電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案綜合評價系統(tǒng)概述

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

根據(jù)設(shè)計需求和約束條件進行的電子設(shè)備多學科多目標綜合優(yōu)化設(shè)計，往往會獲得由多個方案組成的非劣解集。目前還沒有一種有效的技術(shù)途徑來幫助設(shè)計者針對不同的偏好和具體設(shè)計要求，完成對多個優(yōu)化方案進行科學的評價、排序、選擇，進而開展進一步詳細設(shè)計。

本文通過對比各種定性、定量和定性定量評價方法[1]的優(yōu)劣，根據(jù)電子設(shè)備多目標優(yōu)化方案的綜合評價需求，確定了以層次分析法、模糊綜合評價法和模糊層次評價法組成的評價體系結(jié)構(gòu)，將上述評價系統(tǒng)集成于電子設(shè)備多學科設(shè)計優(yōu)化平臺中，為設(shè)計決策者提供科學方法和技術(shù)手段，完成優(yōu)化方案評價、比較和優(yōu)選，提高電子設(shè)備的總體優(yōu)化設(shè)計能力。

2 電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案評價系統(tǒng)的功能

建立電子設(shè)備設(shè)計方案綜合評價系統(tǒng)的目的就是對電子設(shè)備設(shè)計優(yōu)化的結(jié)果進行評價，揭示電子設(shè)備研制任務(wù)的提出方(價值主體)與待評價設(shè)計方案(價值客體)之間的價值關(guān)系，考慮待評設(shè)計方案是否符合需求以及需求滿足程度，進而實現(xiàn)對多種方案的比較、排序和優(yōu)選。該系統(tǒng)主要應(yīng)具備以下功能：

(1)能夠根據(jù)設(shè)計優(yōu)化平臺需求從數(shù)據(jù)庫獲取參評方案；

(2)能夠根據(jù)評價者需求，靈活提供多種評價手段：一方面保證評價人員能夠根據(jù)具體的評價任務(wù)和特點選擇最合適的評價方法，另一方面還保證評價人員能夠針對同一個評價任務(wù)采用多種不同方法進行評價，對評價結(jié)果進行比較分析，從而獲取更全面、合理的評價結(jié)果；

(3)能夠靈活支持定性、定量指標的處理，包括指標的選擇、指標系統(tǒng)的建立、各個方案的單項指標評價等；

(4)具有良好的人機交互界面，便于用戶使用和結(jié)果顯示；

(5)具有良好的可擴展性，便于集成更多的評價方法，實現(xiàn)綜合評價系統(tǒng)不斷完善。

3 國內(nèi)外多學科優(yōu)化方案評價的方法及選用

綜合評價是指對多屬性體系結(jié)構(gòu)描述的對象作出全局性、整體性的評價。由于評價過程涉及的因素繁多，而且這些因素一般都具有不同屬性并相互沖突，可能既有定量信息又有定性信息，既有精確信息又有模糊信息，針對不同評價目標和不同偏好，要獲得客觀、公正、準確可信的評價結(jié)果并非易事。目前發(fā)展與應(yīng)用的評價方法已經(jīng)在航天裝備體系[1]、機械產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量[2]、空運方案決策[3]、電子行業(yè)[4-5]等工業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用，主要有：

(1)定性評價方法，如專家評議法、Delphi法、加權(quán)評分法等；

(2)定量評價方法，如數(shù)學分析法、主成分分析法、多目標線形加權(quán)和評價法等；

(3)定性定量綜合評價方法，如模糊綜合評價法(AHP)、層次分析法(FCE)、模糊層次評價法、灰色系統(tǒng)評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等。

電子設(shè)備方案的評價屬復(fù)雜系統(tǒng)評價問題，存在多個評價目標，具有明顯的層次性評價指標體系，部分評價指標只能進行定性分析，具有定性和定量評價指標混合的特點。

AHP法是一種定性和定量分析相結(jié)合的方法，能夠把某些以人的主觀判斷為主的定性分析指標進行量化，用有效數(shù)值來描述各個方案的優(yōu)劣，排出優(yōu)先順序供決策參考。

FCE法在解決難以直接進行比較、無法保證比較結(jié)果客觀性和準確性，進而影響判斷結(jié)果的兩方案評價問題時比較有用。由于對部分定性指標只能用很好、好、較好、一般或較差等模糊信息表達的定性概念進行劃分，無法用準確的分數(shù)進行度量。由于專家認識上的差異性也可能導(dǎo)致對同一設(shè)計方案，有專家認為可行，有專家認為不甚可行；有專家認為其競爭力強，有專家認為其競爭力弱。因此，對該類問題評價，只有采用模糊綜合評判方法才能很好地加以解決。但由于影響因素權(quán)重的確定存在主觀性和不準確性，模糊綜合評判方法也存在一定的局限性。為充分發(fā)揮各個方法的長處，將層次分析法和模糊綜合評價法相結(jié)合形成模糊層次評價法。

基于以上分析，確定了以層次分析法、模糊綜合評價法和模糊層次評價法作為電子設(shè)備設(shè)計優(yōu)化方案的可選評價方法，以該3種方法為核心，開發(fā)電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案綜合評價系統(tǒng)具有實際意義和現(xiàn)實可行性。

4 評價方法數(shù)學模型

4.1 電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案評價指標體系

進行電子設(shè)備設(shè)計方案的評價，首先建立一個能夠體現(xiàn)任務(wù)提出方需求和待評價方案屬性相關(guān)聯(lián)的評價指標體系。以對某電子設(shè)備多學科設(shè)計優(yōu)化方案評價為例，優(yōu)化設(shè)計指標包括熱、振動和電磁3個學科指標。優(yōu)化設(shè)計問題如下：

