產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性研究與評(píng)價(jià)

孫劍萍，湯兆平

SUN Jian-ping,TANG Zhao-ping

（華東交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

基于產(chǎn)品平臺(tái)的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制（Mass Customization，MC）的有效策略。由于客戶需求的多樣化和個(gè)性化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的瞬息萬(wàn)變、技術(shù)發(fā)展的日新月異以及全球經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變遷，大大加劇了大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下技術(shù)和商業(yè)環(huán)境的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致企業(yè)快速預(yù)測(cè)產(chǎn)品未來(lái)功能、技術(shù)、性能、外觀和尺寸等需求發(fā)展變化并敏捷做出響應(yīng)的難度越來(lái)越大。與此同時(shí)，產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)-技術(shù)的復(fù)雜性不斷提高以及它們之間的相互影響，增加了產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，影響其功能和服務(wù)的延伸與擴(kuò)展，即可適應(yīng)性。因此，可適應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)更多考慮需求、市場(chǎng)與技術(shù)等方面的復(fù)雜動(dòng)態(tài)不確定性，旨在擴(kuò)展設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的效用，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的重用、產(chǎn)品提升和延長(zhǎng)使用壽命。

可適應(yīng)設(shè)計(jì)包括合理化的功能結(jié)構(gòu)、可適應(yīng)模塊化構(gòu)架、可適應(yīng)接口以及設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)等四大基本要素[1]，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于各種系統(tǒng)、產(chǎn)品及平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，為企業(yè)建立產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)及制造的響應(yīng)機(jī)制，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了基石。針對(duì)產(chǎn)品的可適應(yīng)性，徐仟[2]基于可拓理論和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，結(jié)合轉(zhuǎn)向架模塊特性，提出了高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架可拓適應(yīng)性變型設(shè)計(jì)方法；Cheng Q[3]建立了產(chǎn)品適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型，從產(chǎn)品的本質(zhì)適應(yīng)性和行為適應(yīng)性兩個(gè)方面進(jìn)行了度量；陳永亮[4]等利用信息熵表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不確定性，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)配置圖和功能結(jié)構(gòu)圖的可適應(yīng)度，對(duì)產(chǎn)品的可適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)；滿佳等[5]基于價(jià)值工程理論，以用戶使用產(chǎn)品后獲得的效益與完成這一系列任務(wù)所消耗資源量的比值作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品可適應(yīng)性的指標(biāo)。在平臺(tái)可適應(yīng)性方面，Schuh G[6]提出了適合于實(shí)現(xiàn)未來(lái)產(chǎn)品變體和更改自由度的模塊化產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，提高了平臺(tái)的可適應(yīng)性；千紅濤[7]以平臺(tái)指數(shù)和調(diào)節(jié)指數(shù)區(qū)分柔性模塊中的平臺(tái)參數(shù)和獨(dú)立參數(shù)，通過(guò)識(shí)別柔性模塊中的平臺(tái)組件和調(diào)節(jié)組件，實(shí)現(xiàn)環(huán)境試驗(yàn)箱產(chǎn)品平臺(tái)的可適應(yīng)設(shè)計(jì)；程賢福[8]從平臺(tái)的重用性、定制性、接口柔性和升級(jí)能力四個(gè)方面考慮，以公理設(shè)計(jì)理論中的信息量作為測(cè)度，衡量平臺(tái)適應(yīng)客戶需求更改的能力，提出了平臺(tái)設(shè)計(jì)可適應(yīng)性的計(jì)算方法。在設(shè)計(jì)可適應(yīng)性方面，Li[9]考慮所有的結(jié)構(gòu)或功能特征以及客戶滿意度、制造成本、銷(xiāo)售價(jià)格、市場(chǎng)銷(xiāo)售和間接因素的隨機(jī)性，構(gòu)建了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的定量產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能演化進(jìn)行了設(shè)計(jì)適應(yīng)性研究；Tumer[10]從可靠性、健壯性、生存性和可更改性等方面對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)適應(yīng)性進(jìn)行定義，提出了基于效用和設(shè)計(jì)變更成本、產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)特征更改兩種設(shè)計(jì)適應(yīng)性評(píng)估方法，研究需求變化下的設(shè)計(jì)適應(yīng)性度量問(wèn)題。

