基于AHP方法的深海低温环境物理模拟系统方案优选分析

刘保华，杨 磊，丁忠军，于凯本，李德威，李宝钢，刘庆亮

(国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061)

基于AHP方法的深海低温环境物理模拟系统方案优选分析

刘保华，杨 磊*，丁忠军，于凯本，李德威，李宝钢，刘庆亮

(国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061)

针对深海环境温度场分布特征及温度模拟要求，开展了深海低温环境物理模拟系统概念规划和系统设计，在分析制冷方案优选判据的基础上，针对深海低温环境模拟试验各设计方案，依据多元评价函数的层次分析方法，建立了通用的AHP分析模型，对各备选方案进行了优选排序和综合评价，完成了基于多元评价函数的设计方案优选分析，分析结果与实际情况吻合，为开展深海中心环境模拟系统基础建设提供了决策依据，同时为开展深海超高压环境温度模拟试验和深海试验仪器及装备的测试等应用示范奠定良好基础。

AHP方法；深海环境；低温制冷；方案优选

深海环境温度场的模拟是深海极端环境物理模拟系统的重要组成部分，是开展深海环境较真实模拟和再现的难点和核心问题，进入2 1世纪以后在海洋工程建设、海洋科学研究、深潜载人技术研发等需求的推动下，国内外许多科研机构和院所纷纷开展深水高压模拟系统的研制，特别是随着我国“蛟龙”号7000 m级海试成功，使我国成为继美、日、俄、法之后掌握大深度载人深潜技术的国家，这极大促进了我国对深海装备研发和深海技术应用的需求。

目前国内外许多科研机构纷纷开展了深海超高压系统的研制，在国外，以北美、日本、西欧为代表的发达国家技术较为先进，譬如美国国家锻造公司（EPSI）具备研制压力达到100 MPa的高压舱能力；日本国家海洋研究所(NMRI)于2 0 0 3年研制成功了多功能深海高压实验系统，该系统可实现压力、温度、二氧化碳和pH值等多种参数的模拟实验研究[1]。在国内，上海交通大学建造了深海高压环境试验装置；沈阳自动化研究所成功研制了72MPa深海模拟压力试验系统；四川海洋特种技术研究所研制了7 5MP a深水环境模拟试验装置；国家海洋标准计量中心研制了JSA2-1型深水环境模拟系统；中船重工702研究所研发了系列深海压力模拟装置[2-4]。

深海超高压环境模拟实验系统是国家深海基地管理中心重要的技术支撑平台和试验手段，主要承担深海仪器、深海设备以及载人潜水器关键零部件等超高压模拟试验和测试任务，在深海仪器装备的研制应用方面提供了重要的技术支撑，是国家深海基地管理中心建设必不可少的内容之一。虽然国内已经拥有了多种深海环境模拟装置和深水压力罐系统，但仍然存在着一些不足，在深海低温环境模拟方面均没有实现，所以仍不能满足目前深海高压环境模拟的技术要求。本文在综合分析和比较国内外相关模拟实验系统的优缺点基础上，开展深海环境温度场的模拟系统研究，开展了深海超高压环境温度场模拟系统概念规划和系统设计。在分析制冷方案优选判据的基础上，针对深海低温环境模拟试验各设计方案，依据多元评价函数的层次分析方法，建立了通用的A H P分析模型，对各备选方案进行了优选排序和综合评价，完成了基于多元评价函数的设计方案优选分析，为开展深海中心环境模拟系统基础建设提供了决策依据，并为开展深海超高压环境温度模拟试验和深海试验仪器及装备的测试，提供了新的技术手段和实验平台，同时为下一步进行试验平台基础的选址、设计及建设，并开展应用示范奠定良好基础，本文的研究表明AHP 层次分析法(The analytic hierarchy process)应用到深海温度模拟方案选择中是可行的，该分析模型具有计算简捷、结果准确等优点。

1 深海环境温度模拟系统设计

1.1 深海环境温度模拟系统设计目标

1.1.1 项目概述

国家深海基地管理中心深海环境温度模拟实验系统需要配置水池、低温保温水箱、低温冷水机组以及各种管阀件，整套试验装置要实现高压舱罐体内温度为2～1 0℃，满足长时间温度稳定需求，可实现打压试件压力测试过程中温度恒定的功能。

1.1.2 技术要求及目标

深海环境温度模拟实验系统是通过冷媒水介质来实现低温制冷和保温功能，冷媒储水箱应良好保温，以尽量减小冷水冷量损失和温度波动，冷媒温度2～1 0℃，需使用防冻混合溶液进行循环，控制冷冰点温度，以保证冷媒正常循环，避免制冷蒸发器的结冰危险。由于是专门配置的冷媒混合溶液，所以系统设计应考虑冷媒的重复利用，避免浪费。

