張明霞，王志豪，趙桐鳴，楊 露

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引 言

豪華郵船設(shè)備種類數(shù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴，對安全舒適性要求較高，設(shè)計師在設(shè)計豪華郵船時需要考慮大量的指標(biāo)，且指標(biāo)范圍遠大于常規(guī)船舶。目前，郵船設(shè)計仍存在周期長、過程復(fù)雜和十分依賴設(shè)計師經(jīng)驗等問題[1]。技術(shù)經(jīng)濟論證是一項通過評價指標(biāo)體系從大量船型方案中快速選擇優(yōu)良方案的技術(shù)，進行豪華郵船船型方案論證可有效解決上述問題，為后續(xù)設(shè)計提供合理依據(jù)。

國內(nèi)外已有專家學(xué)者對豪華郵船船型方案論證進行研究。SWAIN[2]分析郵船評星系統(tǒng)，指出總噸位、船員量、載客量、客艙面積、空間乘客比和客艙是否配備陽臺等指標(biāo)是郵船評星的基礎(chǔ)。KATSOUFIS[3]開發(fā)研究乘客對郵船設(shè)施和品質(zhì)方面偏好的決策框架。JUSTIN[4]匯總用于初步計算郵船參數(shù)和性能的方法，并基于經(jīng)濟指標(biāo)，對初步設(shè)計階段參數(shù)和性能對郵船經(jīng)濟性的影響進行分析。陸平遠[5]基于模糊綜合評價法，開發(fā)郵船船型評價系統(tǒng)，得到適合中國至東南(北)亞郵船航線的優(yōu)選船型。

決策試驗與評價實驗室法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)和多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法(VlseKriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje，VIKOR)是分別于1972—1976年和1998年提出的多準(zhǔn)則決策法和方案排序法，目前廣泛應(yīng)用于企業(yè)經(jīng)濟、水利水電、建筑、鐵路和宏觀經(jīng)濟管理等領(lǐng)域，然而在船舶領(lǐng)域應(yīng)用較少，且多集中在船舶安全防污染等方面。AYHAN等[6]結(jié)合綜合安全評估、模糊集理論、有序加權(quán)幾何平均算子和DEMATEL研究土耳其沿海和公海貨船發(fā)生意外的較常見原因。?ZDEMIRü等[7]使用DEMATEL研究船舶對海洋污染的影響，發(fā)現(xiàn)燃油和艙底水是造成海洋污染的關(guān)鍵因素。OMER等[8]結(jié)合層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和VIKOR對散貨船艙口蓋設(shè)計選擇進行研究，證明折疊式液壓艙口蓋更適用于散貨船。LIU等[9]基于DEMATEL-AHP-VIKOR組合法對郵船旅游銷售行業(yè)進行分析。王鳳武等[10]使用DEMATEL-ANP(Analytic Network Process,網(wǎng)絡(luò)分析法)研究船舶在大風(fēng)浪條件下航行的安全性，指出業(yè)務(wù)能力、設(shè)備狀況、船長應(yīng)變決策和責(zé)任心對安全性影響較大。唐靜靜[11]提出一種基于直覺模糊集和VIKOR的浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)外輸作業(yè)風(fēng)險評估方法。

目前，郵船論證領(lǐng)域的研究多以市場需求和乘客偏好為方向，分析郵船的娛樂性、豪華程度及舒適性等方面是否符合市場和乘客需求，而針對郵船船型論證的研究較少，文獻[4]和文獻[5]等相關(guān)研究存在僅考慮經(jīng)濟性和評價指標(biāo)不完善等不足?；诤廊A郵船設(shè)計特點，建立完善的船型評價指標(biāo)體系，采用DEMATEL-AHP-VIKOR組合法，基于MATLAB和VS C#語言開發(fā)郵船船型技術(shù)經(jīng)濟論證系統(tǒng)，并對3×104～20×104t郵船船型進行論證。

1 郵船評價指標(biāo)體系

中國船級社《郵船規(guī)范(2017)》對郵船附加標(biāo)志進行規(guī)定，包括與舒適性相關(guān)的休閑體驗設(shè)計指數(shù)CEDI(Ox,Cx,Fx)附加標(biāo)志，其中：O為乘客空間(包括乘客船員比、人均居住面積及噸位)；C為舒適度(包括室內(nèi)氣候、振動及噪聲)；F為乘客休閑設(shè)施(指船上各處所布置的設(shè)備)；x分為 3、4、5等3個等級，x越大表示標(biāo)志級別越高，舒適性越好[12]。結(jié)合常規(guī)船舶船型評價指標(biāo)體系和郵船設(shè)計特點，建立較為系統(tǒng)全面的豪華郵船船型技術(shù)經(jīng)濟論證評價指標(biāo)體系[13]，如圖1所示。

圖1 豪華郵船船型評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系中的部分常規(guī)指標(biāo)計算公式可參考文獻[14]，其余郵船特殊指標(biāo)含義如下：

