风电安装船综合指标评价方法与流程

本发明涉及一种风电安装船综合指标评价方法，属于海上运输和海洋工程装备综合评价领域。

背景技术：

随着化石燃料的枯竭及社会对保护环境的需求日益显著，发展可再生能源的势头愈演愈烈。无论是发达国家还是发展中国家都已经将发展风能作为重要应对手段。在各种绿色能源中，风能的经济性优势比较明显。同时，海上风能资源非常丰富、开发利益相关方较少，具有大规模开发的潜力。在我国，海上风能的发展也逐年递增并形成一种力度逐年上升的趋势。在海上风能开发的过程中，风机的安装是主要环节，其利用风电安装船为主要安装工具，其具有成本回收周期长、投资、运营及维护费用高昂等特点。因此，在更好地实现风机安装功能的前提下，节约资源和成本，实现最大的经济效益等风电安装船在设计阶段所面临的多种问题急需得到解决。

在此背景下，本发明提供了一种科学的综合评价方法，对每一艘处于设计或运营阶段的风电安装船进行技术、环境和经济性能的综合评估，具有较大的现实意义。本评价方法相比于传统的评价方法，根据国际海事组织出台的能效设计指数(Energy Efficiency Design Index，简称EEDI)，加入了对风电安装船的环保性能的考虑；由于本评价方法同时考虑了一艘风电安装船的技术、环境和经济性能，采取了将三方面的评价进行综合考虑的评价方法，使得评价范围更加全面且更具有说服力；同时，本评价方法分为两级评价，更有利于确定具体的方案改进方向，是一种易操作且高效的综合评价方法。

技术实现要素：

针对现有的风电安装船在设计阶段对技术、环保和经济性能的综合评价不足问题，利用因子分析法和层次分析法相结合将各类性能的评价指标综合起来进行评价。该方法充分考虑风电安装船的运载和安装效率、环境能效、运营成本三个主要因素，结合现有风电安装船单次安装陆海连接运输、海上装备的安装施工和救助作业问题，以及技术与经济性的综合平衡，对风电安装船的先进性进行准确的评估，对如何设计出一艘兼具技术先进性、环境协调性和经济合理性的风电安装船具有重要的指导作用。

本发明采用的技术方案是：一种风电安装船综合指标评价方法采用以下步骤：

(1)提炼性能指标：利用因子分析法将各项能力所对应的低级指标进行降维，并提炼出对应的高级评价指标，同时计算出组成该高级评价指标的低级指标的计算权重；

(2)建立评价指标体系：将(1)步骤得到的高级评价指标组成评价指标体系，所述高级评价指标包括风电安装船的升降能力指标、起重能力指标、装载能力指标、能效设计指数指标和经济性能指标；

(3)建立风电安装船层次计算模型：计算模型结构分三个层次：目标层a、准则层b和方案层c；目标层a为最顶层，评价一个风电安装船方案；准则层b为中间层，包含评价指标体系的各个指标；方案层c为最底层，考核的风电安装船方案；

(4)构造判断矩阵：判断矩阵为每一层中各要素相对其上层某要素的相对重要程度，根据1～9比较标度法确定相应指标所占的权重矩阵；

(5)进行综合评价：高级评价将各个高级评价指标进行综合评价，采用层次分析法结合判断矩阵得到方案最终的排序；低级评价分别对升降能力指标、起重能力指标、装载能力指标、能效设计指数指标和经济性能指标进行评价，采用因子分析法对低级指标进行计算得到各高级评价指标对应的排序；

(6)评价结果分析及对设计的改进：在高级评价中确定每个风电安装船方案的综合排序，再根据低级评价中对应风电安装船方案的高级评价指标排序结果进行分析对比，将排序靠后的高级评价指标进行单个分析及优化，挑出权重较大的低级指标确定方案改进方向。

本发明的有益效果是：该方法对技术、环保和经济性能进行了综合分析，更符合时代的需要，也更具有现实意义；评价方法采用了特定的数学办法对评价内容进行降维和简化，有利于方法的实施；评价过程分级分层次，有利于在综合分析的基础上找到具体的设计优化方向，对风电安装船的设计具有重要的指导作用。

