基于AHP-云模型的混動船舶動力系統(tǒng)綜合評估

胡 義，陳炳文，徐振峰

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于AHP-云模型的混動船舶動力系統(tǒng)綜合評估

胡 義，陳炳文，徐振峰

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

日益嚴(yán)格的國際法規(guī)要求船舶運營需要良好的經(jīng)濟(jì)性、絕對的可靠性和滿足要求的排放性。傳統(tǒng)動力燃油船舶很難滿足日益嚴(yán)格的國際海事法規(guī)要求，迫切需要改造或升級；混合動力船舶因具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性、良好的可靠性及低排放性能夠滿足相關(guān)要求。針對混合動力船舶的技術(shù)參數(shù)，運用隸屬云理論和AHP構(gòu)建數(shù)學(xué)綜合評估模型，對混合動力船舶動力系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評判，比較得出最佳方案，為混合動力船舶動力裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。

AHP；云模型；混合動力船舶；綜合評估

0 引 言

船舶數(shù)量的急劇增長，排放性問題引起了國內(nèi)外專家學(xué)者及政府機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，國際海事組織（IMO）和地方區(qū)域性保護(hù)組織對船舶尾氣排放做了嚴(yán)格的規(guī)定，尤其是2016年實施的《MARPOL》公約第三階段對船舶排放提出了更加嚴(yán)格的要求；新造船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）強(qiáng)調(diào)了建設(shè)綠色、環(huán)保、高效的新型船舶。燃油動力船舶具有其固有的優(yōu)勢，但其很難滿足日益嚴(yán)格的國際海事法規(guī)的要求，因此迫切需要開發(fā)新型動力船舶滿足日益嚴(yán)格的相關(guān)排放性要求。柴電混合動力船舶是柴油機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)（船舶電站）混合推進(jìn)的新型推進(jìn)方式[1]，包含PTO/PTI運行模式，船舶正常航行時使用軸帶發(fā)電機(jī)，可充分利用主機(jī)的儲備功率，使主機(jī)運行在高效率狀態(tài)，可提升主機(jī)利用率10%～15%，而且軸帶發(fā)電機(jī)可以完全或者部分替代發(fā)電機(jī)，大大提高了船舶運營的經(jīng)濟(jì)性；加速、港口、內(nèi)河航行等機(jī)動航行時，與柴油機(jī)共同推進(jìn)，大大增強(qiáng)了船舶的操縱性；港口、冰區(qū)等環(huán)保特殊要求的區(qū)域，采用PTI模式，使船舶能夠滿足嚴(yán)格的國際法規(guī)；主機(jī)發(fā)生故障喪失動力時，采用電力推進(jìn)模式，大大提高了動力系統(tǒng)的可靠性[2-3]。船舶動力[1]設(shè)備是船舶安全航行的生命保障，因此其可靠性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、操縱性受到船東、船級社、國際海事組織的普遍關(guān)注，目前尚未有專門的組織機(jī)構(gòu)采用專業(yè)的方法對混合動力船舶性能做出綜合評估，本文利用層次分析法和隸屬云理論將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)對柴電混合動力系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估。

柴電混合動力系統(tǒng)在實際運行中由于受到人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素等諸多因素的影響，存在一定的不確定性和隨機(jī)性。目前主流的評估方法有層次分析法、模糊綜合評判法、系統(tǒng)分析法等，各種方法具有各自的優(yōu)點，但缺少客觀、有效的定量定性轉(zhuǎn)化模型，若采用純數(shù)學(xué)模型，便忽略了評估目標(biāo)的不確定性與隨機(jī)性，降低了事物的客觀性[4]。云理論已廣泛用于航天、科技、商業(yè)等方面的性能評估。隸屬云模型由我國工程院院士李德毅提出，它基于各種不確定性，綜合考慮各因素，通過統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，采用定量的數(shù)學(xué)評估模型描述定性概念，能夠較為準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)的模糊性和隨機(jī)性，具有較高的客觀性[4–6]。云模型綜合評估采用概率統(tǒng)計的方法，避免了人為評價的個人傾向性，因而能夠客觀準(zhǔn)確的對柴電混合動力船舶動力系統(tǒng)做出綜合評價。

1 混合動力船舶動力系統(tǒng)評估模型

動力系統(tǒng)提供持續(xù)可靠動力是確保船舶安全航行的關(guān)鍵因素，柴電混合動力作為一種新的動力方式，具有極大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，有著廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍。針對船舶營運過程的關(guān)鍵指標(biāo)因素，建立柴電混合動力船舶綜合評估指標(biāo)體系（A）包括以下內(nèi)容：