現(xiàn)有研究成果主要圍繞產(chǎn)品的可適應(yīng)、平臺(tái)可適應(yīng)性以及設(shè)計(jì)可適應(yīng)性的度量與評(píng)價(jià)，而鮮見(jiàn)對(duì)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性進(jìn)行研究。產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)是一個(gè)集技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)、環(huán)境等多方面因素為一體的復(fù)雜綜合工程。為應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)需求的變化，如何在功能或結(jié)構(gòu)上通過(guò)很小的設(shè)計(jì)改變、以盡可能快的速度和盡可能低的成本提供產(chǎn)品平臺(tái)的衍生、更新與升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平臺(tái)的動(dòng)態(tài)更迭與不斷演進(jìn)，提升派生產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文構(gòu)建了產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)在適應(yīng)性要求上所處的狀態(tài)相對(duì)于理想平臺(tái)設(shè)計(jì)狀態(tài)的隸屬匹配度作為模型的初始數(shù)據(jù)，提出了基于熵理論賦權(quán)和改進(jìn)TOPSIS法的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)適應(yīng)性分析的模型與方法。從平臺(tái)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)發(fā)展角度對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)、全面的研究與評(píng)價(jià)，并將其應(yīng)用于復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性分析，為提高復(fù)雜產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性提供了可操作的思路。

1 可適應(yīng)性產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)更迭機(jī)理

產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性是指產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)未來(lái)需求變化與設(shè)計(jì)要求變更的能力，即針對(duì)新的需求進(jìn)行產(chǎn)品平臺(tái)再設(shè)計(jì)的能力。由于市場(chǎng)需求的動(dòng)態(tài)變化以及企業(yè)核心技術(shù)的不斷升級(jí)，產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)必然是一個(gè)面向產(chǎn)品全生命周期的往復(fù)迭代的時(shí)變過(guò)程，以滿足不同需求及需求變化的可適應(yīng)性為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提供具有快速響應(yīng)客戶需求的動(dòng)態(tài)變化能力、產(chǎn)品變型的重用性能、產(chǎn)品快速配置和可定制能力以及良好可擴(kuò)展性的產(chǎn)品平臺(tái)為目標(biāo)。然而產(chǎn)品平臺(tái)可適應(yīng)的多目標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程存在多方面性能的博弈，需要在多性能間均衡[11]。單從操作層面通過(guò)平臺(tái)內(nèi)部的協(xié)調(diào)，難以從根本上提高平臺(tái)的可適應(yīng)性。為此，在產(chǎn)品平臺(tái)規(guī)劃之初，就要以全局的眼光，考慮平臺(tái)的派生、更新及升級(jí)，并對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)做出預(yù)估，規(guī)劃平臺(tái)功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化、模塊的柔性化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化等，保證平臺(tái)良好的派生效率和產(chǎn)品族較好的市場(chǎng)商業(yè)效果，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的可持續(xù)發(fā)展。

