艦艇艙室居住性指標(biāo)體系及其模糊關(guān)聯(lián)評估優(yōu)化研究

陳 武 彭 飛 牟金磊 閆富玉

（海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033）

0 引 言

艦艇居住性的優(yōu)劣，是衡量艦艇整體性能的重要指標(biāo)［1］.長期以來，在艦艇總體設(shè)計建造中，艙室的居住環(huán)境要求往往置于武器裝備、動力裝置等系統(tǒng)的要求之后，從而忽視居住性的改善，第二次世界大戰(zhàn)后，世界海軍進(jìn)入了一個相對和平的建設(shè)時期，艦艇居住性也日益受到重視.美國海軍早在1975年就開始關(guān)注艦艇的居住性問題，1979年制定了海軍居住性標(biāo)準(zhǔn)與必備條件，對艦艇的居住性有了相應(yīng)的規(guī)定和要求.在1995年，又制定了艦艇居住性設(shè)計規(guī)范.俄羅斯海軍早期對船艦居住性并不重視，但現(xiàn)隨著新艦艇的研制和人本思想的普及，對相關(guān)性能指標(biāo)越發(fā)重視［2－3］.

我軍在《艦船通用規(guī)范》（GJB4000－2000）中也制定了相應(yīng)的居住性規(guī)范，對艦艇的生活條件、環(huán)境、設(shè)施要求逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化.與過去相比，在艦艇居住性方面取得了長足的進(jìn)步，但是仍然有一些問題存在，具體來說有以下幾點(diǎn)：（1）對于居住性的評估往往依靠主觀經(jīng)驗(yàn)，而沒有一套系統(tǒng)的評價手段；（2）規(guī)范中的居住性指標(biāo)過于寬泛，要求不夠細(xì)化，對艙室的限定較為狹隘；（3）多為對環(huán)境和設(shè)施的控制和要求，忽視了人因在其中發(fā)揮的積極作用.

針對上述問題，本文結(jié)合艦艇艙室的實(shí)際，并借鑒了汽車、列車等交通工具駕駛室舒適性和人因工程理論的有關(guān)內(nèi)容，提出了在作業(yè)狀態(tài)下的指揮艙室居住性指標(biāo)體系.由于影響艙室居住性的指標(biāo)數(shù)量很多，而各個指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)又不能統(tǒng)一界定，考慮到部分指標(biāo)只能定性評價，所以指標(biāo)的評價存在模糊性.因此本文提出基于層次分析法的多級模糊綜合評價模型.考慮了各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來構(gòu)建艦艇居住性綜合評價模型，對潛艇艙室的居住性進(jìn)行客觀全面地評價.為了避免以往基于設(shè)計人員主觀經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)居住性評估方法帶來的隨意性問題，本文將定性定量指標(biāo)引入艙室居住性評價與分析方法中.最后以潛艇指揮艙室為例進(jìn)行了居住性的分析.

1 潛艇艙室居住性評價指標(biāo)的建立

以指揮艙室居住性評價為例，運(yùn)用模糊評價方法進(jìn)行評價，在理論和調(diào)查基礎(chǔ)上，確定指揮艙室居住性的評價指標(biāo)7項(xiàng)18條評價因素［4－6］（見圖1），本指標(biāo)體系以提高艇員在生活工作的舒適性和工作效能，從而增強(qiáng)綜合戰(zhàn)斗力.根據(jù)不同的分析對象，本文將指揮艙室居住性指標(biāo)體系分為2類，見圖1.

圖1 艙室居住性的評價指標(biāo)

以文獻(xiàn)［5－6］與《艦船通用規(guī)范》（GJB4000－2000）為依據(jù).對每個評價指標(biāo)分別進(jìn)行定義.

2 基于模糊多關(guān)聯(lián)屬性居住性的綜合評價模型

2.1 建立因素集

因素就是評價對象所涵蓋的各種屬性和成分，能從單方面來評價對象.由于評價對象存在多個因素影響其性能，而所有因素的集合就被稱為因素集［7］.

