機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型指標(biāo)體系構(gòu)建方法

中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心□王云鋒 潘康華 辛明哲 陳景玉

1 引言

建立合適的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型是進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)研究的前提和基礎(chǔ)，驗(yàn)證模型能夠?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)研究提供藍(lán)圖。它可以是結(jié)構(gòu)性的，強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的靜態(tài)組織結(jié)構(gòu)；也可以是行為性的，強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)方面。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證進(jìn)行形式化建?？墒乖囼?yàn)驗(yàn)證模型的描述規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和形式化，便于不同領(lǐng)域工作人員相互交流溝通，幫助標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證人員更好地開展工作以及開展未來(lái)的工程化應(yīng)用。

本文通過分析指標(biāo)體系中指標(biāo)選取要求與原則，建立機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型指標(biāo)樹，選用相應(yīng)評(píng)估方法進(jìn)行可信度計(jì)算，將采集到的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后利用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重分析，從而形成完整的、層次分明的指標(biāo)體系，為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證平臺(tái)的構(gòu)建提供依據(jù)。

2 標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型

為支撐機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真及信息集成標(biāo)準(zhǔn)的研究，對(duì)機(jī)械加工工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證平臺(tái)，而標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證平臺(tái)的關(guān)鍵在于標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型的建立。

復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型通常包含數(shù)量眾多的因素，要解決機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證問題，必須運(yùn)用層次化方法對(duì)各因素進(jìn)行劃分，使之成為相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?，從而建立層次化指?biāo)體系。合理、全面的指標(biāo)體系是標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證有效性和適用性的基礎(chǔ)，建立準(zhǔn)確清晰、覆蓋全面、分類合理、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笜?biāo)體系對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研究具有重要意義。

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真過程是一個(gè)多層次、大規(guī)模、復(fù)雜的過程，這些特點(diǎn)決定了需要從多方面來(lái)驗(yàn)證機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)獲取的不同方面信息進(jìn)行整合分析處理，從而確定標(biāo)準(zhǔn)的可信度。因此，指標(biāo)體系的難點(diǎn)之一就是研究指標(biāo)的綜合問題。對(duì)來(lái)自不同指標(biāo)的信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、分類、估計(jì)和組合等多層次、多方面處理，從而獲得對(duì)研究對(duì)象更精確的描述與身份估計(jì)。

3 驗(yàn)證模型指標(biāo)體系要求與原則

（1）指標(biāo)體系要求

指標(biāo)體系的確定要保證層次區(qū)分與指標(biāo)選擇的合理性，指標(biāo)體系的規(guī)模和具體指標(biāo)的差別決定了評(píng)估過程的復(fù)雜程度。故在建立合理的指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)考慮如下要求。

1）相關(guān)性：評(píng)估指標(biāo)必須與評(píng)估目的和評(píng)估對(duì)象緊密關(guān)聯(lián)；

2）完整性：評(píng)估指標(biāo)應(yīng)能夠構(gòu)建一個(gè)完整的體系，能夠全面覆蓋評(píng)估要求所有重要方面；

3）有限性：評(píng)估指標(biāo)總數(shù)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，以降低評(píng)估負(fù)擔(dān)；

4）可運(yùn)算性：評(píng)估指標(biāo)容易被確定和運(yùn)算，并能有效應(yīng)用于隨后分析中；

5）無(wú)冗余性：同一層次指標(biāo)間無(wú)交叉重復(fù)；

6）原子性：基層指標(biāo)不再能繼續(xù)往下分解為更低層次的指標(biāo)。

（2）指標(biāo)體系確定原則

指標(biāo)體系中的指標(biāo)并非越多越好，關(guān)鍵在于指標(biāo)在評(píng)估過程中所發(fā)揮作用的重要程度。指標(biāo)體系反映了模型建立的主要參數(shù)，指標(biāo)體系越全面，則分析結(jié)果越真實(shí)、客觀，然而隨著指標(biāo)的增加，評(píng)估計(jì)算也變得更加復(fù)雜和困難。因此，選擇數(shù)量適中的評(píng)估指標(biāo)有利于保證評(píng)估的準(zhǔn)確性和效率最優(yōu)化。選擇指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。

