基于AHP-Delphi的艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估方法

楊成斌，李培凱，魏 維，徐富強(qiáng)

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院，浙江 寧波 315000）

在武器裝備型號(hào)立項(xiàng)論證、裝備型號(hào)對(duì)裝備體系貢獻(xiàn)度的計(jì)算分析，以及裝備型號(hào)試驗(yàn)、鑒定和定型等過(guò)程中，都涉及對(duì)武器裝備的效能進(jìn)行分析和評(píng)估。因此，武器裝備的效能分析和評(píng)估一直是軍事系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。“效能”一詞在不同的學(xué)科語(yǔ)境下似有不同的含義，學(xué)界目前也沒有對(duì)其形成一個(gè)統(tǒng)一、嚴(yán)格而明確的定義，但對(duì)于武器裝備以及由各類武器裝備形成的武器裝備體系而言，“效能”通常是指武器裝備（單裝）或武器裝備體系在完成具體軍事任務(wù)的過(guò)程中所能取得的“效果”，以及完成既定任務(wù)的“能力”。簡(jiǎn)而言之，在軍事系統(tǒng)工程中，效能是對(duì)裝備或體系完成特定軍事任務(wù)的能力和實(shí)際效果的量度[2-3]。在軍事科學(xué)技術(shù)競(jìng)相發(fā)展、廣泛應(yīng)用的當(dāng)今世界，戰(zhàn)爭(zhēng)中的武裝對(duì)抗形式早已從作戰(zhàn)單元間的對(duì)抗轉(zhuǎn)變?yōu)樽鲬?zhàn)體系間的對(duì)抗，戰(zhàn)爭(zhēng)的制勝機(jī)理也經(jīng)歷了從“體能制勝”到“火力制勝”，而后又從“平臺(tái)制勝”發(fā)展到“信息制勝”的復(fù)雜演變過(guò)程[4-5]。在強(qiáng)調(diào)體系對(duì)抗和信息制勝的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)武器裝備體系的效能分析/評(píng)估就成為了武器裝備發(fā)展戰(zhàn)略制定、裝備型號(hào)研制方案選擇及武器裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化等有關(guān)國(guó)防力量建設(shè)和軍事行動(dòng)運(yùn)籌的實(shí)踐活動(dòng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。武器裝備體系是一個(gè)復(fù)雜的層次化體系，對(duì)單裝的效能評(píng)估是實(shí)現(xiàn)武器裝備體系效能分析和評(píng)估的基礎(chǔ)，而對(duì)單裝子系統(tǒng)的效能評(píng)估又是實(shí)現(xiàn)對(duì)單裝整體進(jìn)行效能評(píng)估的前提。本文以我國(guó)海警執(zhí)法艦船的綜合效能評(píng)估為背景，討論艦船機(jī)電裝備的效能評(píng)估方法問(wèn)題。

1 海警艦船動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

武警海警部隊(duì)是武裝性質(zhì)的海上綜合執(zhí)法力量，在近海防衛(wèi)、海洋領(lǐng)土主權(quán)和權(quán)益維護(hù)、海上刑事案件偵察、海洋環(huán)境治理、海洋生態(tài)保護(hù)、海洋資源開發(fā)利用，以及海上搜救與應(yīng)急支援等方面發(fā)揮重要作用。海警艦船是海警部隊(duì)開展海上維權(quán)執(zhí)法活動(dòng)所倚賴的最為重要的平臺(tái)裝備，其動(dòng)力系統(tǒng)的效能在很大程度上決定了任務(wù)完成質(zhì)量和任務(wù)成功率的高低。

廣義的艦船動(dòng)力系統(tǒng)包括主動(dòng)力系統(tǒng)和輔助動(dòng)力系統(tǒng)，本文所提及的海警艦船動(dòng)力系統(tǒng)僅指艦船主動(dòng)力系統(tǒng)，即由主發(fā)動(dòng)機(jī)（通常是中高速柴油機(jī)）、后傳動(dòng)裝置（離合器、齒輪箱等）、傳動(dòng)軸系，以及為主發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)的油、水、氣和電等管路和電氣控制系統(tǒng)共同組成的為艦船提供航行動(dòng)力的系統(tǒng)。艦船動(dòng)力系統(tǒng)的主要任務(wù)是，在一定的轉(zhuǎn)速要求下，將燃料的化學(xué)能持續(xù)、高效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)出足夠的功率，并經(jīng)由后傳動(dòng)裝置和傳動(dòng)軸系傳遞給推進(jìn)器或推進(jìn)系統(tǒng)，以克服外部負(fù)荷帶來(lái)的阻力或阻扭矩，使艦船在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)改變或維持一定的航速。

