基于層次分析法的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)與選型

王　鵬，陳迎春，司江濤，何必海

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210；2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240）

基于層次分析法的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)與選型

王鵬1，2，陳迎春1，司江濤1，何必海1

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210；2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240）

層次分析法是1種有效實(shí)用的多目標(biāo)決策方法。針對(duì)在大型客機(jī)研制中科學(xué)選擇適合的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題特點(diǎn)，基于層次分析法，將發(fā)動(dòng)機(jī)的選型要求層次化分解，建立了指標(biāo)技術(shù)評(píng)估模型，并考慮不同評(píng)估專家分配不同權(quán)重的方法。以現(xiàn)有民用發(fā)動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：層次分析法在民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇中具有合理性、科學(xué)性，符合市場(chǎng)實(shí)際情況，適用于民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方案選型，并可為民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

層次分析法；民用客機(jī)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；選型

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和排放直接影響民用客機(jī)的適航性和舒適性，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率和可靠性在很大程度上影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在民用客機(jī)設(shè)計(jì)初期，對(duì)候選民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)要取得成效，必須依據(jù)1套科學(xué)可信的評(píng)估選擇方法。

民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)選型是1項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到學(xué)科和內(nèi)容有飛機(jī)性能、發(fā)動(dòng)機(jī)性能、氣動(dòng)阻力、質(zhì)量尺寸、安全性、環(huán)保性、供應(yīng)商能力經(jīng)驗(yàn)等。并且由于民用客機(jī)的售價(jià)高達(dá)上億美元，使用壽命在20 a左右，因此，民用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)的選擇是否合理，選型是否合適、將會(huì)直接影響航空公司未來(lái)20 a的發(fā)展和盈利［1］。

本文利用層次分析法這種定性和定量相結(jié)合的方法，對(duì)候選航空民用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面、客觀的評(píng)價(jià)與技術(shù)選擇［2-6］，并且考慮發(fā)動(dòng)機(jī)需滿足飛機(jī)要求的各項(xiàng)指標(biāo)，建立1套技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得出各種影響因素的權(quán)重系數(shù)。通過(guò)對(duì)影響民用發(fā)動(dòng)機(jī)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)和分析，對(duì)候選發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合技術(shù)評(píng)估，選出符合民用客機(jī)要求的最適合的發(fā)動(dòng)機(jī)［7-8］。為整體綜合評(píng)價(jià)候選民用發(fā)動(dòng)機(jī)提供1種實(shí)用可行的定量綜合評(píng)價(jià)方法，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　技術(shù)評(píng)估指標(biāo)

民用發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)價(jià)涉及到的多種參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，某些評(píng)估指標(biāo)之間相互影響和制約，所以不能簡(jiǎn)單使用定量的方法來(lái)確定。評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇應(yīng)有代表性，在數(shù)據(jù)可信性、獨(dú)立性的原則上選?。?］。從而按照評(píng)價(jià)指標(biāo)全面、層次清晰，能夠簡(jiǎn)明科學(xué)地構(gòu)建反映民用發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的評(píng)估模型，其評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)著眼于發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能和飛機(jī)總體需求。本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的流程［10］如圖1所示。

圖1　評(píng)價(jià)指標(biāo)建立流程

評(píng)價(jià)民用發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)與因素較多，各指標(biāo)的范疇不盡相同，因此民用發(fā)動(dòng)機(jī)選型是1個(gè)復(fù)雜的決策過(guò)程。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的總體評(píng)價(jià)可分解為多方面，本文確定發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)［1，11-15］如圖2所示。對(duì)選用指標(biāo)進(jìn)行分類，歸納到某具體特性來(lái)反映民用飛機(jī)總體性能的分性能［5］，構(gòu)成評(píng)估模型的中間層。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2　層次分析法

