基于主客觀權重集成法的OWC裝置波能轉換效率評價

馬晨哲 王永學 陳靜

摘要：OWC裝置的結構形式繁多，共振周期也各不相同，全面合理地評價OWC裝置的工作性能具有重要的現實意義。為優(yōu)化OWC裝置的工程選型，文章基于主客觀權重集成法，分別采用層次分析法和熵值法計算峰值波能轉換效率、一級衰減和二級衰減3個指標的主觀權值和客觀權值，并通過優(yōu)化模型進行組合，從而確定綜合權值;利用3個指標的綜合權值，對4種不同結構的OWC裝置的平均波能轉換效率進行評分，并對評分結果進行驗證和分析。研究結果表明：在所選的4種裝置結構中，圓截面UOWC的評分最高，即具有最高的平均波能轉換效率;與傳統(tǒng)OWC結構相比，UOWC結構的平均波能轉換效率較高，在實際工程中有更好的表現，在滿足條件時宜優(yōu)先采用。

關鍵詞：層次分析法;熵值法;波能發(fā)電;峰值波能轉換效率;能量衰減

中圖分類號：P7432;TM619;P75文獻標志碼：A文章編號：1005-9857（2019）12-0061-06

Performance Evaluation of Wave Energy Conversion Efficiency of OWC Device Based on Subjective and Objective Weight Integration

MA Chenzhe，WANG Yongxue，CHEN Jing

（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：The OWC devices have a variety of structural forms and different resonance periods.How to comprehensively and reasonably evaluate the working performance of the OWC device is a subject of practical significance.Based on the subjective and objective weight integration method，this paper used AHP and Entropy Method to calculate subjective weight and objective weight of maximum wave energy conversion efficiency，firstorder attenuation and secondorder attenuation respectively，and combined them through optimization model to obtain the comprehensively weight.According to the comprehensively weights of 3 indexes，the average wave energy conversion efficiency of OWC devices with 4 different structures was comprehensively marked.Verification and analysis were carried out with the score and suggestions for engineering selection of OWC devices were provided.The results showed that the dualcylindrical UOWC structure had the highest score among the 4 OWCs selected.So it had the highest average wave energy conversion efficiency.Compared with the traditional OWC structure，the UOWC structure had higher average wave energy conversion efficiency，therefore，had better performance in practical engineering.

Key words：Analytic Hierarchy Process，Entropy Method，Wave energy generation，Maximum wave energy conversion efficiency，Energy attenuation

0引言

振蕩水柱式波能發(fā)電裝置（Oscillating Water Column，OWC）是世界上投入使用最多的波能裝置，其波能轉換率較高，且對地形的依賴性較小[1]，宜與防波堤結合或直接沿海岸安裝[2]，可有效利用海洋空間，性能可靠，維護簡單，具有很強的工程意義。

國內學者對各種結構的波浪能裝置進行性能評價：李成龍等[3]利用層次分析法，對3種多浮擺式波能發(fā)電裝置進行評價與選型;謝典等[4]對不同結構形式的波浪能發(fā)電裝置進行性能分析和綜合評價;王項南等[5]對波浪能發(fā)電裝置的功率特性、電能質量特性及其綜合測試系統(tǒng)進行測試和評價?，F有研究對OWC裝置的性能評價僅考慮特定周期下的最大波能轉換效率，但實際海域的波浪周期在某一固定范圍內變化，而OWC裝置不可能一直保持在共振周期工作。針對這一不足，本研究引入平均波能轉換效率的概念，即OWC裝置在實際工程海域常見波浪周期范圍內的波能轉換性能，該指標綜合考慮了OWC結構的最大波能轉換效率和實際海況條件下的穩(wěn)定性。

目前評價波能裝置通常采用層次分析法，各指標之間的權重完全根據主觀因素決定，缺乏可靠性。現有評價方法的不足可采用主客觀權重集成法改進，即分別計算各指標的主觀權值和客觀權值，并通過優(yōu)化模型將主、客觀權值集成，得到綜合權值。王奔馳等[6]基于主客觀集成權重法，對某戰(zhàn)機起飛階段的飛行品質進行評價，并與現有評價方法進行對比，驗證主客觀集成權重法的高準確性;王劍波等[7]利用主客觀集成權重法，對管道風險因素進行賦權;孫倩等[8]基于主客觀集成權重法，建立海洋資源環(huán)境承載能力綜合評價方法，并進行實例分析。

