基于ANP的船舶主機(jī)維修性評(píng)估研究

李泳霖，王 威，胡 斌

(1.海軍工程大學(xué) a.管理工程系;b.艦船工程系，武漢 430033;2.92301部隊(duì)，北京 100040)

良好的維修性是船舶海上安全航行的重要保證［1］。船舶航行于海洋上，其可靠性及可維修性對(duì)保證船舶及人員的安全是至關(guān)重要的，而船舶的維修性好壞必須通過(guò)維修作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估驗(yàn)證。傳統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要依托產(chǎn)品的物理樣機(jī)或全船尺寸模型，然而對(duì)于船舶，用于對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行補(bǔ)充、驗(yàn)證的物理和計(jì)算機(jī)仿真模型，大多都不適用于全船的使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，則可能需要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，由于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期與費(fèi)用等原因，往往即使發(fā)現(xiàn)了存在的問(wèn)題，也不能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改［2］。因此利用有效的評(píng)價(jià)方法去評(píng)估船舶主機(jī)維修性問(wèn)題，具有實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)徐書(shū)在分析艦船維修性含義的基礎(chǔ)上，結(jié)合修船實(shí)踐，探討了確定艦船維修性定量參數(shù)的依據(jù)和方法［3］。金永明針對(duì)船舶的特點(diǎn)，對(duì)維修時(shí)問(wèn)數(shù)據(jù)的收集方法、計(jì)算方法進(jìn)行了研究，確定了船舶設(shè)備維修性評(píng)估參數(shù)和維修性時(shí)間數(shù)據(jù)分布模型，有效地解決了船舶設(shè)備的維修性指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收難題［4］。高松歸納了維修性基礎(chǔ)理論和相關(guān)研究，設(shè)計(jì)并建立一套包含設(shè)計(jì)、保障、使用、維修、人員5大類因素的船舶維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為航運(yùn)企業(yè)的維修決策提供準(zhǔn)則和依據(jù)［5］。金永明通過(guò)將船舶的維修過(guò)程分解為若干個(gè)基本維修作業(yè)，并對(duì)每個(gè)基本維修作業(yè)中的影響因素進(jìn)行“預(yù)想”及分析，解決了在船舶的設(shè)計(jì)階段查找船舶的維修性設(shè)計(jì)缺陷的問(wèn)題［6］。本文運(yùn)用ANP對(duì)船舶主機(jī)維修性進(jìn)行了評(píng)估，然后檢驗(yàn)了評(píng)估的有效性。

1 ANP的基本原理

ANP首先將系統(tǒng)元素劃分為2大部分，第一部分稱為控制因素層，包括問(wèn)題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則，所有的決策準(zhǔn)則均被認(rèn)為是彼此獨(dú)立的，且只受目標(biāo)元素支配，控制因素中可以沒(méi)有決策準(zhǔn)則，但至少有一個(gè)目標(biāo)?？刂茖又忻總€(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重均可用傳統(tǒng)AHP方法獲得。第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，它是由所有受控制層支配的元素組組成的，其內(nèi)部是互相影響的元素構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖1就是一個(gè)典型的ANP結(jié)構(gòu)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分析法結(jié)構(gòu)

2 ANP的計(jì)算原理

2.1 權(quán)矩陣［7］

權(quán)矩陣就是要構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)層中元素組之間的相互影響程度，即在 ps(s=1，2，…，m)下各元素組對(duì) Ci(i=1，2，…，n)的相對(duì)重要性。

ps的權(quán)矩陣為

“歸一化特征向量”是根據(jù)比較矩陣采用AHP中確定特征向量的方法計(jì)算得到。

在ANP的比較矩陣中如果某元素對(duì)另外元素沒(méi)有影響，在比較矩陣中該處的值為0，相應(yīng)的特征向量中的值也為0，其他的進(jìn)行歸一化。

2.2 超矩陣

設(shè) Ci中有元素 eil，ei2，…，eini，i=1，2，…，n。以控制層元素 ps(s=1，2，…，m)為準(zhǔn)則，以 Ci(i=1，2，…，n)中的元素eik(k=1，2，…，ni)為次準(zhǔn)則，元素組 C1，C2，…，Cn中元素按其對(duì)eik的影響力大小進(jìn)行優(yōu)勢(shì)度比較，即構(gòu)造比較矩陣。

ps的構(gòu)造比較矩陣為［8］

將Ci中所有元素對(duì)Cj中所有元素的相對(duì)影響比較矩陣計(jì)算出的歸一化特征向量組成矩陣Wij，若Cj中的元素不受Ci中的元素影響，則Wij=0。將所有這樣的矩陣Wij組成塊矩陣，最終獲得ps下的超矩陣W

這樣的無(wú)權(quán)重超矩陣有1個(gè)，是非負(fù)矩陣，無(wú)權(quán)重超矩陣的子塊Wij是列歸一化的，但W卻不是列歸一化的。

2.3 加權(quán)超矩陣

ANP中元素之間的實(shí)際影響關(guān)系度通過(guò)加權(quán)超矩陣表示。

2.4 元素權(quán)重的確定

3 實(shí)例應(yīng)用

某型船舶為在總體設(shè)計(jì)階段就能充分評(píng)估和解決后續(xù)使用和維修過(guò)程中的問(wèn)題，防止實(shí)船系泊試驗(yàn)時(shí)才能進(jìn)行定性評(píng)估［9］。急需研究一種針對(duì)艦船維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證的新方法來(lái)買足總體設(shè)計(jì)。因此，需要明確維修性各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)之間的基本情況。這里直接利用Super Decisions軟件構(gòu)建維修性的指標(biāo)關(guān)系及各超矩陣，指標(biāo)關(guān)系如圖2所示。

