)耦合后的評價指標(biāo)權(quán)重更能有效的區(qū)分出評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的重要性.

本文利用偏差指數(shù)對模糊層次分析法的權(quán)重進(jìn)行修正,既保證了重要指標(biāo)所占的權(quán)重,又使得權(quán)重兼顧了主觀性與客觀性;修正后的評價權(quán)重更加精確合理,有效的提高了各指標(biāo)重要性的區(qū)分度,避免了各評價指標(biāo)因差異性小而造成的不合理現(xiàn)象.

4 結(jié)語

(1)熵權(quán)修正后的模糊層次分析法更貼近實際工作需要,適用于具有復(fù)雜屬性的目標(biāo)優(yōu)化決策選型.

(2)將熵權(quán)-模糊層次分析法應(yīng)用于清淤泵配置選型,基于對模糊因素的考慮,強(qiáng)化了問題分析突出點,有效區(qū)分了清淤泵評價體系中各評價指標(biāo)的重要性,提高了配置方案的科學(xué)性和客觀性.

(3)清淤泵是樁腿內(nèi)清淤系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,其配置方案的選擇對樁內(nèi)抽泥系統(tǒng)具有重要意義.從評價結(jié)果看,NSQ100-60-45 型清淤泵具有使用壽命長、揚(yáng)程較高、體積小、價格適中的特點,更適用于樁腿內(nèi)抽泥系統(tǒng).