基于TOPSIS的一類復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價研究

孫 靜，杜 綱

(天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

基于TOPSIS的一類復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價研究

孫 靜，杜 綱

(天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津 300072)

復(fù)雜產(chǎn)品由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、技術(shù)、制造過程、項目管理的繁雜性，難以全面、有效地評估其成熟度水平。在借鑒國內(nèi)外成熟度評價方法的基礎(chǔ)上，以一類面向高可靠性能要求的復(fù)雜產(chǎn)品為研究對象，引入模塊的概念對復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行劃分，提出了復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的三個關(guān)鍵維度：技術(shù)成熟度、制造成熟度和應(yīng)用成熟度，建立了復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的模型及指標體系。采用TOPSIS算法與專家打分相結(jié)合對復(fù)雜產(chǎn)品的成熟度進行評價，為復(fù)雜產(chǎn)品的快速成熟提供依據(jù)。

復(fù)雜產(chǎn)品;成熟度;TOPSIS算法;模塊

0 引言

復(fù)雜產(chǎn)品是指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、項目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品。典型的復(fù)雜產(chǎn)品有航天器、飛機、復(fù)雜機電產(chǎn)品、汽車、武器系統(tǒng)等［1］。大型復(fù)雜產(chǎn)品在工業(yè)制造中非常廣泛，由于其內(nèi)部的復(fù)雜性，研制過程易發(fā)生性能調(diào)整、進度延遲、成本增加等問題?；诖耍芯繌?fù)雜產(chǎn)品的成熟度評價具有非常重要的現(xiàn)實意義［2］。

現(xiàn)有的文獻中，針對技術(shù)成熟度和制造成熟度的研究相對較多，研究系統(tǒng)成熟度和產(chǎn)品成熟度的相對較少。技術(shù)成熟度方面，Gregory F.Dubos［3］等人提出了技術(shù)成熟度的進度風險曲線。Mr.William［4］開發(fā)了一種計算器，用來自動計算產(chǎn)品的技術(shù)成熟度。朱毅麟［5］研究了技術(shù)成熟度對航天器研制進度的影響。關(guān)于制造成熟度，高原［6］等闡述了影響制造成熟度風險的因素及評價流程在軍品和民品方面的應(yīng)用。何益海、常文兵［7］等提出了基于制造成熟度與模糊層析分析方法的制造風險評估方法。系統(tǒng)成熟度方面，丁茹［8］等人得出了系統(tǒng)成熟度等級確定的一般方法。劉靖東等提出了評價復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)成熟度評估方法。中國航天企業(yè)為了實施產(chǎn)品工程較早地提出了產(chǎn)品成熟度的概念。袁家軍［9］闡述了航天產(chǎn)品成熟度快速提升的途徑和方法。王衛(wèi)東［10］等人構(gòu)建了單機產(chǎn)品成熟度模型。

綜上所述，目前針對復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的研究相對較少，且主要存在以下來三點不足。①產(chǎn)品成熟度的評估應(yīng)該是面向產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)、應(yīng)用的整個成熟周期，僅以技術(shù)成熟度與制造成熟度作為產(chǎn)品成熟度的評價技術(shù)存在一定的不足［11］。②現(xiàn)有文獻未對復(fù)雜產(chǎn)品內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)進行深入研究。③現(xiàn)存研究對技術(shù)成熟度和制造成熟度等級的描述相對籠統(tǒng)，評價專家不能準確地判斷其成熟度的水平。

本文以一類面向高可靠性能要求的復(fù)雜產(chǎn)品為研究對象，提出評價復(fù)雜產(chǎn)品成熟度的三個關(guān)鍵維度，構(gòu)建復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價模型及指標體系對成熟度進行評估。

1 TOPSIS算法確定指標權(quán)重

TOPSIS算法確定指標權(quán)重的步驟如下:

①對指標值進行標準化處理［12］:

