艦艇狹水道操縱安全的模糊評價(jià)模型

石嘉晟 劉常波 丁風(fēng)雷

海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071

艦艇狹水道操縱安全的模糊評價(jià)模型

石嘉晟 劉常波 丁風(fēng)雷

海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071

艦船狹水道航行是航渡中影響安全的重要階段。為了安全高效地操縱艦船，有必要對其安全性進(jìn)行定量安全評價(jià)。采用基于AHP模糊評判方法，介紹權(quán)重的計(jì)算并結(jié)合實(shí)例說明如何用模糊評判的方法，得出量化的結(jié)果，以及在實(shí)際問題上的應(yīng)用，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

層次分析；權(quán)重；模糊評判；安全；操縱性

1 引言

艦艇操縱者為保持或改變艦艇運(yùn)動狀態(tài)所進(jìn)行必要的觀察、分析、評價(jià)、判斷、下達(dá)指令乃至實(shí)施控制的全過程即為艦艇操縱。艦艇操縱系統(tǒng)由人、艦艇和艦艇所航行環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，而艦艇航行環(huán)境又包含操縱環(huán)境、交通環(huán)境和信息環(huán)境，這里主要討論對操艇環(huán)境的評價(jià)［1］。為了安全而高效地操縱艦艇，操縱者必須搜集和測定必要的信息并對上述信息進(jìn)行必要的分析及處理，對操艇信息進(jìn)行測定、分析和處理的過程就是對艦艇操縱安全進(jìn)行評價(jià)的過程。

相比于對數(shù)據(jù)的要求比較高，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、充分，分析完整，判斷和假設(shè)合理的概率危險(xiǎn)評價(jià)法，模糊綜合評價(jià)的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用上相對容易實(shí)現(xiàn)；相比于各評價(jià)指標(biāo)相互獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性的評分評價(jià)法，模糊綜合評價(jià)具有系統(tǒng)性。

艦艇在狹水道操縱時(shí)，具有復(fù)雜、影響因素眾多的特點(diǎn)，而且很多因素概念模糊，難用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型加以描述，使得人們幾乎無法預(yù)測其是否安全。模糊綜合評價(jià)是在模糊的環(huán)境中，考慮多種因素的影響，出于某種目的對某事物做出的判斷，它可以處理用其它方法難以處理的模糊信息。因此，本文采用模糊的方法對艦艇狹水道操縱安全進(jìn)行評價(jià)［2-5］。

2 運(yùn)用層次分析法的評價(jià)方法

層次分析法（AHP），是從定性分析到定量分析綜合集成的一種典型的系統(tǒng)工程方法，它將人們對復(fù)雜系統(tǒng)的思維過程數(shù)學(xué)化，將人的主觀判斷為主的定性分析進(jìn)行定量化，將各種判斷要素之間的差異數(shù)值化，幫助人們保持思維過程的一致性，適用于復(fù)雜的模糊綜合評價(jià)系統(tǒng)，是目前一種被廣泛應(yīng)用的確定權(quán)重的方法。AHP在實(shí)用中存在的主要問題是如何構(gòu)造、檢驗(yàn)和修正判斷矩陣的一致性問題和計(jì)算判斷矩陣各要素的權(quán)重。目前已提出的處理方法的主要問題是主觀性強(qiáng)、修正標(biāo)準(zhǔn)對原判斷矩陣而言不能保證是最優(yōu)的或只對判斷矩陣的個(gè)別元素進(jìn)行修正，但至今尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的修正模式，實(shí)際應(yīng)用AHP時(shí)多數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)和技巧進(jìn)行修正，缺乏相應(yīng)的科學(xué)理論和方法指導(dǎo)。AHP主要包括四個(gè)方面內(nèi)容：

1）建立描述系統(tǒng)功能或特征的內(nèi)部獨(dú)立的遞階層次結(jié)構(gòu)；

2）兩兩比較結(jié)構(gòu)要素，構(gòu)造出所有的評判矩陣；

3）解矩陣，得出特征根和特征向量并檢驗(yàn)每個(gè)評判矩陣的一致性；

4）計(jì)算各層元素的組合權(quán)重。如果指標(biāo)數(shù)目超過7個(gè)，可以將各指標(biāo)分層歸類。

鑒于AHP本身的有效性和準(zhǔn)確性，所求取的各層指標(biāo) （包括最低層指標(biāo)）的權(quán)重是合理有效的。因此，可以采用改進(jìn)AHP來確定各層指標(biāo)的權(quán)重。但在多指標(biāo)綜合評價(jià)中 （如指標(biāo)數(shù)超過7個(gè)），AHP不適于求取各指標(biāo)的權(quán)重。