1）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（B1），即柴電混合動力船舶在運營中所要支付總的經(jīng)濟(jì)費用。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是船東考慮的主要因素，也是船舶運營中的核心因素，主要包含制造費用、燃料費用、維修費用，由于柴電混合動力包含變頻器，推進(jìn)電機(jī)、齒輪箱等設(shè)備，制造費用相對柴油機(jī)推進(jìn)的船舶高，但軸帶發(fā)電機(jī)又可以充分利用主機(jī)功率，使主機(jī)處于高效率狀態(tài)，因此大大降低了發(fā)電機(jī)組的燃料費用，大大增加了經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)研究表明雖然電力推進(jìn)的初期投資比直接推進(jìn)模式高10%～20%，但整個綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的維修量和維修費用可降低17%左右。從而實現(xiàn)電能綜合管理，既減少了綜合運行費用，又減少了排放污染[7]。

2）可靠性（B2）是船舶安全航行的生命保障，是指機(jī)器設(shè)備穩(wěn)定運行和發(fā)生故障的概率。船舶安全航行必須保證一定的可靠性，柴電混和動力系統(tǒng)中的電力推進(jìn)系統(tǒng)與柴油動力系統(tǒng)共同推進(jìn)，大大增加了船舶在極端條件下的可靠性。電力推進(jìn)更多的采用故障率低、安全可靠的電子元件，大大降低了動力系統(tǒng)的故障率，并且采用電力推進(jìn)更易于自動化操作，降低了人為故障的發(fā)生，有效降低機(jī)器設(shè)備的振動與噪聲，提高了機(jī)械性能；

3）技術(shù)先進(jìn)性（B3）是柴電混合動力相對于柴油機(jī)推進(jìn)動力的優(yōu)越性。柴電混合動力可以采用電力推進(jìn)和柴油機(jī)共同推進(jìn)，避免柴油機(jī)極端情況下超負(fù)荷運行，為船舶提供強(qiáng)大的功率儲備；也可以獨立采用電力推進(jìn)模式，適應(yīng)對環(huán)保有嚴(yán)格要求的碼頭、港灣等特殊區(qū)域，可以大大減少船舶污染氣體的排放[2,7]，極大地滿足國際海事法規(guī)對排放性的嚴(yán)格要求；同時，電力推進(jìn)更多的使用電子元器件，利于船舶實現(xiàn)自動化控制。柴電混合動力裝置層次模型如圖1所示。

2 建立AHP-云模型柴電混合動力評估數(shù)學(xué)模型

2.1 層次分析法（AHP）

層次分析法中，為了使數(shù)值型判斷矩陣定量化和無量綱化，在進(jìn)行比較時，引用1～9標(biāo)度法，其具體含義如表1所示。

表 1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tab. 1 Judgement matrix and meaning

判斷矩陣是否具有滿意的一致性，引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI，對于1～9階判斷矩陣，RI值通過大量隨機(jī)試驗統(tǒng)計分析得出，具體值可通過查表2得出。

表 2 RI取值表Tab. 2 Value tables of RI

2.2 云模型

2.2.1 云模型的基本概念

2.2.2 云模型各指標(biāo)的數(shù)值特征

根據(jù)專家評估結(jié)果，組成決策矩陣，通過定性與定量語言的轉(zhuǎn)化，提取n維數(shù)字型精確值的一個云模型的數(shù)字特征：

每個云模型都可以表示一個語言值指標(biāo)，將n個語言值的云模型用一個一維綜合云模型來表示：

2.2.3 云重心綜合評估法

云重心綜合評判法是將各指標(biāo)用云模型來表示，形成一個一維綜合云，對比綜合云在理想狀態(tài)下和特定狀態(tài)下的偏離度，進(jìn)行加權(quán)平均求得云模型目標(biāo)層與理想值的偏離程度，計算出評估目標(biāo)的歸屬度，判斷指標(biāo)的性能。

相應(yīng)云的重要程度可用云重心來表示，系統(tǒng)信息發(fā)生變化云重心亦相應(yīng)變化。云重心的表示式為：

式中：a為云重心位置，即云模型的期望值；b為云重心的高度，表示云滴的不同幾何位置，通常情況下b取0.371。

將綜合云重心偏差向量歸一化，得

由加權(quán)偏離度θ獲得綜合云模型評估結(jié)果的歸屬度為:

2.3 云模型評語集

針對評估目標(biāo)的特點，制定精度盡可能高的評語集的，通常云模型評語集V（極好，非常好，很好，較好，好，一般，差，較差，很差，非常差，極差）[6]，每個評語值用云模型表示在一維線性坐標(biāo)上，構(gòu)成一維測評發(fā)生器，如圖2所示。

