基于改進TOPSIS 法的健康評價模型研究

韋 偉，戴文靜

（安徽工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

近些年來，中國煙草市場隨著經(jīng)濟全球化的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而在不斷發(fā)展、壯大與崛起。目前，我國在全球的煙葉產(chǎn)量、卷煙產(chǎn)量和市場上占據(jù)1/3的位置，是當之無愧的世界第一煙草大國[1]。但是，卷煙工業(yè)中的設(shè)備功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且多為進口產(chǎn)品，使得企業(yè)對先進的設(shè)備了解不夠全面，維修人員在解決設(shè)備運行階段出現(xiàn)的復(fù)雜故障的能力較弱。尤其企業(yè)缺乏設(shè)備運行情況的監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，依然延用傳統(tǒng)的設(shè)備管理方式，這就導(dǎo)致設(shè)備故障維修效率低，容易出現(xiàn)“保養(yǎng)過?！薄氨ｐB(yǎng)不足”和過多的臨時維修，嚴重影響了企業(yè)生產(chǎn)效率。因此，如何通過設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來采取合適的維保措施成為當前設(shè)備管理的研究熱點，而設(shè)備健康狀態(tài)評價則是其中一個重要的研究方向。

設(shè)備健康管理（Equipment Health Management，EHM）通過先進的監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測設(shè)備維修和使用壽命等信息，控制影響設(shè)備健康狀態(tài)的因素，并對維護計劃進行合理安排和優(yōu)化[2]。D.Raheja 等學(xué)者提出一種基于數(shù)據(jù)融合/數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的CBM（Condition Based Maintenance，基于狀態(tài)的維修）體系，分析CBM 數(shù)據(jù)確定設(shè)備的健康狀況，為設(shè)備維修提供最佳方案[3]。張彥如等學(xué)者提出一種系統(tǒng)設(shè)備多特征參數(shù)健康指數(shù)計算模型，利用高斯—牛頓迭代法進行求解，預(yù)測設(shè)備健康狀態(tài)和維護時間點[4]。陳麗以選煤機械為對象，構(gòu)建健康評價指標，提出基于FAHP（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，模糊層次分析法）的健康評價模型[5]。陜西中煙蔣東凱將層次分析法引入模糊綜合評判法中進行權(quán)重判斷，構(gòu)建設(shè)備健康評價模型，并以堆垛機的評價結(jié)果來制定堆垛機的維修策略，以此提高設(shè)備管理水平[6]。

本文通過采集設(shè)備相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)（如設(shè)備本體參數(shù)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)能效參數(shù)等）構(gòu)建評價指標，對TOPSIS 健康評價模型進行改進，分析設(shè)備運行狀態(tài)，為輪保工作的維修內(nèi)容提供依據(jù)，提高維修活動的精確性，及時消滅潛在的設(shè)備故障，這對于降低卷煙工業(yè)設(shè)備故障停機時間和次數(shù)，提高設(shè)備從可靠性和維保效率，提升卷煙工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益等都具有重大的示范意義。

1 健康狀態(tài)評價模型設(shè)計

綜合評價方法也被稱為多指標綜合評價方法，主要是針對評價對象構(gòu)建一個評價指標體系，利用一定的方法或模型對評價對象作出定量化的判斷，最終根據(jù)結(jié)果對評價對象進行排序。目前研究學(xué)者常用的有TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，逼近于理想解的排序）法、綜合指數(shù)法、層次分析法、模糊綜合評價法、RSR（Rank-Sum Ratio，秩和比）法等綜合評價方法，這些方法各具優(yōu)劣。所以要根據(jù)評價對象來選擇最合適的評價方法，保證得出的評價結(jié)果是科學(xué)合理的。而指標權(quán)重的確定方法有主觀賦權(quán)評價法、客觀賦權(quán)評價法和組合集成賦權(quán)法。主觀賦權(quán)評價法包括層次分析法、專家調(diào)研法（Delphi 法）、二項式系統(tǒng)法等權(quán)重計算方法，這種方法可能會導(dǎo)致最終評價結(jié)果過于主觀，尤其在評價指標過多時，決策者可能會平攤指標權(quán)重系數(shù)，讓實施人員對其合理性產(chǎn)生懷疑?？陀^賦權(quán)評價法包括均方差法、主成分分析法、熵權(quán)法和離差最大化法等，這種方法是依據(jù)數(shù)學(xué)原理進行計算，完全摒棄了人為主觀的可能性，最終所得權(quán)重系數(shù)具有一定的科學(xué)性和客觀性。

本文選取TOPSIS 模型作為健康狀態(tài)評價的核心算法，并考慮到評價指標過多的情況，在模型中引入熵權(quán)法，用客觀權(quán)重替代TOPSIS 法中的主觀權(quán)重，提高TOPSIS 綜合評價法的科學(xué)性和合理性。改進后的TOPSIS 模型將熵權(quán)法的客觀賦權(quán)優(yōu)點與TOPSIS 法的最優(yōu)解優(yōu)點相融合，對原始數(shù)據(jù)的要求降低，使得評價結(jié)果更加合理科學(xué)。

1.1 構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣

設(shè)現(xiàn)有m 個評價設(shè)備，n 個評價指標，將第i 個設(shè)備在第j個指標上的原始數(shù)據(jù)記為xij（其中i=1，2···m，j=1，2···n），形成原始數(shù)據(jù)矩陣如下所示：

