基于云模型的油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價方法

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，王龍，尤楊

(后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

基于云模型的油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價方法

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，王龍，尤楊

(后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

闡述了油料裝備產(chǎn)品族及其設(shè)計概念，在分析傳統(tǒng)油料裝備設(shè)計和油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計的差異基礎(chǔ)上，從油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計的技術(shù)性、軍事性和經(jīng)濟(jì)性方面出發(fā)，建立了油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)體系。根據(jù)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的特點(diǎn)，提出基于AHP－云模型的評價方法，克服了以往模糊評價法存在的不足。用某型油料裝備產(chǎn)品族的設(shè)計實(shí)例證明了該方法的有效性。

產(chǎn)品族;評價指標(biāo);云模型

未來戰(zhàn)場要求油料裝備必須具備超強(qiáng)靈活性、機(jī)動性和適應(yīng)性，在戰(zhàn)時條件下要能在短時間內(nèi)開發(fā)出滿足軍事需求和用戶需求的油料裝備。在這樣的背景下，進(jìn)行油料裝備的大批量定制(mass customization，MC)［1］生產(chǎn)成為必然。在大批量定制生產(chǎn)模式下，油料裝備的開發(fā)已從原來的面向單型裝備轉(zhuǎn)為面向一族裝備，因此在設(shè)計階段也要面向一族裝備進(jìn)行設(shè)計。產(chǎn)品族設(shè)計［2－4］作為大批量定制生產(chǎn)模式下的一種有效的設(shè)計方法在20世紀(jì)就得到了迅速發(fā)展［5］。

目前，針對產(chǎn)品族設(shè)計的原理和技術(shù)手段的研究成果在多個領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，如波音的空中飛機(jī)族設(shè)計。但是在產(chǎn)品族設(shè)計評價方面，國內(nèi)開展的研究還不多。但斌［6］提出了評估產(chǎn)品族定制性綜合指數(shù)——GFR的定制度(customizabledegree，CD)。CD由效果指數(shù)、成本指數(shù)和影響指數(shù)組成，采用定制性綜合指數(shù)對產(chǎn)品族進(jìn)行評價。單汨源等［7－8］結(jié)合項(xiàng)目管理績效評價(QCD)和產(chǎn)品族設(shè)計目標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)性、敏捷性和個性化等方面建立產(chǎn)品族評價指標(biāo)，并通過物元關(guān)聯(lián)模型對產(chǎn)品族設(shè)計進(jìn)行評價。韋俊民等［9］提出了基于零部件幾何形態(tài)相似度、特征拓?fù)潢P(guān)系相似度和位置相似度的計算方法，以衡量產(chǎn)品族零部件之間的相似性。秦紅斌等［10］針對產(chǎn)品族核心平臺的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性2項(xiàng)指標(biāo)提出平臺的通用性、效率和效益指標(biāo)量化方法，以人為理想的指標(biāo)向量為參考值，用灰色關(guān)聯(lián)度法得到待評價設(shè)計方案與理想方案指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。以上研究成果在產(chǎn)品族評價方面做出了重要貢獻(xiàn)，但是相關(guān)指標(biāo)的建立主要考慮經(jīng)濟(jì)性因素，很多諸如安全性、適用性等定性指標(biāo)過多，評價方法有待完善。

油料裝備作為軍事用途的特殊產(chǎn)品，軍事效益大于經(jīng)濟(jì)效益。其產(chǎn)品族評價的指標(biāo)體系與民用產(chǎn)品的評價指標(biāo)有所不同。綜合運(yùn)用定量指標(biāo)和定性指標(biāo)進(jìn)行評價，能提高評價結(jié)果的有效性。因此，建立油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)體系，提出科學(xué)的評價方法具有十分重要的軍事意義。

1 油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

傳統(tǒng)油料裝備設(shè)計在設(shè)計規(guī)劃階段是面向單型裝備的，設(shè)計出的產(chǎn)品具有離散化的性質(zhì)，缺少裝備之間的聯(lián)系。油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計在設(shè)計規(guī)劃階段就面向一族裝備進(jìn)行設(shè)計，利用裝備之間物理結(jié)構(gòu)、功能和工藝的相似性和通用性來減少裝備的內(nèi)部多樣性［10］。二者之間的差異如表1所示。

表1 油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計的差異

傳統(tǒng)油料裝備設(shè)計評價指標(biāo)主要包括技術(shù)評價、經(jīng)濟(jì)評價、環(huán)境評價、適應(yīng)性評價［11］。本文針對產(chǎn)品族設(shè)計特點(diǎn)，建立油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)體系

1.1 定量指標(biāo)的確定

油料裝備設(shè)計的組件通用性和零部件模塊化是衡量產(chǎn)品族設(shè)計最重要的特征。具有良好通用性和模塊化的裝備是實(shí)施大批量定制生產(chǎn)的前提。一般來說，模塊化粒度越細(xì)的裝備通用性越高，其可制造性越好，裝備的各模塊裝配也越容易。因此通用性、模塊化程度、可制造性、可裝配性指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的。

