基于模糊集對分析的船舶能耗評估

鄧小玉，萬隆君

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基于模糊集對分析的船舶能耗評估

鄧小玉，萬隆君

（ 集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建廈門 361021）

針對船舶能耗評價中影響因素具有模糊性、不確定性和關(guān)聯(lián)性等特點，在確定船舶能耗評價因素集的基礎(chǔ)上，利用模糊集對分析方法將待評估船舶的能耗情況與理想情況組成一對集對，計算各級評價指標的同一度、對立度和差異度得到集對聯(lián)系度。根據(jù)船舶能耗系統(tǒng)的聯(lián)系度進行同異反態(tài)勢評判，和不確定性分析，從而得到船舶能耗系統(tǒng)的綜合評估。實例分析驗證了將模糊集對分析應(yīng)用于船舶能耗評估的有效性。

船舶能耗 模糊集對分析 綜合評估 聯(lián)系度

0 引言

在船舶能耗評估方法中，比較典型的方法是模糊綜合評判，這種模型較好地處理了數(shù)據(jù)的模糊性；有的文獻提出了基于可拓物元云理論的船舶能耗評估方法，但未判斷出評價等級的發(fā)展趨勢。

本文運用模糊集對分析方法同異反系統(tǒng)辯證分析事物的確定性與不確定性的優(yōu)勢，提出基于模糊集對分析的船舶能耗評估模型。結(jié)合模糊集合隸屬函數(shù)處理數(shù)據(jù)的模糊性，利用集對分析聯(lián)系度描述模糊、隨機和信息不完全引起的各種不確定性，將不確定性認知轉(zhuǎn)化成為具體的分析工具，從而綜合評價船舶能耗情況。

1 模糊集對分析

集對分析(Set Pair Analysis，SPA)[7]是用于解決不確定性隨機問題的計算方法，它的主要思路是將事物的確定性和不確定性兩個方面看成相互作用的辯證體系，將問題層層分解并做具體應(yīng)用。集對由相關(guān)聯(lián)的一對集合構(gòu)成，集對分析把確定性分為同一層面與對立層面，不確定性則被視作差異層面，系統(tǒng)以同、異、反3個層面進行剖析，構(gòu)成聯(lián)系度：

式中，代表特征數(shù)量和，代表同樣的特征數(shù)目，代表不相同且不相反的特征數(shù)目，代表相反的特征數(shù)目，同時是聯(lián)系度系數(shù)，且一般取-1。三者代表同一度、對立度與差異度。式中的取值由決定，。

模糊集對分析以集對分析為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊集合論中的相對隸屬度把確定性與不確定性視作一個模糊集，按照構(gòu)造隸屬函數(shù)的思想得到評價指標的規(guī)范化決策矩陣，在確定待評系統(tǒng)的聯(lián)系度后從貼近度和發(fā)展態(tài)勢以及不確定性多個角度展開全面評估。

2 基于模糊集對分析的評估模型

2.1 確定船舶能耗評價的指標體系

船舶能耗影響因素眾多，不僅包括船舶動力系統(tǒng)的能源消耗，同時海況、航速、裝載量等因素的變化都對能耗有一定影響。主動力系統(tǒng)作為船舶的推進動力，其耗能是所有運轉(zhuǎn)系統(tǒng)中最主要的因素，船舶電站系統(tǒng)、船舶鍋爐系統(tǒng)也是船舶能耗的主要部分。因此，依據(jù)各評價指標的性質(zhì)將船舶能耗評價指標歸納為7個一級指標[9]，并依此劃分出21個二級指標，記作，如圖1所示。

2.2 確定指標權(quán)重W

利用層次分析法確定各個評價指標的權(quán)重，以兩兩重要程度之比的方式體現(xiàn)兩個因素的相對重要性程度等級。它的主要分析步驟為：確立如圖1所示的遞階層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建判斷矩陣，由專家以1～9相對重要性遞減的互反性標度方法將各層評價指標做相對重要程度的標記，表1為圖1中船舶能耗一級指標層的判斷矩陣，表2為二級指標層中主動力系統(tǒng)的判斷矩陣，二級指標層中其余相應(yīng)的6個判斷矩陣同理可得。通過判斷矩陣的特征值檢查矩陣一致性，經(jīng)過驗證，以上判斷矩陣皆符合一致性條件。最后求取單一準則下評價指標的權(quán)重系數(shù)，本文采用的是方根法，經(jīng)過運算得到一級指標層的權(quán)重向量:

二級指標層的權(quán)重向量:

2.3 確定決策矩陣

設(shè)共有個待評估對象，每個評估對象包含個評價指標，由每個評估對象在對應(yīng)的評價指標下的屬性值構(gòu)造初級初級決策矩陣：

式中為第個評價對象相對于第個指標的屬性值，如果評價指標是定性指標，那么是專家打分值，將這個矩陣規(guī)范化處理，獲得對應(yīng)的規(guī)范化決策矩陣的元素取值為越大越優(yōu)型：

