發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的決策方法

李德貴，郭 鑫，趙 武，華 夏

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略中，以高端數(shù)控機床與機器人為主的智能制造系統(tǒng)成為重點發(fā)展領(lǐng)域[1]。其中，柔性制造系統(tǒng)（Flexible manufacturing systems，F(xiàn)MS）是主要發(fā)展分支之一[2]。它是依靠有限的共享資源來實現(xiàn)多樣化零部件生產(chǎn)的制造系統(tǒng)[3]，具有提高設備利用率、增加系統(tǒng)靈活性、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點，代表了21世紀的制造業(yè)前沿技術(shù)[4]，但同時高端數(shù)控機床、機器人等共享資源帶來的技術(shù)要求提升與硬件成本增加等缺點制約了柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。因此，建立一套科學的評價體系與評價方法，為制造企業(yè)發(fā)展柔制造系統(tǒng)的可行性提供戰(zhàn)略指導，具有較高的研究意義與應用價值。

在現(xiàn)代戰(zhàn)略決策領(lǐng)域中，SWOT（Strengths Weaknesses Opportunities Threats）分析法一種普遍應用的定性分析方法，為提高決策結(jié)果的準確性，越來越多的國內(nèi)外學者將SWOT分析法與AHP分析法結(jié)合，實現(xiàn)了不同領(lǐng)域戰(zhàn)略決策問題的定量化分析：高錫榮等[5]利用SWOT-AHP方法對我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進行戰(zhàn)略分析，結(jié)果表明物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應選擇優(yōu)勢機會戰(zhàn)略；Tahernejad等[6]根據(jù)環(huán)境分析確定了SWOT評價因素，基于評價因數(shù)的AHP分析結(jié)果制定了伊朗礦山的最佳開發(fā)策略；Eslamipoor等[7]針對企業(yè)搬遷決策因素進行研究，利用SWOT-AHP分析了環(huán)境因素，結(jié)果表明政府對減少空氣污染的關(guān)注度排名第三。

在柔性制造系統(tǒng)方面，國內(nèi)外的研究集中在方案設計與性能評價兩個方面：Niroomand等[8]針對柔性制造系統(tǒng)中設備布局問題，提出一種候鳥優(yōu)化算法，實現(xiàn)了閉環(huán)布局模型中的設備距離求解；張浩等[9]依據(jù)信息熵對評價體系的決策因子進行排序，提出了一種基于超效率SBM（Slacks-based Measure）模型的柔性制造系統(tǒng)績效計算方法；潘啟勇等[10]提出了一種基于隨機有色網(wǎng)的柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程模型，通過分析模型的覆蓋率與修復率實現(xiàn)對柔性制造系統(tǒng)的可用性評價；Zhao等[11]提出了一種柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)線路吞吐量計算公式，有效地分析并改善產(chǎn)品和機器對柔性制造系統(tǒng)性能的影響。

綜上，SWOT-AHP集成式分析方法對于不同領(lǐng)域的多屬性決策問題具有較好的適應性，但關(guān)于發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的決策模糊性問題，目前仍缺乏相關(guān)的研究。因此，面向柔性制造系統(tǒng)領(lǐng)域，本文提出了一種基于SWOT-VAHP的戰(zhàn)略決策方法：首先構(gòu)建了面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)功能模型，基于模型提出了SWOT戰(zhàn)略因子體系，并采用Vague集進行量化；然后結(jié)合AHP與Vague集提出VAHP（Vague Analytic Hierarchy Process）模糊層次分析方法，實現(xiàn)對戰(zhàn)略因子進行權(quán)重排序；最后綜合評分與權(quán)重構(gòu)建戰(zhàn)略決策四邊形，依據(jù)戰(zhàn)略重心與可實施性雙指標進行戰(zhàn)略決策，科學地判斷企業(yè)發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的戰(zhàn)略情況。

1 Vague集的基本理論

在多屬性決策過程中經(jīng)常需要面臨模糊性問題，主要體現(xiàn)在多屬性評分的模糊性與多屬性權(quán)重的模糊性：對于同一決策因子，可能同時存在支持、反對與不確定等模糊決策關(guān)系，無法用精確數(shù)進行表示。Vague集是傳統(tǒng)模糊集的一種拓展，彌補了傳統(tǒng)模糊集一個隸屬度函數(shù)對模糊性處理能力不足的缺點。其定義[12]如下：

