基于層次分析法的制造資源分類評(píng)價(jià)技術(shù)研究

西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 安 麗 張振明 黃利江

中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司 馬光輝

為了加快制造業(yè)數(shù)字化、全球化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，加強(qiáng)企業(yè)對(duì)制造資源的合理高效配置，充分利用現(xiàn)有企業(yè)的制造資源，達(dá)到制造資源的企業(yè)共享，必須對(duì)制造資源進(jìn)行合理的分類，以滿足工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)對(duì)制造資源信息的需求。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一些成果。文獻(xiàn)[1]研究了網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的制造資源分類管理，通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的資源特點(diǎn)，指出資源分類對(duì)資源管理的作用并給出資源分類管理軟件的基本研發(fā)框架。文獻(xiàn)[2]是在網(wǎng)絡(luò)化制造模式下，分析制造資源分類的必要性，提出4種分類方式，并闡述了對(duì)資源分類后的資源屬性管理。文獻(xiàn)[3]是針對(duì)分布在不同地域的制造資源評(píng)價(jià)和選擇問(wèn)題，在建立制造資源評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上，提出了一種基于層次分析法和熵值法的網(wǎng)絡(luò)化制造資源組合評(píng)價(jià)方法。而這些研究只是闡述分類方法或選擇制造資源的地理位置，而不同的企業(yè)在面臨制造資源多種分類方法時(shí)，無(wú)法確定一種適合自己企業(yè)現(xiàn)狀的分類方法。

通過(guò)分析制造資源分類的常用方法，提出一種基于企業(yè)現(xiàn)狀的層次分析法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析研究，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證該方法的可行性。

1 制造資源的分類描述

制造資源是企業(yè)中具有成本的財(cái)產(chǎn)或產(chǎn)品生命周期中所涉及的硬件及軟件的抽象，包括廣義的制造資源和狹義的制造資源[4]。廣義的制造資源指企業(yè)在完成產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)所有生產(chǎn)活動(dòng)的物理元素的總稱，包括生產(chǎn)場(chǎng)地、生產(chǎn)設(shè)備、原材料、工藝技術(shù)、加工數(shù)據(jù)、信息、資金、人力資源和網(wǎng)絡(luò)軟硬件等，如圖1。狹義的制造資源是指加工一個(gè)零件所需要的物理元素，是面向計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床等系統(tǒng)所需要的底層制造資源，包括工裝、標(biāo)準(zhǔn)件、材料和設(shè)備等。

圖1 廣義制造資源構(gòu)成Fig.1 Constitution of generalized manufacturing resources

圖2 制造資源的分類方法Fig.2 Classification of manufacturing resources

制造資源分類就是把具有某種共同屬性或特征的制造資源歸并到一起，制造資源分類是制造資源管理的重要部分，而制造資源的分類多種多樣，合理的分類才能將制造資源發(fā)揮更大的作用。目前，科學(xué)合理的分類方法有很多，而比較常用的分類方法主要有兩種，如圖2所示。一是按照制造資源的類型進(jìn)行分類，這是一種標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的分類方法。它是將在描述、表達(dá)和理解上具有一致性的制造資源歸并到一起，使制造資源能夠更便捷的查詢和重用；另外一種分類方法是按照制造資源的地理位置進(jìn)行分類，即按照車(chē)間進(jìn)行分類，這種分類方法方便于車(chē)間管理和查詢。而上述兩種分類方法的優(yōu)先權(quán)取決于企業(yè)的運(yùn)營(yíng)模式和制造資源的分布情況。對(duì)于不同的企業(yè)，適用的分類方法可能不同，只有根據(jù)企業(yè)自身的現(xiàn)狀來(lái)進(jìn)行綜合考慮，評(píng)價(jià)出一種適用于本企業(yè)的分類方法，才能使得企業(yè)以較低的成本獲得較高的利潤(rùn)。而制造資源的分類評(píng)價(jià)方法有很多，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、遺傳算法[6]、層次分析法、熵值法等評(píng)價(jià)方法，不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)于評(píng)價(jià)準(zhǔn)則有所不同，所以在選擇算法時(shí)，應(yīng)對(duì)此進(jìn)行考慮。

2 基于AHP的制造資源分類評(píng)價(jià)方法

由于客戶對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求的多樣性，采取層次分析法對(duì)制造資源分類方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，既通過(guò)數(shù)據(jù)分析，又能夠滿足決策者的主觀愿望。其評(píng)價(jià)步驟如下：