裝備模塊替換性指裝備中擁有的族內(nèi)通用模塊［12－13］所占的比例。模塊替換性越高，代表該型裝備需要重新開發(fā)的個性模塊就越少，研發(fā)成本就越低，經(jīng)濟(jì)效益就越好。模塊替換性計算公式為其中:Mc是通用模塊數(shù)量;Mu是需要重新設(shè)計的個性模塊數(shù)量。

組件通用性主要考慮油料裝備中通用零部件所占數(shù)量的百分比和零部件連接方式的相似性［12］。某型裝備的零部件與其他同族裝備具有相同的幾何特征、尺寸和材料，這樣的零部件就是通用零部件。應(yīng)從一族裝備通用零部件之間的連接方式(接口形態(tài)、緊固連接件的類型和數(shù)量)和連接方法(焊接、法蘭、膠粘等)考慮零部件連接方式的相似性。零部件通用性的計算公式為

其中:Cc是裝備中通用零部件數(shù)量;Cu是非通用零部件數(shù)量;Lc是通用零部件之間的公共接口數(shù)量;Lu是通用零部件之間非公共接口數(shù)量;k41，k42是對應(yīng)因素的權(quán)重。

可裝配性指標(biāo)從裝配的次序、裝配的操作方法與裝配的定位方式角度分析，一般考慮模塊級或主要零部件級之間的可裝配性。類似可得到計算方法為

其中:Sc是通用裝配次序;Su是獨(dú)有的裝配次序; Hc是通用裝配方法;Hu是獨(dú)有的裝配方法;Dc是通用裝配定位方式;Du是獨(dú)有的裝配定位方式; k51，k52，k53是相應(yīng)的因素權(quán)重。

可制造性指標(biāo)考慮裝備零部件通用的加工工藝和工裝夾具(模具)的類型。計算方法為

其中:Pc是族內(nèi)零部件通用加工工藝數(shù)量;Pu是該型裝備零部件獨(dú)有的加工工藝;Fc是通用工裝夾具的數(shù)量;Fu是非通用的工裝夾具數(shù)量;k61，k62是相應(yīng)的因素權(quán)重。

1.2 定性指標(biāo)的確定

技術(shù)性指標(biāo)下的功能性是指能夠滿足用戶功能需求的程度。變型能力指該產(chǎn)品族設(shè)計能在未來適應(yīng)用戶需求的能力。

軍事性指標(biāo)下的可靠性指標(biāo)主要考慮裝備工作的可靠程度;維修性考慮裝備維修時的難易程度和維修所耗時間的長短等因素，由專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)做出判定;機(jī)動性根據(jù)油料裝備能否在多樣、復(fù)雜的地形條件(如山地、叢林等)下機(jī)動進(jìn)行評判，也可對比以往同族裝備使用情況進(jìn)行評判;適應(yīng)性主要考慮裝備對氣候變化、戰(zhàn)場環(huán)境變化等的適應(yīng)性能力;操作性評判考慮裝備的系統(tǒng)智能化程度、是否易于人員操作，以及是否符合人機(jī)工程學(xué)要求等;偽裝效果的評判應(yīng)對照偽裝方法類似的其他裝備，查閱相關(guān)資料進(jìn)行判別;裝甲效果評判與偽裝效果評判類似;保障效能是指結(jié)合裝備的戰(zhàn)場定位、勤務(wù)需求等方面判定裝備的保障效果。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中的軍民通用性指標(biāo)是指根據(jù)軍隊油料裝備發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合地方民用設(shè)備進(jìn)行通用性判定;時間成本考慮裝備的市場壽命周期;人力成本主要考慮研發(fā)裝備中的人工費(fèi)用消耗;生產(chǎn)成本指研發(fā)總投資額度、制造成本等;材料利用率是指制造中的材料、能源消耗量等。

上述指標(biāo)屬于定性指標(biāo)，每個指標(biāo)可用專家群體評分的方法，根據(jù)專家的喜好，用帶有模糊性的百分制數(shù)(如85等)、區(qū)間數(shù)(如［60，65］等)或定性語言值(如好、一般等)進(jìn)行模糊評分。

2 基于云模型的油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價

油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價指標(biāo)中存在無法用精確數(shù)值表示的定性指標(biāo)，以往對有定性指標(biāo)的評價問題主要采用模糊綜合評價法。模糊綜合評價采用最大隸屬度原則和模糊線性變換原理，以隸屬函數(shù)為媒介，量化具有模糊性的定性指標(biāo)，從而運(yùn)用經(jīng)典數(shù)學(xué)的方法做出綜合評價。文獻(xiàn)［14］中對隸屬函數(shù)提出了質(zhì)疑，指出隸屬度函數(shù)一旦被人為指定，問題模糊性就被強(qiáng)行抹去，模糊評價法無法反映評價問題存在的模糊性和隨機(jī)性［15］。

