基于AHP和灰色聚類決策的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化選擇方法研究

葉婷 劉常青

【摘 要】管路系統(tǒng)是復(fù)雜裝備的重要組成部分，關(guān)系到裝備是否可靠有效運行，合理選擇管路設(shè)計參數(shù)是實現(xiàn)裝備功能、性能的前提和基礎(chǔ)。針對管路設(shè)計中設(shè)計參數(shù)選擇缺乏有效方法的問題，提出了設(shè)計參數(shù)優(yōu)化選擇模型。首先確定了管路設(shè)計參數(shù)、決策原則和灰類，然后結(jié)合AHP和信息熵方法確定綜合權(quán)重，運用灰色聚類決策判斷各設(shè)計參數(shù)屬于的灰類，最后以燃?xì)廨啓C燃油換向閥出口油管為案例說明了設(shè)計參數(shù)選擇過程。分析結(jié)果表明方法有一定的合理性。

【關(guān)鍵詞】AHP 信息熵 灰色聚類決策

1 引言

裝備的管路系統(tǒng)連接裝備的各部件/附件，擔(dān)負(fù)著傳輸燃油、運送滑油、通風(fēng)放氣等重要功能，是復(fù)雜裝備的重要組成部分。管路系統(tǒng)是否安全可靠工作直接關(guān)系到裝備可否正常運行。而設(shè)計管路需要考慮的參數(shù)數(shù)量大、種類多，除了重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括：接口尺寸、管路通徑等）、性能參數(shù)（如：強度、剛性、振動頻率等）外，還需考慮加工工藝、裝配工藝、可靠性、維修性、安全性、測試性、環(huán)境適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化等參數(shù)。出于可行性的考慮，不可能選擇所有參數(shù)進行管路設(shè)計。若選擇的參數(shù)過多，無法有效突出主要參數(shù)、弱化次要參數(shù)，導(dǎo)致參數(shù)冗余，可能出現(xiàn)設(shè)計偏差；反之，若設(shè)計參數(shù)選擇過少、不完整，致使設(shè)計參數(shù)缺失，不足以設(shè)計出符合要求的管路。因此，從眾多的參數(shù)中合理的選擇滿足設(shè)計要求的參數(shù)至關(guān)重要。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，以下簡稱：AHP）采用排序原理將研究對象排出優(yōu)劣次序，并對排序結(jié)果進行分析決策[1，2]?；疑垲悰Q策依據(jù)白化權(quán)函數(shù)將決策對象聚集成若干個灰類，進而分析各決策對象的類別[3，4]。這兩個方法結(jié)合使用可解決本文待求問題。

2 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化選擇模型

設(shè)計參數(shù)優(yōu)化選擇模型流程，第一步，確定待解決問題的決策對象、決策指標(biāo)和決策對象需要區(qū)分的灰類。第二步，結(jié)合AHP和信息熵方法計算綜合權(quán)重η。首先，運用AHP方法獲得決策指標(biāo)權(quán)重向量η1。①建立判斷矩陣O：決策者將決策指標(biāo)兩兩相對重要性進行比較，比較尺度劃分為：絕對重要、頗為重要、重要、稍微重要、同等重要。在1～9的尺度下，通過專家評分，確定判斷矩陣O。②計算判斷矩陣O的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量。③對判斷矩陣O進行一致性檢驗。若通過則進行步驟④，反之，返回步驟①，重新建立判斷矩陣。④對特征向量進行歸一化處理，獲得決策指標(biāo)權(quán)重向量η1。其次，運用信息熵方法獲得決策對象權(quán)重向量η2。①建立評價矩陣X：對決策對象關(guān)于決策指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進行評分，評分尺度劃分為：強關(guān)聯(lián)、稍強關(guān)聯(lián)、關(guān)聯(lián)、稍弱關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)（見表1）。在1～9的尺度下，通過專家評分，確定判斷矩陣X。②根據(jù)式（2）對評價矩陣X標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣X*。③依據(jù)式（3）計算信息熵Hj，依據(jù)式（4）得到?jīng)Q策對象權(quán)重向量η2。最后，根據(jù)式（5），獲得綜合權(quán)重向量η。

表1 1～9尺度的含義

3 案例分析

以某型燃?xì)廨啓C的換向閥出口油管為例來詳細(xì)說明設(shè)計參數(shù)優(yōu)化選擇過程。換向閥出口油管連接換向閥和燃油控制裝置回油管，用于傳輸高壓燃油，控制排氣裝置可調(diào)葉片開關(guān)。油管在燃?xì)廨啓C的運行過程中起著非常重要的作用，需要保證油管的安全可靠工作。

參考GJB3816-1999，管路設(shè)計中一般考慮以下要求：（1）結(jié)構(gòu)方面：①滿足流量要求；②符合裝配要求；③滿足漏油量要求；④與相鄰件的距離合理。（2）性能方面：①滿足剛性要求；②符合強度要求；③避免共振。（3）可靠性維修性要求：①壽命長；②平均故障間隔時間MTBF短；③維護工時短。（4）測試方面：①具有可測量環(huán)境；②測點可視可達(dá)。（5）加工工藝方面：①加工工時短；②焊縫等級滿足要求。（6）裝配工藝方面：①裝配工時短；②裝配應(yīng)力小。將以上16個設(shè)計參數(shù)確定為決策對象（見表2）。

表2 主要設(shè)計參數(shù)列表

從上可知：MTBF、強度要求、管路通徑、漏油量、接頭尺寸、壽命、自振頻率為優(yōu)先選用的設(shè)計參數(shù)；剛性、裝配應(yīng)力值、焊縫等級為選用的設(shè)計參數(shù)；加工工時、測點環(huán)境、相鄰件距離、維護工時、裝配工時、可視可達(dá)為不建議選用參數(shù)。

4 結(jié)果與分析

表3列出了專家評分系統(tǒng)對各設(shè)計參數(shù)重要度的評分結(jié)果。選擇重要度不小于4的設(shè)計參數(shù)為優(yōu)先選用參數(shù)；重要度為3的參數(shù)為選用參數(shù)，重要度不大于3的參數(shù)為不建議選用參數(shù)。分析表4可知：①通徑、接口尺寸、漏油量、振動應(yīng)力值、自振頻率、平均故障間隔時間、壽命為優(yōu)先選用參數(shù)；②剛性、裝配應(yīng)力值、焊縫等級為選用參數(shù)；③相鄰件距離、維護工時、加工工時、裝配工時、測點環(huán)境、可視可達(dá)為不建議選用參數(shù)?？梢?，專家評分系統(tǒng)的結(jié)論與本文結(jié)果基本一致，說明所提方法具有一定的合理性和有效性。

表3 各設(shè)計參數(shù)重要度

參考文獻：

[1]余江鴻，姚齊水，李睿 等.基于灰色聚類決策的監(jiān)測優(yōu)化選擇方法研究[J].測控技術(shù)，2013，32（7）：121-129.

[2]蘇華軍，李航航.基于AHP和灰色綜合評判的作戰(zhàn)飛機空戰(zhàn)性能評價[J].電光與控制，2008，15（9）：39-42.

[3]劉志軍.基于全生命周期的機艙火災(zāi)風(fēng)險評估與控制模型研究[D].大連，大連理工大學(xué)，2011.9.

[4]馬志華.現(xiàn)代船舶電氣設(shè)備維修決策方法研究[D].上海，上海海事大學(xué)，2005.10.