舰艇舱室居住性指标体系及其模糊关联评估优化研究

陈 武 彭 飞 牟金磊 闫富玉

（海军工程大学舰船工程系 武汉 430033）

0 引 言

舰艇居住性的优劣，是衡量舰艇整体性能的重要指标［1］.长期以来，在舰艇总体设计建造中，舱室的居住环境要求往往置于武器装备、动力装置等系统的要求之后，从而忽视居住性的改善，第二次世界大战后，世界海军进入了一个相对和平的建设时期，舰艇居住性也日益受到重视.美国海军早在1975年就开始关注舰艇的居住性问题，1979年制定了海军居住性标准与必备条件，对舰艇的居住性有了相应的规定和要求.在1995年，又制定了舰艇居住性设计规范.俄罗斯海军早期对船舰居住性并不重视，但现随着新舰艇的研制和人本思想的普及，对相关性能指标越发重视［2－3］.

我军在《舰船通用规范》（GJB4000－2000）中也制定了相应的居住性规范，对舰艇的生活条件、环境、设施要求逐步规范化、标准化.与过去相比，在舰艇居住性方面取得了长足的进步，但是仍然有一些问题存在，具体来说有以下几点：（1）对于居住性的评估往往依靠主观经验，而没有一套系统的评价手段；（2）规范中的居住性指标过于宽泛，要求不够细化，对舱室的限定较为狭隘；（3）多为对环境和设施的控制和要求，忽视了人因在其中发挥的积极作用.

针对上述问题，本文结合舰艇舱室的实际，并借鉴了汽车、列车等交通工具驾驶室舒适性和人因工程理论的有关内容，提出了在作业状态下的指挥舱室居住性指标体系.由于影响舱室居住性的指标数量很多，而各个指标的评价标准又不能统一界定，考虑到部分指标只能定性评价，所以指标的评价存在模糊性.因此本文提出基于层次分析法的多级模糊综合评价模型.考虑了各指标间的关联关系来构建舰艇居住性综合评价模型，对潜艇舱室的居住性进行客观全面地评价.为了避免以往基于设计人员主观经验的传统居住性评估方法带来的随意性问题，本文将定性定量指标引入舱室居住性评价与分析方法中.最后以潜艇指挥舱室为例进行了居住性的分析.

1 潜艇舱室居住性评价指标的建立

以指挥舱室居住性评价为例，运用模糊评价方法进行评价，在理论和调查基础上，确定指挥舱室居住性的评价指标7项18条评价因素［4－6］（见图1），本指标体系以提高艇员在生活工作的舒适性和工作效能，从而增强综合战斗力.根据不同的分析对象，本文将指挥舱室居住性指标体系分为2类，见图1.

图1 舱室居住性的评价指标

以文献［5－6］与《舰船通用规范》（GJB4000－2000）为依据.对每个评价指标分别进行定义.

2 基于模糊多关联属性居住性的综合评价模型

2.1 建立因素集

因素就是评价对象所涵盖的各种属性和成分，能从单方面来评价对象.由于评价对象存在多个因素影响其性能，而所有因素的集合就被称为因素集［7］.

根据舰艇系统的舱室居住性评估体系组成，将影响舱室居住性评估的要素确定为m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，影响第一级影响因素（1≤i≤7）的子因素很多，把这些下一级的影响因素记为 mi＝｛mi1，mi2，…，min｝.其中：i∈（1，k）.第一级影响因素和第二级影响因素数量与种类的选取，可以根据舱室空间特点进行确定，依此类推可建立下一个层次的因素集.

2.2 构建评价集

在评估过程中，该对象被给予的全部评价结果，构成的集合就是评价集，一般用V＝｛v1，v2，…，vn｝表示.其中：vi为影响因素ui的评价结果.本文以模糊语言描述，如“非常好”“好”“一般”“差”“非常差”，并分别对应评估参数集，假定为P＝｛90，75，60，45，30｝，以百分制为计算标准.

2.3 基于AHP的居住性评估指标权重确定

由于各影响因素对于评价对象的重要程度不同，为了能够反映各影响因素对于评价对象的重要程度的强弱关系，给所有影响因素赋予一个对应的权重系数，这些权重系数就组成了影响因素的权重集合.如对第一层次指标集m＝｛m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7｝，可由层次分析法、经验分析法或专家评分法，得到相关权重集μ＝ ｛μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6，μ7｝.其中： ＝1.m1的权重为μ1，mi的权重为μi，依次类推得出其余各层次中各影响因素对上一级影响因素的评估权重.

