模糊評(píng)價(jià)方法在船舶動(dòng)力裝置安全評(píng)估中的應(yīng)用

，，

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

隨著世界航運(yùn)業(yè)的迅速發(fā)展，船舶的數(shù)量與日俱增，噸位也不斷加大，海上交通越來(lái)越擁擠，海事事故發(fā)生的概率大幅提高，不僅對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，同時(shí)也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。因此，安全是航運(yùn)界所面臨的最主要問(wèn)題，也是對(duì)船舶的最基本要求。船舶動(dòng)力裝置是船舶的動(dòng)力中樞，所以研究船舶動(dòng)力裝置的安全性對(duì)提高船舶運(yùn)輸?shù)恼w安全性有著重要意義。

1 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法的基本原理

模糊綜合評(píng)判方法是用單因素隸屬函數(shù)來(lái)表示某個(gè)因素對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響,然后利用加權(quán)方法綜合各個(gè)因素對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響,最終得到關(guān)于該評(píng)判對(duì)象的綜合評(píng)判。在船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)中，動(dòng)力裝置總體的安全性與其組成的各個(gè)子系統(tǒng)、各個(gè)設(shè)備，以及各個(gè)零部件之間的關(guān)系十分復(fù)雜，有一定的層次性和模糊性，因此，本文擬采用的是多級(jí)模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型。

1.1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集U

設(shè)因素集[1]U={u1,u2,…,un}，其中元素ui(i=1,2,…,n)是第一層次，即最高層次中的第i個(gè)因素，它由第二層次中的k個(gè)子因素決定，即Ui={ui1,ui2,…,uik}，其中元素uij(i=1,2,…n;j=1,2…k)是第i個(gè)因素的第j個(gè)子因素。同理，第三級(jí)的因素集為：Uij={uij1,uij2,…uijh}。

如有更多層次，依次類(lèi)推。根據(jù)第一層次中各個(gè)元素的重要程度，分別對(duì)每一個(gè)因素給出相應(yīng)的權(quán)值，于是可得到每一層次的因素權(quán)重集。

第一層次的因素權(quán)重集為：

wAi=(wA1,wA2,…,wAn)

wAi(i=1,2,…,n)

wBi=(wB1,wB2,…,wBk)

圖1 船舶動(dòng)力裝置模糊綜合評(píng)價(jià)的遞階層次模型

第二層次的因素權(quán)重集為：

同理，第三層次的因素權(quán)重集為：wCi=(wC1,wC2,…,wCh)

1.2 確定評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域V

由于評(píng)語(yǔ)集是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能作出的評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，無(wú)論因素層次有多少，評(píng)語(yǔ)集只有一個(gè)，可表示為：V={v1,v2,…,vm}

即對(duì)被評(píng)價(jià)事物的等級(jí)劃分，如優(yōu)、良、中、差等評(píng)語(yǔ)。等級(jí)個(gè)數(shù)m通常要大于3而不超過(guò)9，且最好取奇數(shù)。

1.3 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

在多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)中，如在3個(gè)層次的結(jié)構(gòu)情況下，一級(jí)模糊評(píng)價(jià)即對(duì)第三層次的多因素綜合評(píng)價(jià)[2]。即一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的基本模型為：

BCi=wCi°RCi=

式中:“°”是合成算子，它可將權(quán)重向量wCi與模糊關(guān)系矩陣RCi合成，得到被評(píng)價(jià)事物與評(píng)語(yǔ)等級(jí)間的隸屬關(guān)系向量BCi，而RCi是單因素評(píng)價(jià)模糊關(guān)系矩陣。

1.4 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)即對(duì)第二層所有因素的uij(i=1,2…,n;j=1,2,…k)的綜合評(píng)價(jià)，因此一級(jí)模糊評(píng)價(jià)集BCi就是二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)判矩陣RBi：

式中：rik=bik,(i=1,2…,n;k=1,2…,p)

于是當(dāng)?shù)诙?jí)指標(biāo)權(quán)值確定為wBi=(wB1,wB2,…,wBk)時(shí)，第二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)集為：

BBi=wBk°RBk

1.5 三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)矩陣

同理確定三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)矩陣:

則三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)集為：

BAi=wAh°RAh

最后對(duì)模糊評(píng)價(jià)集進(jìn)行歸一化處理，并按照相關(guān)處理方法(如最大隸屬度原則、隸屬度對(duì)比度等)得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

