基于模糊层次分析的海上发射船性能优化_杨晓杰.pdf

基于模糊层次分析的海上发射船性能优化基于模糊层次分析的海上发射船性能优化杨晓杰1，王宝来1，刘大辉2，张池1，石来强3(1.烟台哈尔滨工程大学研究院，山东烟台264000；2.中集海洋工程研究院有限公司，山东烟台264670；3.山东海洋集团有限公司，山东济南 250102)摘 要:针对海上发射船性能优化体系的不健全，建立火箭竖起时的弯矩模型，以方形系数、船长和船宽为优化变量，设计了基于模糊层次分析的海上发射船性能优化模型。首先，从影响发射船性能的因素出发，提出以火箭承受弯矩、发射船稳性、阻力和造价为评价指标，通过判定矩阵确定各性能指标的权重，并对各个指标单独进行分析计算。最后，计算母型船和 96 个样本点的综合评分。优化后的船型相比母型船，弯矩评分提高了 19.87%，稳性评分提高了 2.99%，阻力评分提高了 23.19%，造价评分降低了 8.35%。本文研究对海上发射船性能优化有指导作用。关键词：海上发射；弯矩模型；模糊层次分析；性能优化中图分类号：661.3文献标识码：A文章编号：16727649(2023)12002007doi：10.3404/j.issn.16727619.2023.12.004Performance optimization of offshore launch ship based on fuzzy analytic hierarchy processYANGXiao-jie1,WANGBao-lai1,LIUDa-hui2,ZHANGChi1,SHILai-qiang3(1.YantaiResearchInstituteofHarbinEngineeringUniversity,Yantai264000,China;2.CIMCOffshoreEngineeringResearchInstitute,Yantai264670,China;3.ShandongMarineGroupLtd,Jinan250102,China)Abstract:Aimingattheimperfectionoftheperformanceoptimizationsystemofoffshorelaunchship,thebendingmo-mentmodelofrocketerectionisestablished.Takingthesquarecoefficient,Captainandshipwidthastheoptimizationvari-ables,the performance optimization model of offshore launch ship based on fuzzy analytic hierarchy process isdesigned.Firstly,startingfromthefactorsaffectingtheperformanceoflaunchship,theevaluationindexesofrocketbearingbendingmoment,launchshipstability,resistanceandcostareproposed.Then,theweightofeachperformanceindexisde-terminedthroughthejudgmentmatrix,andeachindexisanalyzedandcalculatedseparately.Finally,thecomprehensivescoresofthemothershipand96samplepointsarecalculated.Comparedwiththemothership,thebendingmomentoftheoptimizedshipisincreasedby19.87%,thestabilityisimprovedby2.99%,theresistanceisincreasedby23.19%,andthecostisreducedby8.35%.Theresearchofthissubjectplaysanimportantguidingroleintheoptimizationoftheperformanceofoffshorelaunchship.Key words:sealaunch；momentmodel；fuzzyanalytichierarchyprocess；performanceoptimization0引言目前，陆地发射仍是各国主要的火箭发射方式，火箭在太空中依次进行舱段分离，在规划火箭运行线路时，避开居民区会牺牲火箭运载能力和增加成本12。另外，从赤道上发射可以最大限度地利用地球自转，同时也能够减少卫星进入地球同步轨道的路程，但是赤道上的陆地较少，因此海上火箭发射的概念受到船舶工程和航天工程等领域的专家学者广泛关注34。海上火箭发射不需要支付高昂的发射场地建设费用，而且海上火箭发射平台能规避可知的风险，总体上能够有效降低火箭发射的服务和运营成本。海上火箭发射已经走过了五十多年的历程，已有很多成功发射的经验，但从起步到成熟是个漫长的过程，目前海上发射仍存在着许多工程和技术上的问题56。例如，海上发射面临许多复杂的海洋环境问题，发射平台受到风浪第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20220511基金项目:烟台哈尔滨工程大学研究院校企合作基金（210F0401004）作者简介:杨晓杰(1997)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物设计。流的作用会产生六自由度运动，因此发射之前须根据海域情况分析发射平台的耐波性能，以保障火箭的安全发射7。此外，海上火箭在发射时对平台产生巨大的瞬时冲击力，会放大发射平台的六自由度运动幅值和运动变化模态，还会对平台附近波浪的波高产生很大的瞬态影响，甚至会出现甲板上浪的现象，增大波浪砰击载荷，影响发射平台和火箭的安全8。