基于FAHP-FQFD方法的汽車產(chǎn)品性能量化評(píng)價(jià)的研究*

俞 寧，蔣 靖，陳佳佳

（1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082； 2.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

前言

汽車產(chǎn)品性能存在多目標(biāo)、多層次和多因素等復(fù)雜特點(diǎn)，汽車產(chǎn)品性能量化是汽車設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)需要解決的關(guān)鍵問題之一［1］。汽車產(chǎn)品性能指數(shù)應(yīng)該在專家評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，充分考慮顧客的需求。因?yàn)槠囬_發(fā)設(shè)計(jì)有100多年歷史，汽車產(chǎn)品性能不斷完善，也積累了豐富的專家知識(shí)；同時(shí)，現(xiàn)代汽車產(chǎn)品正處于向個(gè)性化、定制化方向發(fā)展，顧客體驗(yàn)越來越重要。當(dāng)前，產(chǎn)品性能量化評(píng)價(jià)方法通常有德爾菲評(píng)價(jià)法、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等［2］。但是這些方法多是從專家角度出發(fā)，模糊質(zhì)量功能展開（fuzzy quality function deployment，F(xiàn)QFD）是一種從顧客的需求出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品正向開發(fā)的一個(gè)強(qiáng)有力的工具。

為此，本文中選擇FQFD方法作為產(chǎn)品性能定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工具，并針對(duì)專家評(píng)價(jià)和顧客評(píng)價(jià)存在模糊的信息、顧客評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)量大的問題，將模糊層次 分 析 方 法 （fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）、網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)應(yīng)用到FQFD方法中，構(gòu)建了一種新的汽車產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)量化方法。

1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)是識(shí)別產(chǎn)品需求的過程，主要由質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）的專家小組來判定汽車產(chǎn)品（整車或零部件）的主要性能需求。遞階層次結(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)基本特征，通常有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。第1層目標(biāo)層為顧客總需求；第2層準(zhǔn)則層是將客戶總需求分類組合后得到的產(chǎn)品性能要求；第3層指標(biāo)層為滿足性能要求的各項(xiàng)產(chǎn)品性能指標(biāo)［3］。第1階段質(zhì)量功能屋中產(chǎn)品性能指標(biāo)為一級(jí)指標(biāo)，第2階段質(zhì)量功能屋中產(chǎn)品性能指標(biāo)為二級(jí)指標(biāo)。各層次間的遞階結(jié)構(gòu)和各需求的從屬關(guān)系可用框圖的形式來表述，如圖1所示。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)圖

2 基于模糊層次分析法的產(chǎn)品性能權(quán)重計(jì)算

模糊層次分析法是改進(jìn)后的層次分析法，解決了層次分析法在專家判斷的模糊性，減少了一致性檢驗(yàn)的過程，可更合理地確定顧客需求性能指標(biāo)的權(quán)重。在確定各產(chǎn)品性能要求的權(quán)重時(shí)，首先要建立模糊判斷矩陣，并在此基礎(chǔ)上建立模糊一致性矩陣，采用行和歸一求出權(quán)重向量，最后用權(quán)重概率綜合系數(shù)法修正權(quán)重值。

2.1 建立模糊判斷矩陣

判斷矩陣指每一層中的因素針對(duì)上層因素的相對(duì)重要性建立矩陣［4］。若有n個(gè)比較量，則讓每個(gè)量與其他量分別進(jìn)行n-1次的兩兩比較，可以形成一個(gè)n×n的方陣。構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，為了準(zhǔn)確地描述任意2個(gè)元素關(guān)于某準(zhǔn)則的相對(duì)重要程度，將第i個(gè)因素與第j個(gè)因素的比較結(jié)果記為rij，矩陣為R＝（rij）n×n，展開式如下：

若滿足 0≤rij≤1（i，j＝1，2，…，n），則稱 R為模糊矩陣。為構(gòu)建模糊判斷矩陣，需要選擇0.1～0.9的判斷尺度rij，本文中采用互補(bǔ)型九標(biāo)度方法［5］，判斷尺度如表1所示。

表1 九標(biāo)度判斷尺度表

表1中的0.1～0.9九標(biāo)度判斷能較好地反映專家的實(shí)際估計(jì)。又因若元素Ai與元素Aj相比得到的結(jié)果為rij，則反比較，元素Aj與Ai相比的結(jié)果為rji＝1-rij。根據(jù)模糊互補(bǔ)矩陣的定義，可知R為模糊互補(bǔ)矩陣。