在定義1中，tA（x）為Vague集A的真隸屬度函數(shù)，表示支持x∈A的證據(jù)導出的隸屬度最小值，fA（x）為Vague集A的假隸屬度函數(shù)，表示支持xA的證據(jù)導出的隸屬度最小值，令函數(shù)πA（x）=1-tA（x）-fA（x）表示支持x∈A不確定度。Vague集實現(xiàn)了x∈U到區(qū)間[0,1]的映射。

假設A=[tA，1-fA]與B=[tB，1-fB]為同一論域的兩個Vague值，本文定義d（A，B）表示A，B間的距離，1/A表示A的逆，計算公式如下：

2 面向柔性制造系統(tǒng)的SWOT-VAHP決策方法

2.1 面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)功能模型

柔性制造系統(tǒng)通常是由若干數(shù)控加工設備、自動化物流系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)組成的一種集成式制造系統(tǒng)，在自動化與信息化的基礎(chǔ)上擴展了柔性制造能力，系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)任務進行調(diào)整，適應多品種、小批量的個性化生產(chǎn)模式。在發(fā)展柔性制造系統(tǒng)之前，需對其進行功能分析，以生產(chǎn)電子水泵為例，提出如圖1所示的柔性制造系統(tǒng)功能模型。

觀察兩組咳嗽、呼吸困難、肺部哮鳴音等消失時間、住院時間以及臨床療效。療效判定分為顯效：患兒臨床癥狀、肺部體征顯著改善或消失，PEF%大于80%；有效：患兒臨床癥狀、肺部體征有所改善，PEF%在60%～79%；無效：未達到上述標準，甚至嚴重。總有效率＝（顯效+有效）/總例數(shù)×100%。

圖1 面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)功能模型

發(fā)展面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)，企業(yè)需要考慮運輸層、制造層、控制層等三個主要層次的建設問題。制造層包含加工系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)三大模塊，是柔性制造系統(tǒng)的主體，由大量的技術(shù)與硬件有機組合而成，其中技術(shù)包含成組技術(shù)、機器視覺、傳感技術(shù)等，硬件包含機床群組、工業(yè)機械臂、試驗臺等，完成電子水泵柔性生產(chǎn)的全過程。運輸層由立體倉庫、轉(zhuǎn)運小車、機械臂、導軌等組成，實現(xiàn)制造層的物質(zhì)流控制?？刂茖佑煽刂浦行摹LC、交換機等組成，實現(xiàn)制造層的信息流控制。

2.2 面向柔性制造系統(tǒng)的SWOT多屬性決策體系

分析功能模型可知：是否發(fā)展柔性制造系統(tǒng)是一項龐大而復雜的決策任務?；赟WOT分析法充分考察企業(yè)內(nèi)外部當前發(fā)展形勢，從優(yōu)勢（S）、劣勢（W）、機遇（O）、威脅（T）四大方面構(gòu)建如圖所示的戰(zhàn)略決策體系。

圖2 面向柔性制造系統(tǒng)的SWOT決策體系

其中，優(yōu)勢與劣勢屬于內(nèi)部因素，用來衡量戰(zhàn)略實施者自身的強項與不足；機遇與威脅屬于外部因素，用來衡量戰(zhàn)略實施環(huán)境中的有利與不利因素?；赟WOT定性分析有利于決策者對各戰(zhàn)略因子進行評價，但是決策者的評價具有模糊性、差異性，同時戰(zhàn)略因子自身存在邊界不清、不易定量的特點。因此，在評價戰(zhàn)略因子時需要引入Vague集進行定量化處理。

以優(yōu)勢組為例，邀請N位專家對二級戰(zhàn)略因子進行評價，令其Vague值SA=[tA，1-fA]。采用投票模型對SA進行求解：專家對戰(zhàn)略因子具備優(yōu)勢的投票結(jié)果有三種情況，分別是支持、不支持、棄票；統(tǒng)計三種投票結(jié)果的頻數(shù)，分別記為Ct、Cf、Cπ；SA的求解公式如下。

