李想，黃勝，王超，王國(guó)亮

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

基于相對(duì)熵排序的艦船甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)方法

李想，黃勝，王超，王國(guó)亮

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

為有效開展對(duì)大型艦船甲板氣流場(chǎng)的評(píng)估工作，提出一種基于相對(duì)熵排序的氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)方法。首先，數(shù)值模擬3艘國(guó)外大型艦船同一工況條件下的艦面空氣流場(chǎng)狀態(tài)，給出起飛、降落跑道氣流場(chǎng)速度和甲板面壓力變化等評(píng)價(jià)氣流場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，然后，根據(jù)這些指標(biāo)參數(shù)建立艦船甲板氣流場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其重要程度需依據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的多位專家通過(guò)商討后得出，最后，引入相對(duì)熵的概念改進(jìn)傳統(tǒng)的TOPSIS方法，對(duì)3艘艦船的氣流場(chǎng)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。應(yīng)用實(shí)例表明，該方法可為艦船甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)提供一種可行、有效的新途徑。

艦船氣流場(chǎng)；評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；群決策；相對(duì)熵排序方法

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引用格式：李想，黃勝，王超，等.基于相對(duì)熵排序的艦船甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)方法［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（4）：1-6.

LI Xiang，HUANG Sheng，WANG Chao，et al.Evaluation of ship airflow based on the relative entropy method［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：1-6.

0　引　言

艦船甲板氣流場(chǎng)是評(píng)價(jià)艦載機(jī)在甲板上安全作業(yè)的重要指標(biāo)。近年來(lái)，人們對(duì)艦船氣流場(chǎng)的研究越來(lái)越重視，研究的方向也從最初定常條件下、不同風(fēng)向變化和不同飛行甲板形式等對(duì)甲板氣流場(chǎng)的影響，到現(xiàn)階段在非定常狀態(tài)下由于船體運(yùn)動(dòng)和來(lái)流風(fēng)速變化等因素產(chǎn)生的耦合運(yùn)動(dòng)對(duì)甲板氣流場(chǎng)的影響，可以說(shuō)在艦船氣流場(chǎng)的研究方面有了較大進(jìn)展。但是，這些分析只是研究單一指標(biāo)對(duì)艦船氣流場(chǎng)的影響，并不能總體評(píng)價(jià)該艦船氣流場(chǎng)的好壞，因此，本文將根據(jù)能夠?qū)ε灤装鍤饬鲌?chǎng)造成影響的主要指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而對(duì)艦船甲板氣流場(chǎng)的綜合能力做出判斷。

能夠?qū)ε灤瑲饬鲌?chǎng)產(chǎn)生影響的指標(biāo)有很多，如不同形式的飛行甲板布局、甲板面的壓力分布和渦系分布等。目前，風(fēng)洞試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量艦船周圍空氣流場(chǎng)，但是無(wú)法進(jìn)行全尺寸測(cè)量并且花費(fèi)巨大，因此，CFD方法越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于艦船氣流場(chǎng)研究。2000年，Polsky［1］對(duì)LHA兩棲攻擊艦的空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，證明用CFD方法計(jì)算LHA的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。2007年，趙維義等［2］應(yīng)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)獲得了艦船空氣尾流場(chǎng)特性，驗(yàn)證了艦船機(jī)庫(kù)和上層建筑對(duì)飛行甲板上方區(qū)域的流場(chǎng)影響較大。2013年，郜冶等［3-5］研究了風(fēng)向變化產(chǎn)生的航母甲板渦結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)艦載機(jī)起降的影響。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響艦船甲板氣流場(chǎng)的指標(biāo)因素研究越來(lái)越廣泛，但對(duì)艦船氣流場(chǎng)總體評(píng)價(jià)方面的研究鮮有人涉及，且艦船甲板氣流場(chǎng)總體評(píng)估工作是一個(gè)大信息量、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)問題。