(1)裝載系數(shù)：載客量/船長型寬型深的乘積；(2)乘客船員比：載客量/船員量；(3)人均噸位：總噸位/載客量；(4)人均居住面積：所有客艙總面積/載客量；(5)噪聲量級：根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 2923：1996測得的等效連續(xù)A加權(quán)聲壓級；(6)振動量級：根據(jù)ISO 6954：2000定義的1～80 Hz頻率內(nèi)的頻率加權(quán)振動速度有效值。由于在郵船設(shè)計初期噪聲與振動量級難以測量，因此在進行郵船船型論證時，各方案噪聲量級與振動量級取1[13]。

2 技術(shù)經(jīng)濟論證方法

2.1 AHP

AHP具體步驟包括：構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型、建立判斷矩陣、層次單排序和總排序及一致性檢驗[14]。AHP結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 AHP結(jié)構(gòu)模型

AHP簡明實用、適用性強，可同時進行定性和定量評價，但存在使用9標(biāo)度法比較指標(biāo)間重要程度較困難和主觀性強等缺點，且當(dāng)指標(biāo)和方案數(shù)量較大時，需要建立大量判斷矩陣。例如，某多準(zhǔn)則決策問題包含m1個一級指標(biāo)、m2個二級指標(biāo)和n個待選方案[13]，則判斷矩陣的數(shù)量為

N=(1+m1)+m2

(1)

式中：N為該決策問題需要建立的判斷矩陣總數(shù)；1和m1分別為一級和二級指標(biāo)層需要建立的判斷矩陣數(shù)量，階數(shù)分別為m1和m2；(1+m1)為計算指標(biāo)權(quán)重需要建立的判斷矩陣數(shù)量；m2為方案層需要建立的判斷矩陣數(shù)量，階數(shù)為n。郵船船型論證一級和二級指標(biāo)分別為3個和19個，且船型方案超過100個，若僅使用AHP進行論證則需要建立1個3階、3個19階及19個超過100階的判斷矩陣，其數(shù)量及階數(shù)過大，易導(dǎo)致一致性檢驗難以通過，需要反復(fù)修改[13]，因此不可直接使用AHP。

2.2 DEMATEL

DEMATEL面向復(fù)雜系統(tǒng)分析決策，基于分析結(jié)構(gòu)模型顯示指標(biāo)間的影響關(guān)系[15]。該方法通過繪制指標(biāo)間的影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖使設(shè)計人員可直觀查看各指標(biāo)間的關(guān)系，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型[16]。具體步驟如下：

(1)由多個指標(biāo)組成指標(biāo)集U=(u1,u2,…,um)。

(2)基于利克特5級量表(0～4分別為無影響、低影響、中影響、高影響和超高影響)成對比較評價指標(biāo)，得到直接影響矩陣P。

(3)根據(jù)式(2)建立標(biāo)準(zhǔn)化直接影響矩陣N：

(2)

式中：s為直接影響矩陣P各列的和與各行的和中的最大值；p為矩陣P內(nèi)元素，pij為矩陣P第i行第j列的值。

T=N+N2+N3+…+Nn=N(E-N)-1

(3)

式中：E為單位矩陣。

(5)根據(jù)式(4)，得到矩陣T各行與各列的和：

(4)

式中：t為矩陣T內(nèi)元素，tij為矩陣T第i行第j列的值；ri和ci分別為綜合影響矩陣T第i行和第i列的和，其中，ri為指標(biāo)i對其他指標(biāo)直接和間接影響之和，ci為指標(biāo)i被其他指標(biāo)直接和間接影響之和。

以各指標(biāo)中心度(ri+ci)為橫坐標(biāo)，原因度(ri-ci)為縱坐標(biāo)，繪制影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖。中心度(ri+ci)為指標(biāo)i與其他指標(biāo)間相互影響的總和，中心度越高，表示指標(biāo)i與其他指標(biāo)間影響和被影響的程度越高，為重要指標(biāo)。原因度(ri-ci)為正表示該指標(biāo)對其他指標(biāo)影響大，稱為原因元素；原因度(ri-ci)為負表示該指標(biāo)被其他指標(biāo)影響大，稱為結(jié)果元素。

?黃亞平:《“新型城鎮(zhèn)化”概念內(nèi)涵、目標(biāo)內(nèi)容、規(guī)劃策略及認知誤區(qū)解析》，《城市規(guī)劃學(xué)刊》2013年第2期。

2.3 VIKOR

VIKOR基于確定正、負理想方案，計算各待選方案的群體效益值Si、個體遺憾值Ri和利益比率值Qi，比較其與理想方案之間的距離，以此確定方案優(yōu)良程度[17]。具體步驟如下：

(1)將由n個待選方案m個指標(biāo)構(gòu)成的初始矩陣利用式(5)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣Y：

(5)

式中：y為矩陣Y內(nèi)元素，yij為矩陣Y第i行第j列的值；J1為正向指標(biāo)集；J2為逆向指標(biāo)集。

(2)計算正負理想方案，得：

(6)