2.4 构建评估矩阵与计算评估结果

1）确定单影响因素评估矩阵 对因素集m中的单个影响因素进行评价，确定评价对象对评价集V中各元素的隶属程度.由全部影响因素的评价集构成一个总评价矩阵R.

2）确定综合评估矩阵 根据单影响因素评估矩阵和各子影响因素的权重集，对综合评估矩阵进行模糊合成计算，即综合评估矩阵B1＝μ1°R1.其中：“°”为模糊合成计算符.同理可得综合评估矩阵至.

3）根据总综合评估矩阵得到评价结果 对综合评估矩阵进行归一化处理后，与所对应的权重集进行模糊运算，得到所隶属上级的评估结果，直至顶层，获得总的评估矩阵.令其与转置后的评估参数集相乘，得到居住性评估分值Pm，即Pm＝.这样就得到关于舱室居住性各个影响因素评估值Pm，这个数值可以用于评估舱室的居住性设计方案.

2.5 舱室居住性设计指标关联度

影响舱室居住性的指标之间并不是独立存在的，而是相互间有着关联关系的，这种关系被称为关联度.如舱室空间会影响视野可达性.但是，视野可达性不会影响舱室空间.所以，并非所有因素间的关联关系都是对称的，而是有指向性的关联关系.

根据舱室居住性特征及部分文献资料［8－9］，得到产品舱室居住性评价指标的关联度，见表1.

表1中每行分别表示了该指标和其他6个指标的关联度.将各指标间强、弱、无3级关联关系量化对应为1，0.5，0分.

表1 舱室居住性指标之间的关联度

2.6 舱室居住性优化指标有向图

舱室居住性评价指标有向图直观地表示各指标间的关联关系.

有向图中一系列节点代表舱室居住性评估指标，E＝（e12，e13，…，eij，…）是各节点间的有向弧，表示节点之间的关联度，弧eij表示ei相对于ej的关联度.将表1所列的各指标间关联度强弱关系用有向图表示出来，见图2.

图2 评价指标有向图

2.7 建立关联度矩阵

为了方便计算，为了便于计算，将有向图表达形式转化成各指标间的关联度矩阵表达式.关联度矩阵包括评价指标自身分值矩阵和评价指标之间的关联度矩阵两部分.

1）评价指标自身分值矩阵 这是一个7×7对角线矩阵，其对角线元素是各个评价指标自身的评价分值.

2）居住性评价指标之间的关联矩阵 根据图2所示的有向图获得各指标间的关联矩阵，其主对角线上元素为0，矩阵可写为

考虑如上2个矩阵的综合影响，得到舱室居住性评价模型关联度矩阵

该矩阵既能体现评价指标本身的优劣程度，又能体现各指标间的联系，能将居住性的评价模型更客观全面地表达出来.

2.8 基于关联度矩阵积和式的舱室居住性评价

本文选择标准函数积和式作为矩阵的求解方式，对居住性评价模型的关联度矩阵求积和式，综合考虑到了评价指标体系中各指标间的关联情况，同时也作为居住性的综合评价方式.

定义 积和式 对于n阶矩阵A＝（aij），积和式为

式中：Sn为n阶对称群.

积和式的计算值越大，则表示对评估模型的综合评分越高.每一种方案在矩阵（3）中所对应着各自的评估分值｛Vi｝序列，代入式（4），得到各个方案的Per（M）值，数值最大者，则相关方案为最优.

由于舱室居住性评估模型已给出，从而确定了该模型的关联矩阵和积和式的形式.代入某设计方案的7个评价指标值，便可得到相应的积和式值的多项式

综合考虑影响居住性的各种因素，通过求舱室居住性各评价指标的关联度矩阵的积和式，在舱室布置的设计阶段可以得到一个较为可靠的评价结果.同时可以通过设立8个参考基点将非线性的评估值换算为为线性变化的数值，即设定V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＝V7＝0.6时，式（4）中的值Per（M）＝1.566，这种方法，各个评价指标被认为是地位相等的，即评价指标的权重己被分配，当积和式的计算值取为1.566，则视为居住性评分为60分.这样得出如表2所示区间表.

