基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:第一作者简介:林越奇(),男,硕士研究生,研究方向为军事交通运输.基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用林越奇,汪元昌,刘宝新(陆军军事交通学院,天津 )摘要:动员征用合适的民船,是完成好跨海投送任务的重要保证.针对当前大多依靠经验进行民船征用、方法不够科学的问题,在系统分析民船征用需要考虑的影响因素基础上,综合各种常用的评价方法,构建民船征用模型,即首先借助层次分析法将复杂指标问题数据化,然后取主成分分析法对指标进行降维处理,并进行了应用研究,检验了模型的可靠性,可为战时民船征用方案的制定提供科学、有效的手段.关键词:层次分析;主成分分析;民船征用D O I:/j g j g y a t 中图分类号:E ;E 文献标识码:A文章编号:()民船不仅是国家经济建设的重要支撑,也是国防实力的重要组成部分,被誉为“第二海军”“第四军种”.我军现有运输舰船数量和吨位,尚不能满足未来渡海登陆作战需要,必须动员征用大量民船实施跨海投送保障.战时,民船动员征用需要考虑因素众多,有些指标属于定性指标,无法直接量化处理.综合分析各种常用的评价方法特点及适用范围,本文提出了基于层次分析(AH P)的主成分分析法,将其运用到民船征用中,以便为战时从类型、数量众多的民船中选择出合适的军运船舶,提供一种切实可行的办法.民船征用需要考虑的影响因素航行性能影响航行性能的要素主要有航速、抗风浪能力、航区和续航能力.航速是指船舶在单位时间内所航行的里程,通常以节为单位,它直接影响到完成运输投送任务的时间.抗风浪能力是指在保证安全航行的前提下,船舶所能承受的最大风级或浪高,表现为航行的稳定性,对物资装备运输投送安全有着重要影响.航区是指船舶能够航行的海域,通常划分为远海、近海、沿海和遮蔽航区,是民船征用时需要重点关注的问题,影响着民船运力的选择范围.续航能力是指船舶连续航行的能力,决定了单次输送的最大里程,影响着执行运输投送任务的距离.载货性能载货性能主要包括载货定额、装载军事装备利用率、可供人员同行数量.载货定额是指船舶的最大允许装载质量,反映了其承载能力.装载军事装备利用率是指货舱装载军事装备时空间的利用率,主要与船舶的甲板面积、数量以及结构强度等相关.可供人员同行数量反映船舶是否具备为乘行人员提供必要的居住条件和生活保障设施的能力.船舶居住和生活条件的保障能力越高,越能够保持好部队战斗力,因此在征用船舶中该项指标也是需要考虑的一个方面.装卸效能装卸效能是指在单位时间内可以装载或卸载装备的数量.根据民船的结构和性能特点,船舶装卸方式主要有滚装滚卸和吊装吊卸.适合部队海上投送的民船类型主要包括滚装船、件杂货船、多用途船、散货船、集装箱船等.其中,客滚船、滚装货船、车客渡船等滚装船,因其跳板能与滚装码头相连,车辆装备可以通过自行开上开下船舶,装卸效率很高,是部队海上投送的理想船型.件杂货船、多用途船自带不同吨位的船舶起重机,能够对装运装备物资进行吊装吊卸,减少对港口码头装卸机械的依赖;散货船、集装箱船等船型一般不设置船舶起重机,需要依靠港口码头装卸机械对装运装备物资进行装卸载工作.吊装装卸效能取决于各种起重机的作业效率及操作人员的技术水平等.民船征用模型构建构建层次结构将影响民船征用的因素划分为不同层次,按照研究R e s e a r c ha n dD e s i g n与设计国防交通工程与技术 年 月 卷期因素之间的相互影响和隶属关系将其分层聚类组合,并以树形图的形式表达出层次的递阶结构与因素的从属关系,其模型如图所示.?A?B1?B2?B3?C1?C2?C3?C4?C5?C6?C7?C8D1D2D3D4D5D6图层次分析结构模型其中处于图最上层的为目标层(A),表示该项决策问题的目标;处于中间的两层为指标层(B、C),主要是船舶征用中需要考虑的各类因素;处于最下层的为方案层(D),表示可满足征用条件的各类船舶征用方案.判断矩阵分析计算()构造判断矩阵.对模型方案层D进行两两比较,并采用标度反映方案层D各要素对其指标层C某一要素的相对重要程度,通过两两比较,可得出判断矩阵D,Ddi j,di j即表示di和dj对上一层指标的影响大小之比,且di j,dj i/di j(i,j,n).()计算权重.对矩阵D中每一行元素相乘Minjdi j;其次,计算Mi的n次方根WinMi;最后Wi/niWi,得到矩阵W.()矩阵一致性检验.计算判断矩阵的特征根值,m a xni(DW)in Wi.C I(m a xn)/(n)为一致性指标,C I/R I值小于时,则满足一致性检验要求,其中R I根据矩阵阶数查表可得.n时R I.如果一致性检验不满足要求,需要对判断矩阵D重新给定,直到满足要求.最后,可以求出方案层D对其指标层C相对重要程度,即每条船舶相对于评价指标C的得分值,用权重矩阵E表示.主成分分析法的实现()对权重矩阵E标准化处理:采用Z s c o r e法对矩阵E)(np)进行标准化处理,以消除各指标因属性不同引起的差异,标准化矩阵Z:Zi j(ei jej)/sj,(i,n;j,p)其中ejnniei j,sjnni(ei jej).()求矩阵Z的相关系数矩阵R(ri j)pp:ri jnk(Zk iZi)(Zk jZj)nk(Zk iZi)nk(Zk jZj),(i,j,p)()通过下列方程求解特征值和特征向量,即|R Ip|R B B其 中,(,p),B(b,b,bp),即为特征值和特征向量.()计算主成分的方差贡献率和累计方差贡献率.由R的特征值,可求得第j个主成分的方差贡献率为:ajj/pjj前m个主成分的累计方差贡献率为:mjajmjj/pjj()确定主成分,计算主成分综合评估值并进行排序.主成分的选择以特征值和累计方差贡献率为依据,一般来说特征值大于或累计方差贡献率达到 都可行,该两项指标以特征值大于为主.主成分的求解公式为:FjZi jbj,j,m式中:F称为第一主成分;F称为第二主成分;Fm称为第m主成分.