基于主客观权重集成法的OWC装置波能转换效率评价

马晨哲 王永学 陈静

摘要：OWC装置的结构形式繁多，共振周期也各不相同，全面合理地评价OWC装置的工作性能具有重要的现实意义。为优化OWC装置的工程选型，文章基于主客观权重集成法，分别采用层次分析法和熵值法计算峰值波能转换效率、一级衰减和二级衰减3个指标的主观权值和客观权值，并通过优化模型进行组合，从而确定综合权值;利用3个指标的综合权值，对4种不同结构的OWC装置的平均波能转换效率进行评分，并对评分结果进行验证和分析。研究结果表明：在所选的4种装置结构中，圆截面UOWC的评分最高，即具有最高的平均波能转换效率;与传统OWC结构相比，UOWC结构的平均波能转换效率较高，在实际工程中有更好的表现，在满足条件时宜优先采用。

关键词：层次分析法;熵值法;波能发电;峰值波能转换效率;能量衰减

中图分类号：P7432;TM619;P75文献标志码：A文章编号：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

振蕩水柱式波能发电装置（Oscillating Water Column，OWC）是世界上投入使用最多的波能装置，其波能转换率较高，且对地形的依赖性较小[1]，宜与防波堤结合或直接沿海岸安装[2]，可有效利用海洋空间，性能可靠，维护简单，具有很强的工程意义。

国内学者对各种结构的波浪能装置进行性能评价：李成龙等[3]利用层次分析法，对3种多浮摆式波能发电装置进行评价与选型;谢典等[4]对不同结构形式的波浪能发电装置进行性能分析和综合评价;王项南等[5]对波浪能发电装置的功率特性、电能质量特性及其综合测试系统进行测试和评价。现有研究对OWC装置的性能评价仅考虑特定周期下的最大波能转换效率，但实际海域的波浪周期在某一固定范围内变化，而OWC装置不可能一直保持在共振周期工作。针对这一不足，本研究引入平均波能转换效率的概念，即OWC装置在实际工程海域常见波浪周期范围内的波能转换性能，该指标综合考虑了OWC结构的最大波能转换效率和实际海况条件下的稳定性。

目前评价波能装置通常采用层次分析法，各指标之间的权重完全根据主观因素决定，缺乏可靠性。现有评价方法的不足可采用主客观权重集成法改进，即分别计算各指标的主观权值和客观权值，并通过优化模型将主、客观权值集成，得到综合权值。王奔驰等[6]基于主客观集成权重法，对某战机起飞阶段的飞行品质进行评价，并与现有评价方法进行对比，验证主客观集成权重法的高准确性;王剑波等[7]利用主客观集成权重法，对管道风险因素进行赋权;孙倩等[8]基于主客观集成权重法，建立海洋资源环境承载能力综合评价方法，并进行实例分析。

本研究基于主客观权重集成法，提出评价OWC装置平均波能转换效率的3个指标，分别使用层次分析法和熵值法计算各指标的主观权值和客观权值，采用单目标最优化模型对主、客观权值进行组合以得到各指标的综合权值，加权计算各OWC装置的平均波能转换效率得分，可为工程选型提供参考依据。

1数据处理

11装置选取

本研究选取4种不同结构的OWC装置参与评价，分别为双圆筒沉箱兼作圆截面UOWC装置（马晨哲）、固定式矩形OWC装置[9]、矩形沉箱防波堤兼作UOWC装置[10]和离岸式矩形OWC装置[11]（图1）。

12评价指标

结合OWC装置在工程实际中的应用条件，本研究提出OWC装置平均波能转换效率的3个评价指标，即峰值波能转换效率（ηmax）、一级衰减（d1）和二级衰减（d2）。

121峰值波能转换效率

峰值波能转换效率是OWC装置在各种入射波周期条件下所能达到的最大波能转换效率。通常OWC装置在共振周期具有最大的波能转换效率，在实际工程中要根据当地海况进行装置设计，使装置的共振周期与实际工程海域的常浪周期相同，从而保证装置大部分时间在最佳工况下工作。因此，峰值波能转换效率是评价OWC装置波能转换性能的重要指标。