根據(jù)海警艦船使命任務(wù)和動(dòng)力系統(tǒng)的主要任務(wù)可知，評(píng)價(jià)海警艦船動(dòng)力系統(tǒng)的效能，至少需要考慮其功率范圍、功率易調(diào)節(jié)性和可靠性這幾個(gè)方面。當(dāng)然，上述幾個(gè)方面只是十分粗略的考量，更為全面的效能指標(biāo)體系會(huì)在后續(xù)小節(jié)予以詳細(xì)介紹。

2 基于AHP-Delphi的效能評(píng)估方法框架

2.1 層次分析法（AHP）及其在效能評(píng)估中的應(yīng)用

層次分析法是英文Analytic Hierarchy Process（直譯為“理性分析的層次化過(guò)程”）的翻譯，通常取其英文首字母縮寫而簡(jiǎn)記為AHP。該方法是由美國(guó)數(shù)學(xué)家Saaty提出的一種定性與定量相結(jié)合的多因素綜合決策方法，廣泛應(yīng)用于解決受多重復(fù)雜因素影響和制約的方案決策問(wèn)題[6]。其基本原理是，將決策問(wèn)題按總目標(biāo)、分目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)指標(biāo)，直至具體備選方案的順序，逐級(jí)分解，得到相對(duì)完整的、層次化的樹狀決策圖。除最底層（方案層）外，每一層次的元素都與其下一層次的若干元素相關(guān)聯(lián)，根據(jù)兩兩比較，可以對(duì)某一元素的下層相關(guān)元素之間的相對(duì)重要度做出判斷，從而形成判斷矩陣。然后，利用求解判斷矩陣特征向量的辦法，可求得每一層次中各元素對(duì)上一層次某元素的相對(duì)權(quán)重大小。最后，利用加權(quán)求和，可以歸并得到各備選方案對(duì)總目標(biāo)的總權(quán)重，總權(quán)重最大的方案即為最優(yōu)方案。

上述分析方法也可用于武器裝備的效能評(píng)估，但在對(duì)單一艦船的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估時(shí)，并不需要從若干備選動(dòng)力系統(tǒng)中選出效能最優(yōu)的系統(tǒng)，而是希望通過(guò)層次化的理性分析和兩兩比較，獲得各層次中每一個(gè)元素對(duì)上層某關(guān)聯(lián)元素的相對(duì)重要度，因而需要對(duì)傳統(tǒng)的AHP稍作修改。在這里，將按照“艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能—?jiǎng)恿ο到y(tǒng)效能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則—效能評(píng)價(jià)指標(biāo)”的先后順序構(gòu)造效能評(píng)估指標(biāo)體系，并利用求取判斷矩陣特征向量的方法，獲得每一層次元素對(duì)上層關(guān)聯(lián)元素的相對(duì)權(quán)重值，最后利用遞階歸并的方法，求得最底層每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)效能的貢獻(xiàn)度。

上述利用AHP方法求取效能評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)度的基本思路如圖1所示。

圖1 基于AHP的效能指標(biāo)貢獻(xiàn)度計(jì)算過(guò)程

2.2 德爾菲法（Delphi）及其在效能評(píng)估中的應(yīng)用

20世紀(jì)50年代，美國(guó)蘭德公司與道格拉斯公司合作研究出一種收集專家意見的方法，以“Delphi”命名[7]。Delphi法是一種匿名反饋函詢法，其基本流程是：首先擬定要咨詢的問(wèn)題，并向若干名業(yè)內(nèi)專家匿名函詢；征得專家的意見后，對(duì)所有意見進(jìn)行整理、歸納和統(tǒng)計(jì)；然后將整理好的意見匿名反饋給各專家，再次征求意見；在新一輪的函詢中，每一名專家將能夠參考其他專家提出的意見建議，從而適當(dāng)調(diào)整自己的意見建議，因而經(jīng)過(guò)新一輪函詢后，專家的意見建議將趨于一致。在此基礎(chǔ)上，將新一輪的專家意見再集中，再反饋，直到不同專家的意見基本收斂一致為止。

