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      基于AHP的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)研究

      2012-02-18 08:35:14王維志陳建國周學(xué)良
      裝備制造技術(shù) 2012年4期
      關(guān)鍵詞:概念設(shè)計(jì)一致性權(quán)重

      王維志,陳建國,周學(xué)良

      (湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,湖北 十堰 442002)

      隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局的不斷演變,創(chuàng)造新的產(chǎn)品滿足市場(chǎng)需求和不斷地開拓新的、更大的市場(chǎng),受到了世界各國的普遍重視。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步是概念設(shè)計(jì),概念設(shè)計(jì)的核心內(nèi)涵,是創(chuàng)新和創(chuàng)造,是各種綜合知識(shí)的運(yùn)用和再創(chuàng)造的過程。

      層次分析法(AHP:Analytical Hierarchy Process)是美國匹茲堡大學(xué)A.L.Saaty教授于20世紀(jì)70年代提出的一種基于層次分析的綜合決策方法[7]。AHP通過將主觀定性判斷數(shù)字化、思維過程流程化處理,使決策過程系統(tǒng)化、科學(xué)化。

      機(jī)械產(chǎn)品是一個(gè)多變量系統(tǒng),除了工程技術(shù)屬性,還具有社會(huì)屬性。因此,產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的目標(biāo),是在考慮了工程技術(shù)、市場(chǎng)、社會(huì)、環(huán)境等等因素之后,尋求最佳解的過程。

      1 方案集求解

      概念設(shè)計(jì),是產(chǎn)品形成最為重要的一個(gè)階段,需要多學(xué)科的工程科學(xué)知識(shí)、專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和工程分析能力,甚至是需要必要的靈感和智慧。一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品,一般都有多種實(shí)現(xiàn)方案,考慮了各種可能的方案以后,選出的最佳解,才是真正的最佳解,所有可能的方案簡(jiǎn)稱方案集。

      1.1 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

      (1)創(chuàng)新性。創(chuàng)新是概念設(shè)計(jì)的靈魂。只有創(chuàng)新才有可能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的富有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械產(chǎn)品。創(chuàng)新是多層次、多角度的思維過程,作用原理的改變、材料的替代、結(jié)構(gòu)修改以及新功能的誕生都是創(chuàng)新,其中作用原理的改變、新功能的誕生,屬于高層次的創(chuàng)新活動(dòng)。

      (2)多變量的選擇性。概念設(shè)計(jì)就是一個(gè)多變量構(gòu)造、選擇和綜合的過程。

      (3)不確定性。概念設(shè)計(jì)是整個(gè)工程設(shè)計(jì)的初級(jí)階段,一定存在大量的不確定性,產(chǎn)品的創(chuàng)新程度越高,不確定性越高,因?yàn)闆]有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

      1.2 概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟

      概念設(shè)計(jì),是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先導(dǎo),又是產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計(jì)的前提,概念設(shè)計(jì)搞好了,產(chǎn)品設(shè)計(jì)才有可能成功和達(dá)到較高的水平。概念設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下主要內(nèi)容[1~6]:

      (1)功能目標(biāo)的創(chuàng)新、定位;

      (2)功能分析和功能結(jié)構(gòu)分解;

      (3)作用原理解的搜索和確定;

      (4)求結(jié)構(gòu)層方案集;

      (5)最佳方案求解。

      1.3 通過功能分解求解方案集

      產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì),可以從功能層開始,然后延展到結(jié)構(gòu)層。在功能層和結(jié)構(gòu)層中,也有自身的層次關(guān)系。將功能從一個(gè)層次向下一層次分解,不同層次的功能,對(duì)應(yīng)不同層次的結(jié)構(gòu)。功能層分解的越細(xì),越容易獲得更多的解。

      1.4 從改進(jìn)工藝動(dòng)作重新構(gòu)思產(chǎn)品求解

      機(jī)械產(chǎn)品的功能,是靠一系列工藝動(dòng)作來完成的,增加、減少或合并工序,可以改變機(jī)器的動(dòng)作,產(chǎn)生新的方案解。

      1.5 重新構(gòu)思執(zhí)行機(jī)構(gòu)求解

      執(zhí)行機(jī)構(gòu),是產(chǎn)品的核心機(jī)構(gòu)與部件,工藝動(dòng)作是靠若干個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的。改變執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以創(chuàng)造出新的產(chǎn)品,例如改變工件運(yùn)動(dòng)為刀具運(yùn)動(dòng),可以創(chuàng)造出新的機(jī)床。

      1.6 改變控制系統(tǒng)求解

      通過引入新的控制方法和技術(shù),可以創(chuàng)造出功能更多、精度更高的新產(chǎn)品,近幾十年機(jī)械加工領(lǐng)域、家電制造領(lǐng)域以及一切機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展,都得益于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的介入和應(yīng)用。

      2 基于AHP的方案篩選

      AHP將常識(shí)和經(jīng)驗(yàn)求解的方案集,通過一定的算法將其數(shù)字化,明確方案集要素對(duì)功能要素的影響,將各種要素加權(quán)綜合,找出對(duì)總目標(biāo)最優(yōu)的方案。