2.2 建立模糊一致性矩陣

將模糊互補(bǔ)矩陣調(diào)整為模糊一致性矩陣，先對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣 R＝（rij）n×n，按行求和，記為 ai＝，按照式（2）進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換，變換后的矩陣是模糊一致性矩陣 A＝（aij）n×n。

2.3 模糊權(quán)重計(jì)算

為便于決策，還須獲取模糊互補(bǔ)判斷矩陣的排序向量，本文中采用行和歸一化排序方法，有良好的保序性，同時(shí)運(yùn)算非常簡(jiǎn)便，結(jié)果也能較好地體現(xiàn)判斷矩陣的相對(duì)權(quán)重［6］。對(duì)模糊一致性判斷矩陣A＝（aij）n×n采用行和歸一可求出權(quán)重向量：

2.4 基于權(quán)重概率綜合系數(shù)法的權(quán)重修正

權(quán)重概率綜合系數(shù)法可將顧客意見與專家評(píng)價(jià)相結(jié)合，使產(chǎn)品性能權(quán)重的確定更具有科學(xué)性和合理性［7］。令 pi（i＝1，2，…，n）為第 i項(xiàng)顧客需求出現(xiàn)的概率，bi（i＝1，2，…，n）為第 i項(xiàng)顧客需求出現(xiàn)的頻數(shù)，pi的計(jì)算公式為

把專家判斷的產(chǎn)品性能重要度w′i與顧客需求概率pi的乘積的平方根進(jìn)行歸一化處理，可得到考慮了顧客需求修正后的權(quán)重wi：

3 基于模糊質(zhì)量屋的產(chǎn)品性能指數(shù)計(jì)算

構(gòu)建質(zhì)量屋是質(zhì)量功能展開計(jì)算的核心。要計(jì)算產(chǎn)品性能指數(shù)，首先要建立模糊質(zhì)量屋的顧客需求與技術(shù)指標(biāo)之間的模糊關(guān)系矩陣［8］，其次，根據(jù)各顧客需求計(jì)算各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)重要度，最后由QFD小組給產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)打分，求出產(chǎn)品性能指數(shù)。

3.1 模糊關(guān)系矩陣的建立

為處理某一種模糊綜合評(píng)價(jià)的問題，由l位決策者依據(jù)需求集A＝｛A1A2… An｝，針對(duì)性能指標(biāo)集V＝｛V1V2… Vm｝進(jìn)行相關(guān)性評(píng)價(jià)。所有的決策者對(duì)某指標(biāo)發(fā)表自己的意見觀點(diǎn)，即可得到一個(gè)模糊的映射f～U；l位決策者對(duì)所有指標(biāo)的模糊映射即可得到模糊關(guān)系矩陣Un×m［9］。第 i行的 Ui＝（ui1… uim）表示對(duì)于指標(biāo)Ai的單因素關(guān)系集合，uij表示第i個(gè)需求對(duì)j個(gè)性能指標(biāo)的關(guān)系程度，其表達(dá)式為

3.2 產(chǎn)品性能技術(shù)重要度計(jì)算

產(chǎn)品性能技術(shù)重要度表征了某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)滿足產(chǎn)品性能需求的相對(duì)貢獻(xiàn)大小。為了方便研究，本文中假設(shè)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)之間沒有相互關(guān)聯(lián)性，是相對(duì)獨(dú)立的。第j項(xiàng)產(chǎn)品性能技術(shù)重要度hj的計(jì)算公式為

3.3 產(chǎn)品性能指數(shù)計(jì)算

在質(zhì)量屋的“地下室”部分（見圖2）用于分析計(jì)算產(chǎn)品性能指數(shù)［10］。由專家分別對(duì)被評(píng)價(jià)產(chǎn)品滿足各項(xiàng)產(chǎn)品性能指標(biāo)的技術(shù)水平進(jìn)行打分tf。技術(shù)重要度與產(chǎn)品性能指標(biāo)評(píng)估得分的乘積即為產(chǎn)品性能指數(shù)，用FI表示，其計(jì)算公式為

圖2 質(zhì)量屋的基本架構(gòu)

