艦船風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)分析?

張煒靈 蔡 烽 楊 波 劉 瓊

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

艦船在風(fēng)浪中的環(huán)境適應(yīng)性是指艦船在所遭遇風(fēng)浪等一切外界條件的作用下，不僅能保證其原有的性能［1］，甚至可以利用環(huán)境提高其各方面的性能。近年來，隨著海軍戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型，越來越多的艦船需要在大風(fēng)浪環(huán)境下航行，必要時(shí)需要在惡劣的環(huán)境條件下完成各項(xiàng)任務(wù)。這對(duì)艦船在風(fēng)浪環(huán)境下的適應(yīng)性提出了更高的要求。艦船在風(fēng)浪環(huán)境下的適應(yīng)性已經(jīng)成為了海上力量的倍增器，甚至已經(jīng)成為了海上作戰(zhàn)的第三種重要力量［2］。

國內(nèi)對(duì)艦船環(huán)境適應(yīng)性的研究還處于起步階段，很多工作還不夠完善。應(yīng)榮镕［3～4］等基于FSA（Formal Safty Assessment）的模糊綜合評(píng)價(jià)方法評(píng)估了艦船航行的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。焦甲龍［5］采用主觀綜合方法結(jié)合模糊評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了艦船的風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性。楊虎［6］基于多目標(biāo)綜合評(píng)判了水面艦船風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性。劉猛［7］等計(jì)算艦船傾覆力矩以及風(fēng)傾力矩對(duì)風(fēng)浪中的轉(zhuǎn)向進(jìn)行離開定量的評(píng)估。武月琴等［8］選擇合適的合成算子采用模糊綜合評(píng)估的方法分別提出了裝備與下層產(chǎn)品的綜合環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估方法。韓智國［9］結(jié)合艦船的特點(diǎn)，研究了艦船評(píng)估指標(biāo)體系以及部分指標(biāo)的評(píng)估方法。

2 風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估模型

一個(gè)完整的評(píng)估體系需要包括以下三個(gè)方面:合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)、合理的指標(biāo)權(quán)重、科學(xué)的度量評(píng)價(jià)。本文結(jié)合現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)，從耐波性、快速性、穩(wěn)性、操縱性以及人員工作舒適性五個(gè)方面出發(fā)建立了一套完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)；將層次分析法和變異系數(shù)法結(jié)合，綜合主觀評(píng)判和客觀數(shù)據(jù)評(píng)判確定權(quán)重；運(yùn)用功效系數(shù)法結(jié)合加權(quán)幾何平均評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)估打分；最后對(duì)主觀權(quán)重和客觀數(shù)據(jù)權(quán)重的偏好因子進(jìn)行分析，突出說明某些船型對(duì)風(fēng)浪環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)艦船在風(fēng)浪中的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，首先需要建立一個(gè)科學(xué)合理的指標(biāo)體系。本文綜合多方面因素建立了一套完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

3.1 權(quán)重集

對(duì)于指標(biāo)權(quán)重設(shè)置，本文首先采用主觀的層次分析法，利用專家打分原則分析出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)本身，利用變異系數(shù)法客觀的給出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，最后引入客觀和主觀的偏好因子進(jìn)行綜合確定指標(biāo)的權(quán)重分布。

3.1.1 層次分析法

層次分析法作為最常用最有效的評(píng)價(jià)方法，在各種評(píng)價(jià)體系中都被廣泛應(yīng)用。具體描述如下。

由專家對(duì)每一層的指標(biāo)分別兩兩比較打分，用1、3、5、7、9 以及中間數(shù)值來代表指標(biāo)間的相互重要程度，并構(gòu)建判斷矩陣。

求解判斷矩陣的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化處理后將其作為各因素對(duì)上一級(jí)指標(biāo)的影響權(quán)重W1i 。一致性檢驗(yàn)。計(jì)算一致性指標(biāo)，其中，當(dāng)CR ≤0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣符合一致性要求。

3.1.2 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法［10］（Coefficient of variation method）是直接利用各項(xiàng)指標(biāo)所包含的信息，通過計(jì)算得到指標(biāo)的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法。指標(biāo)差異性越大，也就是越難以實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，越能衡量出評(píng)價(jià)單位的差距；如果指標(biāo)差異性不明顯，那么這個(gè)指標(biāo)用來衡量評(píng)價(jià)單位就失去了意義。為了消除各項(xiàng)指標(biāo)量綱不同的影響，本文采用如下變異系數(shù)法:

其中，Vi是各指標(biāo)的變異系數(shù)；σi是第i 項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；xˉi是第項(xiàng)指標(biāo)的平均數(shù)。

各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為

3.1.3 綜合權(quán)重計(jì)算

引入偏好因子β，綜合權(quán)重為層析分析權(quán)重和變異系數(shù)權(quán)重的加權(quán)。

3.2 功效系數(shù)法度量指標(biāo)

功效系數(shù)法是用來度量指標(biāo)實(shí)際值與允許變動(dòng)范圍內(nèi)的相對(duì)位置［11］。由于艦船在風(fēng)浪中作業(yè)時(shí)，對(duì)某些指標(biāo)往往有上下限的限制，該度量方法應(yīng)用在這里十分合適。度量過程如下。

計(jì)算各指標(biāo)的功效系數(shù):

3.3 加權(quán)幾何平均綜合評(píng)分

加權(quán)幾何評(píng)價(jià)法特別適用于指標(biāo)間關(guān)系比較強(qiáng)的事物，而且對(duì)指標(biāo)的變動(dòng)，尤其是較小的變動(dòng)反應(yīng)更為敏感。由于艦船在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)往往都有較強(qiáng)的耦合性，該評(píng)價(jià)方法尤其適用于對(duì)艦船風(fēng)浪適應(yīng)性的評(píng)價(jià)。評(píng)分公式如下:

其中，M為打分幅值，單個(gè)指標(biāo)的評(píng)分范圍為[100-M,100]。

4 算例分析

參照文獻(xiàn)［13］給出的船型數(shù)據(jù)，對(duì)以下5 種船型在七級(jí)海況下以航速30kn 迎浪狀態(tài)下的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

由于條件有限，文中只列出了部分典型數(shù)據(jù)，如表2 所示。由層次分析法得到第一層指標(biāo)的權(quán)重{0.3,0.6,0.1}［13］。

表2 指標(biāo)數(shù)據(jù)

為了綜合考慮客觀和主觀因素，本文取偏好因子β=0.5，權(quán)重分布如表3所示。為了能明顯區(qū)分出這些船型的風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性的差異，打分幅值M=80，單指標(biāo)得評(píng)分范圍為[20,100]，各船型得分如表4所示。

表3 指標(biāo)權(quán)重表

為了進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)過程中主觀權(quán)重和客觀權(quán)重帶來的不同影響，本文計(jì)算了這些船型在不同偏好因子下的得分情況，如表5所示。

表4 得分情況表

表5 不同偏好因子的得分情況

5 結(jié)語

本文綜合考慮多方面因素，建立了一套綜合的艦船風(fēng)浪環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用功效系數(shù)度量指標(biāo)，最后以綜合得分的形式直觀呈現(xiàn)，將不同船型的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了有效的區(qū)分。

通過算例計(jì)算，對(duì)不同的偏好因子進(jìn)行了分析，說明了無論是客觀上還是主觀上，船型V2的環(huán)境適應(yīng)性都是最好的，R1的環(huán)境適應(yīng)性都是最差的。該結(jié)果與實(shí)際相符，說明了本文的評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。