基于QFD技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)決策方法

熊云峰，陳章蘭，袁紅莉

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

滿足船東需求是船舶設(shè)計(jì)工作的根本出發(fā)點(diǎn)，也是最終落腳點(diǎn)。“顧客 (船東)至上”是船舶設(shè)計(jì)者必須踐行的設(shè)計(jì)理念。所以，在開展船舶設(shè)計(jì)時(shí)，特別是在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)方案決策時(shí)，必須從滿足船東的需求出發(fā)，從眾多可行方案中選擇出符合船東需求的最佳方案。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最有效的手段就是在進(jìn)行設(shè)計(jì)決策時(shí)，要高度重視船東需求在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中的基礎(chǔ)性作用，進(jìn)而建立恰當(dāng)?shù)臎Q策分析模型，以使決策過(guò)程能充分體現(xiàn)“船東至上”的設(shè)計(jì)原則。

質(zhì)量功能配置 (quality function deployment，QFD)是顧客驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)用戶需求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的基礎(chǔ)性作用，是系統(tǒng)工程思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的具體應(yīng)用，其目標(biāo)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)顧客滿意。QFD技術(shù)的運(yùn)用主要通過(guò)構(gòu)建質(zhì)量屋的方式來(lái)完成［1-5］。QFD技術(shù)目前在船舶設(shè)計(jì)決策領(lǐng)域還沒(méi)有公開的應(yīng)用成果，但在其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有很多成功的應(yīng)用案例，如文獻(xiàn) ［1-5］等。

基于此，本文針對(duì)船舶設(shè)計(jì)方案決策問(wèn)題的特點(diǎn)，嘗試將QFD技術(shù)應(yīng)用到船舶設(shè)計(jì)決策工作中來(lái)，利用QFD技術(shù)建立船舶設(shè)計(jì)決策質(zhì)量屋，提出一種基于QFD技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)決策方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)的系統(tǒng)決策。

1 基于QFD技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)決策思路與步驟

1.1 基本思路

基于QFD的船舶設(shè)計(jì)決策思路與流程如圖1所示。

圖1 船舶設(shè)計(jì)決策思路與流程Fig.1 The idea and process of the decision-making of ship design

1.2 具體步驟

1)船東需求分析并計(jì)算需求的權(quán)重

運(yùn)用專家座談、船東訪談、調(diào)查研究等方法，確定船東的具體需求(設(shè)有n個(gè)需求，以xi表示，i=1，2，…，n)，然后運(yùn)用層次分析法計(jì)算出船東需求的權(quán)重矩陣 α=［αi］1×n。

2)構(gòu)建船舶設(shè)計(jì)決策指標(biāo)體系

根據(jù)船型方案的特點(diǎn)，從眾多影響船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量特性的因素中挑選出具有代表性的質(zhì)量特性指標(biāo)(設(shè)代表性的指標(biāo)有m個(gè)，以yj表示，j=1，2，…，m)，建立船舶設(shè)計(jì)決策的指標(biāo)體系。

3)構(gòu)建質(zhì)量屋關(guān)系矩陣

首先，分析船東需求與設(shè)計(jì)決策指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)程度，并以相應(yīng)的具體數(shù)值表示二者之間的關(guān)聯(lián)程度［2］(如表1所示)，構(gòu)造船東需求與決策指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣 A=［αij］n×m。

表1 船東需求與設(shè)計(jì)決策指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)程度的對(duì)應(yīng)數(shù)值Tab.1 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and shipowner requirement

然后，逐一分析船舶設(shè)計(jì)決策指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，并以相應(yīng)的具體數(shù)值表示二者之間的關(guān)聯(lián)程度［2］(如表2所示)，且將某一決策指標(biāo)與其自身的自相關(guān)關(guān)系定義為1，則可構(gòu)造決策指標(biāo)之間的自相關(guān)矩陣 B=［bij］m×n。

表2 設(shè)計(jì)決策指標(biāo)之間關(guān)聯(lián)程度的對(duì)應(yīng)數(shù)值Tab.2 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and the decision-making index

在具體構(gòu)建關(guān)系矩陣的過(guò)程中，為了提高所構(gòu)建關(guān)系矩陣的準(zhǔn)確性，可請(qǐng)若干專家按上述方法參與評(píng)價(jià)并給出具體的數(shù)值，然后進(jìn)行算數(shù)平均得到相應(yīng)的最終關(guān)聯(lián)數(shù)值。例如，若有10位專家給出某一船東需求與某一決策指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)數(shù)值總和為12，則二者最終的關(guān)聯(lián)數(shù)值就為1.2。

4)計(jì)算設(shè)計(jì)決策指標(biāo)權(quán)重向量ω

首先，根據(jù)矩陣A和B按式(1)可得到修正后的關(guān)聯(lián)矩陣C:

然后，按式(2)可計(jì)算出船舶設(shè)計(jì)決策指標(biāo)權(quán)重矩陣β，

最后，對(duì)β進(jìn)行歸一化處理，得設(shè)計(jì)決策指標(biāo)權(quán)重向量 ω［3］，

5)構(gòu)造決策指標(biāo)矩陣i

設(shè)有s個(gè)決策對(duì)象(船型方案)，每個(gè)決策對(duì)象有m個(gè)決策指標(biāo)，則有決策對(duì)象集合U=［Uk］，決策指標(biāo)集合V=［Vj］，djk表示第k個(gè)決策對(duì)象Uk的第 j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) Vj的值(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)，則決策指標(biāo)矩陣 D=［djk］m×s。

6)規(guī)范化決策指標(biāo)矩陣

由于決策指標(biāo)的物理意義不同，導(dǎo)致相互之間通常具有不同的量綱，而且數(shù)值的數(shù)量級(jí)相差懸殊。因此，為了消除評(píng)判指標(biāo)對(duì)方案決策帶來(lái)的不利影響，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。處理方法為:

經(jīng)規(guī)范化處理后決策指標(biāo)矩陣

7)構(gòu)建加權(quán)決策指標(biāo)矩陣

式中:fjk= ωj× ejk，(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)。

8)綜合設(shè)計(jì)決策

在對(duì)指標(biāo)值無(wú)量綱化后，就可以將信息熵原理中的“指標(biāo)”看作是“方案”、 “方案”看作是“指標(biāo)”，這樣處理后，最后求得的“指標(biāo)”熵值實(shí)質(zhì)就是方案的重要度。因此，可以應(yīng)用信息熵原理，構(gòu)建如式(7)所示的綜合決策模型［6-7］:

根據(jù)向量R，可作出決策:R中rk的值越大，表明所對(duì)應(yīng)的決策對(duì)象的綜合性能越好;R中rk的值越小，表明所對(duì)應(yīng)決策對(duì)象的綜合性能越差。即rk值大者為優(yōu)，rk值小者為劣。

2 方法應(yīng)用

1)QFD團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述步驟1確定質(zhì)量屋中的顧客需求分別為:適用性好(x1)、經(jīng)濟(jì)性好(x2)、安全可靠(x3)、先進(jìn)美觀(x4)4項(xiàng)需求;

2)QFD團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述步驟1確定質(zhì)量屋中的決策指標(biāo)有:航速(y1)、穩(wěn)性(y2)、耐波性指數(shù)(y3)、操縱性(y4)、凈現(xiàn)值(y5)、必要運(yùn)費(fèi)率(y6)、船舶造價(jià)(y7)、噪聲指數(shù)(y8)、船型成熟度(y9)等9項(xiàng)。

運(yùn)用層次分析法［6］，獲取顧客需求的權(quán)重向量:3)QFD團(tuán)隊(duì)根據(jù)上述步驟3，確定船東需求與設(shè)計(jì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣、設(shè)計(jì)指標(biāo)之間的自相關(guān)矩陣(如表3所示)。然后，按式(1)～式(3)計(jì)算可得設(shè)計(jì)決策指標(biāo)的權(quán)重(具體結(jié)果見表3中的最后一行)。

表3 船舶設(shè)計(jì)決策質(zhì)量屋Tab.3 The house of quality of the decision-making of ship design

4)船舶設(shè)計(jì)決策

以4艘油船設(shè)計(jì)方案為決策對(duì)象，其9項(xiàng)決策指標(biāo)值如表4 所示［8］。

表4 四艘油船設(shè)計(jì)方案的決策指標(biāo)值Tab.4 The data of the decision-making index

根據(jù)上述步驟5～步驟7，可得決策指標(biāo)矩陣D、規(guī)范化決策指標(biāo)矩陣E及加權(quán)決策指標(biāo)矩陣F:

然后，按式(7)計(jì)算可得

比較R中各元素的大小，得到船型方案的排序結(jié)果為:d2＞d3＞d1＞d4，最優(yōu)船型方案為方案2。

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用QFD技術(shù)和信息熵原理，建立了一種新的船舶設(shè)計(jì)決策方法。該方法具有以下特點(diǎn):

1)將QFD技術(shù)應(yīng)用到船舶設(shè)計(jì)決策工作中來(lái)，利用QFD技術(shù)建立船舶設(shè)計(jì)決策質(zhì)量屋，進(jìn)而計(jì)算出了船舶設(shè)計(jì)決策指標(biāo)的權(quán)重，使所得的權(quán)重充分地反映了船舶的需求作用，使決策過(guò)程充分體現(xiàn)了“船東至上”的設(shè)計(jì)理念。

2)運(yùn)用信息熵原理，建立了基于QFD技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)決策模型，很好地處理了多指標(biāo)、多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題。該方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。

3)雖然本文所舉的算例較為簡(jiǎn)單，但本文所提的方法可以很容易推廣應(yīng)用到其他更為復(fù)雜的多目標(biāo)、多指標(biāo)的船舶設(shè)計(jì)決策、船舶投資決策等決策工作中去，所不同的是僅僅增加了計(jì)算工作量。

雖然本文作了一些有益的探索，但所建立的船舶設(shè)計(jì)決策方法的科學(xué)性與實(shí)用性有待進(jìn)一步研究，更有待實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)，這也是今后努力鉆研的方向。

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