1）最簡(jiǎn)化原則：在滿足評(píng)估需求條件下，應(yīng)盡量減少評(píng)估指標(biāo)；

2）可測(cè)量原則：盡量選取容易定量計(jì)算和容易確定的指標(biāo)，通過選擇試驗(yàn)定量指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以減少求解復(fù)雜性，提高評(píng)估科學(xué)性，降低主觀隨意性；

3）客觀性原則：指標(biāo)能真實(shí)反應(yīng)被評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)性能、指標(biāo)、特征和性質(zhì)；

4）完備性原則：選取的各項(xiàng)指標(biāo)能夠全面反應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的全部?jī)?nèi)容；

5）獨(dú)立性原則：各項(xiàng)指標(biāo)盡可能相互獨(dú)立，減少指標(biāo)重疊度，有利于避免后期確定權(quán)重時(shí)由于重疊造成的影響。

4 驗(yàn)證模型指標(biāo)體系的建立

（1）指標(biāo)樹設(shè)計(jì)

深入研究機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型評(píng)估過程，提取標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型所需評(píng)估的全部指標(biāo)。分析模型可信度評(píng)估指標(biāo)的影響因素，將各影響因素細(xì)分為各自的子影響因素。深入研究單一評(píng)估對(duì)象，對(duì)該對(duì)象進(jìn)行反復(fù)迭代分解，從而形成一個(gè)多層次的遞階結(jié)構(gòu)模型，該遞階結(jié)構(gòu)模型即被稱之為該對(duì)象的評(píng)估指標(biāo)樹，如圖1所示。評(píng)估指標(biāo)樹主要由最高層、中間層和最底層構(gòu)成。在模型樹中，對(duì)應(yīng)每個(gè)評(píng)估指標(biāo)影響因素稱之為指標(biāo)評(píng)估節(jié)點(diǎn)，將相鄰上下層具有從屬關(guān)系的指標(biāo)稱為 “父子”關(guān)系，上層節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，下層節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。只含有子節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)稱為根節(jié)點(diǎn)，只含有父節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)稱為葉節(jié)點(diǎn)，其余統(tǒng)稱為枝節(jié)點(diǎn)。將驗(yàn)證模型各評(píng)估指標(biāo)樹耦合形成整體系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)體系。

圖1 評(píng)估指標(biāo)樹

指標(biāo)樹體現(xiàn)了對(duì)所驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的具體要求。根據(jù)指標(biāo)樹，我們可以使用各種評(píng)估方法對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證流程進(jìn)行可信度計(jì)算。在進(jìn)行評(píng)估過程中，管理員登入系統(tǒng)，針對(duì)特定標(biāo)準(zhǔn)專家給出對(duì)應(yīng)指標(biāo)體系，構(gòu)建指標(biāo)樹，對(duì)指標(biāo)樹進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的修改、添加與刪除，根據(jù)具體情況設(shè)置權(quán)重。

在構(gòu)建指標(biāo)樹時(shí)，指標(biāo)應(yīng)通過定性與定量相結(jié)合的形式進(jìn)行設(shè)置，具體針對(duì)不同指標(biāo)，靈活選擇適用的評(píng)估方法。另外，針對(duì)系統(tǒng)處于不同階段，如需求分析、概念模型、數(shù)學(xué)模型等，應(yīng)建立相應(yīng)階段的指標(biāo)樹。