對(duì)于可適應(yīng)性產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)而言，關(guān)鍵在于確定產(chǎn)品平臺(tái)中客戶共性需求設(shè)計(jì)參數(shù)（公共參數(shù)、平臺(tái)參數(shù)）與最優(yōu)通用值，以及客戶個(gè)性化需求設(shè)計(jì)參數(shù)（變型參數(shù)與定制參數(shù)）和變化范圍。在保證產(chǎn)品平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不被破壞的前提下，客戶個(gè)性化需求設(shè)計(jì)參數(shù)值可在一定約束范圍內(nèi)進(jìn)行水平或垂直調(diào)節(jié)。水平調(diào)節(jié)的本質(zhì)是低層次橫向配置設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)變型參數(shù)的添加、替換或移除，得到產(chǎn)品平臺(tái)變體，派生的產(chǎn)品將以新的結(jié)構(gòu)滿足不同的功能性能要求（性能質(zhì)變）；垂直調(diào)節(jié)的本質(zhì)是深層次的縱向可定制設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)相同，而設(shè)計(jì)參數(shù)存在大小差異進(jìn)行產(chǎn)品平臺(tái)升級(jí)，派生出功能相似，但性能差異（性能量變）的系列產(chǎn)品（如圖1所示）。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)的改型設(shè)計(jì)，并不斷拓展、更新與升級(jí)，可使產(chǎn)品族得到進(jìn)化發(fā)展，加速其適應(yīng)需求和技術(shù)演變的能力。

2 產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性體現(xiàn)在平臺(tái)設(shè)計(jì)本身及其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品平臺(tái)能夠適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源的動(dòng)態(tài)變遷，技術(shù)的進(jìn)步以及用戶個(gè)性化需求的進(jìn)化。因此評(píng)價(jià)其可適應(yīng)性，不僅應(yīng)考慮產(chǎn)品平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，更應(yīng)關(guān)注其衍生、擴(kuò)展、提升等適應(yīng)能力的可能性，保證產(chǎn)品平臺(tái)的最佳生存力及企業(yè)利益最大化的潛能力[12]，具體對(duì)以下五個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖1 可適應(yīng)性產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)更迭機(jī)理

2.1 功能適應(yīng)性

功能作為客戶需求的映射分析結(jié)果，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程與各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)。滿足潛在的需求是產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)，所以產(chǎn)品平臺(tái)不僅要面向現(xiàn)有產(chǎn)品的顧客需求，更要考慮未來(lái)的變化與發(fā)展。產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的功能適應(yīng)性是指充分再利用產(chǎn)品資源及設(shè)計(jì)信息資源，通過(guò)產(chǎn)品平臺(tái)的功能拓展、升級(jí)換代和適應(yīng)性變型，對(duì)現(xiàn)有客戶需求和未來(lái)個(gè)性化需求進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)的程度。在滿足技術(shù)可行性的前提下，平臺(tái)功能的可擴(kuò)展性是決定平臺(tái)派生產(chǎn)品能力以及產(chǎn)品族開(kāi)發(fā)成本的關(guān)鍵因素。

2.2 結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

可適應(yīng)設(shè)計(jì)是一個(gè)功能驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程，且功能和結(jié)構(gòu)相互對(duì)應(yīng)。一方面，產(chǎn)品平臺(tái)的功能通過(guò)具體的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，故產(chǎn)品平臺(tái)功能的拓展應(yīng)根據(jù)所要滿足的需求選擇合適的產(chǎn)品平臺(tái)形態(tài)；另一方面，產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)在保持原有平臺(tái)主要功能不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇或改變影響平臺(tái)主要性能的功能參數(shù)，相應(yīng)改變平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)化、可拓展的產(chǎn)品平臺(tái)應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，其可適應(yīng)性設(shè)計(jì)須注重結(jié)構(gòu)在適應(yīng)新需求及環(huán)境變化時(shí)重用產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的能力，包括結(jié)構(gòu)的合理性、零部件的可加工性，以及零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度，涉及到產(chǎn)品平臺(tái)的具體形式和參數(shù)。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性

復(fù)雜多變的環(huán)境制約和影響著產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的整體競(jìng)爭(zhēng)能力。環(huán)境的適應(yīng)性也是產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要特征之一，它主要強(qiáng)調(diào)企業(yè)能夠運(yùn)用資源去適應(yīng)外部環(huán)境和內(nèi)在條件的變化，即將企業(yè)的資源和能力與環(huán)境中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相匹配，反映對(duì)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的能力，即環(huán)境的可適應(yīng)性。產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)是否成功，取決于它與企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境相匹配的程度，需要尋求內(nèi)外部環(huán)境和產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的最佳結(jié)合。

