基于區(qū)間層次分析法和隸屬度的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

侍紅巖鄭淑賢

(1. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000)

隨著食品深加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，食品灌裝機(jī)械的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)多功能、高效率、低消耗的食品灌裝機(jī)械成為食品機(jī)械行業(yè)競(jìng)相發(fā)展的目標(biāo)。食品灌裝機(jī)械設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)是優(yōu)選改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、助推企業(yè)提高生產(chǎn)效益的關(guān)鍵。目前，已有一些學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品評(píng)價(jià)的研究。張肖等[1-2]提出了基于TRIZ 的印刷機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系；田啟華等[3]基于信息公理和模糊數(shù)學(xué)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究；焦玉民等[4]采用模糊層次分析法對(duì)工程機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了研究；賓光富等[5]利用模糊層次分析法開(kāi)展了機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)研究；劉靜等[6]分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，綜述其在食源性微生物定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用；張建輝等[7]采用概率評(píng)估法對(duì)白酒中的2種鄰苯二甲酸酯類[鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯]的膳食暴露進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；黃己立等[8]設(shè)計(jì)了“有導(dǎo)師”型數(shù)據(jù)輸入的基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及“無(wú)導(dǎo)師”型數(shù)據(jù)輸入的自組織競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型及算法；楊濤[9]提出來(lái)了一種首先基于客戶對(duì)各設(shè)計(jì)方案的需求偏好信息，利用圖論工具對(duì)無(wú)向圖連通子圖的輸出完成需求偏好相似客戶的聚類；其次考慮到產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本與客戶滿意度之間的矛盾，通過(guò)建立客戶聚類評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定最佳聚類結(jié)果；然后結(jié)合優(yōu)勢(shì)數(shù)分析的方案評(píng)價(jià)排序方法。從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，對(duì)于食品機(jī)械設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的研究較少，僅見(jiàn)任甲舉等[10]采用改進(jìn)的模糊層次分析法對(duì)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，沒(méi)有充分考慮指標(biāo)權(quán)重的不確定性和定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間性。在采用主觀方法確定指標(biāo)的權(quán)重過(guò)程中，由于專家經(jīng)驗(yàn)閱歷、能力水平和知識(shí)結(jié)構(gòu)的差異性，專家給出的指標(biāo)權(quán)重往往不是固定的常數(shù)，而是一個(gè)區(qū)間數(shù)。同理，定性指標(biāo)也很難量化為一個(gè)具體的數(shù)值。通常情況下，用區(qū)間數(shù)來(lái)表示指標(biāo)的權(quán)重和定性評(píng)價(jià)指標(biāo)將會(huì)更加符合評(píng)價(jià)實(shí)踐。本研究擬采用區(qū)間層次分析法和隸屬度對(duì)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行研究，以期為衡量食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣、改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供更加科學(xué)的決策依據(jù)，同時(shí)為其它食品機(jī)械設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)問(wèn)題提供新的思路和解決方案。

1 構(gòu)建食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立客觀、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是成功開(kāi)展食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和前提。在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)遵循全面性、一致性、獨(dú)立性、協(xié)調(diào)性和可操作性等原則，被選取的指標(biāo)不僅要具有代表性還能夠反映食品灌裝機(jī)某一方面的屬性。影響食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的因素是多方面的，需要構(gòu)建多維多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。食品灌裝機(jī)屬于食品機(jī)械，衡量其設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣不僅要從功能維度進(jìn)行考慮(如操作性、精度、調(diào)節(jié)性和維修性等因素)，還要從食品安全角度(如灌裝機(jī)材料無(wú)毒性、是否容易清潔、抗異物侵入能力等)、經(jīng)濟(jì)性角度(如運(yùn)行費(fèi)用和材料費(fèi)用等)和環(huán)境污染角度(如油液污染、噪聲污染、廢棄物污染等)進(jìn)行考慮。基于上述分析，本文從功能屬性、安全屬性、經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性4個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建如圖1所示的多層次食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

進(jìn)行食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，將方案優(yōu)劣等級(jí)劃分為5個(gè)：1級(jí)(好)、2級(jí)(較好)、3級(jí)(一般)、4級(jí)(較差)、5級(jí)(差)，為了適于區(qū)間層次分析法評(píng)價(jià)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)方案優(yōu)劣等級(jí)進(jìn)行量化，這里采用區(qū)間數(shù)方法進(jìn)行量化，好、較好、一般、較差和差5個(gè)優(yōu)劣等級(jí)對(duì)應(yīng)的區(qū)間數(shù)分別設(shè)定為：(0.8，1.0]、(0.6，0.8]、(0.4，0.6]、(0.2，0.4]和[0.0，0.2]。

圖1 食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Figure 1 Food filling machine design scheme evaluation index system

2 基于IAHP確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

確定科學(xué)的指標(biāo)權(quán)重是進(jìn)行評(píng)價(jià)、評(píng)估或決策的關(guān)鍵，目前客觀賦權(quán)法、主觀賦權(quán)法和主客觀綜合賦權(quán)法是確定指標(biāo)權(quán)重的主要方法。主觀賦權(quán)法能夠有效地結(jié)合專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，得出的指標(biāo)權(quán)重會(huì)更加符合客觀實(shí)際，因而在確定指標(biāo)權(quán)重方面得到了廣泛的應(yīng)用。食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系復(fù)雜，并且評(píng)價(jià)指標(biāo)多是難以量化的定性指標(biāo)，不宜采用客觀賦權(quán)法，而采用主觀賦權(quán)法獲取的指標(biāo)權(quán)重更加符合安全評(píng)價(jià)實(shí)踐。本文擬采用區(qū)間層次分析法計(jì)算食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的區(qū)間數(shù)權(quán)重。

