基于功能流模型及感性評價法的郵輪模塊劃分方法*

陳 湛 蔡 薇 李嘉寧

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學郵輪游艇設計研究院2) 武漢 430063) (中船集團上海外高橋造船有限公司3) 上海 200137)

0 引 言

郵輪感性設計的內(nèi)容之一是將郵輪的功能性設計與游客主觀感受相融合，而模塊劃分的最終目的則是縮短設計建造周期、降低生產(chǎn)成本，以及提高生產(chǎn)效率，最終形成功能獨立、結構大小得當?shù)膯卧猍1].為提高模塊劃分后各模塊在整體功能系統(tǒng)中的總體集成效率，文中基于功能流模型和感性評價法，探索設計效率與游客需求契合度高、功能協(xié)調(diào)性完善的郵輪模塊劃分方法.

目前，模塊化設計方法在郵輪產(chǎn)品設計生產(chǎn)中研究甚少，但在一般船舶及其他機械產(chǎn)品設計領域中得到了廣泛應用.張敬黨[2]通過構建布置知識庫及推理系統(tǒng)，并采用專家系統(tǒng)對船舶艙式布局的劃分進行了研究.董煒[3]以外舾裝模塊為例，對外舾裝的功能關聯(lián)和布置需求進行了分析，結合矩陣理論及模糊聚類法構建了模塊化產(chǎn)品設計流程，對相關研究具有參考意義.滕曉燕[4]從功能、幾何、物理等相關性構建綜合相關矩陣，用模糊聚類方法形成多種模塊劃分方案，運用綜合評判模型來確定相對合理的模塊劃分.Vickery等[5]通過分析產(chǎn)品設計平臺的形式、制造便利性對產(chǎn)品模塊化發(fā)布速度的影響，提出以資源為核心的模塊更新設計評估理論，并形成了通過提高產(chǎn)品平臺的中介效應來提升制造便利性的具體方案.Lee等[6]基于層次分析法和模糊邏輯方法，建立了模塊劃分方案的判斷矩陣.H?ltt?[7]基于模塊接口優(yōu)化設計和模糊聚類法，實現(xiàn)了模塊間的再組合性能優(yōu)化，并形成了模塊化平臺的設計方法.而在郵輪的模塊化研究中，傳統(tǒng)的模塊劃分方法雖然能一定程度上改善郵輪的設計效率，但在實踐應用中仍存在不足：①缺乏對郵輪模塊組合后的考慮，弱化了模塊集成后的整體功能；②模塊劃分方案評價偏重主觀，缺乏客觀數(shù)據(jù)的支撐.

針對以往研究的不足，文中對郵輪模塊劃分方法進行兩點改進：①結合功能流模型和感性評價法，提高了郵輪模塊之間的協(xié)調(diào)性；②對原始評價因素集進行降維，并結合DEMATEL-熵權組合賦權法和模糊評價法，構建了郵輪模塊劃分方案的綜合評價模型.該方法有效提高了郵輪的設計效率和模塊集成協(xié)調(diào)性，并為基于郵輪模塊劃分的方案擇優(yōu)工作提供了一種新的方法.

1 模塊劃分方案的生成路徑

模塊劃分方案的生成主要包括兩部分：①對郵輪整體功能模塊進行聚類，形成不同模塊化程度的模塊劃分方案；②出方案綜合評價方法，完成模塊劃分方案的擇優(yōu).根據(jù)郵輪設計生產(chǎn)需要與游客需求，建立基于模糊聚類算法和組合賦權法的郵輪模塊劃分方案生成路徑，見圖1.

圖1 郵輪模塊劃分方案生成路徑

2 基于模糊聚類算法的模塊劃分

2.1 模塊關聯(lián)性分析

2.1.1基于功能流模型的模塊關聯(lián)性

在功能流模型中，兩功能間的參數(shù)流越復雜，表明兩模塊間相關程度越大.郵輪產(chǎn)品功能流的輸入輸出參數(shù)主要包括幾何參數(shù)(如尺寸、形狀等)、機械參數(shù)(如載荷、質(zhì)量、材料特性，應力分布等)、動線參數(shù)(如人流、物質(zhì)流、能量流等)等.

