基于模糊决策理论的船体主尺度优化外文翻译资料

 2022-08-23 16:02:21

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基于模糊决策理论的船体主尺度优化

陈建平，广州航海学院船舶工程学院

徐杰，广州大学自动化学院

Xu Li，福建船政交通职业学院

陈建平邮箱：wchchenjp@sina.com

通过日期2016.12.12，修订日期2016.10.31，接收日期2016.11.16

学术审核：Francisco Chicano

版权所有copy;2016陈建平等人。这是根据知识共享署名许可证分发的开放访问文章，允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是正确引用原始作品。

本文提出了应用模糊决策理论对船舶主尺度进行优化的方法。首先建立了船体主尺度优化的模糊决策模型，然后采用变值法构造了一系列的船体主尺度优化方案。在此基础上，采用模糊决策方法对系列船体主尺度方案进行评价。最后，得到了最优的船体主尺度方案。示例验证了该方法对船体主尺度优化经济性能上的有效性。

1.引言

对于现代船舶设计，特别是民用运输船舶的设计，不仅要满足设计规范，具有良好的技术性能，而且要考虑船舶的经济性能。在设计建造新船的过程中，有不同的技术设计方案，其经济效益也不尽相同。通过对各种船型技术方案的经济评价，可以得到最优的技术方案。反之，如果在设计过程中片面追求“先进”的技术指标，忽视了船舶的经济效益，就会导致设计的不合理，造成船舶运行在经济上的损失。类似于这种设计错误，在实际情况中并不少见。

船舶优化问题一直是一个非线性问题。可优化变量包括船舶主尺度、船体形状系数、船舶速度和主机功率。船型优化问题是一个复杂的非线性优化问题。事实上，船形优化问题是一个多目标决策问题（1,2）。对于多目标决策问题，评价其优劣的方法很多，如权和法、层次分析法、理想指标规划法等（3~6）。不同目标之间存在可比性和冲突性。多目标优化问题不仅是一个确定目标准则的简单问题，而且是如何为多目标决策问题选择目标准则的问题（7~11）。这是建立一套良好的决策标准的关键。由于选择的目标函数或权重不同，优化结果往往不同。决策结果往往具有一定的相关性和主观性，不能真实反映客观事实。

综上所述，本文介绍了船舶设计的相关决策方法，使船舶设计决策朝着定量化、科学化的方向发展，一些方法在船舶设计决策中显示出良好的应用前景。但需要指出的是，现有的方法在实践中应有效地应用到船型论证中，尚不成熟，无法解决实际问题。在研究方法和理论方面还有待于进一步完善。本文应用模糊决策理论对船型优化这一多目标决策问题进行了评价。通过对经济评价指标的排序，得到最优船型设计方案。这为解决船体主尺度优化问题提供了新的方向。

最后，这篇论文以珠江干线3000吨级散货船为例，验证该方法的有效性。

2.船舶技术经济指标

在新船设计过程中，首先要根据要求和使用条件，制定一系列可行的船型方案，然后对这些方案进行技术经济评价。最后，通过对这些方案的评价，得到最优方案。经济评价的目的是改进船舶的设计。它不仅是新船设计的起始，而且是船舶设计的重要组成部分，涉及面广，影响因素多，技术政策性强。从某种意义上说，船舶技术经济评价对船舶设计的质量和成功起着决定性的作用。船型优化问题是由一系列船型设计方案组成的多参数、多目标决策问题，船型设计方案由技术性能、经济性能、运行性能等因素决定。本文采用模糊决策方法，解决了具有船舶技术平衡性能的船型优化问题。

3.模糊综合评价模型

对于同一船舶设计要求，不同的设计人员可以制定不同的设计方案。为了得到最优解，设计人员往往需要设计一系列方案，并用一些评估方法对这些方案进行评估。设计人员的经验、业主的要求和意图在设计过程中起着重要的作用，这些因素往往混淆在一起。因此，如何处理模糊与定量分析、定性与定量分析之间的关系，是选择最优船型的关键。本文应用模糊决策理论，研究了船型技术参数与组合参数之间的等价关系。