以每个主成分对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和g的比例作为权重计算综合主成分得分评估值,并根据F值对民船征用进行排序和评价.FmjjgFj主成分分析法数据处理过程繁琐、工作量大,可以通过运行S P S S软件“导入数据”“描述”和“因子分析”三个命令即可快速取得数据.通过以上个命令操作,软件可以给出标准化处理数据、相关系数矩阵、主成分方差与方差贡献表、特征根数值衰减折线图以及初始因子载荷矩阵.其中,初始因子载荷研究与设计基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用林越奇等国防交通工程与技术 年 月 卷期矩阵A|b,b,pbp|,可求得特征向量B,而特征向量B中特征值大于对应的数值即为主成分载荷矩阵.模型应用分析某合成旅根据战时担负的使命任务,需要组织年度部队海上投送演练.所在战区可供选择的民船有:滚装货船、散货船、集装箱船、多用途船、杂货船和车客渡等,主要性能指标如表所示.利用基于层次分析的主成分分析法对这六种船型进行征用排序,以便更加科学地选用民船运力,发挥其保障效能.构造C D判断矩阵并计算权重表部分船型主要性能指标船舶代号船名船舶类型载货定额/t有效载货面积/m航速/节抗风力/级适航区续航力/海里随装乘坐人数装卸效率/(m i n/台)D安吉 滚装货船 远海 D华航致和散货 沿海 D新海明集装箱 近海 D长雄多用途 远海 D建扬诚和杂货 远海 D獐子岛车客渡 沿海 据图所示的层次结构模型,采取专家评分法就航速、抗风浪能力等八项指标分别对各船舶进行打分,得出各指标的判断矩阵.以指标航速C为例,可构建如表所示的C D判断矩阵,并计算出相应的权重.表指标层方案层(C D)权重向量计算判断矩阵CDDDDDDMinjdi jWinMiWiWi/ni WiD D/D/D/D/D/同理,可分别得出C D、C D、C D、C D、CD、C D、C D的判断矩阵和权重向量.矩阵一致性检验以C D判断矩阵为例,进行矩阵一致性检验.第一步,计算权重向量.W(W,W,W,W,W,W)(,)TDW(,)Tm a xni(DW)inWi 第二步,指标一致性判定.C Im a xnn 则:C I/R I ,因此,该矩阵完全满足一致性检验要求.同理,可得出C D、C D、C D、C D、C D、CD、C D判断矩阵的C I与R I比值分别为 、,均小于,满足一致性检验要求.最后,将C D、C D、C D、C D、C D、C D、C D、C D权重向量Wi计算结果进行汇总,可得船舶各评估指标的权重,如表所示.主成分分析法应用()原始数据标准化:将表数据利用S P S S软件进行标准化处理,得到数据表.经标准化处理后各列数据平均值为,且标准差等于.表船舶各评估指标权重船舶航速抗风浪能力 适航区域续航能力载货定额装载军事装备利用率可供部队人员同行装卸效率D D D D D D 研究与设计基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用林越奇等国防交通工程与技术 年 月 卷期表标准化处理后数据船舶航速抗风浪能力 适航区域续航能力载货定额装载军事装备利用率可供部队人员同行装卸效率D D D D D D ()求出相关系数矩阵R的特征向量矩阵:分别对八个评价指标的相关系数和特征值进行分析,并根据累计贡献率确定主成分个数.相关系数矩阵见图.图相关系数矩阵()确定主成分个数及表达式:根据主成分分析法中主成分个数选取原则,从图可见特征值有两个成分:,累计百分比达到 .同时,分析特征根衰减的突变,可以确定应提取个主成分,即k.从初始因子载荷矩阵(图)可知,装载军事装图主成分方差与方差贡献备利用率、可供部队人员同行、装卸效率在第一主成分上有很高载荷,说明第一主成分主要反映了这些指标的信息;续航能力指标在第二主成分上有较高载荷,说明第二主成分主要反映续航能力这个指标的信息.由初始因子载荷矩阵中数据除以主成分相对应特征值的平方根得出主成分载荷矩阵(表).根据以上数据,可知:F为第一主成分,主要代表装载军事装备利用率、可供部队人员同行、装卸效率个评价指标;F为第二主成分,代表续航能力评价指标.相应主成分表达式如下:研究与设计基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用林越奇等国防交通工程与技术 年 月 卷期图初始因子载荷矩阵F Z Z Z Z Z Z Z ZF Z Z Z Z Z Z Z ZF/()F/()F F F表主成分载荷矩阵项目FF航速 抗风浪能力 适航区域 续航能力 载货定额 装载军事装备利用率 可供部队人员同行 装卸效率 ()计算各主成分得分:根据综合评价函数F,计算各船舶性能指标综合得分,结果见表.()结果分析:由各船舶综合评价结果可以看出,从第一主成分F的排名看,安吉 滚装货船得分远高于其他船舶,说明该船装载军事装备利用率、可供部队人员同行、装卸效率个指标的整体水平相对较高;从第二主成分F的排名看,建扬诚和杂货船得分较高,说明该船续航能力较强.从船舶性能指标的综合排序看:安吉 长表各船舶综合评价结果船舶第一主成分FF排名第二主成分FF排名综合得分F综合得分排名安吉(D)华航致和(D)新海明(D)长雄(D)建扬诚和(D)獐子岛(D)雄建扬诚和新海明獐子岛华航致和.因此,在民船征用时,应优先选择安吉 滚装货船,其次选择长雄多用途船,其余依次类推,这与平时民船的经验选船顺序完全一致,证明了该模型方法的可行性.结论构建的基于层次分析与主成分分析法的民船征用模型,有效避免了采用层次分析法可能遇到的指标过多导致高阶矩阵的计算问题,大大降低了计算的难度,并减少了主观评价对民船征用结果的影响.在实际运用中可以运用S P S S软件协助进行数据处理,简便快捷,减少工作量.通过该方法,将民船征用问题以数据的形式展现,更加形象具体、科学可信,并适用于其他运输工具的动员征用.