在上一節(jié)中，通過(guò)AHP分析和計(jì)算，可以得到艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，但底層的各指標(biāo)究竟如何取值是一個(gè)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。對(duì)于指標(biāo)層中可以直接量化的效能指標(biāo)，例如主機(jī)最大總功率、冷車起動(dòng)時(shí)間等，可以通過(guò)Delphi法，得到指標(biāo)值與效能值的區(qū)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，經(jīng)過(guò)若干次專家匿名反饋函詢，一致認(rèn)為，就動(dòng)力性準(zhǔn)則而言，當(dāng)艦船在標(biāo)準(zhǔn)排水量為1 000 t左右時(shí)，若主機(jī)最大總功率小于6 000 kW，則該項(xiàng)指標(biāo)的效能值得分為5分（按10分制打分）；若主機(jī)最大功率在6 000~8 000 kW，則該項(xiàng)指標(biāo)的效能值得分為7分；若主機(jī)最大功率在8 000~10 000 kW，則該項(xiàng)指標(biāo)的效能值得分為9分；若主機(jī)最大功率大于10 000 kW，則該項(xiàng)指標(biāo)的效能值得分為10分。

對(duì)于指標(biāo)層中難以量化的指標(biāo)，例如動(dòng)力系統(tǒng)操作環(huán)境的舒適性，可以通過(guò)向?qū)＜姨峁C(jī)艙集控室和機(jī)旁操作環(huán)境的詳細(xì)描述，以及機(jī)電部門有關(guān)戰(zhàn)位人員的感性認(rèn)識(shí)，由若干專家對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的效能值進(jìn)行打分，并注明評(píng)分的依據(jù)。收集整理完專家的評(píng)分結(jié)果和相應(yīng)的依據(jù)之后，將其匯總并再次匿名函詢，得到新一輪的評(píng)分結(jié)果，然后再收集整理，并再次匿名函詢。經(jīng)過(guò)數(shù)輪匿名函詢之后，專家對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的效能值評(píng)分將趨于一致。例如，經(jīng)過(guò)3輪匿名函詢后，專家對(duì)某動(dòng)力系統(tǒng)操作環(huán)境舒適性的評(píng)分均在8分左右，則該項(xiàng)指標(biāo)的效能值得分即為8分。

當(dāng)所有底層指標(biāo)的效能值均已確定之后，就可以根據(jù)每一個(gè)效能指標(biāo)的權(quán)重和效能值，進(jìn)行加權(quán)求和，從而得到艦船動(dòng)力系統(tǒng)總的效能值評(píng)分。這樣，經(jīng)過(guò)建立指標(biāo)體系和遞階層次結(jié)構(gòu)、基于AHP的權(quán)重計(jì)算、基于Delphi的底層指標(biāo)效能值評(píng)估，以及最后的加權(quán)求和，就能夠得到艦船動(dòng)力系統(tǒng)總的效能評(píng)估值。上述效能評(píng)估方法的基本流程如圖2所示。

圖2 基于AHP-Delphi的艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估流程

3 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建和權(quán)重計(jì)算

3.1 艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)對(duì)海警艦船動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、主要功能的全面分析，可以從動(dòng)力性、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、人機(jī)工程和通用質(zhì)量特性6個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)其總體效能，因此，在建立遞階層次結(jié)構(gòu)時(shí)，可以上述6個(gè)方面的特性為準(zhǔn)則。

上述6個(gè)準(zhǔn)則需要進(jìn)一步細(xì)化為底層的效能評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，動(dòng)力性準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最大輸出功率、適應(yīng)負(fù)荷變化能力，機(jī)動(dòng)性準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括冷態(tài)起動(dòng)時(shí)間、正倒車換向時(shí)間，經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括滑油消耗率、燃油消耗率、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速、購(gòu)置價(jià)格，排放性準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括氮氧化物（NOx）排放量、未燃燒碳?xì)浠衔铮℉C）排放量、顆粒物排放量和一氧化碳（CO）排放量，人機(jī)工程準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括操作便利性、操作環(huán)境舒適性，通用質(zhì)量特性準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)包括可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