3.1.综合评价法。

模糊综合评价（FCE）是以模糊数学为基础，运用模糊综合关系原理对一些定义不明确或不易量化的因素进行量化（12）。它是模糊数学在自然科学和社会科学领域的一个重要应用（13-16）。将多方案优化问题转化为求解评价向量B=Asdot;R，因此确定模糊评价指标矩阵R和指标重要性向量A是多方案排序优化的关键（17~23）。

3.2.船舶模糊综合评价模型。

模糊综合评价方法包括三个部分，第一部分是一组备选方案，称为方案集；第二部分是评价因素或指标，称为指标集{1，?2，hellip;，?899;}。三是单因素评价。在单因素评价的基础上，对船型进行模糊综合评价。下面进一步确定了三种元素的类型。

（1）定义方案集。该方案集由一系列设计方案?={V1，V2，hellip;，V?}组成。

（2）确定评价因子，构建指标集。选择能反映船型方案质量的因子作为指标，这些指标由指标集组成，表示为?={1，?2，hellip;，?1899;}。

（3）评估指标集。对于每种船型方案中的每一个指标，总有一个期望值??和允许值??。对于任何模糊子集??，它被定义为其区间内的最优值。模糊子集??被定义为

式中???（??）是??的满意度函数，其特征是相应评价指标的满意度。

当满意度随评价指标的增加而单调增加时，满意度的形式???（??）为

当满意度随评价指标的降低而单调递减时，满意度的形式???（??）为

通过对方案各项评价指标的技术经济性能评价，得出船型综合评价指标。在得到船型方案的综合评价指标后，通过绘制满意度曲线，得到其模糊指标。对每个船型方案，对每个评价指标进行评价，得到模糊评价指标矩阵如下：

在模糊矩阵R中，每一行的每一个元素表示为对应船型方案的一个评价指标的值，对应一套统一的评价标准。每一列的每个元素都表示为某一船型方案的每个评价指标的值，因此，每个模糊矩阵都是一个单因素评价表。

3.3.综合评估。

根据该模型，需要综合考虑多个评价指标和多个复杂因素，才能得到最优的船型方案。因此，有必要对单因素评价后的各因素进行综合评价，因为不同因素（指标）的重要性不同，它们所代表的权重或程度也不同。

对评估对象?有?个因子，各因子的评价值为??（?=1,2，hellip;，?），则得出?的总值如下：

以?为对象?的评价标准。

综合评价法（或加权平均法）的加权和也被采用。对于评估对象?的评价因子??（?=1,2，hellip;，?），如果根据各因子的重要性给出其权重??（?=1,2，hellip;，?），则可以得到加权平均评价值：

式中??ge;0且。

令??作为第?项因子，且?? ge; 0(?=1,2,...,?)。如果且?? =? ?/?，然后，通过对?进行规范化，得到一个模糊权重向量子集a=（?1，?2，hellip;，??），其中??被定义为第?因子的重要度。

在确定了权重向量A和单因素评价矩阵R后，将模糊综合评价问题归结为模糊综合评价向量B，具体如下：

式中，符号⋁是一种运算方式。

3.4.船舶技术经济参数。

船体优化参数主要由技术参数和经济参数组成。

3.4.1.船型技术参数。

船型技术参数主要包括船型位移Delta;、船型尺寸为垂直度?pp、宽度?、深度?、吃水深度?、方形系数??、轻量化LW、载重DW、载货量??、主机功率BHP、试验转速??、滚压周期?等。设计变量和约束条件将在开始计算之前确定。