越小越優(yōu)型：

2.4 確定聯(lián)系度

為了對不同評估對象的某個指標進行橫向分析，分別定義在單一指標下各評估對象屬性值中的最優(yōu)值和最差值，其中。

對單一評估對象的不同指標進行縱向分析，結(jié)合指標權(quán)重可得到評估對象的同一度，對立度和差異度：

最終得到聯(lián)系度

2.5貼近度和不確定性分析

根據(jù)貼近度判斷評估對象的優(yōu)劣，由聯(lián)系度得貼近度表達式為：

根據(jù)差異度進行不確定性分析，確定評估對象的不確定性順序。

2.6 同異反態(tài)勢分析

由同異反態(tài)勢序列表可知，如果系統(tǒng)態(tài)勢表現(xiàn)為強同勢，表示參評系統(tǒng)的情況與最優(yōu)情況在同異反聯(lián)系中以同一趨勢為主，一般可認為待估系統(tǒng)的評價級別為優(yōu)；如果系統(tǒng)表現(xiàn)出的是強均勢，則說明整個系統(tǒng)的同一趨勢和對立趨勢顯然相同，判定評價級別為良；如果系統(tǒng)態(tài)勢表現(xiàn)出強反勢，代表整個系統(tǒng)主要體現(xiàn)對立趨勢，評價級別為差。

3 算例分析

對同一規(guī)模下的3類不同型號的船舶（船舶Ⅰ、船舶Ⅱ、船舶Ⅲ），運用模糊集對分析法進行能耗評估。通過二級指標的同一度和對立度確定一級指標和參評船舶的聯(lián)系度進行綜合評估。由于船舶能耗評價指標多為定性指標，可由專家對每個二級指標進行百分制評分，得到?jīng)Q策矩陣：

根據(jù)公式（3）處理這些矩陣得到規(guī)范化決策矩陣：

根據(jù)公式（7）（8）針對船舶Ⅰ計算一級指標B下的二級指標C、C、 C的同一度和對立度分別為；。結(jié)合各評價指標權(quán)重得到B的同一度和對立度：

同理可得船舶Ⅰ其他一級指標的同一度和對立度為：

由此得船舶Ⅰ能耗情況的同一度、對立度和差異度分別為：

同理求得船舶Ⅱ、Ⅲ的同一度、對立度和差異度，最終得到船舶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的聯(lián)系度分別為

即船舶節(jié)能情況由優(yōu)到劣的評估結(jié)果是：船舶Ⅰ>船舶Ⅲ>船舶Ⅱ。從不確定性即差異度方面分析，差異度越小代表能耗情況越穩(wěn)定，差異度越大代表不確定性越大，船舶存在一定的能耗問題，需要排查相應(yīng)的隱患。因此可知，船舶Ⅰ的穩(wěn)定性最好，船舶Ⅱ、Ⅲ存在一定的能耗問題。

4 結(jié)語

本文利用模糊集對分析方法對船舶能耗進行評估，結(jié)合模糊集合隸屬函數(shù)能夠很好地處理模糊性的特點，運用集對分析方法對船舶能耗系統(tǒng)進行了同異反態(tài)勢分析，在得到評價級別的同時也分析了能耗狀況的發(fā)展趨勢和不確定性，另外，在評價級別的劃分上還可進一步細化。因此，由貼近度，不確定性和態(tài)勢等級分析可以得到綜合而全面的評估結(jié)果，實例表明該模型客觀合理簡便，為船舶能耗評估提供了新的思路。

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[2] 曾勤陽.“育鯤”輪船舶能耗分布及能效評價研究[D]. 大連:大連海事大學(xué)（碩士學(xué)位論文）, 2012.

[3] 郝金鳳,強兆新,石俊令,等. 船舶設(shè)計節(jié)能減排技術(shù)策略[J]. 船艦科學(xué)技術(shù)，2012, 43(9): 198-200.

[4] 李偉,劉清. 西江水系運輸船舶能耗評價體系研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2011, 35(5): 1035-1039.

Evaluation of Ship’s Energy Consumption Based on Fuzzy Set Pair Analysis

Deng Xiaoyu, Wan Longjun

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

In view of the fuzziness, uncertainty and correlation of the factors affecting the ship’s energy consumption, the paper puts forward the evaluation index system of the ship’s energy consumption, and uses the fuzzy set pair analysis to establish the set of actual ship’s energy consumption and the ideal situation to calculate the degree of identical, contrary and discrepancy. The identical discrepancy contrary state, close degree and uncertainty of the ship’s energy consumption system are analyzed on the basis of the connection degree, so as to get the comprehensive evaluation. The example analysis verifies the validity of applying the fuzzy set pair analysis to the evaluation of the ship’s energy consumption.

ship’s energy consumption; fuzzy set pair analysis; comprehensive evaluation; connection degree

U664

A

1003-4862（2016）03-0024-04

2015-12-09

鄧小玉（1990-），女，碩士研究生。研究方向：輪機工程。