需要說明的是，在進(jìn)行整車產(chǎn)品性能指標(biāo)計(jì)算時(shí)，只須應(yīng)用第1個(gè)階段的質(zhì)量屋，而對(duì)汽車零部件產(chǎn)品性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，須拓展到第2個(gè)階段的質(zhì)量屋。

4 兩種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩性能評(píng)價(jià)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩位于車身前部，是車身的重要部件，屬于典型的車身覆蓋件。它在汽車安全、行人保護(hù)、封閉隔音和車身外觀美觀等方面起到重要的作用。其設(shè)計(jì)成功與否對(duì)汽車車身有著重要的影響。本文中選用某汽車乘用車鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩和鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成作為研究對(duì)象，應(yīng)用FAHP-FQFD評(píng)價(jià)方法對(duì)兩種產(chǎn)品性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩遞階層次結(jié)構(gòu)

按照遞階層次模型，根據(jù)汽車前罩的吵鬧特征，通過企業(yè)QFD小組的5位專家根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行性能分析后確定：目標(biāo)層為顧客總需求（對(duì)產(chǎn)品性能的需求）；準(zhǔn)則層為美觀、安全、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等4個(gè)產(chǎn)品性能方面；指標(biāo)層為10個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩的遞階層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩遞階層次結(jié)構(gòu)

4.2 確定顧客性能需求權(quán)重

根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩性能評(píng)價(jià)模型遞階層次結(jié)構(gòu)，由QFD小組的專家按照0.1～0.9標(biāo)度法則兩兩比較構(gòu)造模糊互補(bǔ)矩陣，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)式（2）把模糊互補(bǔ)矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致性矩陣，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)式（3）計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如下：

表2 模糊互補(bǔ)矩陣

表3 模糊一致性矩陣

4.3 指標(biāo)權(quán)重的修正

為提高顧客需求重要度的準(zhǔn)確性，應(yīng)用Python編寫網(wǎng)格爬蟲程序［11］，從某汽車網(wǎng)頁上采集整理了5 000多條顧客評(píng)價(jià)語言，并對(duì)顧客評(píng)價(jià)的自然語言進(jìn)行了標(biāo)注和分類，如表4所示。

表4 顧客需求頻次

根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算修正過后的權(quán)重，結(jié)果如下：

4.4 產(chǎn)品性能指數(shù)計(jì)算

為更加精確地計(jì)算汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩性能指標(biāo)值，須將其產(chǎn)品性能指標(biāo)展開。由5位QFD小組專家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩產(chǎn)品性能方面與一級(jí)產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行關(guān)系判斷，建立模糊關(guān)系矩陣，最終建立一級(jí)質(zhì)量屋。再根據(jù)式（7）計(jì)算得出一級(jí)產(chǎn)品性能指標(biāo)的重要度，結(jié)果見圖4。

同理，在構(gòu)建二級(jí)質(zhì)量屋時(shí)，由5位QFD小組專家分別對(duì)10項(xiàng)一級(jí)產(chǎn)品性能指標(biāo)與17項(xiàng)二級(jí)產(chǎn)品性能指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行判定，建立模糊關(guān)系矩陣，根據(jù)式（7）計(jì)算出二級(jí)產(chǎn)品性能技術(shù)重要度，結(jié)果見圖5。然后，讓專家對(duì)鋼制和鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩兩種產(chǎn)品滿足各項(xiàng)產(chǎn)品性能指標(biāo)的技術(shù)水平打分。根據(jù)式（8）計(jì)算得到鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的性能指數(shù)為48.234，鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的性能指數(shù)為50.389。通過比較得出，采用鋁合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩性能要比鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩更好。

圖4 一級(jí)質(zhì)量屋

5 結(jié)論

（1）本文中通過權(quán)重概率法減小了模糊層次分析法求取顧客權(quán)重的主觀性，能更合理地計(jì)算出顧客需求性能指標(biāo)的權(quán)重。

（2）基于質(zhì)量功能展開技術(shù)，有效地把汽車產(chǎn)品性能進(jìn)行量化，從而更直觀地分析比較不同產(chǎn)品的性能值。

（3）本文中構(gòu)建的FAHP與FQFD相結(jié)合的方法可有效解決汽車產(chǎn)品性能量化的問題，還可綜合各級(jí)指標(biāo)來評(píng)價(jià)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足，為產(chǎn)品性能的改進(jìn)指明方向。

圖5 二級(jí)質(zhì)量屋