由上述步驟可以看出，在進(jìn)行安全評(píng)估中，確定綜合評(píng)價(jià)的因素集即安全評(píng)價(jià)指標(biāo)、以及因素集所處的等級(jí)的隸屬函數(shù)以及指標(biāo)的權(quán)重值是進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，直接關(guān)系著安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2 船舶動(dòng)力裝置安全評(píng)價(jià)模型

要綜合評(píng)估船舶動(dòng)力裝置在運(yùn)行中所處的安全狀態(tài)，首先是要科學(xué)、合理地建立船舶動(dòng)力裝置的安全評(píng)價(jià)模型。船舶動(dòng)力裝置是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它是很多設(shè)備和系統(tǒng)組成的整體，對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，就必須考慮其組成設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，因此對(duì)動(dòng)力裝置的評(píng)價(jià)，是一個(gè)以船舶動(dòng)力裝置為頂層的多級(jí)評(píng)價(jià)模型。其層次結(jié)構(gòu)根據(jù)船舶動(dòng)力裝置以及其組成設(shè)備，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)的層次進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)層次見(jiàn)圖1。

2.1 劣化度的選取

在船舶動(dòng)力裝置中，確定設(shè)備劣化度是系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的第一步。劣化度指標(biāo)是判斷船舶動(dòng)力裝置的各個(gè)設(shè)備所處的劣化程度。劣化度接近零時(shí),說(shuō)明技術(shù)狀態(tài)良好;劣化度接近或達(dá)到1，表明出現(xiàn)故障;劣化度越接近1，技術(shù)狀態(tài)越差。劣化度是由各設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)、熱工參數(shù)、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、油液信息、設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等狀態(tài)參數(shù)計(jì)算而來(lái)的，根據(jù)這些設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)的不同特性,劣化度的計(jì)算公式也不一樣。在對(duì)船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，最容易得到的指標(biāo)就是設(shè)備的實(shí)際使用臺(tái)時(shí)，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用臺(tái)時(shí)來(lái)估計(jì)劣化度：

式中：t——該部位的使用臺(tái)時(shí)；

T——該部位的平均失效間隔期；

k——指數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)k可取2。

2.2 隸屬度的確定

隸屬函數(shù)是模糊集合的特征函數(shù)，是運(yùn)用模糊理論解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。在模糊集合中，打破了傳統(tǒng)的分類(lèi)集只有0和1的界線，任一元素可同時(shí)部分地屬于多個(gè)模糊子集，隸屬關(guān)系用隸屬的程度來(lái)表示。隸屬函數(shù)是模糊集合的基礎(chǔ)，所以如何構(gòu)造隸屬函數(shù)就是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。隸屬函數(shù)是人們對(duì)客觀事物不分明性的定量描述，必然帶有人們的主觀性，不同的人對(duì)同一模糊概念會(huì)建立不完全相同的隸屬函數(shù).隸屬函數(shù)的優(yōu)劣須經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，并需要不斷的學(xué)習(xí)和修正，一般可以通過(guò)主觀經(jīng)驗(yàn)、分析推理和調(diào)查統(tǒng)計(jì)來(lái)初步建立，然后在通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)來(lái)逐步完善。

在船舶動(dòng)力裝置的安全評(píng)估中，根據(jù)專(zhuān)家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及船舶動(dòng)力裝置的安全的特點(diǎn)，本文采用嶺形分布來(lái)求劣化度為L(zhǎng)時(shí)的技術(shù)狀態(tài)，具體如下[4]：

2.3 權(quán)值的確定

在對(duì)船舶動(dòng)力裝置的安全評(píng)估中，要確保安全評(píng)估的準(zhǔn)確性，必須盡量使評(píng)估各個(gè)因素集的權(quán)重值滿足要求。各因素集權(quán)重的確定是根據(jù)船舶動(dòng)力裝置各個(gè)設(shè)備組成不同，權(quán)重的計(jì)算也不相同，因此在求權(quán)重過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際，盡量使運(yùn)用多種方法綜合計(jì)算，以滿足條件。對(duì)船舶動(dòng)力裝置的安全評(píng)估適合的權(quán)重求法有很多種，主要包括經(jīng)驗(yàn)判斷法、加權(quán)統(tǒng)計(jì)法、加權(quán)算術(shù)平均法、加權(quán)幾何平均法、模糊協(xié)調(diào)決策法、混合加權(quán)平均法、層次分析法、二元對(duì)比排序法等。