根據(jù)艦艇系統(tǒng)的艙室居住性評估體系組成，將影響艙室居住性評估的要素確定為m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，影響第一級影響因素（1≤i≤7）的子因素很多，把這些下一級的影響因素記為 mi＝｛mi1，mi2，…，min｝.其中：i∈（1，k）.第一級影響因素和第二級影響因素數(shù)量與種類的選取，可以根據(jù)艙室空間特點(diǎn)進(jìn)行確定，依此類推可建立下一個層次的因素集.

2.2 構(gòu)建評價集

在評估過程中，該對象被給予的全部評價結(jié)果，構(gòu)成的集合就是評價集，一般用V＝｛v1，v2，…，vn｝表示.其中：vi為影響因素ui的評價結(jié)果.本文以模糊語言描述，如“非常好”“好”“一般”“差”“非常差”，并分別對應(yīng)評估參數(shù)集，假定為P＝｛90，75，60，45，30｝，以百分制為計算標(biāo)準(zhǔn).

2.3 基于AHP的居住性評估指標(biāo)權(quán)重確定

由于各影響因素對于評價對象的重要程度不同，為了能夠反映各影響因素對于評價對象的重要程度的強(qiáng)弱關(guān)系，給所有影響因素賦予一個對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，這些權(quán)重系數(shù)就組成了影響因素的權(quán)重集合.如對第一層次指標(biāo)集m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，可由層次分析法、經(jīng)驗(yàn)分析法或?qū)＜以u分法，得到相關(guān)權(quán)重集μ＝ ｛μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7｝.其中： ＝1.m1的權(quán)重為μ1，mi的權(quán)重為μi，依次類推得出其余各層次中各影響因素對上一級影響因素的評估權(quán)重.

2.4 構(gòu)建評估矩陣與計算評估結(jié)果

1）確定單影響因素評估矩陣 對因素集m中的單個影響因素進(jìn)行評價，確定評價對象對評價集V中各元素的隸屬程度.由全部影響因素的評價集構(gòu)成一個總評價矩陣R.

2）確定綜合評估矩陣 根據(jù)單影響因素評估矩陣和各子影響因素的權(quán)重集，對綜合評估矩陣進(jìn)行模糊合成計算，即綜合評估矩陣B1＝μ1°R1.其中：“°”為模糊合成計算符.同理可得綜合評估矩陣至.

3）根據(jù)總綜合評估矩陣得到評價結(jié)果 對綜合評估矩陣進(jìn)行歸一化處理后，與所對應(yīng)的權(quán)重集進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到所隸屬上級的評估結(jié)果，直至頂層，獲得總的評估矩陣.令其與轉(zhuǎn)置后的評估參數(shù)集相乘，得到居住性評估分值Pm，即Pm＝.這樣就得到關(guān)于艙室居住性各個影響因素評估值Pm，這個數(shù)值可以用于評估艙室的居住性設(shè)計方案.

2.5 艙室居住性設(shè)計指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

影響艙室居住性的指標(biāo)之間并不是獨(dú)立存在的，而是相互間有著關(guān)聯(lián)關(guān)系的，這種關(guān)系被稱為關(guān)聯(lián)度.如艙室空間會影響視野可達(dá)性.但是，視野可達(dá)性不會影響艙室空間.所以，并非所有因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系都是對稱的，而是有指向性的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

根據(jù)艙室居住性特征及部分文獻(xiàn)資料［8－9］，得到產(chǎn)品艙室居住性評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，見表1.

表1中每行分別表示了該指標(biāo)和其他6個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度.將各指標(biāo)間強(qiáng)、弱、無3級關(guān)聯(lián)關(guān)系量化對應(yīng)為1，0.5，0分.