本文的主要目標(biāo)是根據(jù)甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）［6］判斷矩陣修正的群體一致性法給出各級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，通過(guò)粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法［7］在限定范圍內(nèi)對(duì)個(gè)體判斷矩陣進(jìn)行尋優(yōu)求解，得到具有個(gè)體一致性和群體一致性的群決策判斷矩陣，然后通過(guò)定性、標(biāo)準(zhǔn)化處理各項(xiàng)效能值，并引入多屬性逼近理想解排序（TOPSIS）法對(duì)3艘艦船的氣流場(chǎng)方案進(jìn)行評(píng)估，初步建立可支持多專家群決策的艦船氣流場(chǎng)綜合評(píng)估模型，為今后艦船氣流場(chǎng)總體評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)信息和理論依據(jù)。

1　指標(biāo)體系及權(quán)重的確定

1.1建立艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于艦船甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)體系屬于大信息量、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)問題，其指標(biāo)體系較為復(fù)雜，因此本文參考文獻(xiàn)［8］對(duì)影響艦船甲板氣流場(chǎng)的主要指標(biāo)進(jìn)行了分析，并將指標(biāo)體系分為3級(jí)。具體的艦船甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1　艦船氣流場(chǎng)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　Evaluation index system of airflow

1.2群體判斷矩陣和底層權(quán)重的確定

圖1所示的艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系共計(jì)8個(gè)底層指標(biāo)，需多位專家按照其重要程度商討后給出，同時(shí)，需要根據(jù)專家在該領(lǐng)域的權(quán)威度和熟悉程度評(píng)定出該專家的專家權(quán)重，以此對(duì)專家們的意見予以加權(quán)，保證結(jié)果的可靠性。

假設(shè)決策專家群體為 P=｛p1,p2,…,pk｝，其中參與專家個(gè)數(shù)為k，評(píng)價(jià)n個(gè)指標(biāo)重要程度的判斷矩陣為 A1,A2,…,Ak。采用AHP法根據(jù)專家的專業(yè)水平確定其權(quán)重：

并用判斷矩陣Hadamard凸組合［9］構(gòu)造群體判斷矩陣：

式中：wl為專家權(quán)重；al,ij為對(duì)應(yīng)每位決策專家給出的個(gè)體判斷矩陣中的元素。根據(jù)基于數(shù)值方法的一致性衡量方法，得出群體一致性衡量和判斷一致性衡量公式為［9］：

式中：F為群體一致性指標(biāo)函數(shù)；CIF為判斷一致性指標(biāo)函數(shù)；，w0 j為優(yōu)化變量。通過(guò)PSO算法對(duì)上文提出的優(yōu)化模型進(jìn)行迭代計(jì)算尋求其最優(yōu)解，得出min CIF和min F值，判斷min CIF和min F是否能夠滿足判斷一致性和群體一致性的要求，即min CIF＜0.10和min F＜0.10。若不能滿足上述一致性條件，則需重新給出個(gè)體判斷矩陣；若滿足上述一致性條件，可認(rèn)為群體判斷矩陣B具有滿意的一致性，min CIF對(duì)應(yīng)的W0=｛,,…,｝即為群決策權(quán)重。

2　基于相對(duì)熵的決策排序方法

2.1定量與定性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

傳統(tǒng)的TOPSIS法反映了備選方案和理想方案位置上的一致性，而引入相對(duì)熵的概念可修正其無(wú)法辨別備選方案與理想方案中垂線上的點(diǎn)的不足［10］。具體的計(jì)算方法如下：

式中，Z為系統(tǒng)X和Y的相對(duì)熵，Z的值越小說(shuō)明系統(tǒng)與理想方案越接近。由此建立的多屬性決策標(biāo)準(zhǔn)化處理方法如下。

1）對(duì)于定量指標(biāo)，構(gòu)造決策矩陣并進(jìn)行歸一化處理。式中：m為方案數(shù)量；n為指標(biāo)數(shù)量；yij為第i個(gè)方案的第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值（即標(biāo)準(zhǔn)值），yij∈［0,1］。