(1)制造資源分類評(píng)價(jià)模型的建立。設(shè)對(duì)制造資源分類方法有n個(gè)可行方案，對(duì)這n個(gè)方案進(jìn)行評(píng)估，從而在多個(gè)方案中選擇一種最優(yōu)的制造資源分類方法。而對(duì)于制造資源分類方法的評(píng)價(jià)主要是運(yùn)用層次分析法對(duì)分類方案進(jìn)行系統(tǒng)分析，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互影響以及隸屬關(guān)系將因素按照不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。并最終將系統(tǒng)分析歸結(jié)為最低層(供決策的方案、措施等){D1，D2，…，Dn}，中間層(預(yù)定總目標(biāo)所涉及的準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則){B1，B2，…，Bl}和 {C1，C2，…，Cm}，最高層(總目標(biāo))A。

圖3 制造資源分類評(píng)價(jià)模型Fig.3 Evaluation model of manufacturing resources classification

(2)評(píng)價(jià)模型中評(píng)價(jià)指標(biāo)的專家評(píng)估。在制造資源分類評(píng)價(jià)模型中，評(píng)價(jià)指標(biāo)即子準(zhǔn)則所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層不唯一，在評(píng)價(jià)過(guò)程中的作用也不相同。評(píng)價(jià)指標(biāo)值既有正向指標(biāo)也有負(fù)向指標(biāo)，對(duì)這些指標(biāo)是采用專家打分的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，把評(píng)價(jià)對(duì)象分為5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)范圍的取值在0～100之間，如表1。

表1 制造資源評(píng)價(jià)指標(biāo)取值

由于子準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不同的屬性，使得它們對(duì)制造資源分類評(píng)價(jià)的作用趨向也不相同。為了消除評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理量綱對(duì)制造資源分類評(píng)價(jià)的影響，需要對(duì)評(píng)價(jià)矩陣A進(jìn)行正規(guī)化處理[6]：

·正向指標(biāo)規(guī)范化處理。

在制造資源分類評(píng)價(jià)指標(biāo)中，正向指標(biāo)值越大越好，用集合I1表示，這種評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化處理方法如下：

·負(fù)向指標(biāo)規(guī)范化處理。負(fù)向指標(biāo)值越小越好，用集合I2表示，這種評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化處理方法如下：

·定性指標(biāo)的規(guī)范化處理。在評(píng)價(jià)指標(biāo)中可能既有正向指標(biāo)，又有負(fù)向指標(biāo)。將專家打分的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分別歸類，然后按照公式(1)和公式(2)將分類指標(biāo)各類樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，樣本數(shù)據(jù)矩陣A經(jīng)過(guò)規(guī)范化處理后，得到規(guī)范化矩陣R=(rij)n×m。

(3)基于層次分析法的評(píng)價(jià)權(quán)向量確定。根據(jù)上述所建立的層次模型，將各層的元素兩兩進(jìn)行比較，構(gòu)造出一級(jí)判斷矩陣和二級(jí)判斷矩陣，如表2和表3所示。其中，k=1，2，…，l，p=1，2，…，m。根據(jù)層次分析法的標(biāo)度及含義如表4，bij表示對(duì)于上一層次Ak而言，Bi對(duì)Bj相對(duì)重要性的數(shù)值體現(xiàn)，通常bij可取1,2,3，…，9，以及他們的倒數(shù)。cij則表示對(duì)于上一層次Bk而言，Ci對(duì)Cj相對(duì)重要性的數(shù)值體現(xiàn)，通常cij可取1,2,3，…，9，以及它們的倒數(shù)。

表2 一級(jí)判斷矩陣

表4 層次分析法的標(biāo)度及含義

根據(jù)判斷矩陣采用方根法計(jì)算出一級(jí)特征向量[7]：

其中，…l，則 特 征 向 量wi=[w1w2…wl]T即為所求權(quán)重系數(shù)W1。其二級(jí)特征向量的求解方法同上得到W2=[W21W22…W2l]。

為檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，需要計(jì)算它的一致性指標(biāo)CI：

式中，CI為一致性指標(biāo)，n為矩陣階數(shù)。CI越小，說(shuō)明判斷矩陣的一致性越大。由于一致性偏離有隨機(jī)原因，因此需要檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性，還需將CI值與平均隨機(jī)一致指標(biāo)RI相比較，隨機(jī)一致性比例為：