表1 艙室居住性指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度

2.6 艙室居住性優(yōu)化指標(biāo)有向圖

艙室居住性評價指標(biāo)有向圖直觀地表示各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

有向圖中一系列節(jié)點(diǎn)代表艙室居住性評估指標(biāo)，E＝（e12，e13，…，eij，…）是各節(jié)點(diǎn)間的有向弧，表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)度，弧eij表示ei相對于ej的關(guān)聯(lián)度.將表1所列的各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱關(guān)系用有向圖表示出來，見圖2.

圖2 評價指標(biāo)有向圖

2.7 建立關(guān)聯(lián)度矩陣

為了方便計算，為了便于計算，將有向圖表達(dá)形式轉(zhuǎn)化成各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度矩陣表達(dá)式.關(guān)聯(lián)度矩陣包括評價指標(biāo)自身分值矩陣和評價指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度矩陣兩部分.

1）評價指標(biāo)自身分值矩陣 這是一個7×7對角線矩陣，其對角線元素是各個評價指標(biāo)自身的評價分值.

2）居住性評價指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)矩陣 根據(jù)圖2所示的有向圖獲得各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)矩陣，其主對角線上元素為0，矩陣可寫為

考慮如上2個矩陣的綜合影響，得到艙室居住性評價模型關(guān)聯(lián)度矩陣

該矩陣既能體現(xiàn)評價指標(biāo)本身的優(yōu)劣程度，又能體現(xiàn)各指標(biāo)間的聯(lián)系，能將居住性的評價模型更客觀全面地表達(dá)出來.

2.8 基于關(guān)聯(lián)度矩陣積和式的艙室居住性評價

本文選擇標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)積和式作為矩陣的求解方式，對居住性評價模型的關(guān)聯(lián)度矩陣求積和式，綜合考慮到了評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)情況，同時也作為居住性的綜合評價方式.

定義 積和式 對于n階矩陣A＝（aij），積和式為

式中：Sn為n階對稱群.

積和式的計算值越大，則表示對評估模型的綜合評分越高.每一種方案在矩陣（3）中所對應(yīng)著各自的評估分值｛Vi｝序列，代入式（4），得到各個方案的Per（M）值，數(shù)值最大者，則相關(guān)方案為最優(yōu).

由于艙室居住性評估模型已給出，從而確定了該模型的關(guān)聯(lián)矩陣和積和式的形式.代入某設(shè)計方案的7個評價指標(biāo)值，便可得到相應(yīng)的積和式值的多項(xiàng)式

綜合考慮影響居住性的各種因素，通過求艙室居住性各評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度矩陣的積和式，在艙室布置的設(shè)計階段可以得到一個較為可靠的評價結(jié)果.同時可以通過設(shè)立8個參考基點(diǎn)將非線性的評估值換算為為線性變化的數(shù)值，即設(shè)定V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＝V7＝0.6時，式（4）中的值Per（M）＝1.566，這種方法，各個評價指標(biāo)被認(rèn)為是地位相等的，即評價指標(biāo)的權(quán)重己被分配，當(dāng)積和式的計算值取為1.566，則視為居住性評分為60分.這樣得出如表2所示區(qū)間表.

表2 區(qū)間表

計算艙室居住性評價模型關(guān)聯(lián)度矩陣積和式，是一種簡化的評價方法，既考慮了指標(biāo)自身的評價，又考慮了各指標(biāo)之間的相互聯(lián)系，可以比較全面進(jìn)行艙室居住性的綜合評價.

3 以潛艇指揮艙室居住性為例的綜合評估

基于評價指標(biāo)分析，建立揮艙室居住性綜合評價的核對表.選取潛艇相關(guān)設(shè)計人員、潛艇使用人員和艦艇專家共5名，作為評價表和核查表打分人員.由圖1中各指標(biāo)建立評價核查表.首先進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)的評價（假定權(quán)重已給出），得出評價值；其次將數(shù)值代入居住性的評價模型（假定權(quán)重已給出），得出評價結(jié)果.