(1)熱設(shè)計目標：關(guān)鍵功率元器件工作溫度盡量低；

(2)振動設(shè)計目標：產(chǎn)品關(guān)鍵部位一階固有頻率最大化；

(3)電磁設(shè)計目標函數(shù)：屏蔽效能盡量高。

基于以上設(shè)計優(yōu)化問題，初步確定評價的內(nèi)容為各個學科的優(yōu)化目標，即溫度、固有頻率和屏蔽效能。建立指標體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 指標體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system architecture of target

評價內(nèi)容的確定和指標體系的選取應(yīng)能充分體現(xiàn)對這3個學科參數(shù)及總體性能的綜合評價，通過提煉評價指標、指標層次化和系統(tǒng)化，建立總體方案和各分系統(tǒng)全面、合理的評價指標體系。

4.2 AHP法的基本步驟

(1)采用評價指標體系結(jié)構(gòu)建立層次分析結(jié)構(gòu)模型；

(2)構(gòu)造判斷矩陣實現(xiàn)對設(shè)計師的思維判斷定量化；

(3)層次單排序及一致性檢驗，確定各因素對于上一層次因素的相對重要性或相對優(yōu)劣度的權(quán)值；

(4)層次總排序及其一致性檢驗，確定各層次因素相對于最高層的層次總排序權(quán)值。

通過上述4個步驟，最終完成多個方案在頂層評價目標下的優(yōu)劣排序。

4.3 模糊綜合評價法的基本步驟

(1)按評價體系寫出評價因素的因素集及評價尺度集；

(2)根據(jù)專家經(jīng)驗，確定各層評價因素相對其上層某個評價因素UP的權(quán)重；

(3)建立隸屬度矩陣。

4.4 模糊層次評價法

模糊層次評價法的計算步驟與模糊綜合評價法步驟相同，只是在確定各評價因素權(quán)重的過程中，權(quán)重通過AHP方法計算，即通過構(gòu)造判斷矩陣計算各層評價因素的層次單排序和層次總排序。

5 電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案評價系統(tǒng)及流程

5.1 系統(tǒng)組成

如圖2所示，根據(jù)功能要求，系統(tǒng)組成主要分為評價模型建立模塊、評價方法計算模塊、用戶GUI模塊和數(shù)據(jù)庫交互模塊四大模塊。其中，評價模型建立模塊具體包括評價方法選擇模塊、參評方案選擇模塊、指標體系建立模塊和專家評分模塊，評價方法計算模塊包括AHP法計算模塊、模糊綜合評價法計算模塊和模糊層次評價法計算模塊。

圖2 多學科優(yōu)化方案評價系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of scheme evaluation system for MDO

5.2 評價流程

綜合評價流程如圖3所示。

圖3 方案評價流程圖Fig.3 The flowchart of scheme evaluation

指標評價值初始化十分關(guān)鍵，包括了定性和定量兩類指標，定量指標的值可以從待評價方案中得到，定性指標則難以直接給出具體量值，例如設(shè)計方案的技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗和工藝水平等，只能通過專家打分等方式間接獲取。

圖4 評價指標初始化流程Fig.4 The initial flowchart of the evaluation initial index

在電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案的綜合評價指標體系中，綜合了多種評價指標處理方法，并集成于評價工具包中，滿足使用人員的各種要求。指標初始化的具體流程如圖4所示，利用該系統(tǒng)可以進行電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案的評價。圖5所示為參評方案選擇(方案1、方案2、方案3)及評價指標選擇(固有頻率、最高溫度和屏蔽效能)。參與評價方案的指標如表1所示，其指標值通過仿真分析計算求得。

圖5 選擇評價方案及評價指標Fig.5 The interface to select evaluationscheme and evaluation indexes

方案名元器件最高溫度/℃固有頻率/Hz屏蔽效能/dB方案168.178790.1659.313方案269.542782.1360.568方案366.132795.0258.741

通過系統(tǒng)評價方法的選擇(如圖6)，對各指標進行方案的評價(圖7)，實現(xiàn)電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案評價系統(tǒng)的評價(如圖8)，表明方案3具有較高的綜合指標。

圖6 選擇評價方法Fig.6 The interface to select the evaluation method

圖7 方案評價Fig.7 The interface to evaluation scheme

圖8 評價結(jié)果Fig.8 The evaluated result

6 結(jié) 論

進行多學科多目標優(yōu)化是根據(jù)電子設(shè)備多學科優(yōu)化設(shè)計的復(fù)雜性及學科特點提出的一種需求，是有效提高電子設(shè)備設(shè)計水平的途徑之一。在總結(jié)國內(nèi)外評價方法研究成果的基礎(chǔ)上，對電子設(shè)備多學科優(yōu)化方案綜合評價系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、流程定義、評價方法選擇、數(shù)學模型建立等進行研究，并將該研究成果集成在電子設(shè)備多學科綜合優(yōu)化設(shè)計平臺之中，能有效實現(xiàn)性能優(yōu)化和方案評價等功能，對提高設(shè)計者決策能力、完成電子設(shè)備設(shè)計優(yōu)化方案科學評價工作均具有工程應(yīng)用價值。但由于電子設(shè)備多學科綜合優(yōu)化技術(shù)的研究仍處于初期階段，系統(tǒng)中有關(guān)的方案評價依據(jù)、評價規(guī)則數(shù)據(jù)庫還有待充實完善。

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