2.1 區(qū)間數(shù)和IAHP的基本原理

為了克服層次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重過(guò)程中存在的不足，在AHP的基礎(chǔ)上逐步研究發(fā)展產(chǎn)生了區(qū)間層次分析法(Interval-based AHP，IAHP)。與AHP法相比，IAHP用區(qū)間數(shù)代替點(diǎn)值來(lái)構(gòu)造區(qū)間數(shù)判斷矩陣，有效地計(jì)算多目標(biāo)決策中的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)都以區(qū)間數(shù)的形式表達(dá)。

Step 1：利用特征向量法分別求AL、AU的最大特征值所對(duì)應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量xL和xU。

(1)

(2)

2.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重

表1 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣Table 1 Interval number judgment matrix of primary evaluation index

表2 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重Table 2 Interval weights for secondary evaluation indicators

3 基于IAHP和隸屬度的灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型

前面構(gòu)建了食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，設(shè)定了方案優(yōu)劣評(píng)價(jià)等級(jí)，確定了一級(jí)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重，下面根據(jù)區(qū)間數(shù)和IAHP的基本原理以及隸屬度理論，構(gòu)建基于IAHP和隸屬度的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型，具體的步驟：

Step 1：廣泛征求食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)專家的意見(jiàn)建議，構(gòu)建食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

Step 2：按照IAHP基本原理構(gòu)建區(qū)間數(shù)判斷矩陣，然后計(jì)算設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重。

Step 3：邀請(qǐng)專家給出食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于方案優(yōu)劣評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

4 方案評(píng)價(jià)實(shí)例

為了驗(yàn)證本研究所構(gòu)建的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型的合理性、有效性，現(xiàn)以一款多用途辣椒料自動(dòng)灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。為了提升油辣椒產(chǎn)業(yè)加工自動(dòng)化水平，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，貴州省某大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在對(duì)灌裝設(shè)備需求進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了2種灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)方案，方案A：物料的攪拌采用螺旋攪拌器，送料、吸料功能通過(guò)氣壓式驅(qū)動(dòng)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，定量灌裝以定量杯完成；方案B：活塞動(dòng)作依靠液壓傳動(dòng)完成，采用框式結(jié)構(gòu)的攪拌器，定量灌裝以控制容器的液位來(lái)實(shí)現(xiàn)。邀請(qǐng)10位專家對(duì)方案A的15個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，對(duì)各個(gè)二級(jí)指標(biāo)優(yōu)劣等級(jí)給出了隸屬度，如表3所示。按照食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型的步驟4，將優(yōu)劣等級(jí)隸屬度轉(zhuǎn)換為規(guī)范化的區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值，如表4所示，其中Iij表示第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)下的第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

根據(jù)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型中給出的指標(biāo)聚合方法，采用MATLAB 6.5軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)易計(jì)算程序，經(jīng)運(yùn)算可以得到功能屬性、安全屬性、經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值分別為(0.66，0.98]，(0.58，0.92]，(0.64，0.94]，(0.59，0.88]，將4個(gè)一級(jí)指標(biāo)繼續(xù)向上聚合，便可得到設(shè)計(jì)方案A的區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值為(0.61，0.97]。為了便于分析，取設(shè)計(jì)方案A區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值的中間值0.79，與優(yōu)劣等級(jí)對(duì)比可知，設(shè)計(jì)方案A的評(píng)價(jià)結(jié)果為“較好”，即優(yōu)劣等級(jí)為2級(jí)，但處于2級(jí)的上限接近于1級(jí)。同理可算得，4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值中間值分別為0.820，0.750，0.790，0.735，相對(duì)應(yīng)的優(yōu)劣評(píng)價(jià)等級(jí)分別為“好”“較好”“較好”“較好”。相比較而言，方案A的功能屬性要好一些。采用同樣的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案B進(jìn)行評(píng)價(jià)，可得方案B的評(píng)價(jià)值為(0.54，0.82]，中間值為0.68，雖然也為“較好”，但不如方案A。此評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]得出的定性評(píng)價(jià)結(jié)論相一致，文獻(xiàn)[10]的評(píng)價(jià)方法僅得出了設(shè)計(jì)方案的總體優(yōu)劣等級(jí)，未能給出一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣程度，從而驗(yàn)證了本文所提出的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型是合理有效的。

表3 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣等級(jí)隸屬度Table 3 The degree of membership of the second-level evaluation index

表4 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值Table 4 Normalized interval number evaluation value of secondary evaluation index

5 結(jié)論

食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)是衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的重要手段。針對(duì)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)具有的區(qū)間性、不確定性這一特點(diǎn)，將區(qū)間數(shù)理論和區(qū)間層次分析法相結(jié)合計(jì)算出了食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重，克服了其它方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的不足。構(gòu)建了基于區(qū)間層次分析法和隸屬度的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型，提出采用區(qū)間數(shù)優(yōu)劣等級(jí)和隸屬度相融合的方法對(duì)定性評(píng)價(jià)值進(jìn)行區(qū)間量化處理的方法。實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果表明，本研究所用評(píng)價(jià)方案有效可行。本研究不足之處在于評(píng)價(jià)實(shí)例中用區(qū)間數(shù)評(píng)價(jià)值的中間值對(duì)比方案優(yōu)劣，雖然結(jié)論正確，但沒(méi)有體現(xiàn)出區(qū)間數(shù)的特殊性，在今后的研究中將采用區(qū)間數(shù)的排序算法來(lái)衡量各方案的優(yōu)劣。