参考文献 曾运清,王春颖,肖丽娜层次分析法(AH P)在民船动员征用中的应用J武汉理工大学学报,():中国人民解放军学位委员会办公室军事定量分析M版北京:国防工业出版社,:陈顶,钱晓超,汪敏,等基于灰色主成分分析的体系效能评估指标筛选J系统仿真技术,():A p p l i c a t i o no fP r i n c i p a lC o m p o n e n tA n a l y s i sM e t h o dB a s e do nA n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e s s i nt h eR e q u i s i t i o no fC i v i l S h i p sL I N Y u e q i,WA N G Y u a n c h a n g,L I U B a o x i n(A r m yM i l i t a r yT r a n s p o r t a t i o nU n i v e r s i t y,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:M o b i l i z i n ga n dr e q u i s i t i o n i n gs u i t a b l e c i v i l i a ns h i p s i sa n i m p o r t a n t g u a r a n t e e t oa c c o m p l i s ht h e t a s ko f c r o s s s e ap r o j e c t i o n I nv i e wo f t h ep r o b l e m s t h a t t h em i l i t a r yf o r c e sm o s t l yr e l yo nt h ee x p e r i e n c e f o r t h er e q u i s i t i o no f(下转第 页)研究与设计基于层次分析的主成分分析法在民船征用中的应用林越奇等国防交通工程与技术 年 月 卷期100806040200?/A20406080100t/s?：PSO-PID-?；PSO-PID-?；?。图电流信号整定参数仿真结果比较调的情况,显著改善了优化性能,即使受到外部扰动因素的影响也能满足目标值的精确跟踪要求.结论本文开展地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析,取得如下有益结果:()一个循环过程可以实现回收 k J能量,达到了非常高效的能量回收性能.()在初始s内发生了流量提高,表明此时动臂达到了更快运动速度,s之间调节液压马达/泵排量后动臂运动速度发生了降低变化.()动臂速度表现为先增大再降低变化,可以获得更优的动臂控制性能.参考文献 乔舒斐,郝云晓,权龙,等液电混合半主动驱动机械臂储能系统设计及仿真J液压与气动,():李建松,丁海港,赵继云,等超大型轮式挖掘机混合式动臂势能回收系统设计及仿真分析J液压与气动,():夏连鹏,权龙,曹东辉,等液气储能双缸驱动大型轮式挖掘机动臂节能特性研究J机械工程学报,():高有山,权龙,赵斌,等工程机械作业机构能量回收技术研究现状J液压与气动,():周智勇轮式挖掘机动臂流量再生节能系统研究J机电工程,():赵士明,赵静一,李喜林,等混合动力轮式挖掘机动臂能量回收方案 设 计 与 仿 真 研 究 J中 国 工 程 机 械 学 报,():李建松,黎少辉,周波,等融合流量再生的飞轮储能挖掘机能量回收系统J液压与气动,():关澈,程珩,权龙,等纯电驱轮式挖掘机电气式动臂势能回收再利用系统研究J液压与气动,():李泽鹏,权龙,葛磊,等液电混合驱动轮式挖掘机动臂特性及能效研究J机械工程学报,():付春雨,邹广德轮式挖掘机工作机构的动臂势能回收J济南大学学报(自然科学版),():杜希亮,占刚,毛卫秀,等液压挖掘机动臂势能回收与控制技术研究J机床与液压,():D e s i g na n dA n a l y s i so fP S O P I DC o n t r o l S t r a t e g yf o rB o o mP o t e n t i a lE n e r g yR e c o v e r y i nS u b w a yE x c a v a t o rX U ES h i l o n g(C h i n aR a i l w a y t hB u r e a uG r o u pF i f t hE n g i n e e r i n gC o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e s p o n s e t ot h er e q u i r e m e n t so f e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no fs u b w a yc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t,ac o m p o u n ds t r u c t u r ee x c a v a t o rb o o mp o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sd e s i g n e d,w h i c hc a na c h i e v eh i g h e re n e r g yu t i l i z a t i o na n db e t t e re n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n O n t h eb a s i so f t h e o r i g i n a l P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l D i f