當(dāng)CR＜0.10時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)節(jié)判斷矩陣。根據(jù)計(jì)算得到的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，得到指標(biāo)權(quán)重對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重：

(4)基于專家評(píng)估和判斷矩陣的綜合評(píng)價(jià)。

由公式

得到層次分析法的評(píng)價(jià)權(quán)向量，而矩陣H中的因素hi越大，則其對(duì)應(yīng)的制造資源分類方法更加合理。

3 實(shí)例分析

3.1 基于企業(yè)現(xiàn)狀的分類評(píng)價(jià)模型建立

某航空企業(yè)為便于工藝設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一分類和管理，現(xiàn)在有按照類型D1和按照車(chē)間D2兩種分類方法滿足其工藝設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備查找和重用的需求，該企業(yè)要在兩種分類方案中選擇一種方案作為制造資源管理平臺(tái)中的分類方法。根據(jù)該企業(yè)的生產(chǎn)管理現(xiàn)狀和工藝設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的查找、重用需求，制造資源分類評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo)有查找敏捷性B1、重用便捷性B2、管理合理性B3所組成，二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)由查詢方式C1、查找時(shí)間C2等11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成，如圖4所示。

3.2 制造資源分類的專家評(píng)估樣本

按照所建立的制造資源評(píng)價(jià)分析模型和表1所示的評(píng)價(jià)等級(jí)，通過(guò)多位專家打分，將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的專家打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行平均,得到的平均樣本數(shù)據(jù)如表5所示，由此得到評(píng)價(jià)矩陣A=(aij)2×11，i=1,2，j=1,2，…，11。

3.3 層次分析法評(píng)價(jià)權(quán)向量的確定

根據(jù)層次分析法的標(biāo)度及含義，如表4，通過(guò)專家對(duì)各因素的權(quán)重進(jìn)行兩兩比較，得出一二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，分別如表6～9所示。

(1)一級(jí)權(quán)重計(jì)算。根據(jù)公式(3)，求得一級(jí)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重向量W1=[0.556954，0.33307，0.09739]，制造資源一級(jí)判斷矩陣為三階矩陣，根據(jù)公式(4)和公式(5)，計(jì)算一級(jí)指標(biāo)的一致性比例為CR1=0.00573，滿足一致性判斷條件，表明一級(jí)判斷矩陣具有滿意的一致性。

圖4 某航空企業(yè)的制造資源分類評(píng)價(jià)模型Fig.4 Evaluation model of manufacturing resources classification in some aviation enterprise

表5 制造資源分類專家評(píng)估樣本數(shù)據(jù)

表6 一級(jí)指標(biāo)A判斷矩陣

表7 二級(jí)指標(biāo)B1判斷矩陣

表8 二級(jí)指標(biāo)B2判斷矩

表9 二級(jí)指標(biāo)B3判斷矩陣

(2)二級(jí)權(quán)重計(jì)算。同理，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到各二級(jí)指標(biāo)分別對(duì)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量，而且都滿足一致性判斷條件。

(3)綜合權(quán)重計(jì)算。根據(jù)上述計(jì)算得到的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重和二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，由公式(6)可以得到二級(jí)指標(biāo)權(quán)重對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重W= [0.03372，0.15081，0.13855，0.09797，0.00862，0.00615，0.01640，0.03138，0.03484，0.15161，0.32996]。由公式(7)得到層次分析法的評(píng)價(jià)權(quán)向量為H=[0.89，0.802]。

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)上述層次分析評(píng)價(jià)方法，得到兩種方案的評(píng)價(jià)結(jié)果為D1＞D2，因此對(duì)于該企業(yè)目前的現(xiàn)況，使用按照類型的制造資源劃分方法更加合理。

目前，該企業(yè)所采取的的制造資源分類方法正是按照類型的制造資源劃分方法，與上述制造資源分類的評(píng)價(jià)結(jié)果完全符合，證實(shí)了該評(píng)價(jià)方法的有效性?；趯哟畏治龇ǖ闹圃熨Y源分類方法是一種主觀的評(píng)價(jià)方法，主要通過(guò)專家咨詢綜合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，體現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)的價(jià)值量。

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