1.1.3 主要技术指标

根据项目设计目标，需要完成深海温度模拟系统低温冷却系统参数计算、低温制冷保温具体实施方案、基础选址以及现场施工等内容，主要的技术指标满足：

（1）深海模拟温度控制范围：2～10℃，测量精度0.1℃，响应时间0.1 s；

（2）温度采集：温度测量传感器工作压力≥90 MPa，精度0.1K；（3）制冷机组功率：128匹

（4）高压舱罐体尺寸：内径Ф1600 m m，有效长度3000 m m。

1.2 深海环境温度模拟系统控制过程策略分析

温度控制策略采用半主动式控制方式，通过测得的温度特征，对高压舱实现降温制冷，需要实现热传导过程，通常工业上利用制冷机组来实现降温和增温处理，考虑到温度范围不大（深海模拟温度控制范围：2～1 0℃，测量精度0.1℃，响应时间0.1 s）且高压舱体积大（1.6 m×3 m），因此考虑用制冷压缩机＋热交换器实现高压舱内水的热交换，进行高压舱内水的温度控制，并用保温水套来实现低温保温，其控制原理如图1所示。

图1 低温制冷原理控制框图

1.3 深海环境温度模拟系统方案设计

深海环境下的低温温度场模拟是深海环境模拟的主要参数之一，高压舱内高精度低温温度测量与控制是深海超高压环境模拟系统的关键技术也是技术难点。采用目前工业现场常用的低温制冷设备进行温度模拟系统集成。拟研制的深海超高压温度模拟系统由数据采集控制器、制冷机组、热交换器、储水箱、低温保温水槽和水泵阀件组成，结构组成示意图见图2。

图2 深海环境温度模拟控制系统示意图

基于以上设计的方案，本文提出了3种备选方案。

方案（1）：拟研制的深海超高压温度模拟系统其原理是通过预先制备冷媒水，然后对深海温度模拟主体进行温度制冷和保温，其中低温环境保温模拟的主体是压力桶A，内径1600 m m，有效试验长度3000 m m，平均壁厚为400mm，该方案将压力桶裸露处理，直接预埋在地下，该系统主要由制冷机组、压力桶、注水泵、储水罐和水泵阀件等系统组成。

方案（2）：考虑到实际打压试验所需的时间不确定，压力桶为金属材料，在长时间打压下内部冷媒水与外部环境发生热传导，会造成温度环境的非线性变化，因此本方案采用发泡保温材料对低温环境保温模拟的压力罐A进行整体封装，利用隔热材料将内部温度场与外部环境隔绝，形成独立的温度半开环控制环境，主要由制冷机组、压力桶、注水泵、储水罐、发泡保温材料和水泵阀件等系统组成。

方案（3）：深海温度模拟方案需要满足不同海域水温特征，而不同海域的水文和海洋特性不一致，故在试验中为保证实时可更改压力桶低温物理环境特性，对压力罐A用冷水循环层进行包装，通过循环水冷却压力罐达到低温制冷的目的，如图2中虚线所示，主要由制冷机组、压力桶、注水泵、储水罐、发泡保温材料、低温制冷水循环层和水泵阀件等系统组成。

2 设计方案优选分析

深海低温环境模拟试验方案的确定是由技术条件、施工条件、经济条件、环境条件以及社会效益等多种影响因素决定的。目前，尚不能通过简单的数学模型或优选判据来正确评价各种设计方案，只能通过定性分析与定量分析来综合评价，以达到理想的“定量化”才能得出更加逼近实际情况的分析结论[5]。基于以上因素，本文采用层次分析法对深海低温环境模拟试验方案进行综合评价。

2.1 影响因素分析

影响深海低温环境模拟试验方案的因素有很多，本文从工程应用角度对各影响因素进行了分析，主要包括建造成本、日常运行费用、使用寿命等9个方面，影响因子记为bi，如表1所示。

在深海温度环境物理模拟试验方案分析中，使优选分析模型判据和参数尽量涵盖试验方案的各个方面。

表1 深海低温环境模拟试验方案影响因素

2.2 AHP方案优选模型

层次分析法法(The analytic hierarchy process,简称AHP)的基本分析思路与人们对某一个复杂的系统决策问题的思维、判断和决策过程大概上是一致的，是通过建立层次分析模型，将定性的结论转换为模糊评判矩阵，根据逐层比较得到的各种关联因素的权重，确定各方案在综合评价指标下的价值，从而实现对方案的优选[6]。

2.2.1 构建多级评价系统

在深入分析实际情况的基础上，为达到构建多级评价系统的目的，需建立自上而下的评价准则及备选方案等参数的多级评价系统结构模型，主要包括方案层、准则层与目标层之间的关系。多级评价结构模型参见表2。

2.2.2 构造成对比较阵

评价尺度采用 1，3，5，7，9(1-9尺度)，表示第 i元素与第j元素“同等重要、比较重要、重要、很重要、极重要”。本文在各设计方案中，将各设计方案的建造成本和运行费用取估算值作为判断依据进行内插。