3 模型計算分析

3.1 計算評估指標(biāo)權(quán)重

選取某型調(diào)查船作為參考對象，采用單機(jī)單槳推進(jìn)形式并接入軸帶發(fā)電機(jī)（PTO/PTI）。其推進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)如表3所示。

參考上述某型調(diào)查船柴電混合動力船舶各指標(biāo)的性能特點，利用層次分析法結(jié)合1～9標(biāo)度法，構(gòu)造判斷矩陣如表4所示。

表 3 調(diào)查船推進(jìn)系統(tǒng)的各項參數(shù)Tab. 3 Ship propulsion system parameters

由表4可知：

由式（3）得：

由式（2）得：

上式表明柴電混合動力船舶指標(biāo)層構(gòu)成的判斷矩陣滿足良好的一致性，各技術(shù)指標(biāo)權(quán)重如表5所示。

表 4 柴電混合動力系統(tǒng)指標(biāo)判斷矩陣Tab. 4 Diesel-electric hybrid system judgement matrix

表 5 各項技術(shù)指標(biāo)權(quán)重Tab. 5 Weight of technical indicators

3.2 構(gòu)建評估指標(biāo)評語矩陣

針對參考對象柴電混合動力系統(tǒng)的特點，結(jié)合云模型隸屬度函數(shù)，運用評語集語言，采用專家打分方式得到如下評語矩陣：

由式（4）～式（5）求得各指標(biāo)云模型的期望（Ex）和熵（En）。

指標(biāo)C1C2C3C4C5C6C7C8C9Ex0.550.7750.60.5750.650.650.8250.850.75 En0.050.0330.0330.0330.050.050.0170.0170.017

3.3 指標(biāo)云重心綜合評判

基于云模型的船舶柴電混合動力系統(tǒng)評估，運用云模型描述指標(biāo)性能，并進(jìn)行相關(guān)云計算，求得理想狀態(tài)下和特定狀態(tài)下的云重心向量，得到綜合云偏差值，求出混合動力船舶的歸屬度，評判其綜合性能的優(yōu)劣性。

根據(jù)評語集，理想狀態(tài)下各指標(biāo)的期望E0=（1，1，…，1），由式（8）求得理想狀態(tài)下和特定狀態(tài)下的云重心一維綜合向量及綜合云偏差向量如表6所示。

表 6 船舶柴電混合系統(tǒng)各指標(biāo)一維云重心Tab. 6 One-dimensional cloud center indicator of diesel-electric hybrid system

4 結(jié) 語

針對船舶柴電混合系統(tǒng)的各指標(biāo)特點，建立層次云模型，利用隸屬云相關(guān)理論客觀、準(zhǔn)確的對該模型進(jìn)行綜合評估，得出該模型具有良好的綜合性能；該評估方法亦可以實現(xiàn)對船舶柴電混合動力多方案之間的優(yōu)劣選擇，通過對各方案歸屬度進(jìn)行比較，得到最佳方案，為混合動力船舶的設(shè)計提供一定的理論和技術(shù)支撐。船舶柴電混合動力系統(tǒng)運用PTO/PTI技術(shù)，能夠保證船舶主機(jī)在各種工況下處于良好的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，同時船舶電站兼容岸電系統(tǒng)，能夠滿足排放性要求嚴(yán)格的碼頭、港灣、水域航行，具有良好的優(yōu)越性；隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，船舶柴電混合動力系統(tǒng)將會更加廣泛的應(yīng)用。

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Power system evaluation of hybrid ship based on AHP and cloud model

HU Yi, CHEN Bing-wen, XU Zhen-feng
(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Increasingly strict international regulations require ships a good economy, absolute reliability, and good emissions to meet requirements. Ships using traditional fuel are hard to meet the increasingly strict international maritime regulations, so it is urgent to transform or upgrade. Hybrid ships can meet the requirements due to superior economy, good reliability and low emissions. Building mathematics evaluation model based on cloud theory and AHP for the technical parameters of hybrid ship, various performance indicators of hybrid ships are assessed and optimum solutions can be obtained. It can provide theoretical basis for the design of hybrid diesel-electric vessels.

AHP；cloud model；hybrid ship；comprehensive evaluation

U662.3

A

1672 – 7649(2017)08 – 0079 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.017

2016 – 09 – 12；

2016 – 10 – 25

國家科技支撐計劃課題資助項目(2014BAG04B02)

胡義(1975 – )，男，博士，副教授，研究方向為動力裝置性能分析與故障診斷。