3 船舶動(dòng)力裝置安全評(píng)價(jià)模型實(shí)例

由于船舶動(dòng)力裝置的系統(tǒng)比較復(fù)雜，文中僅以某船舶的潤(rùn)滑駁運(yùn)系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)的對(duì)象，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。某船滑油駁運(yùn)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括滑油駁運(yùn)泵、滑油駁運(yùn)泵電機(jī)、濾器、冷卻器、滑油分油機(jī)等。這些設(shè)備在船舶設(shè)備管理中，主要采取定時(shí)維修的方式避免安全事故。但是，針對(duì)其中某一設(shè)備的維修，雖然改善了滑油駁運(yùn)系統(tǒng)可靠性，但不能說(shuō)明滑油駁運(yùn)系統(tǒng)就一定處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)闈?rùn)滑系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)，設(shè)備之間相互影響，相互聯(lián)系的。某一設(shè)備處于良好狀態(tài)時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)不一定處于良好狀態(tài)。因此，船舶動(dòng)力裝置也并非處于良好狀態(tài)，所有對(duì)動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行就不能掉以輕心。潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要設(shè)備在某一時(shí)刻，在沒(méi)有進(jìn)行狀態(tài)檢監(jiān)測(cè)的情況下，其它狀態(tài)參數(shù)無(wú)法測(cè)量，僅僅只可得到設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的情況下，可以根據(jù)其大小和設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間求得設(shè)備的劣化度，見(jiàn)表1。

表1 滑油系統(tǒng)的主要設(shè)備的性能參數(shù)

表2滑油系統(tǒng)主要設(shè)備的權(quán)值

項(xiàng)目評(píng)分合計(jì)權(quán)值駁運(yùn)泵2332?100.25電機(jī)2322?90.225濾器1121?50.125冷卻器1222?70.175分油機(jī)2232?90.225總計(jì)?401

各個(gè)設(shè)備在船舶潤(rùn)滑安全管理中的權(quán)重主要采取二元對(duì)比排序法來(lái)確定。具體做法是每?jī)身?xiàng)進(jìn)行排比打分(共4分)，影響程度最高的為高分，在各個(gè)設(shè)備之間相互進(jìn)行對(duì)比打分，然后將求得的每一項(xiàng)合計(jì)分除總分，歸一化后得到權(quán)重?cái)?shù)，為了更準(zhǔn)確，對(duì)每一設(shè)備可請(qǐng)多個(gè)技術(shù)人員進(jìn)行打分，然后求均值。

則可以求出船舶滑油系統(tǒng)的模糊評(píng)價(jià)具體如下：

B=(0.25,0.225,0.125,0.175,0.225)

則:B=(0.551,0.191,0.260,0.260,0)

由安全評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，船舶滑油系統(tǒng)處于一個(gè)良好的狀態(tài)，暫時(shí)沒(méi)有安全危險(xiǎn)，但需要注意觀察其它設(shè)備的性能參數(shù)，防止設(shè)備發(fā)生意外事故造成損失。

船舶動(dòng)力裝置的總體安全評(píng)價(jià)在潤(rùn)滑系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行多級(jí)安全評(píng)價(jià)，綜合得出船舶動(dòng)力裝置總體的安全狀態(tài)，管理人員根據(jù)船舶動(dòng)力裝置的安全狀態(tài)，安排船舶的出行情況，避免船舶發(fā)生海事事故，造成人員、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

將多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于船舶動(dòng)力裝置的安全評(píng)價(jià)，能夠使船舶管理人員時(shí)刻了解到動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行狀態(tài)，為管理人員制定維修計(jì)劃了提供幫助。將模糊安全評(píng)價(jià)與船舶預(yù)防維修大綱結(jié)合起來(lái)，為船舶管理人員更好的利用船舶設(shè)備提供了可能。

[1] 徐莜欣.船舶動(dòng)力裝置[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2007.

[2] 李士勇.工程模糊數(shù)學(xué)及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[3] 楊鹍鵬.綜合安全評(píng)價(jià)在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用[J].中國(guó)航海,2007 (1) :101-104.

[4] 嚴(yán) 立.交通運(yùn)輸機(jī)械針對(duì)性維修策略與應(yīng)用[M].大連：大連海事大學(xué),2001.