表2 多级评价结构模型

2.2.3计算相对重要度

由线性代数可知，判断矩阵A为反对称矩阵，则存在一特征向量，满足：

式中：λ为矩阵特征向量对应的特征值，经归一化处理后得到权向量ω，其分量ωi表示权重。该算法的计算量较大、计算过程较复杂，且矩阵A本身是估计值，不需要做精确的计算，故本文拟采用乘积方根法计算特征向量的近似值。

2.2.4 一致性检验

应用随机一致性指标来作判断矩阵的一致性检验。

式中：判断矩阵A的维数为n；ω表示权向量；ωi表示权向量分量；CR表示随机一致性比值；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标。取500个样本的平均值，如表3所示。

当CR<0.1时，本文认定判断矩阵A满足一致性要求，是可以接受的，否则就调整比较矩阵A，直到满足一致性要求为止。

2.2.5 综合评价指标及决策

通过以上分析建立各设计方案的评价指标的定量评价值B，得到一个定量评价矩阵：

综合评价指标的表达式为：

式中：ω为权向量；V为综合评价指标向量，其最大分量Vmax对应分量为最优方案。

通过优选，发现方案2的相对隶属度最大，值为0.251，其次是方案3，优属度为0.235，方案1隶属度为0.216，该结果与实际情况吻合良好，说明在此适宜条件下，方案2是一种较好的方案。但是，每一种方案都有它的使用条件和适用场合，并不是在所有的条件下都是最优的，方案比对分析如表4。

表3 随机一致性指标取值

表4 方案对比分析表

3 结论

（1）本文在综合分析和比较国内外相关模拟实验系统的优缺点基础上，开展深海环境温度场的模拟系统研究，开展了深海超高压环境温度场模拟系统概念规划和系统设计；

（2）针对深海低温环境模拟试验各设计方案，依据多元评价函数的层次分析方法，建立了通用的A H P分析模型，对各备选方案进行了优选排序和综合评价，完成了基于多元评价函数的设计方案优选分析，分析结果与实际情况吻合；

（3）优选方案的分析是基于多元函数的A H P模型，任何模型的结算都是有它的使用条件和场合，并不是所有的情况下都是最优的选择，制冷的实际操作还需根据具体的情况开展应用。

K R McClay, P S Whitehouse, T Dooley, et al. 3D evolution of fold and thrust belts formed by oblique convergence [J]. Marine and Petroleum Geology,2004, 21:857-877.

[2] 刘敬喜，王敏. 深海环境模拟装置压力控制系统设计[J].电子设计工程，2012（4）：87-91.

[3] 侯继伟. 深海极端海洋环境模拟平台电液比例压力控制技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2005：5-11.

[4] 沈国鉴，胡勇，殷俊，等. 2000m 多用途深海环境模拟装置的可靠性分析[J]. 上海交通大学学报，1990（4）：17-25.

[5] 程建维，杨胜强，杨伍伍.唐山沟煤矿通风系统改造方案优选分析[J]. 工业安全与环保，2008（10）：50-54.

[6] 王平利，胥海伦.基于多元评价函数的空调冷热源方案优选分析[J].制冷与空调，2002（3）：16-18.

Scheme Optimization Analysis of the Deep-sea Low Temperature Environmental Physical Simulation System Based on the Analytic Hierarchy Process

LIU Bao-hua,YANG Lei,DING Zhong-jun,YU Kai-ben,LI De-wei,LI Bao-gang,LIU Qing-liang
(National Deep-sea Base Management Center,Qingdao Shandong 266061,China)

The deep-sea low temperature environmental simulation system planning and concept design was carried out,according to the temperature distribution characters and temperature field simulation requirements.The deep-sea environment simulation system theoretical calculating model in the time and space domain was established and the simulation analysis using Ansys finite element analysis software was carried out.The theoretical calculations and simulation results show that the design temperature of the deep sea environment simulation systems meets the design requirements and the needs of deep-sea environment simulation temperature.The deep-sea environment temperature simulation system could provide new techniques and experimental platform for deep-sea instruments and equipment testing and experiments,while as a good foundation to carry out demonstration.In the analysis of refrigeration scheme optimization criterion，a general AHP analysis model for the deep-sea temperature environment simulation test of the design schemes was built based on evaluation function of the level analysis method.The research provides decision-making basis for deep-sea center environment simulation system infrastructure,at the same time laying a good foundation for deep-sea low temperature physics simulation and instrument testing application demonstration.

AHP method;deep-sea environment;refrigeration;scheme optimization

TB69

A

1003-2029(2013)02-0006-05

2012-12-19

海洋公益性行业科研专项经费资助项目——深海超高压环境模拟系统关键技术研究子项目“深海超高压环境模拟及控制关键技术研究”（GY10-01）

刘保华（1960-），男，博士，研究员，主要研究方向为海洋地球物理学。

杨磊（1982-），男，博士，主要研究方向为深海装备研发、机械设计、低温制冷技术。Email:yangsir@ndsc.org.cn

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