（2）指標(biāo)權(quán)重的確定

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的指標(biāo)數(shù)量繁多且性質(zhì)各不相同，部分為定性指標(biāo)，部分為定量指標(biāo)。為表示各指標(biāo)在體系中所占比重，規(guī)定除根節(jié)點(diǎn)外每一評(píng)估節(jié)點(diǎn)都設(shè)置一個(gè)影響因子，以便于確定該節(jié)點(diǎn)相對(duì)于父節(jié)點(diǎn)的權(quán)重。在可信度評(píng)估活動(dòng)中，如何確定評(píng)估節(jié)點(diǎn)權(quán)重是評(píng)估過程關(guān)鍵問題之一。目前，關(guān)于權(quán)重確定的主要方法有經(jīng)驗(yàn)打分法、比率法和最小平方和法等，這些方法主觀成份較多；另外有主成份分析法、多目標(biāo)最優(yōu)化方法等基于決策矩陣信息的方法，但這些方法又缺乏決策者主觀信息以及各因素內(nèi)在價(jià)值，都不適合權(quán)重的正確建立。正確的建立方法應(yīng)包含對(duì)象客觀信息的反應(yīng)與決策者主觀判斷的融合。由此，在面對(duì)該驗(yàn)證模型指標(biāo)體系指標(biāo)眾多、層次分明的情形下，采用層次分析法來(lái)確定各指標(biāo)權(quán)重。

層次分析法是一種將主客觀相結(jié)合的權(quán)重確定方法，通過構(gòu)建判斷矩陣，利用特征向量法計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重。層次分析法的核心思想是將決策目標(biāo)分解為若干準(zhǔn)則層，并對(duì)具有相似特性的指標(biāo)歸類為同一準(zhǔn)則層下，從而形成一個(gè)完整的、層次分明的指標(biāo)體系。然后在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，層次分析法將對(duì)同一準(zhǔn)則層下的子準(zhǔn)則或指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得出他們之間的相對(duì)重要性，從而計(jì)算出子準(zhǔn)則層相對(duì)于父準(zhǔn)則層的權(quán)重，以此類推計(jì)算出各準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。由此可見，利用層次分析法對(duì)同一層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩分析，從而幫助決策者做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，極大地降低了判斷的隨意性。

（3）指標(biāo)歸一化

數(shù)據(jù)歸一化處理是數(shù)據(jù)挖掘的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，在對(duì)模型建立指標(biāo)樹后，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)往往具有不同的量綱和量綱單位。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)直接分析將會(huì)影響到數(shù)據(jù)分析結(jié)果。為了消除指標(biāo)間量綱不同而引起的問題，需要對(duì)數(shù)據(jù)與指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，從而解決數(shù)據(jù)指標(biāo)間的可比性問題。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，使得各項(xiàng)指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí)，以便后期進(jìn)行綜合對(duì)比評(píng)價(jià)。

歸一化方法主要有兩種，其一是將數(shù)轉(zhuǎn)化為 （0，1）之間的小數(shù)；另一種是將有量綱表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)量綱表達(dá)式，此方法在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用頻率較高，通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)前數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理從而消除各維數(shù)據(jù)間數(shù)量級(jí)差別，避免輸入輸出數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)差別太大而引起較大網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差。而對(duì)于數(shù)據(jù)歸一化常采用最大最小法和平均數(shù)方差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)歸一化。

（4）指標(biāo)樹版本迭代

在指標(biāo)體系中指標(biāo)樹的構(gòu)建是非常復(fù)雜的過程，并非能夠一次完成。指標(biāo)樹的構(gòu)建起初由行業(yè)專家提出并起草初始方案，然后經(jīng)驗(yàn)證平臺(tái)的反復(fù)驗(yàn)證找出指標(biāo)樹的不足之處，專家根據(jù)驗(yàn)證平臺(tái)發(fā)現(xiàn)的不足進(jìn)行修改和完善指標(biāo)樹。通過反復(fù)驗(yàn)證與修改，使得指標(biāo)樹趨于完善。因而指標(biāo)樹的建立過程是一個(gè)多次迭代的過程，在此過程中將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)指標(biāo)樹版本。

5 結(jié)論

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝仿真系統(tǒng)規(guī)模龐大，可信度評(píng)估過程復(fù)雜。指標(biāo)體系在驗(yàn)證模型過程中具有重要作用，能夠回溯整個(gè)模型的缺陷環(huán)節(jié)。基于模型樹的驗(yàn)證模型可信度評(píng)估體系，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)工藝建模全生命周期的階段性，利用模型樹與層次分析法，層次清晰，并且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)可信度較低的指標(biāo)對(duì)應(yīng)建模環(huán)節(jié)，方便后期修改。對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而確定最終可信度值。