船舶建造过程绿色度评价方法研究

汪 骥， 刘 玉 君， 鲁 大 鹏， 邓 燕 萍

(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 运载工程与力学学部 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；3.船舶制造国家工程研究中心，辽宁 大连 116024)

0 引 言

当前，能源、资源以及环境问题已经成为世界各国关注的热点，一股“绿色浪潮”，即对绿色产品、绿色制造、绿色技术和绿色产品评价的研究及推广[1]广泛掀起.船舶制造过程是社会化协作面非常广的一项综合系统工程，传统的以单纯追求规模和效益为目的的船舶制造业必将面临着大量生产、大量消费和大量污染的发展瓶颈，面临环境保护和节能减排的严峻挑战.

对于绿色船舶的评价方法研究，行业内很多专家学者尝试从船舶的整个生命周期对其进行绿色度评价[2]，但在研究过程中遇到困难较多，这是因为船舶工业属于单件小批量生产过程，与其他大批量流水线生产的工业过程相比，在能源消耗、资金投入、对环境污染等方面均处于较高水平，而且在船舶运营和报废过程中所需要考虑的因素更加复杂.但是，在船舶产品的整个生命周期中，船舶建造过程对资源能源的消耗、对环境的污染所占的比例很大，考虑到上述问题，本文以船舶建造过程为研究对象，对其进行深入分析并进行绿色度评价.

1 评价方法的确定

在影响船舶建造过程绿色度的众多因素中，虽然有部分因素由于具有明显的船舶行业特点，在特定环境下能够被定量表示，但是在整个船舶建造的复杂过程中，其概念就会显得模糊，只能定性地对它们的各项属性进行概括，难以精确清晰地把定性的分析转化为定量的评价，所以本文采用模糊综合评价方法[3]，结合层次分析法理论，对船舶建造过程进行绿色度评价.具体流程如图1所示.

2 确定评价指标并建立评价模型

2.1 确定评价指标

影响船舶建造过程绿色度的因素很多，如何确定这些影响因素，并且合理地建立层次化指标体系，直接影响到评价模型的建立.本文在确定评价指标时采用德尔斐法，由调查人员采取匿名方式发放专家调查表格，每位专家独立填写调查表格，然后，调查人员对问卷表格进行回收，汇总后找出共识和分歧，并将分歧问题的相关资料再次发到各专家手中征求修改意见，通过不断降低分歧，使各专家意见趋于统一，最终得出调查结果[4～6].

应用德尔斐法，本文确定并建立船舶建造过程绿色度评价因素体系.船舶建造过程绿色度评价的第一级分类情况如图2所示，包含3个准则性因素:环境协调性、经济合理性和技术先进性.在该准则因素下，又把船舶建造过程根据工艺流程进一步分解为5个基本环节分别进行评价，如图3～10所示.以上建立的多级评价因素指标采取模糊评价理论方法，由下至上逐层进行评价分析，最终能够得出整个船舶建造过程的绿色度.

图2 船舶建造过程绿色度一级因素指标Fig.2 The first level index of green degree in shipbuilding process

图3 环境协调性二级因素Fig.3 The second level index of environment coordination

2.2 建立评价模型

图4 钢料加工因素Fig.4 Steel processing index

图5 分段装焊因素Fig.5 Subsection welding index

图6 总段组装因素Fig.6 Section assembling index

图7 船舶合拢因素Fig.7 Block assembling index of ship

为了系统分析船舶建造过程各准则下的诸多复杂因素，对船舶建造过程绿色度综合评价结果进行量化.本文采用综合模糊评价理论，结合船舶建造工艺的特点，建立了绿色度评价模型.其主要内容和步骤包括:(1)建立评价因素集合；(2)建立绿色度评价集合；(3)确定各层次评价因素权重；(4)确定评价因素隶属度；(5)建立综合评价模型.评价模型结构如图11所示.

图8 船舶下水因素Fig.8 Launching index of ship

图9 技术先进性因素Fig.9 Technical advancement index

2.3 确定评价集和隶属度

船舶建造过程绿色度评价集合是包含评价因素指标可能出现的所有评价结果组成的集合.虽然一般来说评价等级划分得越细，评价结果就会越准确，但是，如果把评价等级分得过细，会造成评价过程过于繁琐，并且某一因素归属于哪一个评价等级的判断掌握变得困难.本文将各因素的评价分为5个等级(如表1)，即V＝｛v1，v2，v3，v4，v5｝.

图10 经济合理性因素Fig.10 Economic rationality index

图11 综合评价模型结构简图Fig.11 Schematic of comprehensive evaluation model

表1 评价结果分值对应表Tab.1 Results ＆scores of the evaluation

在评语得分隶属度表格中，根据上面评价等级的划分，可以查出某一因素指标的各个评价等级的隶属度；再把同一层次的各因素隶属度进行集合，可以建立该层次的评价矩阵；然后结合各因素的权重系数计算出上一层因素的隶属度；最后，可以得出评价集元素的量化评价结果.但是，确定隶属度函数往往带有主观性，目前常用的隶属度函数确定方法主要有模糊统计法、相对比较法、集合套法、例证法、德尔斐法、参考函数法和统计迭代法等[7].本文选用德尔斐法确定各评价因素的评价标准和隶属度，在确定各个因素指标的评价标准时，主要依据行业内规范、相关政策法规、专家意见和行业内的实际状况.应用该方法，先得到评价集合及相应的隶属度函数，再通过归一化计算，最后可以得出船舶建造过程绿色度各评价因素的隶属度.