依據(jù)式(3)可將Vague值SA轉(zhuǎn)化為精確數(shù)，滿足∈[0,1]，則越大，表示企業(yè)關(guān)于該戰(zhàn)略因子的優(yōu)勢越大，反之亦然。其余劣勢、機遇、威脅同理可得。

2.3 基于VAHP的柔性制造系統(tǒng)評價方法

在多指標評價體系中，決策者對于不同戰(zhàn)略因子的關(guān)注度不同。VAHP分析法既繼承了AHP方法的遞階層次模型，又集成了Vague集對主觀性與不確定性的適應性。具體分析過程如下。

第一步，構(gòu)建戰(zhàn)略因子判斷矩陣。假設擬考察n個戰(zhàn)略因子為{X1，X2，…，Xn}，其判斷矩陣R=(rij)n×n，rij表示第i個戰(zhàn)略因子相對于第j個戰(zhàn)略因子的重要性，其Vague值標度標如表1所示。

表1 戰(zhàn)略因子重要度標度表

第二步，構(gòu)建模糊互補判斷矩陣P=(pij)n×n，依據(jù)式(3)滿足pij=

第三步，構(gòu)建模糊一致性判斷矩陣Q=(qij)n×n。檢驗矩陣P的模糊一致性[13]，如滿足則qij=pij；否則按進行矩陣變換。

第四步，求解I層戰(zhàn)略因子層次單排序wI={w1，w2，…，wn}，滿足

第五步，依據(jù)AHP的遞階層次關(guān)系，重復步驟一到步驟四求解N層戰(zhàn)略因子的層次單排序，由頂層至下得到總排序，w=w1×w2×…×wN。

2.4 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展策略

發(fā)揮內(nèi)部優(yōu)勢、克服自身劣勢、抓住外部機遇、避開環(huán)境威脅是基于SWOT分析的戰(zhàn)略決策原則。因此，綜合評估企業(yè)發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅是決策的關(guān)鍵。以優(yōu)勢組為例，其綜合值計算公式如式(5)所示：

圖3 面向柔性制造系統(tǒng)的四邊形發(fā)展戰(zhàn)略

在四邊形發(fā)展戰(zhàn)略中，X軸衡量內(nèi)部條件，其正方向為優(yōu)勢，點S（SP，0）表示戰(zhàn)略優(yōu)勢情況，負方向為劣勢，點W（-WP，0）表示戰(zhàn)略劣勢情況；Y軸衡量外部因素，其正方向為機會，點O（0，OP）表示戰(zhàn)略機會水平，負方向為威脅，點T（0，-TP）表示戰(zhàn)略威脅水平。X軸與Y軸將戰(zhàn)略決策域劃分成四個象限，第一至第四象限依次代表開拓戰(zhàn)略域、革新戰(zhàn)略域、退卻戰(zhàn)略域、抗壓戰(zhàn)略域?；谑?6)計算戰(zhàn)略四邊形SWOT的重心G，根據(jù)重心G所屬決策域分情況指導企業(yè)發(fā)展柔性制造系統(tǒng)：

若重心G落在開拓決策域，則表示無論內(nèi)部條件還是外部環(huán)境整體上對戰(zhàn)略實施是有利的，建議企業(yè)發(fā)揮內(nèi)部優(yōu)勢、抓住外部機遇，采取開拓進取態(tài)度發(fā)展柔性制造系統(tǒng)；若重心G落在革新戰(zhàn)略域，則表示內(nèi)部條件對戰(zhàn)略實施不利但外部環(huán)境對戰(zhàn)略實施有利，建議企業(yè)先克服自身劣勢并利用外部機遇，再以革新的態(tài)度發(fā)展柔性制造系統(tǒng)；若重心G落在退卻戰(zhàn)略域，則表示內(nèi)部條件與外部環(huán)境對戰(zhàn)略實施均不利，建議企業(yè)采取退卻態(tài)度放棄發(fā)展柔性制造系統(tǒng)；重心G落在抗壓戰(zhàn)略域，則表示內(nèi)部條件對戰(zhàn)略實施有利但外部環(huán)境對戰(zhàn)略實施不利，建議企業(yè)先避開外部威脅并發(fā)揮自身優(yōu)勢，作好抗壓的態(tài)度發(fā)展柔性制造系統(tǒng)。