根據(jù)上述準(zhǔn)則和底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以繪制出艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)

3.2 相對(duì)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AHP方法的實(shí)施步驟，由專家對(duì)準(zhǔn)則層（記為B層）的6個(gè)元素對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能（A層）相對(duì)重要度進(jìn)行兩兩比較（采用經(jīng)典的9標(biāo)度判斷方法），得到如下判斷矩陣。

計(jì)算上述判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)并與隨機(jī)一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可知該判斷矩陣滿足隨機(jī)一致性要求。計(jì)算判斷矩陣的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，可得Vmax=[0.765 6 0.409 3 0.163 6 0.101 4 0.101 4 0.446 1]。

對(duì)該特征向量進(jìn)行單位化，可得上述6個(gè)效能評(píng)估準(zhǔn)則（動(dòng)力性、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、人機(jī)工程、通用質(zhì)量特性）對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)效能的相對(duì)重要度權(quán)重依次為0.385 2、0.205 9、0.082 3、0.051 0、0.051 0、0.224 5。

類似地，可以分別構(gòu)造6個(gè)評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的判斷矩陣，即C層對(duì)B層的6個(gè)判斷矩陣。通過(guò)檢驗(yàn)判斷矩陣的隨機(jī)一致性（若未通過(guò)檢驗(yàn)，需要適當(dāng)調(diào)整判斷矩陣）、計(jì)算最大特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量，再將各特征向量單位化，分別可得到底層效能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則層某元素的相對(duì)重要度權(quán)重。

經(jīng)過(guò)判斷、檢驗(yàn)、調(diào)整和計(jì)算，得到底層指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)則層的相對(duì)重要度權(quán)重結(jié)果見表1。

表1 各層指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

4 艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估實(shí)例

以海警某型執(zhí)法艦的動(dòng)力系統(tǒng)為例，該艦的主要任務(wù)是在我國(guó)東海海域進(jìn)行巡邏執(zhí)法，其標(biāo)準(zhǔn)排水量為600 t，其主動(dòng)力系統(tǒng)共有4臺(tái)高速柴油機(jī)，單機(jī)功率為2 200 kW，每一臺(tái)主機(jī)均配有獨(dú)立的后傳動(dòng)裝置和軸系。主機(jī)的起動(dòng)采用電機(jī)帶動(dòng)，備車時(shí)間較短，主機(jī)的正倒車依靠后傳動(dòng)裝置中的齒輪箱實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)查閱隨艦資料、航行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和艦員反饋，得到關(guān)于該艦動(dòng)力系統(tǒng)較為全面的信息，并經(jīng)梳理匯總后分發(fā)給事前選擇好的3名專家。專家按照Delphi法的要求，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)底層指標(biāo)進(jìn)行效能值評(píng)分，并注明評(píng)分依據(jù)。經(jīng)過(guò)數(shù)輪匿名函詢和意見收集之后，專家對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)各項(xiàng)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果基本一致。專家對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果見表2。

表2 某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能指標(biāo)的Delphi結(jié)果

根據(jù)表1給出的底層指標(biāo)對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能貢獻(xiàn)度（總權(quán)）分布情況和表2給出的專家評(píng)分結(jié)果，將二者對(duì)應(yīng)相乘再求和，即可得到該型艦船動(dòng)力系統(tǒng)的綜合效能值為7。由此可知，該動(dòng)力系統(tǒng)的綜合效能處于中等水平，能夠滿足任務(wù)需求，但有較大的改進(jìn)空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開展艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估，可以判斷既有動(dòng)力系統(tǒng)或備選動(dòng)力系統(tǒng)方案對(duì)艦船使命任務(wù)的滿足度，為裝備的編組運(yùn)用、改進(jìn)改型或設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供參考。本文針對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估影響因素多而復(fù)雜的特點(diǎn)，將AHP與Delphi法相結(jié)合，提出一種定量與定性相結(jié)合的艦船動(dòng)力系統(tǒng)效能評(píng)估方法。該方法具有流程簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)和影響因素考慮全面等優(yōu)點(diǎn)，但評(píng)估結(jié)果的可信度很大程度取決于所構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系的完善程度。