根據(jù)上述參數(shù)，分別確定各功能元之間輸入輸出的相關程度，建立郵輪模塊間關聯(lián)矩陣：

(1)

式中：Vk(li,mj)為考慮第k類參數(shù)時，第j個功能的輸入對第i個功能的輸出的關聯(lián)程度(先采用10分制打分，再對分數(shù)進行歸一化處理，作為最終取值).

2.1.2基于感性評價模型的模塊關聯(lián)性

基于ROSTCM6平臺[8]抽樣分析2017年11月—2018年10月期間郵輪游客的評價文本，提取10對具有代表性的高頻形容詞詞匯，建立語義差分卡，見圖2.

圖2 郵輪模塊語義差分卡

在語義差分卡中，10對形容詞匯分別對應郵輪模塊的10個感性屬性.為了直觀體現(xiàn)郵輪模塊功能之間的相關程度，論文引入感性相似度指導模塊劃分.感性相似度是指郵輪游客對兩個模塊的感性認知的相似程度，即

(2)

式中：V4(i,j)為模塊i與模塊j的感性相似度；aik(或ajk)為模塊i(或模塊j)的第k類屬性的感性評價分值；rk(i,j)為模塊i與模塊j在第k(k=1,2,…,10)類屬性下的評價分值之間的比值(較小值與較大值的比值)，ωk為各感性屬性對感性相似度的影響程度，假定各屬性對感性相似度的影響程度相同，取1.

由式(2)可知，當感性相似度越接近于1時，說明兩模塊之間的感性關聯(lián)程度越高.

2.1.3總關聯(lián)性矩陣構建

結合幾何參數(shù)、機械參數(shù)、動線參數(shù)和感性相似度，建立總關聯(lián)矩陣.

(3)

式中：V(i,j)為模塊i與模塊j的總相關矩陣；m的取值范圍為{1,2,3,4},分別對應幾何參數(shù)、機械參數(shù)、動線參數(shù)和感性相似度；μm為第m類參數(shù)在總關聯(lián)矩陣中所占的權重；Vm(i,j)為第m類參數(shù)下的模塊i與模塊j的相關度.

根據(jù)Vista級郵輪的功能、空間，以及安全等設計要求，本研究以專家經(jīng)驗為主的排列成對比較法計算權重μm，具體步驟如下.

步驟1將幾何參數(shù)、機械參數(shù)、動線參數(shù)和感性相似度按重要性進行從大到小的排序.

ω1>ω2>ω3>ω4

式中：ω1、ω2、ω3、ω4分別為機械參數(shù)、流線參數(shù)、幾何參數(shù)和感性相似度在模塊劃分中的重要程度.

步驟2假定ωi的重要性為1，將ωi+1與ωi進行比較,得到ωi+1,i，并滿足以下條件：

ωi+1,i∈[0,1] (i=1,2,3)

根據(jù)郵輪調(diào)研組成員評價結果，并求取平均值，得出以下結果.

ω2,1=0.93ω3,2=0.86ω4,3=0.97

步驟3結合上述評價結果，計算ωi(i=1,2,3).

(4)

步驟4將ωi(i=1,2,3)進行歸一化處理

(5)

由此可知，總關聯(lián)性矩陣的權重μ1，μ2，μ3和μ4的估計值分別為0.285，0.265，0.228和0.222.

2.2 模糊聚類分析

運用模糊聚類算法求解不同模塊化水平的模塊劃分方案，具體流程見圖3.

圖3 聚類分析流程

由于總關聯(lián)矩陣中各項特性指標的數(shù)量級和量綱的歸一化，模糊矩陣等于總關聯(lián)矩陣，為

F=V

(6)

式中：F為模糊相似矩陣，而非模糊等價矩陣.

為了求解模糊等價矩陣，將模糊矩陣相似矩陣進行自乘運算[9]，為

F→F2→F4→…→F2n

(7)

其中：

F2=F°F=[∨(fij∧fji)]

式中：fij為F中的元素；∨為邏輯加，運算結果取∨兩邊的較大值；∧為邏輯減，運算結果取∧兩邊的較小值.

當模糊相似矩陣自乘后，矩陣元素不變時，該相似矩陣為模糊等價矩陣R.