2.1層次分析法的概念［16-17］

民用發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化選型的決策問(wèn)題可以歸結(jié)為運(yùn)籌學(xué)研究的范圍，目前國(guó)內(nèi)外多采用模糊評(píng)判法、聚類分析法、層次分析法等進(jìn)行計(jì)算決策。其中層次分析法計(jì)算的誤差最小，并且由于其在處理復(fù)雜的決策問(wèn)題上的實(shí)用性和有效性，在大型決策問(wèn)題中應(yīng)用最廣。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以處理定性和定量相結(jié)合的問(wèn)題，可以將決策者的主觀判斷與政策經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入模型，并加以量化處理。采用層次分析法綜合評(píng)估候選民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP）是將與任務(wù)決策相關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法論。該方法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂（T·L·Satty）于20世紀(jì)70年代初提出的1種層次權(quán)重決策分析方法。其特點(diǎn)是在對(duì)需要決策的復(fù)雜問(wèn)題的影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用少量的定量數(shù)據(jù)使決策的過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而能為多準(zhǔn)則、無(wú)明顯結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法。

2.2計(jì)算流程

運(yùn)用AHP方法建模，通常分為5個(gè)步驟進(jìn)行［10］，計(jì)算流程如圖3所示。

圖3　計(jì)算流程

2.3遞階層次結(jié)構(gòu)模型建立

民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化選型模型，首先要將民用發(fā)動(dòng)機(jī)選型評(píng)估問(wèn)題條理化、層次化，構(gòu)造出1個(gè)層次分析的結(jié)構(gòu)模型。在分析模型中，將選型的復(fù)雜問(wèn)題分解為各種組成部分（稱為元素），再按屬性將元素分成若干組。將同組元素作為準(zhǔn)則，對(duì)組內(nèi)元素起支配作用，同時(shí)又受到同一層次目標(biāo)層的支配。最高層是目標(biāo)層，是需要解決問(wèn)題的預(yù)定目標(biāo)，中間層各組為要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及、考慮的準(zhǔn)則，最底層為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可能采取的各種措施、技術(shù)指標(biāo)等。

使用層次分析法建立發(fā)動(dòng)機(jī)選型模型包括4個(gè)層次：第1層目標(biāo)層為最終優(yōu)選民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)；第2層準(zhǔn)則層為發(fā)動(dòng)機(jī)選優(yōu)的評(píng)價(jià)方面（準(zhǔn)則）；第3層為各準(zhǔn)則層下對(duì)應(yīng)的具體發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)參數(shù)；第4層方案層為備選民用發(fā)動(dòng)機(jī)。

判斷矩陣構(gòu)造、權(quán)重系數(shù)計(jì)算、判斷矩陣一致性檢驗(yàn)、目標(biāo)層的權(quán)重計(jì)算等采用常規(guī)方法，不在此詳細(xì)描述。

3　民用發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估

3.1評(píng)估模型建立

根據(jù)民用飛機(jī)的頂層發(fā)動(dòng)機(jī)需求，首先提出1個(gè)總目標(biāo)。為了能對(duì)候選發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高選型評(píng)估和選擇的準(zhǔn)確性和客觀性，將各指標(biāo)和需求按層次分解。將發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)各參數(shù)和因素根據(jù)其相互關(guān)聯(lián)和隸屬關(guān)系劃分為1個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，對(duì)同一層次內(nèi)的諸因素通過(guò)兩兩比較的方法確定出相對(duì)于上1層目標(biāo)的各自的權(quán)系數(shù)。這樣層層分析下去，直到最后1層，即可給出所有因素相對(duì)于總目標(biāo)而言的重要性程度的排序。分析步驟［5］如圖4所示。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)選型AHP分析步驟

建立基于層次分析法的動(dòng)力裝置系統(tǒng)選擇評(píng)估模型，用來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)和選擇，見(jiàn)表1。

3.2專家打分與客觀數(shù)據(jù)結(jié)合的權(quán)重計(jì)算

由于各發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)和分性能指標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的影響程度不同，需要明確評(píng)估指標(biāo)間的權(quán)重。采用專家打分的方法構(gòu)成判斷矩陣，請(qǐng)專家將指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的重要程度，準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的重要程度進(jìn)行比較，得出判斷矩陣。如準(zhǔn)則層6個(gè)分性能對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣為

計(jì)算得出準(zhǔn)則層3個(gè)分性能對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重為（0.53960.29700.1634），同理可以計(jì)算出指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的相對(duì)權(quán)重（0.46730.27720.1601 0.0954），以及所有指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的相對(duì)權(quán)重系數(shù)（0.53960.29700.1634），（0.66670.3333）。由式（3）可計(jì)算出所有指標(biāo)層參數(shù)對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)（0.25220.14960.08640.0515……0.1089 0.0545）。同時(shí)考慮不同專家間的權(quán)重影響。

