中国是渔业大国，拥有世界上最多的渔船，中国在2020年联合国大会上提出了要在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标．我国渔船数目庞大，耗能也大，是实现碳达峰和碳中和的重要领域．大力发展先进、节能、低碳的渔船和渔机，减少化石能源和CO2的排放量是当务之急．主机选型直接影响船机桨匹配的最终结果，船机桨匹配不佳会导致柴油机功率不能完全发挥或柴油机超负荷运转，严重者还会出现敲缸、拉缸等机械故障．我国渔船老旧现象严重，渔船作业方式、工况复杂，为追求经济利益和渔船的高航速，渔民私自更换大功率主机的问题时有发生，也导致了“大机小标”现象的普遍，船机不匹配的状况存在并已持续多年．在商船上，主机选型已较为完善，而针对渔船主机选型的研究却比较少，深入研究多工况渔船的主机选型方法此时便显得尤为重要．渔船主机选型涉及额定功率、储备功率、可靠性等性能指标，同时还要根据渔区的资源变化、船舶的吨位和渔船作业的方式等因素来决定．因此研究主机选型及对主机选型进行相应的优化工作是十分必要的．本研究针对多工况拖网渔船，根据不同工况的特殊状态进行机桨匹配和主机的优选．1 拖网渔船主机选型指标当今社会正大力推广可持续发展和绿色节能发展，因此在选择渔船主机机型时须要选择节能的机型，同时也要兼顾柴油机的性能因素，除此之外，还要注重渔业生产的特殊性．渔船柴油机的选择，要考虑到渔区资源的变化及船舶吨位的大小，渔船主机的选择，总的来说有以下几点要求：低油耗、振动小、噪音小、起动性能好、有一定功率储备，一般为额定功率的30%~40%，要适应渔船生产作业负荷变化频繁的情况，可靠性好[1]．拖网渔船的工况十分多变，当选择主机时，须要对柴油机各个方面因素进行综合评判，这就须要选择使用适合于渔船主机设计标准的评判指标集，根据渔船的特殊选型需求，可以将指标分为技术指标、经济指标和性能指标三类．a．技术指标技术指标包括持续功率、储备功率和储备扭矩．渔船主机的持续功率是指该柴油机在现行有关标准规定的环境条件下，允许长时间持续运行的输出功率，其选取由渔船的最大航速决定，因此选取其作为技术指标之一．由于拖网渔船工况十分复杂，当起网工况时，正倒车频繁，须要大功率提供动力[2]，因此储备功率也是十分重要的技术指标．当拖网渔船自由航行时，处于轻载状态，航速较高，主机以额定功率、转速持续工作．当遇到大风浪时，会超出额定扭矩运行，主机需要有一定的储备扭矩[2]，因此选取储备扭作为模糊评价中的技术指标之一．b．经济指标经济指标包括油耗量、燃油消耗率(耗油率)等指标．渔船的油耗主要是指渔船所用柴油机的油耗，柴油机的耗油率指柴油机每千瓦小时所消耗的燃油量，其数值越小，柴油机的效率越高[3]．若耗油率曲线变化相对平缓，则代表其在较广的转速范围内经济性较好．对于大多数的柴油机，基本都是工作负荷中等偏大时耗油率最低，经济性最好．当柴油机全负荷工作时，输出功率大，油耗高；在低负荷区，油耗也会显著升高[4]．c．性能指标性能指标包括起动性能和可靠性等指标．起动性能是衡量柴油机性能的重要指标，起动性能的好坏一定程度上决定了柴油机的可靠性和排放性能的好坏[5]．拖网渔船的工况复杂，渔船主机能否在规定时间内快速、可靠地起动，一直以来都是衡量渔船主机性能优劣的重要指标之一[6]．当拖网渔船运行时，工况比其他船舶更加复杂，因此更易发生事故，主机须要频繁适应渔船航行的各种特殊工况，须要选用可靠性更高的柴油机．2 渔船主机选型的优化方法主机选型的优化方法众多，国内外都在这方面做出了大量的研究，并且取得了显著成效．利用模糊数学的方法建立模型来进行主机选型的优化是最为普遍的方法，在散货船、集装箱船的主机选型优化中都得到了相应的应用[7]．运用模糊算法来进行主机优化选型的主要步骤为：建立评价因素集，建立评价指标权重集，量化指标，计算评价矩阵，进行模糊综合评判．有学者在此基础上将模糊数学与分层处理法(AHP)相结合[7]，进一步完成了船舶主机优选．有学者建立了主机选型的非线性多目标优化模型，采用逐步逼近的筛选法进行优化计算，同时解决了主机选型设计中兼顾机桨匹配和主机效率及经济性最佳的难题[8]．