通過選定不同閾值λ，對郵輪模塊進行聚類分析，即對任意Rij(模糊等價矩陣R中的元素)，λRij的取值為

(8)

式中：λ為所選擇的閾值，為R的截矩陣值.

令Rij=λRij，得出在選定閾值λ下的新矩陣R，并形成了對應的模塊劃分方案.根據(jù)產(chǎn)品設計需求，綜合考慮各種影響因素，選取適當?shù)拈撝郸?

3 模塊劃分方案綜合評價法

3.1 綜合評價模型

為了充分考慮設計者的主觀意圖與數(shù)據(jù)反映的客觀信息，文中結合DEMATEL主觀賦權和熵權法客觀賦權，計算各評價因素的組合權重，以改善評價結果的可信度，形成模塊劃分方案的綜合評價流程，見圖4.

圖4 郵輪模塊劃分綜合評價流程

模塊劃分方案的最終確定是由模塊化設計目標所決定.為便于描述，以特定參數(shù)表示郵輪模塊劃分方案集：

U={u1,u2,…,um}

(9)

式中：ui(i=1,2,…,m)為第i個模塊劃分方案.

3.2 評價因素集

由于不同設計部門之間有不同的設計風格及技術儲備，模塊劃分對郵輪的建造、營運以及拆解過程中均會產(chǎn)生不同程度的影響.綜合文獻[10-11]，形成郵輪模塊劃分方案的原始評價因素集.

在原始評價因素選取中，由于主觀性較強，弱化了客觀賦權的效應，不利于合理方案的輸出.為此，論文基于SPSS 25.0軟件計算郵輪同一生命周期階段中各指標之間的相關系數(shù)矩陣[12]，將相關程度大于0.8的指標歸為一類，形成新的評價因素集，見表1.記Q為簡化后的評價因素集；qj(j=1,2,…,n)表示第j個評價因素.

表1 郵輪全生命周期階段的評價因素集

不同評價因素下的評價值缺乏統(tǒng)一尺度，首先對原始評價值進行標準化處理.

1) 評價分值與評價目標成正相關

(10)

2) 評價分值與評價目標成負相關

(11)

3.3 因素權重集

3.3.1DEMATEL法賦權

1) 根據(jù)專家打分法，確定各評價因素之間的直接影響程度，得出直接影響矩陣.

(12)

式中：tij(i,j=1,2,…,n)為評價因素i對評價因素j的影響程度.

2) 對直接影響矩陣進行標準化處理

(13)

式中：G為標準化之后的直接影響矩陣.

則綜合影響矩陣為

Z=(zij)n×n=G+G2+G3+…+Gn≈

G(I-G)-1

(14)

式中：zij為第i個評價因素對第j個評價因素的直接影響程度；I為單位矩陣.

3) 影響度ci與被影響度di

(15)

式中：ci為因素i對其他因素的總影響程度；di為因素i受其他因素的影響程度.

4) DEMATEL法賦權

(16)

式中：yi(i=1，2，…，n)為第i類評價因素所占的權重.

3.3.2熵權法賦權

1) 構建原始評價矩陣.

(17)

式中：eij為方案ui(i=1,2,…,m)在評價因素pj(j=1,2,…,n)下的原始評價值.

2) 原始評價值歸一化處理.

(18)

3) 評價因素qj(j=1,2,…,n)的熵值.

(19)

式中：hj為評價因素qj(j=1,2,…,n)的信息熵值.熵值越小，該評價因素所含的信息越少、越無序.若fij為0，則令hj為0.

4) 賦權

(20)

式中：xj為第i類評價因素所占的權重.

3.3.3因素組合權重集

求取綜合權重的方法一般包括加法和乘法兩種.為了突出因素之間權重的差異性，選用乘法計算：

(21)

式中：wi為第i個評價因素的綜合權重，也是各個評價因素的最終權重.由此，構成綜合權重集：W={w1,w2,…,wn}.

3.4 模糊綜合評價

根據(jù)式(18)，對各個評價因素進行歸一化處理，得出綜合評價矩陣.

(22)

式中：fij∈[0,1]為考慮第j個因素時，方案ui的評判結果.