在上文中已將評估等級分為｛非常好（0.8），好（0.6），一般（0.4），差（0.2），非常差（0）｝，且權(quán)值已給出.利用模糊數(shù)學(xué)的方法，根據(jù)給定數(shù)據(jù)對指揮室的居住性進(jìn)行評估如下.

1）確定居住性評估模型 根據(jù)所示的居住性評估體系確定評估集合v ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，各子評估集合分別為v1＝ ｛v11；v12，v13｝；v2＝ ｛v21，v22，v23｝；v4＝ ｛v41，v42，v43｝；v5＝ ｛v51，v52，v53｝；v6＝ ｛v61，v62，v63，v64｝和 v7＝ ｛v71，v72｝.

2）確定各影響因素的權(quán)值分配 通過小范圍的問卷調(diào)查得到居住性一級指標(biāo)的權(quán)重分配集μ＝［0.15，0.21，0.13，0.22，0.14，0.08，0.07］，坐姿舒適性中各子影響因素的權(quán)重分配集＝［0.46，0.38，0.16］，操作方便性中各子因素的權(quán)重分配集＝［0.42，0.34，0.24］，艙室空間中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.39，0.29，0.32］，人機(jī)界面交互性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.38，0.30，0.32］，內(nèi)部環(huán)境適應(yīng)性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.28，0.30，0.27，015］，儀器裝置友好性中各子因素的分配權(quán)重集＝［0.58，0.42］.

3）構(gòu)建模型的評估矩陣 確定模型的評估參數(shù)集 給定評估參數(shù)集為P＝｛90，75，60，45，30｝.

形成單因素評估矩陣 按照多組設(shè)計人員對各因素的評估效果記錄，建立坐姿舒適性、操作方便性、視野可達(dá)性、艙室空間、人機(jī)界面交互性、內(nèi)部環(huán)境適應(yīng)性和儀器裝置友好性的評估矩陣.

6個單因素評估矩陣為

計算綜合評估矩陣 應(yīng)用B1＝μ1°R1求解第二層的綜合評估陣.

根據(jù)總綜合評估矩陣得到評價結(jié)果 對各個綜合評估矩陣歸一化運(yùn)算后得到總的評估矩陣

將中相應(yīng)參數(shù)分別與評估參數(shù)集PT相乘，可以得到量化的居住性屬性中各影響因素評估值（見表3）Pm.

表3 指標(biāo)評價等級

由表3可見，艙室空間相關(guān)的影響因素為居住性屬性中的最短板.因此，要改善方案的居住性屬性應(yīng)先從艙室空間的相關(guān)影響因素著手，考慮如何利用富?？臻g進(jìn)行布置以提高舒適性，并考慮座椅、儀器操作臺、艙室環(huán)境的綜合影響.

將表3中各指標(biāo)分值代入積和式多項(xiàng)式（4）中得Per（M）＝2.015 649 2，根據(jù)評分區(qū)間表，該艙室設(shè)計方案的評估分值處于60～70之間，方案綜合評價較低，故該設(shè)計方案仍需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn).

4 結(jié)束語

本文建立了適用于潛艇指揮艙室設(shè)備的居住性評價指標(biāo)體系.以艦船通用規(guī)范為參考，分析了潛艇指揮艙室的內(nèi)部設(shè)備及布局.結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計準(zhǔn)則，提出了針對指揮艙室居住性的評價指標(biāo)體系的7個指標(biāo).以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，提出了潛艇指揮艙室居住性綜合評價模型.并對單殼體潛艇指揮艙室居住性分析，得出評估值，提出了優(yōu)化建議.

另外在本文關(guān)于潛艇艙室居住性評估模型的基礎(chǔ)上，深入研究基于虛擬仿真環(huán)境下的居住性分析與評價手段，為潛艇前期的方案設(shè)計與后期的維護(hù)使用在居住性評價方面提供實(shí)用有效的決策支撐.本文所構(gòu)建的居住性評估體系也可以為艦艇的居住性評估提供參考依據(jù)和內(nèi)容補(bǔ)充.

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