基于AHP-TOPSIS方法的智能液壓設(shè)備設(shè)計評價研究

李澤宏，張玲玉，胡蝶，羅懷林，鄭喬譽，陳新月

基于AHP-TOPSIS方法的智能液壓設(shè)備設(shè)計評價研究

李澤宏1a，張玲玉1b，胡蝶2，羅懷林1b，鄭喬譽1a，陳新月1a

（1.四川輕化工大學(xué) a.機械工程學(xué)院 b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 宜賓 644000；2.西華大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計學(xué)院，成都 610039）

為解決智能液壓設(shè)備設(shè)計方案評價主觀片面的問題，優(yōu)選最佳設(shè)計方案。根據(jù)問卷調(diào)研和專家意見初步構(gòu)建智能液壓設(shè)備評價指標(biāo)，建立智能液壓設(shè)備設(shè)計方案評價模型。采用AHP層次分析法從外部形象、生產(chǎn)成本、人機工程、安全可靠4個方面建立4個準(zhǔn)則層指標(biāo)，12個子準(zhǔn)則層指標(biāo)，并通過計算得到各級指標(biāo)的最終權(quán)重結(jié)果及排序；再利用TOPSIS逼近理想解排序法對3款四柱永磁粉末液壓設(shè)備的設(shè)計方案進行評價，計算得到貼近度優(yōu)劣排序，從而確定最優(yōu)選方案。通過AHP-TOPSIS相結(jié)合的定性定量評價方法，評估出最符合企業(yè)需求的四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計方案，為四柱永磁粉末液壓設(shè)備及同類智能液壓設(shè)備的設(shè)計實踐和評價提供參考。

工業(yè)設(shè)計；智能液壓設(shè)備；四柱永磁粉末液壓設(shè)備；AHP-TOPSIS；設(shè)計評價

在智能液壓設(shè)備設(shè)計階段，研發(fā)人員常會基于企業(yè)需求產(chǎn)出不同類型的設(shè)計方案。由于受到一些客觀因素的限制，往往僅有一款方案能被實現(xiàn)。在對設(shè)計進行評價和決策的過程中，評價指標(biāo)通常由決策者根據(jù)自身的經(jīng)驗和直覺判定，易受到偏好、年齡、工作職位等影響[1]。這樣粗略的定性分析和評價方式達不到準(zhǔn)確客觀地分析評價方案的目的。只有合理的設(shè)計評價才能準(zhǔn)確地反映產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，從而有效地從多種設(shè)計方案中確定最優(yōu)方案，并快速投入后期生產(chǎn)制造，進而提高產(chǎn)品市場競爭力。因此如何客觀、準(zhǔn)確地完成四柱永磁粉末液壓設(shè)備的設(shè)計方案，建立合理的設(shè)計評價指標(biāo)體系，優(yōu)選出最符合企業(yè)需求的設(shè)計方案是當(dāng)前智能液壓設(shè)備行業(yè)面臨的主要問題。

TOPSIS能有效地對多目標(biāo)、多影響因素的復(fù)雜目標(biāo)進行評價[2]。該方法能充分利用調(diào)研或?qū)嶒灥玫降某跏紨?shù)據(jù)信息，對多個設(shè)計方案進行評價與優(yōu)選[3]。其被廣泛地運用在管理決策、風(fēng)險評估、商業(yè)決策等領(lǐng)域，近年來在產(chǎn)品設(shè)計方案決策中也被廣泛利用。為了降低人為主觀性，張健等[4]將灰色關(guān)聯(lián)法和AHP方法相結(jié)合引入動態(tài)權(quán)重對TOPSIS方法進行計算并建立評價模型，對三種汽車覆蓋件進行了由高到低的優(yōu)選度排名。周凱等[5]在綠色包裝方案決策中運用TOPSIS評價法并引入粗糙集理論，最終得到了優(yōu)越度最高的包裝方案。陳香等[6]則在錄音筆設(shè)計評估中，構(gòu)建出一種結(jié)構(gòu)熵權(quán)與TOPSIS法設(shè)計評估模型，并驗證了該模型的可行性。上述文獻綜述表明TOPSIS方法在權(quán)重計算部分具有一定的主觀性，常容易受到人為因素的干擾。如需對方案進行全面綜合客觀的評價與決策，應(yīng)搭配其他客觀權(quán)重定量研究方法。本文采用TOPSIS與AHP相結(jié)合的定性定量研究方法，利用AHP方法從外部形象、生產(chǎn)成本、人機工程、安全可靠4大影響因素綜合考慮，使其評價指標(biāo)的權(quán)重值更為客觀和完整。TOPSIS方法作為優(yōu)選設(shè)計方案的工具，通過計算各方案與理想解的貼近度，最終得到最優(yōu)選設(shè)計方案。