(3)通過AHP等多準(zhǔn)則決策方法計算指標(biāo)權(quán)重wj。

(4)計算各方案的群體效益值Si、個體遺憾值Ri及利益比率值Qi。

Si用于衡量決策者主觀傾向和偏好，即計算待選方案與正理想方案的總體指標(biāo)值之間的距離，Si越小，方案的群體效益越大；Ri用于反映決策者判斷錯誤造成的損失，防止個別較差指標(biāo)的影響被其他指標(biāo)中和，即計算待選方案與正理想方案之間對應(yīng)指標(biāo)的最大距離，Ri越小，方案的個體遺憾越小；Qi用于表示在綜合考慮群體效益和個體遺憾的基礎(chǔ)上，待選方案與正理想方案的距離大小，Qi越小，待選方案與正理想方案的距離越近。Si、Ri和Qi計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式(7)～式(9)中：ωj為指標(biāo)j權(quán)重；υ為決策機制因數(shù)，υ越大表示決策越偏向群體效益，越忽視個體遺憾，取υ=0.5[13]。

2.4 DEMATEL-AHP-VIKOR組合法

將上述3種方法組合起來，利用各自優(yōu)點，對上百種的多船型郵船方案進行優(yōu)選。設(shè)有m個待選方案，n個評價指標(biāo)，DEMATEL-AHP-VIKOR組合法具體步驟如下：

(2)根據(jù)指標(biāo)間影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，基于3標(biāo)度AHP計算指標(biāo)權(quán)重。3標(biāo)度AHP采用0～2為標(biāo)度，構(gòu)建比較矩陣K：

(10)

根據(jù)式(11)將比較矩陣K轉(zhuǎn)化為判斷矩陣A，并根據(jù)AHP后續(xù)步驟計算指標(biāo)權(quán)重：

(11)

式中：a為矩陣A內(nèi)元素，aij為矩陣A第i行第j列的值；ki為矩陣K第i行的和；kj為矩陣K第j列的和。

(3)將權(quán)重導(dǎo)入VIKOR，計算各方案的Si、Ri及Qi，以此進行方案排序。

3 實例計算

豪華郵船技術(shù)經(jīng)濟論證系統(tǒng)包括4個模塊，分別為船型方案生成、技術(shù)經(jīng)濟論證、方案排序及敏感性分析?；谠撓到y(tǒng)，以1×104t為步長，對3×104t～20×104t的郵船船型方案(單次航行周期T=7 d)進行論證。

初始直接影響矩陣如表1和表2所示。

表1 一級指標(biāo)初始直接影響矩陣

表2 二級指標(biāo)初始直接影響矩陣

基于DEMATEL繪制影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 船型評價指標(biāo)影響網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

表3 二級指標(biāo)權(quán)重

表4 方案排序前10名船型

表5 VIKOR計算及排序結(jié)果

由圖4可知：豪華郵船總噸位越大，技術(shù)性、經(jīng)濟性和穩(wěn)性等性能越良好，但在人均噸位、乘客船員比及人均居住面積等舒適性能方面表現(xiàn)越差。規(guī)律符合郵船總噸位越大、經(jīng)濟性和穩(wěn)性越好、舒適性越差的特點，方案排序結(jié)果符合郵船大型化的趨勢[18]。

圖4 指標(biāo)隨總噸位變化曲線

以載客量在范圍內(nèi)變化為例，經(jīng)濟性指標(biāo)敏感度計算結(jié)果如表6所示。以參數(shù)變量為橫坐標(biāo)，經(jīng)濟性指標(biāo)敏感度為縱坐標(biāo)，繪制敏感度變化曲線[13]，如圖5所示。

表6 經(jīng)濟性指標(biāo)敏感度計算結(jié)果

由圖5可知：對郵船經(jīng)濟性影響最大的是載客量和船票價格，其次是船價，最后是船員量、燃油價格和船員工資[13]。

圖5 經(jīng)濟性指標(biāo)敏感度計算結(jié)果

4 結(jié) 語

以豪華郵船為研究對象，系統(tǒng)建立完善的船型評價指標(biāo)體系，并使用DEMATEL-AHP-VIKOR組合法進行技術(shù)經(jīng)濟論證，以改善AHP需要構(gòu)建大量判斷矩陣且矩陣階數(shù)過大的問題，并基于VS C#編程語言開發(fā)豪華郵船船型技術(shù)經(jīng)濟論證系統(tǒng)。根據(jù)實例計算得到的結(jié)論，對于7 d游航線來說，推薦總噸位大于15×104t的豪華郵船。組合論證法及開發(fā)的系統(tǒng)可輔助設(shè)計師在郵船初步設(shè)計階段快速有效地篩選優(yōu)良船型，提高設(shè)計效率，為總體設(shè)計提供依據(jù)，后續(xù)可結(jié)合具體的營運目標(biāo)，如航行方案、途經(jīng)地點、郵船設(shè)施及適合人群等進行論證。