2.4 技術(shù)適應(yīng)性

技術(shù)是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分，企業(yè)之間的較量很大程度上是技術(shù)適應(yīng)性的比拼。技術(shù)的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是各種技術(shù)之間的適應(yīng)能力，是某技術(shù)針對(duì)其他相關(guān)技術(shù)變化產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)與協(xié)同能力，即技術(shù)間的相互適應(yīng)性。二是技術(shù)對(duì)環(huán)境變遷的適應(yīng)能力，即技術(shù)因環(huán)境變化而采取的應(yīng)對(duì)行為，最終呈現(xiàn)出技術(shù)性能、工藝性能、兼容性、易用性、可靠性以及適用面等方面的變化，反映技術(shù)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力以及環(huán)境對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的偏好程度和容納能力。技術(shù)與技術(shù)之間、技術(shù)與環(huán)境之間的協(xié)同演化結(jié)果是在不同技術(shù)元素配置之間以及技術(shù)與環(huán)境之間獲得最佳的匹配，這種匹配性可反映產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)適應(yīng)性。

2.5 經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性

經(jīng)濟(jì)效益是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性原則強(qiáng)調(diào)以盡可能小的代價(jià)與消耗來(lái)?yè)Q取盡可能大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。所以產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮功能設(shè)計(jì) 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、材料選擇設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，以及設(shè)計(jì)的制造成本等多方面因素，將宏觀經(jīng)濟(jì)效益與微觀經(jīng)濟(jì)效益、短期經(jīng)濟(jì)效益與長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，保證產(chǎn)品在滿足必要功能的前提下，盡量加快開(kāi)發(fā)速度、縮短開(kāi)發(fā)周期、擴(kuò)大市場(chǎng)空間、提高市場(chǎng)占有率和客戶滿意度、降低開(kāi)發(fā)成本與制造成本，取得最大收益，這種回報(bào)收益可體現(xiàn)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。

3 產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性分析的模型數(shù)據(jù)

產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)在生命和應(yīng)用能力上的擴(kuò)展稱為適應(yīng)過(guò)程。本文以現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)在適應(yīng)性要求上所處的狀態(tài)，相對(duì)于理想平臺(tái)設(shè)計(jì)狀態(tài)的隸屬匹配度作為產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)可適應(yīng)性分析模型的初始數(shù)據(jù)。

設(shè)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)P可分解為n個(gè)可適應(yīng)性設(shè)計(jì)任務(wù)（可適應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)集TP表示為T(mén)P={TP1，TP2，…，TPn}），其第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)為T(mén)Pi（i=1，2，…，n）；現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)為O（source），理想平臺(tái)設(shè)計(jì)為D（target），S（D，O）表示現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)O所處的適應(yīng)性狀態(tài)相對(duì)于理想平臺(tái)設(shè)計(jì)D狀態(tài)的隸屬匹配度，其在[0,1]區(qū)間上取值，1表示完全匹配，0表示完全不能匹配；S（Dij，Oij）表示即第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的第j項(xiàng)指標(biāo)適應(yīng)性上的局部隸屬匹配值。則：

式(1)中，aij表示第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)在第j項(xiàng)指標(biāo)的適應(yīng)性上的匹配度占整體匹配度的權(quán)重。

現(xiàn)需對(duì)每項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行m項(xiàng)指標(biāo)的適應(yīng)性分析。設(shè)O與D的設(shè)計(jì)特征向量分別為ROij=（rOij1，rOij2，…，rOijT）和RDj=（rDj1，rDj2，…，rDjT）。xij定義為平臺(tái)設(shè)計(jì)P執(zhí)行其第i（i=1，2，…，n）項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)TPi時(shí)，在第j（j=1，2，…，m）項(xiàng)指標(biāo)的適應(yīng)性要求上的匹配度。xij構(gòu)成的數(shù)據(jù)原始矩陣為X=（xij）n×m。