2）對(duì)于定性指標(biāo)，則需要用語(yǔ)言值來(lái)表示，按照表1將其標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表1　語(yǔ)言值的標(biāo)準(zhǔn)化處理Tab.1　Lingual value standardization

計(jì)算加權(quán)后的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為

式中，wj為之前求得的指標(biāo)權(quán)重。

2.2CFD數(shù)值模擬結(jié)果

表1所述的艦船氣流場(chǎng)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系共計(jì)8個(gè)底層指標(biāo)，其中1～3號(hào)跑道相對(duì)風(fēng)速和關(guān)鍵點(diǎn)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為定量指標(biāo)，具體數(shù)值見第3節(jié)“應(yīng)用實(shí)例”中的表2。而甲板面和艦載機(jī)滑行高度面壓力分布、艦面和“公雞尾”流線分布為定性指標(biāo)。3艘艦船典型狀態(tài)，即迎風(fēng)30°，40 kn風(fēng)速［11-12］下的CFD計(jì)算結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2　“尼米茲”號(hào)CFD計(jì)算結(jié)果Fig.2　CFD simulation results for Nimitz aircraft carrier

圖3　“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)CFD計(jì)算結(jié)果Fig.3　CFD simulation results for Kuznetsov aircraft carrier

圖4　“小鷹”號(hào)CFD計(jì)算結(jié)果Fig.4　CFD simulation results for Kitty Hawk aircraft carrier

從圖2～圖4可以看出，在同一工況下“庫(kù)茲涅佐夫”和“小鷹”號(hào)艦面的渦量影響范圍大于“尼米茲”號(hào)，表明該區(qū)域有較明顯的壓力變化或湍流出現(xiàn)，不利于艦載機(jī)的起降。由于“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)的上層建筑為3艘艦船中尺寸最大的，從而導(dǎo)致了艦島附近流線的紊亂和逆壓區(qū)面積擴(kuò)大。在流線方面，3艘艦船的飛行甲板流場(chǎng)在進(jìn)入甲板時(shí)都較為光順，但“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)由于滑躍甲板導(dǎo)致其甲板流線速度相對(duì)較高，經(jīng)過(guò)上層建筑附近時(shí)開始出現(xiàn)紊亂和發(fā)散現(xiàn)象，這是因?yàn)槭茕鰷u區(qū)內(nèi)低壓的“抽吸”和風(fēng)向作用，氣流出現(xiàn)了向艦島內(nèi)的側(cè)洗現(xiàn)象。側(cè)洗現(xiàn)象會(huì)引起下沖氣流，這對(duì)艦載機(jī)在其附近的操作和停放具有重要影響。

2.3相對(duì)熵的決策排序方法

其理想值和負(fù)理想值分別是最接近和最遠(yuǎn)離中間值的指標(biāo)值。

3　應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)對(duì)3艘不同艦船的甲板氣流場(chǎng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中定量指標(biāo)由式（6）求得，定性指標(biāo)由表1得出，其具體的各項(xiàng)指標(biāo)值如表2所示。

首先，邀請(qǐng)4位相關(guān)領(lǐng)域的專家對(duì)表1所示的艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)給出個(gè)體判斷矩陣，計(jì)算每層指標(biāo)相對(duì)于上層指標(biāo)的權(quán)重。以3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算為例，進(jìn)而對(duì)底層指標(biāo)權(quán)重的群決策確定方法進(jìn)行說(shuō)明。

表2　艦船氣流場(chǎng)方案評(píng)價(jià)參數(shù)Tab.2　Parameters of airflow on large ships

決策專家權(quán)重Wp=［0.35，0.25，0.2，0.2］。

決策專家的個(gè)體判斷矩陣為：

以式（3）和式（4）為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用PSO算法進(jìn)行尋優(yōu)求解，粒子群規(guī)模為n=20，其迭代步數(shù)設(shè)為1 000，最終得到的計(jì)算結(jié)果為：min CIF= 0.005 4，min F=0.002 4，表示得出的群體判斷矩陣有較好的判斷一致性和群體一致性。甲板氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的群體判斷矩陣為