2 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價模型建立

2.1 復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分

本文研究一類高可靠性復(fù)雜產(chǎn)品，這類產(chǎn)品具有高成本、高可靠性要求、高風險的特征。為了對這類復(fù)雜產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，引入模塊的概念。模塊可以定義為一個物質(zhì)產(chǎn)品的子結(jié)構(gòu)，它與產(chǎn)品的功能元素子集具有一一對應(yīng)的關(guān)系。模塊是由零部件聚合而成，它與產(chǎn)品中其他部分的連接通過接口實現(xiàn)［13］。構(gòu)建出如圖1的復(fù)雜產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)圖。

圖1 復(fù)雜產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)圖

2.2 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度等級劃分

通常來講，復(fù)雜產(chǎn)品成熟度等級可以劃分成以下8 級，如表1 所示［9］。

表1 產(chǎn)品成熟度等級劃分

2.3 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的關(guān)鍵維度

產(chǎn)品成熟度(Product Maturity Level，簡稱PML)是指對產(chǎn)品在研制設(shè)計、生產(chǎn)制造、使用與支持全壽命周期內(nèi)所有影響要素的可控制程度、實現(xiàn)程度，以及產(chǎn)品固有質(zhì)量、可靠性的完備程度與可應(yīng)用程度的綜合度量［9］。本文提出技術(shù)成熟度、制造成熟度和應(yīng)用成熟度三個關(guān)鍵維度來衡量產(chǎn)品的成熟水平。

技術(shù)成熟度是主要衡量技術(shù)在開發(fā)過程中所達到的可用程度和完備程度。技術(shù)成熟度水平的表征要素有:①設(shè)計的完備性——技術(shù)設(shè)計原理、實施條件分析及驗證的完備情況;②技術(shù)應(yīng)用的完備性——指技術(shù)的應(yīng)用滿足產(chǎn)品功能、性能及可靠性指標的程度;③驗證的充分性——指對技術(shù)進行驗證的環(huán)境與產(chǎn)品真實使用環(huán)境的吻合程度。

制造成熟度保證了制造出規(guī)范產(chǎn)品的能力及產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力。制造成熟度水平的表征要素有:①生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)范化程度——產(chǎn)品關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的識別及過程控制的規(guī)范化程度;②批量生產(chǎn)能力——產(chǎn)品能耐穩(wěn)定地連續(xù)生產(chǎn)，滿足規(guī)模效益。

應(yīng)用成熟度是衡量批量生產(chǎn)出的產(chǎn)品各模塊所發(fā)揮的集成效應(yīng)、用戶正確使用產(chǎn)品的能力以及產(chǎn)品滿足用戶需求的能力。應(yīng)用成熟度水平的表征要素有:①產(chǎn)品集成效應(yīng)——在真實作業(yè)狀態(tài)下模塊間的協(xié)同性能;②應(yīng)用方法識別與掌握的熟練程度及普及度——用戶能夠熟練掌握如何使用產(chǎn)品;③產(chǎn)品升級能力——產(chǎn)品滿足用戶使用要求，技術(shù)改革的創(chuàng)新能力。

2.4 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的指標體系

基于復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價的三個關(guān)鍵維度，考慮復(fù)雜產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出如圖2的復(fù)雜產(chǎn)品成熟度綜合評價指標體系模型。

圖2 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度綜合評價的指標體系模型

2.5 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度的評語集

在評價成熟度之前，要對指標情況賦予一個評語集［14］。給出如表2的評語集作為示例，其他評語集的構(gòu)建方法與此相同。

表2 技術(shù)成熟度水平中設(shè)計完備性的評語集

3 復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價方法

專家打分受評估專家的主觀因素影響較大，為此采用TOPSIS算法與專家打分法相結(jié)合確定權(quán)重，使得評價結(jié)果更加符合實際情況，由圖2可以看出，需要引入三層權(quán)重，迭代三次，具體步驟如下。