式(2)中，λijk表示第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)在第j項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)特征向量的第k個(gè)元素的權(quán)重；S（rDijk，rOijk）為對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)特征元素之間的匹配度。

計(jì)算rDijk與rOijk之間的匹配度S（rDijk，rOijk），首先要選擇一個(gè)合適的隸屬函數(shù)，常用的有三角函數(shù)、梯形函數(shù)和高斯函數(shù)[13]?？紤]到現(xiàn)實(shí)工程中rDijk與rOijk多服從正態(tài)分布，用高斯函數(shù)能夠得到更為有效的結(jié)果，因此本文選取典型的高斯函數(shù)。若rDijk與rOijk為數(shù)值型屬性，則它們之間存在6種可能的關(guān)系：“=”、“＞”、“≥”、“＜”、“≤”及介于兩者之間[14]。通過(guò)構(gòu)造不同型式的高斯函數(shù)來(lái)計(jì)算兩者之間的隸屬匹配度。若rDijk越小，相對(duì)rOijk的匹配度越高，則構(gòu)造偏小型函數(shù)；若rDijk越大，相對(duì)rOijk的匹配度越高，則構(gòu)造偏大型函數(shù)；而若rDijk取中間范圍值，相對(duì)rOijk的匹配度越高，則構(gòu)造中間型函數(shù)。此外，若rDijk與rOijk為定性屬性則需構(gòu)造定性屬性型函數(shù)。

1）偏小型：

2）偏大型：

3）中間型：

4）定性屬性型：

式(3)～式(5)中，σ為高斯函數(shù)寬度。本文采用6σ作為特征函數(shù)定義域。

4 產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)評(píng)價(jià)方法

TOPSIS法作為多目標(biāo)決策分析的一種有效方法，具有原理直觀，對(duì)樣本的要求不高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在權(quán)重的確定比較主觀隨意，且不易求出正、負(fù)理想解等缺點(diǎn)[15]。本文在建立產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型原始矩陣的基礎(chǔ)上，將熵權(quán)法與改進(jìn)的TOPSIS法相結(jié)合，利用信息熵客觀賦權(quán)，并在TOPSIS法具體操作中對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，限定正、負(fù)理想解的取值范圍，簡(jiǎn)化其求解。具體過(guò)程如下：

1）對(duì)原始矩陣X進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范化處理，得矩陣Y=（yij）n×m，即：

式(8)中yij∈[0，1]。i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

2）計(jì)算第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)占第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)適應(yīng)性的比重：

3）計(jì)算第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的熵值ei：

式(10)中，熵值ei∈[0，1]。

4）計(jì)算第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)在設(shè)計(jì)適應(yīng)性上的優(yōu)勢(shì)度gi：

gi是基于信息熵理論對(duì)適應(yīng)性最直觀的反映。對(duì)于給定的i，xij的差異性越小，則ei越大，gi越小，反映該設(shè)計(jì)任務(wù)Tpi對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)各方面適應(yīng)性的影響程度越小，也就是該設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)適應(yīng)性評(píng)估提供了較小的貢獻(xiàn)值，適應(yīng)性越弱。通過(guò)優(yōu)勢(shì)度分析，可以間接反映平臺(tái)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的適應(yīng)性大小或強(qiáng)弱。表1列出了適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)度評(píng)價(jià)的等級(jí)劃分[16]。

表1 適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)度評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