本研究基于主客觀權重集成法，提出評價OWC裝置平均波能轉換效率的3個指標，分別使用層次分析法和熵值法計算各指標的主觀權值和客觀權值，采用單目標最優(yōu)化模型對主、客觀權值進行組合以得到各指標的綜合權值，加權計算各OWC裝置的平均波能轉換效率得分，可為工程選型提供參考依據。

1數據處理

11裝置選取

本研究選取4種不同結構的OWC裝置參與評價，分別為雙圓筒沉箱兼作圓截面UOWC裝置（馬晨哲）、固定式矩形OWC裝置[9]、矩形沉箱防波堤兼作UOWC裝置[10]和離岸式矩形OWC裝置[11]（圖1）。

12評價指標

結合OWC裝置在工程實際中的應用條件，本研究提出OWC裝置平均波能轉換效率的3個評價指標，即峰值波能轉換效率（ηmax）、一級衰減（d1）和二級衰減（d2）。

121峰值波能轉換效率

峰值波能轉換效率是OWC裝置在各種入射波周期條件下所能達到的最大波能轉換效率。通常OWC裝置在共振周期具有最大的波能轉換效率，在實際工程中要根據當地海況進行裝置設計，使裝置的共振周期與實際工程海域的常浪周期相同，從而保證裝置大部分時間在最佳工況下工作。因此，峰值波能轉換效率是評價OWC裝置波能轉換性能的重要指標。

122一級衰減

對于實際工程的具體情況，入射波不可能一直保持在共振周期，而是在某一固定周期范圍內變化。某一地區(qū)的波浪周期大都集中在常浪周期±1 s的范圍內，如果裝置在這一周期范圍內均能保證較高的波能轉換效率（即衰減較?。?，便可認為其平均波能轉換效率較高。

123二級衰減

在某些極端條件下，入射波浪周期會比常浪周期大（或?。┖芏?，我國近海波浪周期通常情況下不會超過常浪周期±2 s的范圍[12]。

13數據分值標準化

本研究選取裝置的峰值波能轉換效率、一級衰減和二級衰減的原始數據如表1所示。

為使數據更加直觀和合理地應用于主客觀權重集成法，須將原始數據進行分值標準化處理。峰值波能轉換效率可直接采用線性化處理，即將每個指標的最大值記為100分，該指標的其他值與最大值的比值再乘以100記為相應的分數。一級衰減和二級衰減須轉化為衰減后的波能轉換效率與峰值波能轉換效率的百分比pi，再進行線性化處理，計算公式為：

2主客觀權重集成法

主客觀權重集成法即通過最優(yōu)模型，將主觀權重和客觀權重集成獲得綜合權重[10]，使權值最大限度地準確和合理反映主觀意向和數據固有的屬性信息[11]。本研究采用層次分析法計算主觀權重，采用熵值法計算客觀權重，并將主、客觀權重結合，最終通過優(yōu)化模型求出最合理的評價指標權重向量。

21主觀權重向量

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）于20世紀70年代由美國運籌學家Saaty提出，是多層次權重解析方法，其基本思想是通過比較兩兩指標之間的重要性，采用1～9標度法對各指標之間的權重關系進行量化，建立判斷矩陣，并采用特征值法求出主觀權重向量，具有系統(tǒng)、靈活和簡潔的特點[13]。

本研究采用層次分析法計算平均波能轉換效率各指標的主觀權重，具體包括3個步驟。

211建立判斷矩陣

OWC裝置的平均波能轉換效率由其峰值波能轉換效率和穩(wěn)定性（轉換效率衰減情況）決定。由于裝置在實際工程中大部分時間處于最佳工作條件，峰值波能轉換效率是最重要的評價指標，直接決定OWC裝置對入射波浪能的利用情況;實際工程的入射波浪周期通常在常浪周期±1 s之間變化，OWC裝置在這一周期范圍內的穩(wěn)定性對平均波能轉換性能也有很大影響，因此一級衰減也是較重要的指標;極端波浪周期出現的頻率較低，因此二級衰減的重要性略低于其他2個指標。采用1～9標度法將以上定性分析量化，得到判斷矩陣A中各元素的值（表3）。