表2 区间表

计算舱室居住性评价模型关联度矩阵积和式，是一种简化的评价方法，既考虑了指标自身的评价，又考虑了各指标之间的相互联系，可以比较全面进行舱室居住性的综合评价.

3 以潜艇指挥舱室居住性为例的综合评估

基于评价指标分析，建立挥舱室居住性综合评价的核对表.选取潜艇相关设计人员、潜艇使用人员和舰艇专家共5名，作为评价表和核查表打分人员.由图1中各指标建立评价核查表.首先进行单项指标的评价（假定权重已给出），得出评价值；其次将数值代入居住性的评价模型（假定权重已给出），得出评价结果.

在上文中已将评估等级分为｛非常好（0.8），好（0.6），一般（0.4），差（0.2），非常差（0）｝，且权值已给出.利用模糊数学的方法，根据给定数据对指挥室的居住性进行评估如下.

1）确定居住性评估模型 根据所示的居住性评估体系确定评估集合v ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，各子评估集合分别为v1＝ ｛v11；v12，v13｝；v2＝ ｛v21，v22，v23｝；v4＝ ｛v41，v42，v43｝；v5＝ ｛v51，v52，v53｝；v6＝ ｛v61，v62，v63，v64｝和 v7＝ ｛v71，v72｝.

2）确定各影响因素的权值分配 通过小范围的问卷调查得到居住性一级指标的权重分配集μ＝［0.15，0.21，0.13，0.22，0.14，0.08，0.07］，坐姿舒适性中各子影响因素的权重分配集＝［0.46，0.38，0.16］，操作方便性中各子因素的权重分配集＝［0.42，0.34，0.24］，舱室空间中各子因素的分配权重集＝［0.39，0.29，0.32］，人机界面交互性中各子因素的分配权重集＝［0.38，0.30，0.32］，内部环境适应性中各子因素的分配权重集＝［0.28，0.30，0.27，015］，仪器装置友好性中各子因素的分配权重集＝［0.58，0.42］.

3）构建模型的评估矩阵 确定模型的评估参数集 给定评估参数集为P＝｛90，75，60，45，30｝.

形成单因素评估矩阵 按照多组设计人员对各因素的评估效果记录，建立坐姿舒适性、操作方便性、视野可达性、舱室空间、人机界面交互性、内部环境适应性和仪器装置友好性的评估矩阵.

6个单因素评估矩阵为

计算综合评估矩阵 应用B1＝μ1°R1求解第二层的综合评估阵.

根据总综合评估矩阵得到评价结果 对各个综合评估矩阵归一化运算后得到总的评估矩阵

将中相应参数分别与评估参数集PT相乘，可以得到量化的居住性属性中各影响因素评估值（见表3）Pm.

表3 指标评价等级

由表3可见，舱室空间相关的影响因素为居住性属性中的最短板.因此，要改善方案的居住性属性应先从舱室空间的相关影响因素着手，考虑如何利用富裕空间进行布置以提高舒适性，并考虑座椅、仪器操作台、舱室环境的综合影响.

将表3中各指标分值代入积和式多项式（4）中得Per（M）＝2.015 649 2，根据评分区间表，该舱室设计方案的评估分值处于60～70之间，方案综合评价较低，故该设计方案仍需进行进一步优化改进.

4 结束语

本文建立了适用于潜艇指挥舱室设备的居住性评价指标体系.以舰船通用规范为参考，分析了潜艇指挥舱室的内部设备及布局.结合现有设计准则，提出了针对指挥舱室居住性的评价指标体系的7个指标.以模糊数学为基础，提出了潜艇指挥舱室居住性综合评价模型.并对单壳体潜艇指挥舱室居住性分析，得出评估值，提出了优化建议.

另外在本文关于潜艇舱室居住性评估模型的基础上，深入研究基于虚拟仿真环境下的居住性分析与评价手段，为潜艇前期的方案设计与后期的维护使用在居住性评价方面提供实用有效的决策支撑.本文所构建的居住性评估体系也可以为舰艇的居住性评估提供参考依据和内容补充.

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