3 综合评价计算

3.1 计算各指标排序权重

根据层次分析法理论，要计算各个指标的排序权重系数，必须获得合理的比较矩阵.本文采用专家调查法获得大量的比较矩阵，并且应用遗传算法对比较矩阵进行修正计算.采用遗传算法修正比较矩阵的目的是为了找到并保持大量比较矩阵的原始特征，以及对比较矩阵进行一致性修正.

据遗传算法，本文采用十进制编码处理比较矩阵，考虑到比较矩阵的特殊性——上、下三角对应元素互为倒数，因此用一个n阶矩阵n×(n－1)／2位长度的编码基因串表示.在计算程序中，用一个二维数组表示一个矩阵，如数组b(i，j)中，i为种群中的个体编号，j为元素在矩阵中的位置特征.由专家调查获得的数据作为每一个矩阵的初始种群，每个个体由编码机制将其转化成数组形式的基因串.

比较矩阵的初始群体获得之后，下一步是确定适应度函数，根据优化目的，本文确定适应度函数为

每个个体的被选择概率由适应度函数计算得到，遗传算法的选择操作利用赌轮技术实现，选择好的个体被送入交配池，供交叉算子使用.本文选择的交叉概率定义为0.85，操作为单点交叉.交叉过程中随机选择交叉基因位，确定交叉点之后，直接交换两个数组的对应元素即可[8].此外，本文以0.05的变异概率进行变异操作，以弥补种群多样性减少带来的不足.由于比较矩阵的最大标度为9，矩阵中最小元素应大约等于0.11，因此在变异操作中，随机生成一个0.11到9的数，代替变异基因位上的数组元素.得出优化后的比较矩阵之后，计算其最大特征值对应的特征向量并归一化即可得到单一准则下各因素的排序权重.

3.2 船舶建造过程绿色度的综合评价计算

在上述评价集建立和隶属度确定的基础上，先构成最低层因素的评价矩阵.例如，在某单一准则Cj下，第4层n个因素为D＝｛d1，d2，…dn｝，其中每个因素的评价集为Vi＝ (v1，v2，…，v5)，结合每个因素的隶属度，构成评价矩阵为V＝(V1V2…Vn)T，若在Cj下D＝ ｛d1，d2，…，dn｝的每个因素的排序权重为WD＝(w1w2…wn)，那么Cj的隶属度可由下式计算:

计算结果RCj＝ (r1r2…r5)就是Cj因素的隶属度，采用同样的方法计算出与Cj同一层次其他因素的隶属度，由于该层次的各因素排序权重是已知的，可以得到Cj上一层各因素的隶属度，这样由下至上逐层计算，就能够得出最后的评价结果.

3.3 船舶建造过程绿色度评价软件

图12 船舶建造过程绿色度评价软件Fig.12 Green degree evaluation software in shipbuilding process

在本文船舶建造过程绿色度评价指标体系和评价方法的基础上，开发了船舶建造绿色度评价软件(图12)，功能主要包括两个部分:第一是对各因素的排序权重系数的修改保存，对比较矩阵的记录优化以及对各因素隶属度的修改；第二是对整个建造过程绿色度的整体评价和综合意见的生成.

在系统中，为保证排序权重以及评价标准的动态性，可以不断增加更多专家的意见，并选择优化比较矩阵命令自动计算新的排序权重和保存新的比较矩阵.此外，本系统还可以实现对各层次因素的单独评价和整体综合评价结果并给出建议.

4 结 论

本文通过对船舶建造过程以及绿色产品定义的深入研究，采用德尔斐法，建立了船舶建造过程绿色度评价因素体系，主要考虑环境协调性、经济合理性、技术先进性3个准则，建立了层次分析的评价模型.在此基础上，再次应用德尔斐法确定了各个影响因素的隶属度，最后应用模糊综合评价方法，提出了船舶建造过程总体绿色度的评价方法.本文的研究对船舶产品整个生命周期的绿色度评价具有重要的现实意义.

[1]张青山.制造业绿色产品评价体系[M].北京:电子工业出版社，2009

[2]蔡 薇.绿色船舶机理－指标体系－绿色度及船舶大气污染算法研究[D].武汉:武汉理工大学，2004

[3]ZHA X F.Neuro－fuzzy comprehensive assemblability and assembly sequence evaluation [J].Ai Edam Artificial Intelligence for Engineering Design Analysis and Manufacturing，2001，15(5):367－384

[4]ADLER M，ZIGLIO E.Gazing into the Oracle:the Delphi Method and Its Application to Social Policy and Public Health [M]. London:Jessica Kingsley Publishers，1996

[5]ISHIKAWA A，AMAGASA M，SHIGA T，etal.The max－min Delphi method and fuzzy Delphi method via fuzzy integration [J].Fuzzy Sets and Systems，1993，55(3):241－253

[6]林 甦，任泽平.模糊德尔菲法及其应用[J].中国科技论坛，2009(5):102－103

[7]王 鹏.中铁轮渡安全评价及专家系统的研究[D].大连:大连海事大学，2008

[8]王小平，曹立明.遗传算法——理论、应用与软件实现[M].西安:西安交通大学出版社，2002