3 評價(jià)模型

針對艦船狹水道操縱的特點(diǎn)，將AHP和模糊理論相結(jié)合建立了安全評價(jià)模型［6-10］。

1）確定質(zhì)量評價(jià)的影響因素論域

和評語等級矩陣

式中，ui為最低層指標(biāo)（i=1，2，…，n）。 如果n≥7，則可以采用分級的層次結(jié)構(gòu)，同一級指標(biāo)按照屬性分為不同的模糊子集，各個(gè)子集下又可包含有小指標(biāo)，小指標(biāo)下還可以有小指標(biāo)的結(jié)構(gòu)，并保證總目標(biāo)及每個(gè)指標(biāo)下所對應(yīng)的的下一層指標(biāo)的個(gè)數(shù)不超過6個(gè)。m為評語等級集合的個(gè)數(shù)，每一個(gè)等級可對應(yīng)一個(gè)模糊子集。具體等級可以依據(jù)評價(jià)內(nèi)容用適當(dāng)?shù)恼Z言描述。

2）判斷矩陣是由專家組確定的。通常專家組的人數(shù)在5～20之間，專家不同，對定性事物的看法必將有差異。所以，通過各個(gè)專家對評估因素的判斷，可以得到多個(gè)判斷矩陣。而我們并不能武斷地說哪個(gè)專家的判斷才是最準(zhǔn)確的意見，也不能因?yàn)槟奈粚＜业囊庖娕c大多數(shù)專家的意見相悖，就不考慮他的意見，故必須找出一種方法對專家的意見進(jìn)行處理。

①計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi

則 W ＝ ［W1，W2，…，Wi，…，Wn］T為所求的特征向量，就是所要求的評價(jià)因素的權(quán)重。

3）一致性檢驗(yàn)

計(jì)算比較判斷矩陣的最大特征值λmax

式中，（AW）i表示向量AW的第i個(gè)元素，n是判斷矩陣的階數(shù)。

一致性的判據(jù)為CR＜0.10時(shí)，即認(rèn)為A的不一致程度在容許范圍內(nèi)，可用其特征向量作為權(quán)向量，否則要重新成對比較.對A加以調(diào)整。

一致性檢驗(yàn)的必要性，即要求判斷具有大體的一致性是應(yīng)該的，若出現(xiàn)A比B極端重要，B比C極端重要，C又比A極端重要的情況顯然是違反常識的，而且，當(dāng)判斷偏離一致性過大時(shí)，排序向量計(jì)算的特征根法將出現(xiàn)某些問題。因此，在求出后，要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，這是保證結(jié)論可靠的必要條件。

4）確定評價(jià)指標(biāo)集

狹水道艦艇操縱安全評價(jià)指標(biāo)是由艦艇操縱性能、地形環(huán)境條件、航行條件和船舶操縱信息組成。艦艇在狹水道中航行的5種基本性能的衡量指標(biāo)分別為：15°舵角的回舵實(shí)驗(yàn)中剩余角速度；Z形實(shí)驗(yàn)中的初始轉(zhuǎn)艏時(shí)間；旋回實(shí)驗(yàn)中的相對回轉(zhuǎn)直徑；倒車沖程與船長之比以及能夠維持舵效的最低航速。

在地形條件中，航道寬度的衡量指標(biāo)為航道寬度與船寬之比，航道彎曲度的衡量指標(biāo)為曲率半徑與船長之比。

航行條件中，其各因素對艦艇操縱性能的影響，是通過艦艇在這些航行條件下的操縱性能與標(biāo)準(zhǔn)條件下艦艇操縱性能比較得到的，這里所謂的標(biāo)準(zhǔn)條件是指無風(fēng)、無流、無浪且水深為無限深的狀態(tài)。

在操船信息中，把能見度與船長之比作為視距的衡量指標(biāo)，而航道中助航設(shè)施主要考慮浮標(biāo)數(shù)目，這里取平均每10 nmile的航道一側(cè)浮標(biāo)數(shù)作為其指標(biāo)值。