進一步，即使落在同一戰(zhàn)略的不同企業(yè)，其發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的難易程度是不同的。在四邊形發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，構(gòu)建y=-x戰(zhàn)略實施強度基準線，將圖3所示的四邊形劃分為有利部分（陰影）和不利部分（無陰影），基于有利部分的占比定義戰(zhàn)略的可實施性ρ，如式(7)所示。

顯然戰(zhàn)略可實施性ρ具有ρ∈[0，1]的性質(zhì)，若ρ≥0.5時，戰(zhàn)略的發(fā)展難易程度低，且越接近1可實施性越強；若ρ＜0.5時，戰(zhàn)略的發(fā)展難易程度高，且越接近0可實施性越弱。

綜合考慮發(fā)展中心區(qū)域和可實施性，可以為企業(yè)發(fā)展柔性制造系統(tǒng)提供多方面指導。

3 案例分析

隨著新能源汽車的迅猛發(fā)展，電子水泵作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件，在減輕發(fā)動機動力損耗、冷卻效果、精確控制等方面具有明顯優(yōu)勢。企業(yè)為了解決電子水泵生產(chǎn)效率低、良品率低等生產(chǎn)技術(shù)落后的問題，擬構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)，以實現(xiàn)多品種、系列化生產(chǎn)?；诖吮尘?，以本文提出的SWOT-VAHP方法對四川某企業(yè)發(fā)展面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)進行戰(zhàn)略決策。

基于SWOT評價體系分析該戰(zhàn)略的優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅，具體情況如表2所示。

結(jié)合SWOT定性分析結(jié)果，邀請20位專家利用投票模型對12項戰(zhàn)略因子進行評價，統(tǒng)計投票結(jié)果，得出戰(zhàn)略因子的Vague值，并依據(jù)式(3)轉(zhuǎn)化為精確值，最終結(jié)果如表3所示。

采用VAHP方法分析12項戰(zhàn)略因子的重要度。依據(jù)決策者的關(guān)注重點，構(gòu)建一級戰(zhàn)略因子的判斷矩陣RI：

依據(jù)VAHP方法步驟一至五，采用MATLAB進行編程，求解模糊互補判斷矩陣PI，模糊一致性矩陣QI，一級戰(zhàn)略因子的單排序w1。結(jié)果如下所示：

表2 面向企業(yè)發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的SWOT分析表

表3 決策因子評價結(jié)果

類似地，對其他4組二級戰(zhàn)略因子進行重要度排序，其判斷矩陣及結(jié)果如表4所示。

最終，二級戰(zhàn)略因子的層次總排序即為重要度，結(jié)果如下：

依據(jù)式(5)計算發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅等綜合值：SP=0.1997、WP=0.0940、OP=0.1899、TP=0.1176，并繪制戰(zhàn)略四邊形：

其中，依據(jù)式(6)計算重心G（0.05285，0.03565）落在開拓戰(zhàn)略域，依據(jù)式(7)計算可實施性ρ：

圖4 企業(yè)決策四邊形

分析決策四邊形可知：在發(fā)展柔性制造系統(tǒng)的決策中，企業(yè)內(nèi)部具有優(yōu)勢，外部具有機遇，可采取開拓進取態(tài)度，并且ρ＞0.5，可以預測戰(zhàn)略的實施難度低，可實施性強。目前企業(yè)正在建設柔性制造系統(tǒng)，進展良好。

表4 二級戰(zhàn)略因子判斷矩陣表

4 結(jié)束語

柔性制造系統(tǒng)是“中國制造2025”中的發(fā)展熱點，針對企業(yè)是否應該建設柔性制造系統(tǒng)的戰(zhàn)略問題，本文提出了一種基于SWOT-VAHP的模糊決策方法：建立了一種面向電子水泵的柔性制造系統(tǒng)功能模型；將SWOTAHP分析法與Vague集進行集成，實現(xiàn)了多屬性、多層次的決策分析，同時有效解決了決策因子評分與權(quán)重的模糊性問題；綜合決策因子的評分與重要性構(gòu)建決策四邊形，雙指標的決策方式有利于提高決策結(jié)果的準確性與全面性。因此，本文提出的方法對不同企業(yè)是否能夠發(fā)展柔性制造系統(tǒng)具有一定的指導意義。