122一级衰减

对于实际工程的具体情况，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围内变化。某一地区的波浪周期大都集中在常浪周期±1 s的范围内，如果装置在这一周期范围内均能保证较高的波能转换效率（即衰减较小），便可认为其平均波能转换效率较高。

123二级衰减

在某些极端条件下，入射波浪周期会比常浪周期大（或小）很多，我国近海波浪周期通常情况下不会超过常浪周期±2 s的范围[12]。

13数据分值标准化

本研究选取装置的峰值波能转换效率、一级衰减和二级衰减的原始数据如表1所示。

为使数据更加直观和合理地应用于主客观权重集成法，须将原始数据进行分值标准化处理。峰值波能转换效率可直接采用线性化处理，即将每个指标的最大值记为100分，该指标的其他值与最大值的比值再乘以100记为相应的分数。一级衰减和二级衰减须转化为衰减后的波能转换效率与峰值波能转换效率的百分比pi，再进行线性化处理，计算公式为：

2主客观权重集成法

主客观权重集成法即通过最优模型，将主观权重和客觀权重集成获得综合权重[10]，使权值最大限度地准确和合理反映主观意向和数据固有的属性信息[11]。本研究采用层次分析法计算主观权重，采用熵值法计算客观权重，并将主、客观权重结合，最终通过优化模型求出最合理的评价指标权重向量。

21主观权重向量

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）于20世纪70年代由美国运筹学家Saaty提出，是多层次权重解析方法，其基本思想是通过比较两两指标之间的重要性，采用1～9标度法对各指标之间的权重关系进行量化，建立判断矩阵，并采用特征值法求出主观权重向量，具有系统、灵活和简洁的特点[13]。

本研究采用层次分析法计算平均波能转换效率各指标的主观权重，具体包括3个步骤。

211建立判断矩阵

OWC装置的平均波能转换效率由其峰值波能转换效率和稳定性（转换效率衰减情况）决定。由于装置在实际工程中大部分时间处于最佳工作条件，峰值波能转换效率是最重要的评价指标，直接决定OWC装置对入射波浪能的利用情况;实际工程的入射波浪周期通常在常浪周期±1 s之间变化，OWC装置在这一周期范围内的稳定性对平均波能转换性能也有很大影响，因此一级衰减也是较重要的指标;极端波浪周期出现的频率较低，因此二级衰减的重要性略低于其他2个指标。采用1～9标度法将以上定性分析量化，得到判断矩阵A中各元素的值（表3）。

212计算主观权重向量

采用特征根法计算权重，求得判断矩阵A的最大特征值λmax=3018 3，对应的特征向量

22客观权重向量

熵值法属于客观赋权法，其确定的权重可反映各指标值的离散程度[11]，其基本思想是根据指标变异性确定客观权重。在信息论中，熵是不确定性的度量之一，通常指标的信息熵越小，该指标值的变异程度越大，在综合评价中的权重也越大。

本研究采用熵值法计算平均波能转换效率各指标的客观权重，具体包括2个步骤。

221 建立决策矩阵

23综合权重优化

平均波能转换效率各指标的主观权重由层次分析法求得，主要反应各指标的相对重要程度;客观权重由熵值法求得，主要反应各指标的差异性对平均波能转换效率评价所贡献的信息量。为综合考虑主、客观权重的特点，将主观权值和客观权值进行组合，从而确定最终的综合权值w：

根据各指标的综合权重向量可知，峰值波能转换效率、一级衰减和二级衰减3个指标的综合权重分别为0600 3、0186 4和0213 3。其中，峰值波能转换效率的权重占比最大，即对平均波能转换效率的影响最大;一级衰减和二级衰减的权重占比相近，即对平均波能转换效率也有一定的影响。

3平均波能转换效率评价结果

根据综合权重，对每种OWC装置的平均波能转换效率进行评价，最终评价得分为各指标分数的加权和，即

圆截面UOWC的评分最高。根据上述分析，峰值波能转换效率对平均波能转换效率的影响最大，圆截面UOWC的峰值波能转换效率远大于其他3种模型（达到5063%），因此其平均波能转换效率最高。