因此，在进行海上火箭发射之前，需要准确预报发射时平台的运动响应、开展针对海上火箭发射平台运动响应的相关研究9。综上，对于海上发射来说，要保证火箭安全高效发射，发射平台的性能极为重要。为此，国内外学者对船舶的性能进行了多学科和单学科优化，主要包括耐波性、操纵性和阻力。Lawrenced10研究了不同船型参数对船舶阻力的影响，研究表明最重要的参数是长细比，并且其越大阻力越小。Scamardella11以棱形系数、方形系数和浮心纵向位置为参数，应用参数化建模，将乘客晕船率作为优化目标，优化后的晕船率大大降低。冯佰威12以船型参数为变量，以阻力、稳性和耐波性为优化目标，建立了一个多学科优化平台。刘畅等13开发了一个海上发射平台耐波性优化系统，该系统由发射平台、船体型线和耐波性优化构成，通过该系统可以实现发射平台的耐波性优化。吴贝尼等14提出了一种基于遗传算法的双向渐进算法，该算法能解决之前因参数设置不当而无法求得全局最优解的问题，仿真结果表明该算法能得到全局最优解且计算效率较高。Vernengo 等15基于全局收敛遗传算法对双体船在不同航速下的耐波性和阻力进行优化，研究表明双体船的阻力降低 15%，垂荡加速度降低 30%。War-ren16以船长、船宽和水线面面积为变量，以滑行艇的稳性、耐波性和操作性为优化目标，通过 saea 和idea 算法求解，但没有给出三者综合优化的结果。Miao17将 NM 理论与 CFD 技术相结合，创建了一个水动力优化系统，大大降低了计算成本。Jeroen 等18通过自适应网格加密对船舶在静水中的阻力进行模拟，与实验结果对比效果良好，且与传统方案相比降低了成本。Dunarea19用商业软件 FineMarine 评估船体附近的流场，并评估船舶附体对船舶水动力性能的影响，与水池实验结果相比仅差 2%。Yang 等20通过非光滑离散元方法建立了数学模型，研究浮冰形状与船舶阻力的关系，并通过聚丙烯制成的人工冰进行实验对比，研究结果表明数值模型计算的阻力与试验结果和半经验公式计算的结果吻合度都很好。Cheng 等21提出一种新的船舶表面修改方法，把遗传算法和 CFD 方法相结合用于船舶的多目标性能优化，并通过该方法对 1300TEU 集装箱船的首部进行了优化，结果表明该参 数 化 修 改 方 法 对 于 工 程 应 用 是 实 用 的。Nam-Kyun22提出一种船舶完整稳性评估模型，该模型由稳定性指标计算和稳定性评估模块组成。对 2 艘船舶模型在多种工况下进行了稳性计算，表明所提出的模型在稳性评估方面比以往研究更精准。以上研究在提高船舶性能方面取得了明显成果，但缺少针对海上发射船性能优化的案例。本文建立基于模糊层次分析的海上发射船性能优化模型，填补这一空缺。1性能优化基本原理 1.1 模糊数学基础理论对于常规的集合理论而言，元素和集合之间的关系是一一对应的，只存在属于和不属于 2 种情况，用数学的语言描述就是元素和集合的关系只有 0 和 1 两个值。然而实际中，往往存在一些模糊不清的概念。例如，高矮这一概念是有模糊性的，没有明确的界线来划分，高和矮存在中间过渡的模糊区域。模糊数学便是用数学方法解决存在模糊现象的数学，模糊数学中，把元素和集合从只有 0 和 1 的隶属关系扩展成为了 0，1 的连续区间。1.1.1隶属函数的定义若对于定义域上的任意一个 u都有唯一一个结果与之对应，即存在映射关系：V(u)U 0,1，(1)V(u)V(u)式中：V 为 U 上的模糊集，为 u 对模糊集 V 的隶属度函数。当 u 变化时，对应唯一变化，隶属度函数的值越接近于 1，则表示 u 属于 U 的程度越高。隶属函数是普通集合函数的推广，利用隶属函数可以表示出事物之间的模糊性，即把元素对集合的隶属程度表示出来。这就有了一种可行的方法对模糊问题进行描述和评价。1.1.2隶属函数的确定隶属函数实际上是对客观事物的反映，但为研究方便，可以在满足实际情况和利用过去经验的前提下，人为地确定隶属函数，几种确定隶属函数的方法如下：1）模糊统计法有一些模糊集合在某一准则中可以由集合的投影来表示，这种模糊集合的隶属函数可以用模糊统计法来确定。2）德尔菲法对于一些难以进行模糊统计的集合，可以用德尔菲法，利用专家的意见和经验确立隶属函数。3）对比排序法有些模糊集合的隶属关系难以用具体的数字表示，但可以确定模糊集合中各个元素的相对隶属度。这种情况下，可以通过隶属度的相对大小来排序，再通过特定的数学方法推导隶属函数。实际应用时，应结合具体情况选择合适的分布函数，并且函数中的参数也要根据要表达的模糊集合确定，本文所使用的模糊层次分析模型用到了德尔菲法第45卷杨晓杰，等：基于模糊层次分析的海上发射船性能优化21和对比排序法。1.2 模糊层次分析法1.2.1层次分析法概述其基本原理是把一个复杂的问题划分为组成它的元素，根据不同元素的重要程度构造标度为 19 的两两比较模糊判断矩阵，通过矩阵求解各元素对目标的权重。虽然层次分析法是一种十分有效有优势的决策工具，表现为系统性、适用性等，但还是存在一些问题：1）衡量两两重要程度的判断矩阵以 19 为衡量标度可能过于精准，不符合人为判断的模糊性，因此计算结果可能不够精准。2）对于非一致判断矩阵的修正较为复杂，并且有可能违背了实际情况。表 1 判断矩阵标度的定义Tab.1Definitionofjudgmentmatrixscale对比系数定义概念1U1U2和同等重要3U1U2相比稍微重要些5U1U2相比明显的重要7U1U2相比十分的重要9U1U2相比极其的重要2，4，6，8位于上述判断尺度中间1.2.2模糊层次分析法针对上述层次分析法存在的问题，基于模糊理论提出了模糊层次分析法。模糊层次分析法从模糊集出发，构造元素两两比较的模糊判断矩阵，充分考虑人为因素，通过大量专家样本数据得到较为可靠的结果，模糊层次分析步骤如下：1）构建层次结构将待分析的问题