      各種不同的結(jié)構(gòu)要素排列組合,形成n個(gè)可行的方案。每個(gè)可行的方案對(duì)m個(gè)功能要素,有不同的影響,借用AHP的術(shù)語叫做有不同的重要度。重要度按一定的規(guī)則量化,量化方法參見文獻(xiàn)[3,7],推而廣之,功能要素對(duì)總目標(biāo)也有不同的重要度。

      2.1 構(gòu)造判斷矩陣

      全部可行的n個(gè)方案和m個(gè)建立層次結(jié)構(gòu)模型,模型從上到下分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和要素層。一般的層次模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 典型的層次結(jié)構(gòu)模型

      相對(duì)重要度是指同層要素針對(duì)上層準(zhǔn)則的相對(duì)重要程度,例如要素ai相對(duì)要素aj的重要度記作aij,各個(gè)要素進(jìn)行兩兩比較,形成一個(gè)n2階的判斷矩陣

      判斷矩陣具有如下特點(diǎn):

      2.2 計(jì)算相對(duì)權(quán)重

      判斷矩陣構(gòu)造完成之后,通過歸一化處理獲得特征向量,歸一化按公式(2)計(jì)算。

      其中,

      上述權(quán)重向量,是在假設(shè)判斷矩陣滿足一致性條件的前提下求得的,因此,為了確保上述權(quán)重向量的準(zhǔn)確性,需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。具體步驟如下:

      根據(jù)上面計(jì)算的權(quán)向量,按式(5)計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax:

      其中,

      (AW)i表示判斷矩陣與權(quán)向量相乘之后,得到的向量要素值。然后按式(6)計(jì)算一致性指標(biāo)CI:

      CI愈小,矩陣一致性愈大,當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí),CI=0。考慮到一致性的偏離,可能是由于隨機(jī)原因造成的,因此在檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性時(shí),還需將CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較,得到一致性檢驗(yàn)系數(shù)(一致性比率)CR:

      其中,RI的值,可通過查矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表得到,當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性;當(dāng)CR≥0.1時(shí),需要對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,并重新計(jì)算,直到滿足一致性條件為止。

      2.3 層的綜合權(quán)重計(jì)算

      計(jì)算出底層要素對(duì)準(zhǔn)則層各要素的權(quán)重向量,組成一個(gè)m行n列的權(quán)重矩陣,記作W。同樣的方法,可以計(jì)算出準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重向量M=(M1,M2,…Mk,…Mm)。設(shè)要素層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重向量為H,H由式(8)和式(9)計(jì)算獲得。

      3 電纜除冰裝置的概念設(shè)計(jì)

      在寒冷的冬季,我國的南方某些地區(qū),由于特殊的氣候條件,室外高壓電纜上面會(huì)被厚厚冰層所包裹,冰層的自身質(zhì)量,可以達(dá)到電纜自身質(zhì)量的數(shù)倍,極大地增加了鐵塔的負(fù)荷,在極限情況下,會(huì)導(dǎo)致鐵塔壓潰倒塌,造成巨大損失?;诠δ芊纸夂蛯哟畏治龇ㄟM(jìn)行除冰裝置的概念設(shè)計(jì),首先通過查閱文獻(xiàn)、類比等方法找出x種除冰方式,見表1。

      表1 除冰方式列表

      同樣的方法找出y種控制方式,組合成n種基本可行的方案,見表2。

      表2 可行方案列表

      功能要素分別為可實(shí)現(xiàn)性、效率和成本。要素層n=6,準(zhǔn)則層m=3,參考有關(guān)資料為每一個(gè)要素制定重要度,建立判斷矩陣,并根據(jù)式(1)至式(9)進(jìn)行計(jì)算(限于篇幅,具體計(jì)算過程略)。就可以選出最佳方案。

      4 結(jié)束語

      傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì),主要根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),判斷方案的好壞。對(duì)于多方案,多功能指標(biāo)的的復(fù)雜產(chǎn)品,經(jīng)驗(yàn)只能達(dá)到“大概”、“差不多”這樣的程度。將傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的模糊思維模式,和層次分析法的精確計(jì)算結(jié)合起來,從而獲得更好的概念設(shè)計(jì)效果,在電纜除冰的概念設(shè)計(jì)實(shí)例中,重點(diǎn)介紹了方案集的求解和層次分析模型構(gòu)建,證明了概念設(shè)計(jì)也可以做到精確構(gòu)建和計(jì)算。

      [1]曹東興,等.基于狀態(tài)空間的機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2002,(2):1-4.

      [2]楊艷花,等.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)推理技術(shù)研究綜述[J].現(xiàn)代制造工程,2010,(2):4-8.

      [3]王 科,等.機(jī)械產(chǎn)品行為特性分析及模型構(gòu)建[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(8):1212-1317.

      [4]雷永剛,等.機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì):綜述與分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2000,19(1):18-21.

      [5]張建明,等.產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2003,9(8):18-21.

      [6]Saaty T L.The Analytical Hierarchy Process[M].New York:Mc.Graw-Hill,1980.

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