设计变量通常取垂线间的长度?pp、宽度?、深度?、吃水深度?、平方系数?等。

3.4.2.船舶形成运行和经济指标。

运行经济计算的目的是预测实际运行中各船型方案的运输能力，即货物周转量。因此，有必要计算航次货运量、航次和航次。经济计算的主要内容是估算各船型方案的船舶建造成本和实际年运行成本，在此基础上得出船型方案进一步的经济评价指标，如投资回收期（PBP）和净现值（NPV），从而得到最优船型方案得到。

3.4.3.主要船型技术经济参数计算。

本文只讨论了对上述经济指标有决定性影响的主要经济指标和船舶主尺度。船型的主要参数有船长、宽度、深度、吃水深度、位移、自重和块系数。主要经济指标为船舶制造成本、投资回收期、净现值等。主要参数由下式给出。

块系数可以通过下式求得

式中，Delta;为船舶位移，?为附件体积系数，?为水密度，?pp为垂线间船舶长度，?为船舶宽度，?为船舶吃水深度。

载重可通过下式求得

其中，IDWRCW是载重与载货能力的比率；IDWRCW可以通过母型船获得。

船舶航速可采用如下海事系数法计算：

式中，??为海事系数，??为主机功率，Delta;为船舶位移。

制造成本可通过下式求得

其中制造成本?是指船舶制造成本。

年载货量可通过下式求得

其中，RIY表示三年往返频率，DWdown-flow表示下游载货量，DWcontra-flow表示上游载货量。

投资回收期可通过下式求得

其中，回收期PBP是指成本回收期，?是年收入，?是贷款率，?是船舶制造成本。

净现值可通过下式求得

其中净现值（NPV）为项目现金流入现值与实施计划现金流量现值之间的差额，?为年收益，?为年经营费用（?/?，?，%，?）为等现值系数，Delta;?为船舶价格残值，（?/?，?%，?）为现值系数。

3.5. 计算过程和流程图。

根据模糊综合评判和船型优化的原理，采用模糊决策方法，给出了船型优化的步骤如下：

（1）船型技术经济参数选择

（2）船型技术经济指标计算

（3）船型方案评价与排序

（4）确定最佳船型方案

（5）指标灵敏度分析

船型优化技术经济评价流程如图1所示。

图1：船型优化技术经济评价流程图。

表1：船舶基本参数

垂线间长（m）

型宽（m）

设计吃水（m）

最大值

80

12.6

3.6

最小值

68

16.2

4.4

表2：主机参数

主机类型

主功率（kW）

燃油消耗率（(g/kWsdot;h）

?/?转速(r/min)

WD618.C-3

210

198

2150

WD618.C-2

240

198

2150

WD618.C-1

275

198

2150

4.示例演示

为了验证所提方法的适用性和正确性，本文选取珠江干线3000吨级干散货船为例，根据珠江干流的实际情况，选取船舶基本参数如表1所示为基本参数。

珠江干线3000吨级货船主机选型见表2。

4.1.船体形状参数。

本例选择垂直度?pp、宽度?、深度?、吃水深度?和主机功率BHP之间的长度作为基本船型参数。基本技术指标取平方系数??、自重DW、航速?，基本经济指标取货运周转量ATC、船舶建造成本?、投资回收期（PBP）、净现值（NPV）等。根据这些参数可以得到船舶的经济评价指标。

表3：变量值法方案

表4：技术经济参数计算结果

4.2.建造船型方案。

本文采用变值法构造了一系列船型方案。变值法也称为网格法。其基本原理是在船舶外形尺寸范围内构造一系列设计变量，根据船舶运行的需要和船舶主要尺寸的限制，在船舶主要尺寸范围内允许变化，生成了一系列船舶方案，并计算了各方案的技术经济指标，在此基础上得出了船舶方案的评价指标。最后，优选最优船型。由于组合方案较多，本文只列出了前15个方案，如表3所示，因为组合方案远远多于表3所示。

4.3.船舶技术经济参数计算。

根据建造的船型参数，可以得到相应的船型技术经济参数，如表4所示。

4.4船型决策评价指标。

根据模糊决策模型，得到船型评价指标如表5所示。

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