5）計(jì)算第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的熵權(quán)值ωi：

式中：0≤ωi≤1，∑ωi=1（i=1，2，…，n）。

6）構(gòu)造加權(quán)規(guī)范矩陣R=（rij）n×m，如式(6)所示。

7）確定正理想解A+和負(fù)理想解A-。

傳統(tǒng)TOPSIS法正負(fù)理想解的元素分別為指標(biāo)中的最優(yōu)值和最劣值，因取值范圍寬泛，求解過(guò)程較為繁瑣?，F(xiàn)對(duì)TOPSIS法進(jìn)行改進(jìn)。在式(8)中規(guī)范化矩陣Y的任意元素yij∈[0，1]，使最低與最高目標(biāo)屬性取值分別限定在0和1之間。針對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)適應(yīng)性的5項(xiàng)指標(biāo)，正理想解均希望現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)在適應(yīng)性要求上所處的狀態(tài)相對(duì)于理想平臺(tái)狀態(tài)的隸屬匹配度最大，故均有。即正負(fù)理想解分別為：

8）計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)與正負(fù)理想解的歐式距離，即：

9）計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的適應(yīng)性與理想解之間的相對(duì)接近度cj：

10）按相對(duì)接近度的大小對(duì)各項(xiàng)適應(yīng)性指標(biāo)的適應(yīng)性進(jìn)行排序，cj越大，相應(yīng)的適應(yīng)性指標(biāo)的適應(yīng)性越強(qiáng)，反之，則越弱。

5 應(yīng)用實(shí)例

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)屬于復(fù)雜的巨型施工機(jī)械，適用于高透水的礫砂土層或卵（礫）石土層中的掘進(jìn)，其參數(shù)設(shè)計(jì)與制造需要結(jié)合具體的地質(zhì)條件和施工要求，進(jìn)行“量體裁衣”的配置，具有“定制化”的明顯特點(diǎn)。下面以復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，分析該平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性分析與評(píng)價(jià)過(guò)程。

1）產(chǎn)品平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)總質(zhì)量：520t，裝機(jī)總功率：1744.6KW，最大掘進(jìn)速度：80mm/min，總體外形尺寸：Φ6280×75000mm。開(kāi)挖直徑是盾構(gòu)機(jī)最重要的性能參數(shù)，將它作為該機(jī)型平臺(tái)的特征參數(shù)。其次是刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)模式、盾體結(jié)構(gòu)等，如表2所示。

2）產(chǎn)品客戶需求?，F(xiàn)客戶需定制一臺(tái)開(kāi)挖直徑為Φ6400mm的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。由于水文地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)挖直徑、施工的長(zhǎng)度與線型等不同，則相應(yīng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)如功率、裝備扭矩、刀盤(pán)刀具尺寸及布置等可能會(huì)不同。另外，客戶提出了自動(dòng)泥漿保壓、管片一次調(diào)運(yùn)等定制的個(gè)性需求，這需要通過(guò)計(jì)算，水平或垂直調(diào)節(jié)相應(yīng)的可適應(yīng)設(shè)計(jì)中的變型參數(shù)與定制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于客戶指定隧道導(dǎo)向系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家，還需要對(duì)平臺(tái)接口進(jìn)行調(diào)整。此變型產(chǎn)品可在上述機(jī)型上進(jìn)行改進(jìn)，利用可適應(yīng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的產(chǎn)品。

表2 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3）產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性任務(wù)評(píng)價(jià)。針對(duì)客戶需求進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃，且根據(jù)項(xiàng)目組實(shí)際情況分配設(shè)計(jì)任務(wù)。建立適應(yīng)性任務(wù)集Tp={開(kāi)挖系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、出碴系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、管片安裝系統(tǒng)、注脂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、碴土改良系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、膨潤(rùn)土系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)及通風(fēng)、供水、供電系統(tǒng)、有害氣體檢測(cè)裝置}，分別用Tp1～Tp15表示。

根據(jù)第3節(jié)中的匹配度計(jì)算方法，得到產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)適應(yīng)性分析模型的初始數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，如表4所示。

表3 客戶需求

表4 初始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)

根據(jù)式(9)，計(jì)算第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)占第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適應(yīng)性比重pij，其值如表5所示。