各指標(biāo)因素的相對權(quán)重由層次分析法來確定。根據(jù)這個(gè)方法可得出系統(tǒng)安全性評價(jià)指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 安全評價(jià)指標(biāo)體系

5）對每個(gè)影響因素進(jìn)行評價(jià)，建立其模糊關(guān)系矩陣 R。逐個(gè)對影響因素從底層指標(biāo) ui（i＝1，2，…，n）上進(jìn)行量化，也就是確定從單指標(biāo)來看影響因素對模糊子集的隸屬度，進(jìn)而得到式（2）所示的模糊關(guān)系矩陣R。

式中，rij表示某個(gè)影響因素從指標(biāo)ui來看對vj等級模糊子集的隸屬度。

6）計(jì)算各影響因素的評價(jià)結(jié)果向量S，并作綜合評判

式中，“g”代表模糊合成算子；S是評價(jià)結(jié)果向量，它反映了該影響因素對評語論域V中各模糊子集的隸屬程度，確定此產(chǎn)品所對應(yīng)的等級。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上一節(jié)建立的評價(jià)模型對某狹水道中某型艦艇操縱的安全性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合該艦艇和狹水道的特點(diǎn)建立了表1所示的2級層次結(jié)構(gòu)評價(jià)體系。艦艇操縱安全性的總目標(biāo)：一級為A1～An，共4個(gè)影響因素；二級為10個(gè)具體的影響指標(biāo)，用B1～B10來表示。

表1 評價(jià)指標(biāo)

該艦船狹水道航行的操縱安全性可以分為7個(gè)等級：極其危險(xiǎn) v1，危險(xiǎn) v2、略有危險(xiǎn) v3、無危險(xiǎn)感覺v4、略感安全 v5、安全 v6和極其安全v7；對應(yīng)的評語等級矩陣為：

表2 模糊子集表

總共聘請10位專家對各影響因素內(nèi)的影響指標(biāo)，即第1級指標(biāo)進(jìn)行一對一的比較，構(gòu)造出各子集的單因素判斷矩陣A1

得到權(quán)重為：

同理，我們可以求得二級指標(biāo)的判斷矩陣B1、B2、B3和 B4。

運(yùn)用AHP方法，根據(jù)專家的打分情況確定各子集內(nèi)各個(gè)單因素的權(quán)重分別為：

組合權(quán)重為：

專家根據(jù)模糊子集表（表2）對各因素打分，得

則最終的評價(jià)結(jié)果向量為：

可以確定該艦艇狹水道操縱安全性等級屬于“安全”。

5 結(jié)論

本文結(jié)合艦船狹水道操縱影響因素多樣的特點(diǎn)，采用改進(jìn)AHP求取各層次指標(biāo)的權(quán)重，采用模糊方法確定各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度，并在最后采用AHP和模糊理論的綜合評價(jià)方法，獲得評價(jià)結(jié)果。模糊關(guān)系矩陣的求解簡單可行，易于推廣，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

［1］ 石嘉晟，張榮昌.基于改進(jìn)AHP模糊綜合評判的艦船設(shè)備質(zhì)量評價(jià)應(yīng)用［J］.中國修船，2009，22（3）：46－48.

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A Fu zz y Assessment Model of Steering S afety of the Vessel in the Gat

Shi Jia－sheng Liu Chang－bo Di ng Feng－lei
Nav a l Submarine Academ y， Qing d ao 266071，China

The steering of vessel in the gat is a crucial phase that affect s s afety.For steering the vessel more efficiently， it is necessary to assess the safety condition quantificationally.On the basis of the method of the AHP fuzzy assessment， the accounting of weight coefficient was introduced， and the methods of getting the quantification results and its application to practical problems were accounted for，through combining the example，thus validating its feasibility in practice.

hierarchy analysis； weight coefficient； fuzzy assessment； safety； steerability

U676.1

A

1673－3185（2010）01－48－04

2009-07-20

某型潛艇水上航行超重安全研究

石嘉晟（1982－），男，碩士研究生。研究方向：航行安全技術(shù)。E-mail：shijiasheng0427＠yahoo.com.cn

劉常波（1963－），男，副教授。研究方向：潛艇操縱性