針對傳統(tǒng)的模糊評價方法存在的不足，本文以云模型代替隸屬函數(shù)表示定性指標(biāo)，各指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法進(jìn)行確定。

2.1 層次分析法

層次分析法(AHP)針對多目標(biāo)決策問題，結(jié)合定量分析與定性分析，能科學(xué)地劃定各關(guān)聯(lián)要素的重要程度［16］。AHP根據(jù)多目標(biāo)決策問題的特點(diǎn)，將問題所有因素分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，采取1～9標(biāo)度法對各元素之間相對重要程度進(jìn)行比較，構(gòu)造相對于上層元素的判斷矩陣。判斷矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量就是當(dāng)前層元素的局部權(quán)重。為確保構(gòu)造的判斷矩陣中重要度之間的協(xié)調(diào)性，必須對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)數(shù)C.R.＜0.1時，局部權(quán)重結(jié)果有效。方案層各指標(biāo)的最終權(quán)重為方案層局部權(quán)重與準(zhǔn)則層局部權(quán)重的乘積。

2.2 云模型

云模型是建立在模糊理論和概率統(tǒng)計理論基礎(chǔ)上，能夠表達(dá)定性概念和定量精確值之間模糊、隨機(jī)關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型［15］。設(shè)U是一個由定量數(shù)值表示的論域，C是U上的定性概念，x∈U是C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，而x對C的確定度μ(x)是一個具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù):μ(x):U→［0，1］?x∈U，那么在論域U上的分布稱為云模型［17］。云模型用3個數(shù)字特征:期望Ex、熵En和超熵He來反映定性概念C。期望Ex是論域空間U上最能代表定性概念C的數(shù)值;熵En是概念C的不確定程度;超熵He表示熵的不確定性，是云形狀的離散程度［18］。正態(tài)云模型在模糊概念的量化處理上具有普遍適用性［19］。云和云的加法運(yùn)算［20］定義如下:

2.3 評價方法步驟

1)確定待評價裝備各指標(biāo)的值。定量指標(biāo)通過式(1)～(4)求得。定性指標(biāo)需組織相關(guān)專家進(jìn)行評審和模糊打分。運(yùn)用AHP法求得設(shè)計評價指標(biāo)I11～I(xiàn)35對應(yīng)的權(quán)重為ω11～ω35。

2)根據(jù)評價指標(biāo)，建立設(shè)計評價集對設(shè)計優(yōu)劣進(jìn)行模糊描述。本文采用符合人類評價思維習(xí)慣的黃金分割模型驅(qū)動法［21］對評價集建立云模型，劃分出5個評價等級:滿意、較滿意、一般、不滿意、極不滿意。各等級云模型數(shù)字特征見表2，相應(yīng)的云模型見圖2。

表2 評價集云模型的數(shù)字特征

圖2 評價集云模型

3)建立各指標(biāo)云模型。針對定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，采用以下方法進(jìn)行:

定量指標(biāo)是精確的數(shù)值V1的轉(zhuǎn)換成云模型的數(shù)字特征為:Ex=V1，En=0，He= 0;定性指標(biāo)中專家用帶有模糊性的百分制數(shù)V2評價，轉(zhuǎn)換成云模型的數(shù)字特征為:Ex=V2，En=5，He=0。

對于專家采用區(qū)間數(shù)［V1，V2］進(jìn)行評分的定性指標(biāo)，其指標(biāo)云模型數(shù)字特征為

對于定性語言值評價的，采用云模型而不是模糊隸屬函數(shù)進(jìn)行表示，能體現(xiàn)專家評價語言的模糊性和隨機(jī)性。本文采用文獻(xiàn)［22］中的取值。語言值與對應(yīng)云模型的數(shù)字特征取值見表3，相應(yīng)的云模型見圖3。

表3 語言值評價云模型數(shù)字特征

圖3 定性語言值云模型

4)進(jìn)行評價指標(biāo)的綜合，得到單一指標(biāo)最終評價結(jié)果云和綜合評價結(jié)果云。由于N個專家評價喜好不同，采用前述方法將定性評價指標(biāo)轉(zhuǎn)換成云模型，利用云加法運(yùn)算，計算N個專家對單一指標(biāo)評價云模型的平均值，即單一指標(biāo)評價結(jié)果云模型。M個單一指標(biāo)評價結(jié)果云利用綜合云算法［23］進(jìn)行加權(quán)綜合，形成綜合評價結(jié)果云，與設(shè)計評價集云模型進(jìn)行比較，判斷設(shè)計優(yōu)劣。正態(tài)云模型中，虛擬云是依據(jù)某種目的將各基本云數(shù)字特征通過運(yùn)算合成綜合云的過程。綜合云能顯示基本云群體作用的結(jié)果。假定綜合評價結(jié)果云(綜合云)為，指標(biāo)評價結(jié)果云(基本云)，則綜合云算法為:

3 實(shí)例應(yīng)用

某新型野戰(zhàn)群車加油車屬于加油車族。在實(shí)地調(diào)研、收集相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，對該型裝備解構(gòu)后，通過式(1)～(4)求得定量指標(biāo)精確值: I13=0.863，I14=0.729，I15=0.77，I16=0.82，劃為百分制數(shù)為:I'13=86.3，I'14=72.9，I'15=77，I'16= 82。對應(yīng)云為13=(86.3，0，0)，14=(72.9，0，0)，15=(77，0，0)，16=(82，0，0)。組織5名油料裝備領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行評審，給出定性指標(biāo)模糊分值。根據(jù)本文方法將5名專家對單一指標(biāo)評分綜合成終評云模型，如表4所示。

圖4是可靠性指標(biāo)I21專家評分云和終評結(jié)果云的對比，表明在處理模糊問題過程中，評價問題的模糊性通過云模型得到了繼承。

圖4 可靠性指標(biāo)I21專家評分云和終評結(jié)果云

用AHP法確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣，如表5所示。方案層判斷矩陣如表6～8所示。

表4 定性指標(biāo)模糊評分表

續(xù)表

表5 準(zhǔn)則層I1～I(xiàn)3判斷矩陣

表6 方案層I11～I(xiàn)16判斷矩陣

表7 方案層I21～I(xiàn)28判斷矩陣

表8 方案層I31～I(xiàn)35判斷矩陣

圖5 綜合評價結(jié)果云

由圖5可知:加油車族中的某型野戰(zhàn)群加油車設(shè)計結(jié)果介于滿意和較滿意之間，評價結(jié)果云的期望Ext=82.99，即為綜合評分。不難看出:確定度比較大的得分介于80分到85分，也說明該型車設(shè)計是成功的。利用模糊綜合評價法［24－27］也得到了同樣的結(jié)論，說明了該方法的有效性。通過各指標(biāo)的終評結(jié)果云還可得出今后該型裝備需要改進(jìn)的方向，如圖6“x”形云是軍事性指標(biāo)中的機(jī)動性終評結(jié)果云，其圖形基本與表示“一般”的評價云圖形重合，所以該型裝備機(jī)動性評價“一般”，是需要改進(jìn)的。

圖6 機(jī)動性指標(biāo)評價

4 結(jié)束語

油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計利用了裝備之間物理結(jié)構(gòu)、功能和工藝的相似性和通用性，在不降低外部車型多樣性的前提下，同時減少了裝備的內(nèi)部零部件多樣性，提高了設(shè)計效率，縮短了制造周期，達(dá)到了快速響應(yīng)未來戰(zhàn)爭勤務(wù)需求的目的。本文在對比傳統(tǒng)油料裝備設(shè)計和油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計的差異的基礎(chǔ)上，考慮了油料裝備的軍事性需求，建立了適合于評價油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計的指標(biāo)體系。該方案將層次分析法與云模型相結(jié)合，綜合考慮定性指標(biāo)與定量指標(biāo)，對產(chǎn)品族的設(shè)計進(jìn)行了科學(xué)、合理的評價，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Evaluation Method for POL Equipment Product Family Design Based on Cloud Model

PU Jia－qi，CHEN Jun，QU De－gang，WANG Long，YOU Yang
(Department of Military Petroleum Supply Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Firstly，the concept of POL equipment product family(PF)and product family design (PFD)are illustrated in this paper.Evaluation index system for POL equipment PFD is put forward based on the analysis of difference between traditional design and PFD，and on considering characters of technical and military of POL equipment.According to qualitative and quantitative characteristics of index，evaluation method for POL equipment PFD based on combining analytic hierarchy process (AHP)and cloud model is put forward in this paper，avoiding the lack of fuzzy－evaluation.Finally，the effectiveness of this method is proved through the example of POL equipment PFD.

product family;evaluation index;cloud model

TP 393;TH122

A

1674－8425(2014)05－0107－08

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.021

2014－02－18

總后勤部資助基金(G14036904)

蒲家琦(1990—)，男，陜西武功人，碩士研究生，主要從事油料加注裝備與技術(shù)研究;陳軍(1965—)，男，教授，主要從事油料加注裝備與技術(shù)研究。

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，等.基于云模型的油料裝備產(chǎn)品族設(shè)計評價方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014(5):107－114.

format:PU Jia－qi，CHEN Jun，QU De－gang，et al.Evaluation Method for POL Equipment Product Family Design Based on Cloud Model［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):107－114.