f e r e n t i a l(P I D)c o n t r o l,P a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o na l g o r i t h m(P S O)w a s i n t r o d u c e dt oo p t i m i z e t h e c o n t r o l,a n d t h e f l o wr e g u l a t i o nm o d eb a s e do nP S O P I Dc o n t r o lw a sg i v e n H y d r a u l i c a n de l e c t r i c a l c o n t r o lm e t h o d sw e r eu s e d t or e c o v e rp o t e n t i a l e n e r g y,a n d t h eh y d r a u l i cm o t o rd i s p l a c e m e n tw a sa d j u s t e dt oc o n t r o l t h es p e e do f t h ee x c a v a t o rb o o m,w h i c hg r e a t l yr e d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fp r o g r a md e s i g n B a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h es y s t e m,t h ep o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sa n a l y z e db yAME S i ms o f t w a r e T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee n e r g y r e c o v e r yo f o n e c y c l ep r o c e s s i s k J,w h i c hc a na c h i e v ev e r ye f f i c i e n t e n e r g yr e c o v e r yp e r f o r m a n c e T h eb o o ms p e e d i n c r e a s e s f i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s,w h i c hc a no b t a i nb e t t e rb o o mc o n t r o l p e r f o r m a n c e K e yw o r d s:p o t e n t i a l e n e r g yr e c o v e r y;e n e r g y s a v i n gc i r c u i t;e x c a v a t o rb o o m;a c c u m u l a t o r(上接第 页)c i v i l i a ns h i p s,w h i c h i sn o t s c i e n t i f i ce n o u g h,ac i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o nm o d e l i sc o n s t r u c t e db a s e do nas y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s t h a tn e e dt ob ec o n s i d e r e d i nc i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o n,a n dv a r i o u sc o mm o n l yu s e de v a l u a t i o nm e t h o d s a r e i n t e g r a t e d T h a t i s,f i r s t l y,t h e c o m p l e x i n d e xp r o b l e mi sd a t a l i z e db y t h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s,a n dt h e nt h e i n d e xd i m e n s i o n i sr e d u c e db yt h ep r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i sm e t h o d T h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e l i st e s t e d,w h i c hc a np r o v i d eas c i e n t i f i ca n de f f e c t i v em e a n s f o r t h e f o r m u l a t i o no f c i v i l i a ns h i pr e q u i s i t i o ns c h e m e i nw a r t i m e K e yw o r d s:h i e r a r c h i c a l a n a l y s i s;p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s;c i v i l s h i pr e q u i s i t i o n 研究与设计 地铁挖掘机动臂势能回收P S O P I D控制策略设计及分析薛世龙