1 AHP-TOPSIS方法

AHP是STAAY提出的一種多指標(biāo)的統(tǒng)計方法，能有效地將復(fù)雜的定性評價過程量化，通過將高層次的指標(biāo)層往低層次的指標(biāo)層逐一分解，歸納形成為有序的層級分析結(jié)構(gòu)。在處理受到多因素影響的復(fù)雜目標(biāo)時非常便捷高效，且實用性強[7]。

TOPSIS是HWANG和YOON提出的針對多屬性問題的評價方法，能有效的對多目標(biāo)進行決策分析。其原理是依據(jù)方案與最正、負(fù)理想解的距離并排序來優(yōu)選出最佳方案[8]。建立改進后的AHP-TOPSIS方法的評價步驟如下。

1.1 判斷矩陣的構(gòu)建與權(quán)重確定

建立合理的判斷矩陣是AHP方法中重要的一項環(huán)節(jié)，通過將屬于相同層級中的各個指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，見式（1）。

表1 評價尺度

Tab.1 Evaluation scale

1.2 確定各指標(biāo)的權(quán)重

3）一致性檢驗。

在進行AHP法時為保證決策者思維的一致需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，見式（2）。

1.3 建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣、加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

1）效益型指標(biāo)，見式（3）。

2）成本型指標(biāo)，見式（4）。

1.4 貼近度計算

1）確定正、負(fù)理想解[10]，見式（5）—（6）。

2）計算設(shè)計方案與正、負(fù)理想解的距離[11]，見式（7）—（8）。

3）確定設(shè)計方案與正理想解的貼近度，見式（9）。

2 基于AHP-TOPSIS方法的評價

2.1 智能液壓設(shè)備設(shè)計方案評價流程

智能液壓設(shè)備設(shè)計受多種因素影響，在基礎(chǔ)功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)滿足此類產(chǎn)品相關(guān)要求的前提下，利用美學(xué)設(shè)計原則，從外觀造型、CMF、人機要素等方面對設(shè)備進行創(chuàng)新設(shè)計，以達到美觀、經(jīng)濟、舒適、安全的目的。通過對AHP和TOPSIS有關(guān)文獻的分析研究，構(gòu)建如圖1的設(shè)計評價流程。首先，進行問卷調(diào)研和咨詢行業(yè)專家意見，運用AHP對影響因素篩選歸納，建立智能液壓設(shè)備指標(biāo)體系層級分析評價模型，并構(gòu)建判斷矩陣。其次，利用TOPSIS法計算各方案與正、負(fù)理想解的距離，并根據(jù)方案集排序得到最優(yōu)選設(shè)計方案。

圖1 智能液壓設(shè)備設(shè)計方案評價流程

2.2 智能液壓設(shè)備多層次評價模型構(gòu)建

2.2.1 評價指標(biāo)確立

智能液壓設(shè)備設(shè)計涉及到人機工程學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、美學(xué)等方面，由此造成智能液壓設(shè)備方案呈現(xiàn)出多樣化的結(jié)果。而要優(yōu)選出最佳設(shè)計方案，則必須構(gòu)建多層次評價模型，對各個方案進行客觀評價[12]，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。由于智能液壓設(shè)備使用場景的專業(yè)性和復(fù)雜性，市場上各產(chǎn)品功能外觀各不相同，對設(shè)計方案的決策造成很大阻力。通過對影響產(chǎn)品的各類指標(biāo)進行篩選整理，能更準(zhǔn)確客觀地建立評價指標(biāo)體系[13]。本研究的前期調(diào)研邀請了60位專家（包括液壓設(shè)備制造行業(yè)專家、相關(guān)企業(yè)高級管理人員、相關(guān)企業(yè)高級工程師、工業(yè)設(shè)計專業(yè)教授等）進行問卷調(diào)研，調(diào)研最終回收到有效問卷57份。在此基礎(chǔ)上，對智能液壓設(shè)備有重要影響的評價指標(biāo)進行合理性評估，見式（10）。