1.2 原始數(shù)據(jù)歸一化處理

在評價指標體系中各個指標的單位不盡相同，因此在進行評價前需對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以此解決各項指標單位不同而不能進行比較的問題。在指標體系中會有正向指標、負向指標和固定型指標，正向指標（又稱效益型指標）的數(shù)據(jù)越高則越好，負向指標（又稱成本型指標）的數(shù)據(jù)越低則越好，固定型指標的數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個固定值是最好。因此，本文針對不同指標的原始數(shù)據(jù)采用不同的方法進行歸一化處理：

其中，xmax是所有評價設(shè)備第j 個指標的最大值，xmin是所有評價設(shè)備第j 個指標的最小值，是所有評價設(shè)備第j 個指標的最佳固定值。

1.3 熵權(quán)法賦權(quán)

（1）計算各指標在不同評價設(shè)備中所占的比重，即第i 個評價設(shè)備第j 項指標占所有評價設(shè)備第j 項指標之和的比重。

（2）計算第j 項指標的熵值Ej。

其中，Ej＞0，且當pij=0 時lnpij=0。

（3）計算第j 項指標的熵權(quán)wj。對第j 項指標來說，若指標值的差異越大，對健康狀態(tài)評價的影響越大，熵值越小。

最終得到各個指標的熵權(quán)為：

1.4 TOPSIS 法健康狀態(tài)評價

（1）對歸一化矩陣進行加權(quán)。將歸一化矩陣乘以熵權(quán)法得到的指標權(quán)重W，最終得到健康評價矩陣R：

其中，i=1，2···m，j=1，2···n。

（2）確定最優(yōu)解與最劣解。最優(yōu)解是所有指標值達到最優(yōu)值的集合；最劣解是所有指標值達到最差值的集合。故加權(quán)歸一化矩陣的最優(yōu)解和最劣解為：

（3）計算各評價設(shè)備到最優(yōu)解和最劣解的歐氏距離，即到正理想的距離以及與負理想解的距離。

（4）計算各待評設(shè)備的健康狀態(tài)評價得分Ci。

根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)評分情況，將設(shè)備健康狀態(tài)分為4 個級別：

一級：總分≥90 分，不輪保；

二級：總分[80,90），不輪保，建議關(guān)注設(shè)備運行；

三級：總分[70,80），建議輪保；

四級：總分＜70 分，優(yōu)先輪保。

（5）設(shè)備健康狀態(tài)排序，根據(jù)所得值Ci的大小進行排序，Ci值越大，表明該設(shè)備健康狀態(tài)越好；Ci值越小，表明該設(shè)備健康狀態(tài)越差。在制定輪保計劃時，需要優(yōu)先進行考慮。

2 模型計算應(yīng)用實例

J 卷煙廠在設(shè)備運行及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，形成了包括設(shè)備本體數(shù)據(jù)、生產(chǎn)能效數(shù)據(jù)、工藝保障數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)在內(nèi)的大量歷史積累，且大量數(shù)據(jù)分散存儲于從各信息化項目系統(tǒng)中。在此背景下，通過對設(shè)備本體數(shù)據(jù)、生產(chǎn)能效數(shù)據(jù)、工藝保障數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進行深度研究，構(gòu)建設(shè)備健康評價模型，設(shè)計基于健康管理的智能維修系統(tǒng)，為設(shè)備的保養(yǎng)、維修的決策方案提供建議，全面提升工廠的設(shè)備維護水平。

2.1 評價指標的構(gòu)建

本文以ZJ112 機組為例，從MES（Manufacturing Execution System，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)）和數(shù)采系統(tǒng)中采集設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、消耗數(shù)據(jù)、剔廢數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，設(shè)備健康評價指標體系從狀態(tài)、效能和運維3 個維度構(gòu)建健康狀態(tài)評價指標體系，具體指標體系構(gòu)建見表1。

表1 卷煙機健康狀態(tài)評價指標體系

2.2 設(shè)備健康評價計算結(jié)果

本文通過卷包數(shù)采系統(tǒng)選取2019年J 卷煙廠7 臺卷煙機的某一周數(shù)據(jù)作為原始矩陣。根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)評價模型得到各參與評價的設(shè)備健康狀態(tài)到正負理想解的距離和各設(shè)備健康評價最終得分Ci，最終計算結(jié)果見表2。

從表2 可以看出，26#和28#兩臺機組在該周的設(shè)備健康狀態(tài)較差，需要優(yōu)先進行輪保。25#、27#和30#三臺機組在該周健康狀態(tài)評價為中等，建議進行輪保，而29#和31#機組健康狀態(tài)最好，不需要納入輪保計劃。

表2 ZJ112 機組健康狀態(tài)評價結(jié)果

3 結(jié)論

從我國卷煙工業(yè)設(shè)備維護管理角度出發(fā)，采集和梳理設(shè)備本體數(shù)據(jù)、生產(chǎn)能效數(shù)據(jù)、工藝保障數(shù)據(jù)等反映設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，設(shè)計設(shè)備健康評價模型，為月度輪保等維修計劃的制定提供數(shù)據(jù)支撐。對比同類型設(shè)備之間的健康評價得分，進而排出設(shè)備健康狀態(tài)優(yōu)先級，為設(shè)備維修維保順序提供依據(jù)。但是具體維修項目和零部件無法精準化，下一步將研究根據(jù)評價結(jié)果和故障決策樹生成較為準確的維修部位和項目，科學(xué)制定輪保計劃。