附图说明

图1是本综合评价方法的指标体系。

图2是层次分析法的计算模型。

图3是本综合评价方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明做进一步描述和说明。

图1示出了风电安装船综合评价方法的评价指标体系。根据现有学者的研究并利用因子分析法建立具体的高级评价指标。评价指标体系包括升降能力指标、起重能力指标、装载能力指标、能效设计指数指标和经济性能指标5个高级评价指标。升降能力指标为采用因子分析法对单腿设计起升载荷、工作水深、工作许用波高和工作许用风速提炼出的高级评价指标；起重能力指标为采用因子分析法对主起重机起重能力和辅起重机起重能力提炼出的高级评价指标；装载能力指标为采用因子分析法对设计甲板载荷和装载风机总功率提炼出的高级评价指标；能效设计指数指标为基于风电安装船的高级评价指标；经济性能指标为采用因子分析法对造价、海军部系数和投资偿还期提炼出的高级评价指标。

提炼和降维的方法：设评价指标体系内存在m个可能存在相关关系的指标Z₁、Z₂、...、Z_m，这些指标内部分别含有P个独立的公共因子F₁、F₂、…、F_p(p≤m),测试变量Z_i含有独特因子U_i(i＝1…m)，诸U_i间互不相关，且与F_j(j＝1…p)也互不相关，故每个指标Z_i可由P个公共因子和自身对应的独特因子U_i线性表出：

其中，各a_ij(i＝1…m,j＝1…p)是通过因子分析法计算得出的得分权重；

图2示出了风电安装船综合评价指标体系基于层次分析法的计算模型。计算模型结构分三个层次：目标层a、准则层b和方案层c。目标层a为最顶层，即设计并评价一个风电安装船方案；准则层b为中间层，其包含评价指标体系的各个高级评价指标；方案层c为最底层，即考核的n个风电安装船方案。

图3示出了风电安装船综合评价指标体系的评价方法流程图。包含以下步骤：

1)提炼性能指标：利用因子分析法将各项能力所对应的低级指标进行降维，并提炼出对应的高级评价指标，同时计算出组成该高级评价指标的低级指标的计算权重；

2)建立高级评价指标体系：将1)得到的高级评价指标组成高级评价指标体系，所述高级评价指标包括风电安装船的升降能力指标、起重能力指标、装载能力指标、能效设计指数指标和经济性能指标；

3)构造计算模型：计算模型结构分三个层次：目标层a、准则层b和方案层c；

4)构造判断矩阵：判断矩阵为每一层中各要素相对其上层某要素的相对重要程度，在3)建立了递阶层次模型后，层次之间目标准则的隶属关系也就确定了，在此基础上构造相应的判断矩阵。判断矩阵表述了每一层中各要素相对其上层某要素的相对重要程度。假定b层次中要素与其c层次的要素有关系，要分析c层次中各要素针对b层次而言的相对重要程度，可以构造如下判断矩阵：

其中，a_ij(i＝1,2,…,n,j＝1,2,…,n)为要素相对重要程度的数值，即重要性的标度，采用1～9比较标度法，其各级标度的意义如下表所示：

5)进行综合评价：高级评价：将各个评价指标进行综合评价，方法是采用层次分析法结合判断矩阵得到最终的排序：

根据得到的判断矩阵，将判断矩阵每一列作归一化处理，即

求出归一化后每一行元素之和，即

对wi进行归一化处理，即

得到W＝(w₁,w₂,...,w_n)^T即为所求的特征向量，即本层各要素对上一层某要素的相对权重向量。将各层之间的相对权重向量作为单层排序，则准则层b的6项高级评价指标对于目标层a的权重数值分别为w_b,1,w_b,2,...,w_b,6；方案层c的n个方案c₁，c₂，...，c_n中的某个方案c_j对于准则层b的权重数值分别为w_cj,1,w_cj,2,...,w_cj,n。则层次最终排序计算如下表所示：

根据c的总排序结果，可以得到方案的优劣排序。

低级评价，分别对升降能力、起重能力、装载能力、能效设计指数和经济性能各高级评价指标进行评价，方法是采用因子分析法得到最终的排序:

首先对低级指标的原始数据进行归一化处理，消除不同变量之间由于量纲和数值大小差异造成的误差；计算各低级指标的特征值、方差贡献率和累积方差贡献率，方差贡献率是衡量指标相对重要程度的参量，即权重方差贡献率越大，表明该指标相对越重要；采用回归估计法计算低级指标得分；以各低级指标的方差贡献率为权数，配合1)所得的各高级评价指标的计算式得到各高级评价指标的排序：

其中，各B_i(i＝1,2,…,m)是各方案单个高级评价指标的低级评价得分，根据该得分可以对方案进行排序。

1)评价结果分析及对设计的改进：在高级评价中可以确定每个风电安装船方案的综合排序，再根据低级评价中对应风电安装船方案的单个高级评价指标排序结果进行分析对比，将排序靠后的指标进行单个分析及优化，挑出权重较大的低级指标确定方案改进方向。