评分排序第二位和第三位的分别是矩形UOWC和矩形OWC：矩形UOWC的峰值波能转换效率为4110%，但一级衰减和二级衰减远小于其他3种模型，即在常浪周期范围内能保持较高的波能转换效率，因此其平均波能转换效率较高;尽管矩形OWC的峰值波能转换效率稍大于矩形UOWC，但其转换效率的衰减幅度较大，即在实际海况工作的稳定性较差，因此其平均波能转换效率较低。

离岸式矩形OWC的评分最低，其峰值波能转换效率仅为37%，且805%的一级衰减和1538%的二级衰减也为最大值或次大值，因此其平均波能转换效率最低。

根据评价结果，UOWC结构与传统OWC结构相比的平均波能转换效率较高，在实际工程中具有更好的工作性能。Boccotti[16]对传统OWC与UOWC进行对比实验，结果如表5所示。

由表5可以看出，与传统OWC相比，UOWC的单个透平发电功率更大，即具有更好的波能转换效果。该结论与主客观权重集成法的评价结果一致，验证了该评价结果的有效性。因此，在实际工程中，在满足装置共振周期约等于常浪周期的条件下，具有更大平均波能转换效率的UOWC装置是更佳的选择。

4结语

为科学评价OWC装置在实际工程中的表现，本研究引入平均波能转换效率的概念，基于主客观权重集成法，对4种不同结构的OWC装置进行平均波能转换效率评价。

（1）在评价OWC装置平均波能转换效率的3个指标中，峰值波能转换效率的权值最大，为0600 3;一级衰减和二级衰减的权值相近，分别为0186 4和0213 3。

（2）圆截面UOWC的平均波能转换效率最高，在实际工程中的表现最好;其次是矩形UOWC;离岸式矩形OWC的平均波能转换效率最低。

（3）UOWC结构的平均波能转换效率高于传统OWC结构，在实际工程中，在满足共振周期约等于常浪周期的条件下，宜采用UOWC结构。

參考文献

[1]史宏达，杨国华，刘臻，等.新型沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置的设计及稳定性研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2010，40（9）：142-146.

[2]DENG Z，HUANG Z，LAW A W K.Wave power extraction from a bottommounted oscillating water column converter with a Vshaped channel[J].Proceedings of the Royal Society A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2014，470（2167）：20140074-20140074.

[3]李成龙，张军，何宏舟，等.层次分析法在波浪能发电装置选型中的应用[J].能源与环境，2013（6）：47-49.

[4]谢典，顾煜炯，余志文，等.波浪能发电装置的性能分析及综合评价[J].水力发电学报，2017（8）：115-122.

[5]王项南，贾宁，夏海南，等.我国海洋能发电装置的测试和评价[J].海洋开发与管理，2018，35（6）：89-92.

[6]王奔驰，杜军，丁超，等.基于主客观权重方法的某战机起飞阶段飞行品质评价[J].计算机测量与控制，2018，26（8）：300-304，320.

[7]王剑波，王晓霖，周立国，等.基于主客观集成权重的管道风险因素赋权方法[JOL].（2019-04-30）[2019-05-29].http：kns.cnki.netkcmsdetail13.1093.te.20190428.1327.004.html.

[8]孙倩，路波，索安宁，等.基于综合赋权法的海洋资源环境承载能力综合评价研究：以长江经济带邻近海域为例[J].海洋环境科学，2018，37（4）：570-578.

[9]VYZIKAS T，SAMY D，BARTON M，et al.Experimental investigation of different geometries of fixed oscillating water column devices[J].Renewable Energy，2017，104：248-258.

[10]PAOLO B，PASQUALE F，VINCENZO F，et al.Caisson breakwaters embodying an OWC with a small openingPart II：a smallscale field experiment[J].Ocean Engineering，2007，34：820-841.

[11]MILAD Z，SAID M，MASOUD M N.Experimental hydrodynamic investigation of a fixed offshore Oscillating Water Column device[J].Applied Ocean Research，2019，85：20-33.

[12]管轶.我国波浪能开发利用可行性研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[13]乔中涛，张延生，高凤岐，等.基于主客观权重集成的训练评估方法[J].现代电子技术，2017（15）：98-101.

[14]邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.

[15]张全.复杂多属性决策研究[M].沈阳：东北大学出版社，2008.

[16]BOCCOTTI P.Comparison between a UOWC and a conventional OWC[J].Ocean Engineering，2007，34（56）：799-805.