綜合評價的方法一般分為三種：主因素決定型、主因素突出型以及加權平均型.為使信息損失達到最小，文中采用加權平均型模糊綜合評價方法.

B={b1,b2,…,bm}=W×F

(23)

根據(jù)最大隸屬度原則，進行模塊劃分方案擇優(yōu)：若bi(i=1,2,…,m)最大，則對應的方案ui(i=1,2,…,m)最優(yōu).

4 應用實例與分析

以Vista級郵輪的第11層甲板為例，檢驗所提出的模塊劃分方法和方案綜合評價法.為便于表述，對第11層甲板上具有代表性功能的功能模塊進行編號.編號規(guī)則采用“甲板層號-模塊序號”的形式，見表2.

表2 第11層甲板區(qū)域內(nèi)布局模塊及其對應序號

1) 方法一 未融入感性評價的模塊劃分 通過聚類分析，得出不同模塊化程度的劃分方案.除去類組數(shù)為14和1的模塊劃分方案，閾值λ可取0.9、0.86、0.82、0.75、0.65.

結合設計經(jīng)驗，閾值取0.86，0.82和0.75時，模塊劃分方案(分別記為v1,v2和v3)相對合理，即(數(shù)字表示模塊序號，同一括號表示同一類組).

方案v1(1,2)，(3)，(4)，(5,6,7,8,9)，(10)，(11)，(12)，(13)，(14)；

方案v2(1,2)，(3)，(4)，(5,6,7,8,9)，(10)，(12,13)，(11,14)；

方案v3(1,2)，(3)，(4)，(5,6,7,8,9)，(10)，(11,12,13,14).

2) 方法二 融入感性評價的模塊劃分

閾值λ可取0.9,0.84,0.75,0.66,0.62,0.58.根據(jù)DEMATEL—熵權組合賦權法，計算各評價因素的組合權重，見表3.

表3 各評價因素的組合權重

運用模糊評價法，得出Vista級郵輪模塊劃分方案的綜合評價集：

B={0.389，0.730，0.918，0.857，0.365，0.148}

根據(jù)最大隸屬度原則，當閾值λ在0.75時，評價分數(shù)為0.918，模塊劃分方案(記為v)最優(yōu)，即

方案v(1,2)，(3)，(4)，(5,6,7,8,9)，(10)，(11,12,13)，(14).

3) 方案比較 由于方法一中閾值是根據(jù)設計經(jīng)驗而定，在方案輸出中有較強的主觀性，因此選擇保留三種待選方案.結合簡化的評價因素集，采用專家打分法對v1,v2,v3和v四種劃分方案進行打分.對評價分數(shù)進行標準化處理，結果見圖5.

圖5 模塊劃分方案評價示意圖

由圖5可知，在考慮評價因素q3,q5,q6時，方法二得出的最優(yōu)模塊劃分方案v顯著優(yōu)于方法一，即：便于模塊化管理；便于施工作業(yè)的分配；模塊子功能的配合程度(模塊間的協(xié)調(diào)性)更高.

運用模塊劃分綜合評價法對方案v1,v2,v3和v進行評價，權重計算結果見表4.

表4 各評價因素的組合權重

方案v1,v2,v3和v對應的綜合評價集為

B={0.029，0.442，0.496，0.926}

根據(jù)最大隸屬度原則，方案v優(yōu)勢明顯，其分值比綜合評價中排名第二的方案v3的分值高出近50%，適用于郵輪模塊化設計生產(chǎn).

5 結 論

1) 基于功能流模型和感性評價模型，構建郵輪模塊的總關聯(lián)矩陣.根據(jù)模糊聚類算法，形成了不同模塊化程度的模塊劃分方案.

2) 運用DEMATEL-熵權組合賦權法，提出了模塊劃分方案的綜合評價方法，以確定最合理的模塊劃分方案.

3) 以Vista級郵輪的第11層甲板為例，驗證了該方法的適用性和優(yōu)越性.結果表明，融入感性評價法后，基于功能流模型的模塊劃分方法在方案擇優(yōu)中，綜合評價分值提升了近50%，其突出優(yōu)勢在于模塊化管理的便利性、施工作業(yè)的均衡性以及模塊的集成協(xié)調(diào)性.