还有学者利用决策理论来进行主机的优选，将主机选型当作一个不确定的多属性决策问题来分析计算，完成主机的优选[9]．基于减额输出的方法来提高主机的经济性进行主机选型优化也是一个研究热点[10]．同样是基于节能减排，有人提出了采用熵权法确定客观权重，采用偏差商模型来确定主管权重，设计一种交互式赋权法的船舶主机优选方法[11]．有的学者选择使用插值法，根据功率与航速的匹配及油耗的比较来选择比较经济的主机也是主机优选的方法之一[12]．有学者也提出采用网络层次分析法(ANP)来考虑计算指标的权重，并且引入证据推理法(ERA)充分考虑信息的不确定性和缺失情况，建立ANP-ERA模型来进行主机选型的优化[7]．以上各种选型方法，都为主机的优化选型提供了参考方法，但仍然存在一些不足．采用非线性多目标优化模型进行主机优化选型，该方法不仅限制了船舶的速度，而且由于其结构复杂，导致计算工作量大，且存在着多个指标单位不一致的问题．船舶主机优化选型涉及到许多评判标准，且相互关联．当采用决策理论进行优化选型时，若所选用指标超过一定的数量，则错误增加的速度也会加快；若处理的两个指标特征关联性相对较强，则效果可能不理想．采用插值法和减额输出的方法进行主机优选仅仅考虑了经济性因素．采用模糊综合评价法和层次分析法进行主机优选的方法多是针对功率、经济性某一单一问题进行优选，不适用于渔船的主机选型．以上方法针对渔船的很少．渔船工况会随各种因素变化，仅考虑一种工况开展匹配分析不能满足复杂的作业要求，须综合考虑多种工况．3 基于模糊综合评判的渔船主机优选渔船大多采用经验法选取主机，采用机桨匹配计算选型的推进装置，仅适合航行或作业的单一工况，目前未见适合采用多工况多指标参数计算渔船主机选型的方法．渔船的工况十分复杂，渔船的每个工况都有一个对应的最佳匹配点，因此确定匹配点困难，且无法兼顾，基于已有研究，选取在商船主机优选中运用较多的模糊综合评价法作为拖网渔船主机选型的优化方法，该方法可以根据渔船工况的特殊要求建立多个指标，考虑渔船的综合工况以满足渔船的作业要求．主机选型的优化设计及多个因素，当进行分析时，常以定性分析为主，再加上专家意见、用户需求等综合考虑．模糊综合评判的方法运用了模糊数学的理论和统计学的规律，其核心是模糊运算和最大隶属度原则，可以对这些模糊因素解析化和定量化，让渔船主机的优化选型建立在一个量的比较基础上，其数学模型简单、过程清晰、容易掌握[13]，得出的结果也更加具有科学性．模糊综合评价的方法可以同多种方法进行融合使用，当建立渔船主机指标权重集时结合了层次分析法，既对定性分析的结果进行了有效吸收，又充分利用了定量分析的优势，提高了决策的条理性和科学性．当进行指标权重值计算和定性因素的隶属度计算时，结合了专家打分法，实现了引入环境因素对渔船作业带来的影响，设立不同的评价指标，可以面向不同的渔船，并将定性因素定量化分析，计算方法简单．图1为模糊综合评价流程图．10.13245/j.hust.230408.F001图1模糊综合评价流程图a．建立主机选型评判方案集经过一系列船机桨匹配设计计算，得到拖网渔船航行所需的主机功率范围，在功率范围内筛选出几种柴油机作为备选方案，再采用模糊综合评价法计算选出最优的设计方案．设综合评价方案集P={p1, p2, …, pn},其中pn为若干个备选主机．b．建立主机选型评价因素集U={u1, u2, …,um},式中um为若干影响因素．c．建立主机选型评语等级集将评价方案定义成5个等级，其变量范围见表1，表中V为评价值．该等级集的建立有利于用加权平均法对其进行综合评价．10.13245/j.hust.230408.T001表1评语等级集等级评价值组中值优秀1.00V 0.900.95良好0.89V 0.800.85较好0.79V 0.700.75一般0.69V 0.500.60较差0.49V 0.000.30d．建立主机选型指标权重集渔船主机的备选方案选好后须要给出各属性指标的权重，这里运用了层次分析法的相关原理．