由式(10)～式(12)得各可適應(yīng)任務(wù)的熵值ei、優(yōu)勢(shì)度gi和熵權(quán)值ωi。結(jié)果如表6所示。

表6中所有可適應(yīng)任務(wù)的優(yōu)勢(shì)度g1～g15取值均介于[0.405866，0.414753]。根據(jù)表1判定，0.3≤gi＜0.5，表明該盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的15項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)度評(píng)價(jià)等級(jí)均為良好，表明該盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)整體具有良好的適應(yīng)性。

4）產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)排序。由式(13)，可得加權(quán)規(guī)范化的數(shù)據(jù)矩陣，如表7所示。

由式(14)～式(18)，計(jì)算可得5個(gè)適應(yīng)性指標(biāo)的相對(duì)接近度cj及其排序情況，如表8所示。

由表8可知，該產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適應(yīng)性強(qiáng)弱依次為功能適應(yīng)性→技術(shù)適應(yīng)性→結(jié)構(gòu)適應(yīng)性→環(huán)境適應(yīng)性→經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。表明該復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)注重平臺(tái)的功能拓展、升級(jí)換代和適應(yīng)性變型能力；注重技術(shù)整合以及自主創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用的磨合適配；較為注重結(jié)構(gòu)的合理性和零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的程度。使得平臺(tái)設(shè)計(jì)擁有較強(qiáng)的功能適應(yīng)性、技術(shù)適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性（在5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中分別居于第一、第二和第三）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性排序相對(duì)較后（在5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中分別居于第四和第五），究其原因，主要在于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中會(huì)遇到各種不同地質(zhì)水文條件，施工環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，使得掘進(jìn)過(guò)程難以完美地解決復(fù)雜地層中施工的多種問(wèn)題，即環(huán)境適應(yīng)性受限；此外，與大多機(jī)械設(shè)備不同的是，制造商必須根據(jù)特定的施工地質(zhì)條件，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和制造相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)或在盾構(gòu)機(jī)上專門(mén)附設(shè)相應(yīng)裝置，致使盾構(gòu)機(jī)價(jià)格高昂，即經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性變差。顯然，本方法對(duì)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適應(yīng)性排序結(jié)果與實(shí)際分析相符，具有較好的實(shí)用性和可信性。

表5 第i項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)占第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適應(yīng)性比重

表6 各可適應(yīng)任務(wù)的熵值、優(yōu)勢(shì)度和熵權(quán)值

表7 加權(quán)規(guī)范化的數(shù)據(jù)矩陣

表8 相對(duì)接近度及排序結(jié)果

6 結(jié)論

為保持產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)在個(gè)性化需求與定制市場(chǎng)需求背景下的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性研究與評(píng)價(jià)意義重大。本文以復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)整體任務(wù)進(jìn)行分解，建立可適應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)集。將熵權(quán)法與改進(jìn)的TOPSIS法相結(jié)合，對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

1）以現(xiàn)有的平臺(tái)設(shè)計(jì)在適應(yīng)性要求上所處的狀態(tài)相對(duì)于理想平臺(tái)設(shè)計(jì)狀態(tài)的隸屬匹配度作為分析模型的初始數(shù)據(jù)，構(gòu)造出基于高斯函數(shù)的匹配度計(jì)算方法。提出了基于熵理論賦權(quán)和改進(jìn)TOPSIS法的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)適應(yīng)性分析的模型與方法。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，該方法可成功應(yīng)用在復(fù)雜機(jī)械的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性分析和評(píng)價(jià)。

2）盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的15項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)度取值介于[0.405866，0.414753]，評(píng)價(jià)等級(jí)均為良好，表明該盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)整體具有良好的適應(yīng)性。

3）盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的5項(xiàng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的強(qiáng)弱依次為功能適應(yīng)性→技術(shù)適應(yīng)性→結(jié)構(gòu)適應(yīng)性→環(huán)境適應(yīng)性→經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。由此也可以得出，要進(jìn)一步提高復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的整體適應(yīng)性水平，還應(yīng)著重提升其環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。這為今后提高國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供了很好的思路。