3.1 構(gòu)建指標(biāo)關(guān)系

運(yùn)用ANP建立指標(biāo)間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)分析法包含2個(gè)層次:控制層和網(wǎng)絡(luò)層?？刂茖佑职四繕?biāo)和準(zhǔn)則。本文的控制層即為維修性，沒(méi)有準(zhǔn)則層。

圖2 維修性指標(biāo)關(guān)系

3.2 建立判斷矩陣

ANP采用Satty提出的1～9標(biāo)度賦值法。以網(wǎng)絡(luò)層元素組通過(guò)性(B1)中的元素抗毀性(C2)為次準(zhǔn)則，考慮元素組B2中的元素按其對(duì)C2的影響力大小進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，可構(gòu)造如表1所示的判斷矩陣。

表1 B2元素組對(duì)C2的比較矩陣

同理，分別以B1中元素C1、C3為次準(zhǔn)則也可以構(gòu)造判斷矩陣，這里限于篇幅，直接給出以上3個(gè)判斷矩陣所求得的歸一化特征向量。并且構(gòu)成一個(gè)在目標(biāo)準(zhǔn)則下，元素組B1對(duì)元素組B2的關(guān)聯(lián)矩陣W12

式中:W12的列向量就是B2中的元素;C3、C4、C5對(duì)元素組B1中的元素C1、C2影響程度的排序要說(shuō)明的是若B2中元素如果不受B1中元素影響，則W12=0。其他元素組對(duì)元素的比較矩陣同理，在這里不一一舉例。通過(guò)運(yùn)用SD軟件得出目標(biāo)作戰(zhàn)效能準(zhǔn)則下的無(wú)權(quán)重超矩陣W，如表2所示。

借助SD軟件，對(duì)超矩陣W的元素加權(quán)就可以得到加權(quán)超矩陣。對(duì)加權(quán)超矩陣進(jìn)行2k+1次演化，k趨近于無(wú)窮大，結(jié)果達(dá)到一致，形成一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的矩陣，如表3所示。

3.3 計(jì)算權(quán)重

由表4得到的極限超矩陣每一列即為各元素相對(duì)于目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，再與專家給各指標(biāo)打分的分值相乘，得出船舶主機(jī)維修性評(píng)估的綜合分值。具體如表4所示。

表2 超矩陣

表3 極限矩陣

表4 各指標(biāo)的權(quán)重

至此，對(duì)船舶主機(jī)維修性評(píng)估確定完成。從得到的結(jié)果看，其綜合得分為0.6878，說(shuō)明船舶現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案中:主機(jī)維修工作具有較好的維修性。

4 結(jié)束語(yǔ)

ANP是一種比AHP更系統(tǒng)、全面、科學(xué)的系統(tǒng)決策方法，其算法的核心在于有關(guān)超矩陣的運(yùn)算。超矩陣的計(jì)算比較復(fù)雜，但由于有專門針對(duì)ANP而開(kāi)發(fā)的Super Decisions軟件，使得計(jì)算過(guò)程變得方便、簡(jiǎn)潔。這對(duì)該方法的推廣具有有力作用。利用ANP模型對(duì)船舶的主機(jī)維修性進(jìn)行了評(píng)估，充分考慮了各影響因素之間的反饋關(guān)系和依存關(guān)系，幫助船舶企業(yè)更為合理、準(zhǔn)確地選擇了評(píng)估方法。另外，本文只考慮了維修性的一些單項(xiàng)指標(biāo)，沒(méi)有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工具作業(yè)下的維修時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在今后的研究中還需進(jìn)一步改善。

［1］ 王志炎，熊文，李江波，等.船舶維修性設(shè)計(jì)綜述［J］.經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2013(3):330－331.

［2］ 李佳.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶維修性驗(yàn)證系統(tǒng)研究［J］.中國(guó)艦船研究，2008(4):71 －73.

［3］ 徐書(shū).艦船維修性定量參數(shù)的選擇［J］.中國(guó)修船，1994(3):39－42.

［4］ 金永明.船舶設(shè)備維修性定量評(píng)估開(kāi)展方法研究［J］.技術(shù)交流，2012(6):56－58.

［5］ 高松.船舶維修性評(píng)價(jià)及其改進(jìn)研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2010:3－12.

［6］ 金永明.船舶維修性分析和評(píng)估方法研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011:33－39.

［7］ 魏末梅.企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)體系與ANP法的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006:7 －8.

［8］ 李康平.基于ANP的江蘇省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006:11－12.

［9］ 陳嬌，羅周全，侯造水.空區(qū)探測(cè)方法優(yōu)選的ANP模型及其應(yīng)用［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012(12):97－102.

(責(zé)任編輯楊繼森)