层次分析法(又称为AHP法)，通过建立两两比较的评判矩阵，对每一个指标的重要程度进行相应的评判．层次分析法的重点在于构造一个判断矩阵C，在指标集U上，根据指标ui的相对重要程度判断，采用1~9标度法[14]：两个因素相比，相同重要，标度为1；两个因素相比，一个比另一个轻微重要，标度为3；两个因素相比，一个比另一个明显重要，标度为5；两个因素相比，一个比另一个强烈重要，标度为7；两个因素相比，一个比另一个极端重要，标度为9；标度2，4，6，8为上述相邻判断的中值；当因素i与因素j比较的判断为uij时，j与i比较的判断为1/uij．对于列出的若干指标进行两两对比，归纳整理后得出各项对比矩阵C=c11c12…c1qc21c22…c2q︙cp1cp2…cpq,选用最常用的方根法来进行权向量的计算，得到最终的指标权重集A=[a1,a2,…,am],式中：am为um对A的隶属度，反映了多个元素综合评价中的重要程度，有∑k=1nak=1(ak≥0)．e．主机选型的模糊综合评价所选取的指标可分为定性因素和定量因素，对定性因素，查阅文献发现专家打分法最为适用；对于定量因素，可通过建立隶属度函数的方法．根据以上方法计算主机备选方案中的评价指标，得到一个主机选型评价矩阵R，R中每一纵列数值为所选主机各项指标经隶属函数或专家打分法得到的隶属度．再根据A，得到模糊综合评价结果B=A∘R．(1)根据B的结果可选出最优的渔船主机．4 模糊综合评价进行主机优选应用实例与对比4.1　案例选取本研究采用模糊综合评价方法对文献[15]中的实例进行验证计算．该文献选取了山东威海的24 m拖网渔船进行相应的机桨匹配工作，该船主机的常用工况点为276 kW，1 484 r/min，最大持续工况点为303 kW，1 530 r/min．根据此信息，筛选出潍柴动力股份有限公司WP13系列中的WP13C437-15，WP13C400-18和WP13C500-18三款柴油机作为渔船的备选主机，表2为三款备选主机的主要参数．10.13245/j.hust.230408.T002表2备选主机主要参数指标WP13C437-15WP13C400-18WP13C500-18标定功率/kW321295368标定转速/(r∙min-1)1 5001 8001 800标定点扭矩/(N∙m)2 0441 5561 952标定点燃油消耗率/(g∙(kW∙h)-1)201.2218.5203.94.2　建立评价方案集与因素集建立设综合评价方案集P={p1,p2,p3}，其中p1为WP13C437-15，p2为WP13C400-18，p3为WP13C500-18．建立拖网渔船主机层次结构模型如图2所示．10.13245/j.hust.230408.F002图2拖网渔船主机层次结构模型建立综合评价因素集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，式中：u1为持续功率；u2为储备功率；u3为储备扭矩；u4为可靠性；u5为起动性能；u6为油耗．4.3　权重赋值与结果计算指标权重打分得到的权重赋值针对的研究对象不同，打分情况也不同，本研究的权重打分仅针对渔船．其中，以持续功率为例，考虑到渔船的特殊工况，经常经历复杂的风浪工况，因此储备功率、储备扭矩可以保障其在大风浪等情况下的稳健运转，这两项指标比持续功率更为重要，其余指标打分以此两两对比类推，然后综合各位专家的意见，对于因素集中各项指标进行权重打分，指标权重打分表见表3．10.13245/j.hust.230408.T003表3指标权重打分表因素持续功率储备功率储备扭矩可靠性起动性能油耗持续功率1.003.003.004.003.001.00储备功率1/31.001.003.002.002.00储备扭矩1/31.001.003.002.002.00可靠性1/41/31/31.001.003.00起动性能1/31/21/21.001.003.00油耗1.001/21/21.001/31/3通过方根法对其进行正规化和归一化处理，得到指标权重集A=[0.024，0.073，0.073，0.382，0.184，0.265]．