①根據(jù)圖2，建立第一層初始樣本矩陣Yij。以技術(shù)成熟度水平為例，表3依次為設(shè)計的完備性、技術(shù)應(yīng)用的完備性、驗證充分性構(gòu)成的初始樣本矩陣。讓專家對y11到y(tǒng)N3進行打分，其中y11代表模塊1設(shè)計的完備性程度，yN3代表模塊N驗證的充分性程度，打分可依據(jù)如示例表2給出的評語集。由于該矩陣的打分量綱相同，所以矩陣不用進行無量綱處理。

表3 技術(shù)成熟度水平的初始樣本矩陣(第一層)

②采用專家打分法，依據(jù)各指標的重要程度，對技術(shù)成熟度水平的三個指標權(quán)重進行打分，分別賦予權(quán)重 α1，α2Kαn。

③利用TOPSIS算法對專家打分給出的權(quán)重進行修正，可以得到修正后的權(quán)重向量，記為ωj。

④ωj與Yij矩陣的加和即為各模塊的技術(shù)成熟度水平，同理可求出各模塊的制造成熟度和應(yīng)用成熟度，即可得到第二層初始樣本矩陣Y'ij，如表4所示。

表4 模塊成熟度的初始樣本矩陣(第二層)

⑤讓專家對模塊的技術(shù)成熟度、制造成熟度、應(yīng)用成熟度在產(chǎn)品整個生命周期的重要程度進行打分，利用TOPSIS對權(quán)重進行修正，得出修正后的權(quán)重向量，記為。

表5 產(chǎn)品成熟度初始樣本矩陣(第三層)

⑦依據(jù)各模塊在產(chǎn)品中的重要程度，讓專家對其權(quán)重進行打分，記為ω＊＊j，ω＊＊j與Yij”的加和為復(fù)雜產(chǎn)品成熟度的水平，記為Z，最終的成熟度值Z*=?Z」。求出Z*后，參照上表1，即可確定該復(fù)雜產(chǎn)品的成熟度等級水平及其外在表征，為改進復(fù)雜產(chǎn)品以促進產(chǎn)品的快速成熟提供建議。

4 實例分析

為了驗證文中提出的方法，選用某家用分體式空調(diào)室內(nèi)機實例，某家用分體式空調(diào)的室內(nèi)機根據(jù)功能可分成7個模塊，分別是供電模塊、控制模塊、通風模塊、熱交換模塊、排水模塊、顯示模塊、殼體模塊［13］。

采用本文提出的復(fù)雜產(chǎn)品成熟度評價方法對某家用分體式空調(diào)室內(nèi)機的成熟度進行評價，評價步驟如下:

①根據(jù)圖2，建立家用分體式空調(diào)室內(nèi)機的成熟度綜合評價指標體系模型，如圖3所示。

建立第一層初始樣本矩陣Yij。針對技術(shù)成熟度，讓專家對各模塊的設(shè)計完備性、技術(shù)應(yīng)用完備性、驗證充分性進行打分，得到樣本矩陣，如表6所示。同理，讓專家對制造成熟度和應(yīng)用成熟度的各指標進行打分，得到的樣本矩陣分別為:

⑤讓專家對各模塊的技術(shù)成熟度、制造成熟度、應(yīng)用成熟度在產(chǎn)品整個生命周期的重要程度進行打分，得到的權(quán)重系數(shù)矩陣為[ 0 .4 0.3 0.3]，用TOPSIS修正后的權(quán)重矩陣為:

圖3 空調(diào)室內(nèi)機成熟度綜合評價的指標體系模型

表6 空調(diào)室內(nèi)機的初始樣本矩陣(第一層)

②采用專家打分法，依據(jù)各指標的重要程度，對模塊的技術(shù)成熟度、制造成熟度和應(yīng)用成熟度各指標的權(quán)重進行打分，得到權(quán)重向量分別為:

③采用TOPSIS算法對專家打分給出的權(quán)重向量進行修正，得出修正后的權(quán)重向量ωj分別為:

④ωj與Yij矩陣的加和即為各模塊的技術(shù)成熟度、制造成熟度及應(yīng)用成熟度水平。第二層的初始樣本矩陣Y'ij為:

⑦讓專家對七個模塊在某家用分體式空調(diào)室內(nèi)機中的重要性進行打分，得到權(quán)重向量為[0.1 0.2 0.2 0.15 0.2 0.1 0.05]，最后得到的空調(diào)室內(nèi)機的產(chǎn)品成熟度水平矩陣為:

可以得出某家用分體式空調(diào)室內(nèi)機的成熟度水平Z為4.8657，最終的成熟度值z*為4。參照表1，即可知道該產(chǎn)品屬于高級工程產(chǎn)品，其外在表征為產(chǎn)品原型在真實使用環(huán)境下功能性能滿足用戶使用要求，完成設(shè)計定型，具備生產(chǎn)準入條件。

通過計算，我們可以發(fā)現(xiàn)該家用分體式空調(diào)室內(nèi)機的殼體模塊最不成熟，影響了室內(nèi)機的整體成熟度水平，而在殼體模塊中技術(shù)成熟度的水平相對比較薄弱，建議對殼體模塊的技術(shù)成熟度水平加以改進，以提高產(chǎn)品整體的成熟度水平。

5 結(jié)束語

在技術(shù)成熟度和制造成熟度不能全面準確評價復(fù)雜產(chǎn)品成熟度水平的基礎(chǔ)上，引入應(yīng)用成熟度作為第三個評價指標，對一類面向高可靠性應(yīng)用要求的復(fù)雜產(chǎn)品進行研究。從模塊的角度對復(fù)雜產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分解，建立了復(fù)雜產(chǎn)品成熟度的評價模型及指標體系，采用TOPSIS算法與專家打分法相結(jié)合，有效地避免了專家打分的主觀性，使結(jié)果更加科學合理。以某家用分體式空調(diào)的室內(nèi)機為例，進一步驗證了本文提出的方法，并給出了使復(fù)雜產(chǎn)品快速成熟的合理化建議。

［1］吳延勛，秦現(xiàn)生.一種復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與流程設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(1):52-53.

［2］劉靖東，張化照，高鎖文，梁璽.復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)成熟度評估方法與應(yīng)用［J］.科技管理研究，2010(12):44-45.

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(編輯 李秀敏)

Research on Maturity Evaluation of a Kind of Complex Product Based on TOPSISMethod

SUN Jing，DU Gang
(Department of Management and Eeonomics，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Because of the complex of internal structure，the technology，manufacturing process，the projectmanagement，it is difficult to evaluate thematurity level of complex products comprehensively and effectively.Based on the thought ofmaturity model from home and abroad，this paper studies on a kind of complex productwhich meet high reliability requirements and brings in the concept ofmodule for the structure division of complex product.Three key dimensions are put forward to evaluate thematurity of product，these are Technology Readiness Level，Manufacturing Readiness Level and Application Readiness Level.This paper establishes the evaluationmodel and index system of complex product’smaturity，uses TOPSIS algorithm combined w ith expert scoringmethod to evaluate thematurity of the products and provides the basis for the rapid mature of complex products.

complex product;maturity;TOPSIS algorithm;module

TH16;TG65

A

1001-2265(2013)03-0122-05

2012-08-24;

2012-09-16

孫靜(1988—)，女，遼寧葫蘆島人，天津大學管理與經(jīng)濟學部碩士研究生，研究方向為產(chǎn)品成熟度，(E-mail)sssunjing_0808@163.com;杜綱(1954—)，女，湖北秭歸人，天津大學管理與經(jīng)濟學部教授，博士，博士生導師，研究方向為管理系統(tǒng)分析與決策。