212計算主觀權重向量

采用特征根法計算權重，求得判斷矩陣A的最大特征值λmax=3018 3，對應的特征向量

22客觀權重向量

熵值法屬于客觀賦權法，其確定的權重可反映各指標值的離散程度[11]，其基本思想是根據指標變異性確定客觀權重。在信息論中，熵是不確定性的度量之一，通常指標的信息熵越小，該指標值的變異程度越大，在綜合評價中的權重也越大。

本研究采用熵值法計算平均波能轉換效率各指標的客觀權重，具體包括2個步驟。

221 建立決策矩陣

23綜合權重優(yōu)化

平均波能轉換效率各指標的主觀權重由層次分析法求得，主要反應各指標的相對重要程度;客觀權重由熵值法求得，主要反應各指標的差異性對平均波能轉換效率評價所貢獻的信息量。為綜合考慮主、客觀權重的特點，將主觀權值和客觀權值進行組合，從而確定最終的綜合權值w：

根據各指標的綜合權重向量可知，峰值波能轉換效率、一級衰減和二級衰減3個指標的綜合權重分別為0600 3、0186 4和0213 3。其中，峰值波能轉換效率的權重占比最大，即對平均波能轉換效率的影響最大;一級衰減和二級衰減的權重占比相近，即對平均波能轉換效率也有一定的影響。

3平均波能轉換效率評價結果

根據綜合權重，對每種OWC裝置的平均波能轉換效率進行評價，最終評價得分為各指標分數的加權和，即

圓截面UOWC的評分最高。根據上述分析，峰值波能轉換效率對平均波能轉換效率的影響最大，圓截面UOWC的峰值波能轉換效率遠大于其他3種模型（達到5063%），因此其平均波能轉換效率最高。

評分排序第二位和第三位的分別是矩形UOWC和矩形OWC：矩形UOWC的峰值波能轉換效率為4110%，但一級衰減和二級衰減遠小于其他3種模型，即在常浪周期范圍內能保持較高的波能轉換效率，因此其平均波能轉換效率較高;盡管矩形OWC的峰值波能轉換效率稍大于矩形UOWC，但其轉換效率的衰減幅度較大，即在實際海況工作的穩(wěn)定性較差，因此其平均波能轉換效率較低。

離岸式矩形OWC的評分最低，其峰值波能轉換效率僅為37%，且805%的一級衰減和1538%的二級衰減也為最大值或次大值，因此其平均波能轉換效率最低。

根據評價結果，UOWC結構與傳統(tǒng)OWC結構相比的平均波能轉換效率較高，在實際工程中具有更好的工作性能。Boccotti[16]對傳統(tǒng)OWC與UOWC進行對比實驗，結果如表5所示。

由表5可以看出，與傳統(tǒng)OWC相比，UOWC的單個透平發(fā)電功率更大，即具有更好的波能轉換效果。該結論與主客觀權重集成法的評價結果一致，驗證了該評價結果的有效性。因此，在實際工程中，在滿足裝置共振周期約等于常浪周期的條件下，具有更大平均波能轉換效率的UOWC裝置是更佳的選擇。

4結語

為科學評價OWC裝置在實際工程中的表現，本研究引入平均波能轉換效率的概念，基于主客觀權重集成法，對4種不同結構的OWC裝置進行平均波能轉換效率評價。

（1）在評價OWC裝置平均波能轉換效率的3個指標中，峰值波能轉換效率的權值最大，為0600 3;一級衰減和二級衰減的權值相近，分別為0186 4和0213 3。

（2）圓截面UOWC的平均波能轉換效率最高，在實際工程中的表現最好;其次是矩形UOWC;離岸式矩形OWC的平均波能轉換效率最低。

（3）UOWC結構的平均波能轉換效率高于傳統(tǒng)OWC結構，在實際工程中，在滿足共振周期約等于常浪周期的條件下，宜采用UOWC結構。

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