本研究选取的4个定量指标，针对不同的柴油机，均有一个容许的取值范围，选择运用隶属函数运算的方法计算其隶属度．本研究选用各文献使用率较高的梯形分布隶属函数进行计算．根据持续功率、储备功率、储备扭矩的特征，持续功率、储备功率、储备扭矩均随所选柴油机特征指标的增加而增加，故选用单调升型梯形分布函数，即μum=0(um≤a);(um-a)/(b-a)(aum≤b);1(umb), (2)式中：a为允许值；b为期望值．根据油耗的特征，随所选柴油机特征指标的增加而降低，故选用单调降型梯形分布函数，即μum=0(um≤a);(b-um)/(b-a)(aum≤b);1(umb). (3)对于起动性能和可靠性两个定性因素，采用专家打分法来确定其隶属度．按式(2)和(3)计算评分结果，得到评判矩阵R=0.3620.1530.7420.33301.0000.64400.2080.7500.8500.8500.7500.9500.8500.6520.5000.858.根据式(1)有B=A∘R=0.0240.0730.0730.3820.1840.265T∘0.3620.1530.7420.33301.0000.64400.2080.7500.8500.8500.7500.9500.8500.6520.5000.858=[0.677 30.635 60.814 4].根据上述模糊综合评价最终运算的结果可以得出：三种主机中最优的主机为WP13C500-18型主机，第二优选为WP13C437-15型主机，WP13C400-18型主机对于本船来说综合性能较差，该结果与文献[15]中选取的主机型号结果相同．4.4　方法对比采用多数船舶主机优化选型中都会使用的经济性分析法[16]再次主机优选，对该渔船进行对比计算．须要计算渔船主机所使用的年燃油消耗量和燃油消费，可得年燃油消耗量T=0.9Pmg×24M×10-6, (4)式中：Pm为额定功率；g为燃油消耗率；M为船舶的航行天数．年燃油消费F=Tt, (5)式中t为燃油的价格．渔船工作常在每年的8~10月，设渔船航行天数为90 d，使用60号重柴油2 800元/t．通过式(4)和(5)计算可得经济性最好的为WP13C437-15型主机，WP13C400-18型次之，WP13C500-18型最差，与文献[15]中的实际结果相差较大．分析经济性分析法可以发现：该法仅考虑到额定功率和燃油消耗率两个因素，前提为船舶长期处于额定功率状态下行驶，渔船工况复杂，据舟山地区渔民调研报告来看，拖网渔船拖网工况占据其工况分布的90%，非拖网工况仅占据10%[17]，而随着拖网重量的升高和各种特殊因素，主机的功率是不断变化的，不能保证其长期处于额定功率下行驶．仅考虑经济性因素进行渔船主机的选型指标过于单一，结果相对片面；通过与经济性分析法来优选主机，对比发现模糊综合评价优选主机的方法得出的结果更加准确、合理．5 结语本研究通过分析山东24 m拖网渔船为例，创新性地在渔船的主机选型中采用了商船中应用较为广泛的模糊综合评价法，建立模糊综合评价模型，引入专家评价系统，对拖网渔船主机进行优选，并与单一使用经济性指标进行主机优选的方法进行对比，展现了模糊综合评价法的优势．另外，渔船主机的选型还须考虑排放问题，我国主机技术在不断进步，排放性能已经大幅提高，本研究在进行机桨匹配的主机选型工作前，已经进行机型筛选，所参与最终优选的主机已达到和满足排放标准．采用通过模糊综合评价的方法进行渔船主机优选，考虑渔船的综合工况进行模糊计算，所获得的主机匹配结果可以更好地适应渔船的复杂的工作要求．引入专家打分法，实现了引入环境因素对渔船作业带来的影响，设立不同的评价指标，可以面向不同的渔船．在之后的研究中，也可以根据不同渔船的作业工况来不断扩大评价指标的范围，从而得到更为精确的结果．本研究证明了模糊综合评价方法在渔船主机优选上应用的可行性和有效性，且不限定主机型式，适用于不同类型的多工况渔船的主机的优化选型，且渔船工况越复杂，指标越丰富，结果越精准，为渔船机桨匹配的优化提供了一种新的方法选择．