群決策權(quán)重w11=｛0.478 15，0.267 07，0.254 78｝。同理，計(jì)算出其他指標(biāo)相對(duì)其上層指標(biāo)的權(quán)重，利用AHP綜合得出8個(gè)底層指標(biāo)相對(duì)頂層指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重：

w=｛0.132 79，0.153 88，0.182 36，0.232 12，0.078 14，0.065 33，0.060 19，0.095 19｝。

然后，將指標(biāo)權(quán)重w代入式（7），得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，再按照式（8）求出正理想解A*與負(fù)理想解A-：

A*=｛0.52，0.51，0.55，0.46，0.50，0.40，0.30，0.50｝

A-=｛0.66，0.67，0.61，0.69，0.80，0.70，0.60，0.80｝

按照式（9）和式（10）計(jì)算得到各理想方案的相對(duì)熵，最后根據(jù)式（11）計(jì)算出各方案與理想方案的貼近度，得到的排序結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，3艘艦船在同一工況下的氣流場(chǎng)排序結(jié)果為：“尼米茲”號(hào)優(yōu)于“小鷹”號(hào)，“小鷹”號(hào)優(yōu)于“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)。該結(jié)果可作為對(duì)艦船甲板氣流場(chǎng)決策的理論依據(jù)。

4　結(jié)　論

本文通過(guò)研究3艘大型艦船在同一工況條件下的氣流場(chǎng)指標(biāo)體系評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

1）本文針對(duì)大型艦船的氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)初步建立了明確的指標(biāo)體系，系統(tǒng)地比較了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重對(duì)氣流場(chǎng)的影響，并將改進(jìn)TOPSIS法的決策方法引入艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)，在滿足AHP判斷矩陣一致性的條件下，運(yùn)用PSO算法對(duì)個(gè)體判斷矩陣進(jìn)行修正，得出了3艘艦船氣流場(chǎng)方案的決策結(jié)果。

2）引入相對(duì)熵的概念對(duì)傳統(tǒng)TOPSIS法加以改進(jìn)，并將其應(yīng)用到不同艦船氣流場(chǎng)的評(píng)價(jià)決策中，建立了一種能夠由各項(xiàng)指標(biāo)反映艦船氣流場(chǎng)結(jié)果差異的評(píng)價(jià)模型。

3）本文主要目的是為艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)提供一種新的概念，因此所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較為簡(jiǎn)化，在實(shí)際評(píng)價(jià)工作中，為提高準(zhǔn)確性和真實(shí)性，應(yīng)建立更為細(xì)化、嚴(yán)格的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

本文所提出的艦船氣流場(chǎng)評(píng)價(jià)方法，對(duì)海軍艦船氣流場(chǎng)評(píng)估工作和設(shè)計(jì)工作等方面具有實(shí)用價(jià)值和參考意義。

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Evaluation of ship airflow based on the relative entropy method

LI Xiang，HUANG Sheng，WANG Chao，WANG Guoliang

College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

To deal with the lack of decision-making methods during the evaluation of airflow field on large ships'deck，a relative entropy method for ship airflow evaluation is proposed in this paper.According to the calculation of the airflow field on three foreign ships with the same working condition，the takeoff and landing speed and the change of vortex are presented.Then，the evaluation index of airflow field is built based on these parameters and a decision-making method of entropy theory is introduced to support both group decision and alternatives assessment.The proposed method is proved to be practical and efficient in actual practice.

ship airflow；evaluation index；group decision；relative entropy

U674.771

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.001

2015-12-02網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-7-29 9:45

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重大項(xiàng)目資助計(jì)劃（HEUCFD1515）

李想（通信作者），男，1987年生，博士生。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)。

E-mail：lixiang2180@163.com

黃勝，男，1945年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)

王超，男，1982年生，博士，副教授。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)

王國(guó)亮，男，1989年生，博士生。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)