針對(duì)被評(píng)候選民用發(fā)動(dòng)機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)原始數(shù)據(jù)對(duì)比和專家定性評(píng)估相結(jié)合的方法，生成判斷矩陣，計(jì)算方法同上。

表1　候選發(fā)動(dòng)機(jī)AHP模型結(jié)構(gòu)

4　實(shí)例分析

為了能夠更好地說(shuō)明以上建立的候選民用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)方法和評(píng)估模型，以國(guó)際知名的3種發(fā)動(dòng)機(jī)為評(píng)價(jià)對(duì)象，根據(jù)民用客機(jī)的實(shí)際需求，舉例分析。按照AHP法建立的評(píng)估模型，通過(guò)專家打分計(jì)算得出最終的準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表2。

同樣，通過(guò)專家打分計(jì)算得出指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)，見(jiàn)表3。

候選發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表4，發(fā)動(dòng)機(jī)A與B分析結(jié)果相差不大，此2型發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)際上市場(chǎng)占有量大，分析結(jié)果符合實(shí)際航空公司選擇結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)A最優(yōu)，表示該型發(fā)動(dòng)機(jī)更適合該型飛機(jī)。算例表明使用層次分析法建立的發(fā)動(dòng)機(jī)選型分析計(jì)算模型正確、客觀的反映了動(dòng)力裝置評(píng)估內(nèi)容，并形成1個(gè)直觀的數(shù)值結(jié)果。

表2　準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)

表3　指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)

表4　候選發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是1個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)民用客機(jī)的影響因素繁多，因此對(duì)候選民用發(fā)動(dòng)機(jī)客觀的技術(shù)評(píng)估是1件難度較大且復(fù)雜的工作，而民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選型直接影響民用客機(jī)運(yùn)營(yíng)的性能和研發(fā)成本。本文將層次分析法引入民用客機(jī)候選發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)評(píng)價(jià)與選擇，建立其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和選型評(píng)估方法，并建立選型評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)候選發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施有效、科學(xué)、客觀的綜合評(píng)估和選擇。從以上應(yīng)用實(shí)例的分析評(píng)價(jià)結(jié)果看，該方法切實(shí)可行、符合客觀實(shí)際。將候選發(fā)動(dòng)機(jī)的各種影響因素以數(shù)值形式表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)比效果直觀，有助于選擇適合的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，提高客機(jī)在未來(lái)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，并為民用發(fā)動(dòng)機(jī)綜合評(píng)估論證提供了一定的理論依據(jù)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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（編輯：張寶玲）

Technology Evaluation and Choice of Civil Aircraft Engine Based on Analytic Hierarchy Process

WANG Peng1，2，CHEN Ying-chun1，SI Jiang-tao1，HE Bi-hai1
（1.COMAC Shanghai Aircraft Design Institute，Shanghai 201210，China；2.School of Aeronaufics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Analytic Hierarchy Process（AHP）is an effective and practical multi-objective decision-making method.Aiming at the characteristics of the suitable civil aeroengine selected scientifically in development of civil aircraft，the choice requirement of engine was decomposed hierarchically based on AHP.The evaluation model of index technology was built，and the method of different evaluation experts assigned different weights was considered.Taking the existing civil engine as example，the analysis results show that AHP is reasonable，scientific in the choice of civil aircraft engine，and fits market fact.The method is suitable for the scheme choice of civil aircraft engine，and provides the scientific basis for engineering technology evaluation for civil aircraft engine.

AHP；civil aircraft；aeroengine；choice

V 219

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.017

2016-03-22基金項(xiàng)目：

王鵬（1976），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事民用飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工作；E-mail：wangpeng@comac.cc。

引用格式：王鵬，陳迎春，司江濤，等.基于層次分析法的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)價(jià)與選型［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（5）：98-102.WANGPeng，CHEN Yingchun，SIJiangtao，etal.TechnologyevaluationandchoiceofcivilaircraftenginebasedonAnalyticHierarchyProcess［J］.Aeroengine，2016，42（5）：98-102.