=/57(10)

式中：為公信度值，為該指標(biāo)選擇人數(shù)。移除0.5的指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)在評價目標(biāo)下的含義判斷其指標(biāo)類型，篩選后的智能液壓設(shè)備評價指標(biāo)，見表2。

2.2.2 層級分析評價模型構(gòu)建

將智能液壓設(shè)備的設(shè)計問題分為四個層次的結(jié)構(gòu)模型。分別是目標(biāo)層（）、準(zhǔn)則層（）、子準(zhǔn)則層（）、方案（）。并通過KJ親和圖法歸納相同類型的評價指標(biāo)，將智能液壓設(shè)備設(shè)計問題的準(zhǔn)則層劃分為外部形象、生產(chǎn)成本、人機工程、安全可靠共4個準(zhǔn)則指標(biāo)，再依據(jù)4個準(zhǔn)則層指標(biāo)劃分得到外觀造型、品牌涂裝、材質(zhì)工藝、加工損耗、配件互換、物料成本、人機尺度、操作協(xié)調(diào)、作業(yè)舒適度、承受力、報警提示、保護機制共12個子準(zhǔn)則層指標(biāo)。確定準(zhǔn)則層指標(biāo)及子準(zhǔn)則層指標(biāo)后，最終構(gòu)造智能液壓設(shè)備評價指標(biāo)體系，見圖2。并對各評價含義進行了指標(biāo)描述，見表3。

表2 智能液壓設(shè)備評價指標(biāo)

Tab.2 Evaluation indicator of intelligent hydraulic equipment

表3 評價指標(biāo)含義說明

Tab.3 Description of evaluation indicators

3 AHP-TOPSIS評價法在四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計評價中的應(yīng)用

3.1 四柱永磁粉末液壓設(shè)備概述

四柱永磁粉末液壓設(shè)備是用于制造磁性材料的重要設(shè)備，主要構(gòu)成部分為油泵、輸油管、液壓裝置、控制臺、機身等[14]，如圖3所示。中間部分為永磁液壓機活動工作部分，通過上油缸壓迫模具型腔向下浮動，下模固定不動，生成磁性材料。頂部為油泵，需要定期清理維修。目前，國外四柱永磁粉末液壓設(shè)備如日本小松、德國力士樂在性能、外觀、品牌知名度上都達到了較高國際水準(zhǔn)。近年來，我國智能液壓設(shè)備制造企業(yè)飛速發(fā)展，但是在產(chǎn)品外觀、人機工程、安全可靠性等方面還未引起足夠重視，對比發(fā)達國家同款裝備還有較大差距。

圖3 四柱永磁粉末液壓設(shè)備

3.2 AHP確定各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)圖2的四柱永磁粉末液壓設(shè)備評價指標(biāo)體系，組織20位專家（包括行業(yè)專家7人、相關(guān)企業(yè)高層管理4人、相關(guān)企業(yè)高級工程師3人、潛在設(shè)備購買方3人、工業(yè)設(shè)計教授3人）組成方案評估專家團隊，采用標(biāo)度法對四柱永磁粉末液壓設(shè)備依次在4個準(zhǔn)則層、12個子準(zhǔn)則層進行相互比較，并構(gòu)建出判斷矩陣，見表4-—8。

完成一致性檢驗后，得到各指標(biāo)總權(quán)重及排序，見表9。根據(jù)表9可知，用戶對于四柱永磁粉末液壓設(shè)備的安全可靠最為重視，其次是人機工程、生產(chǎn)成本，外部形象。在安全可靠方面承受力的比重最大，人機工程方面對人機尺寸最為看重，生產(chǎn)成本方面物料成本的占比最大，而外部形象方面則是外觀造型最重要。

表4 目標(biāo)層的判斷矩陣

Tab.4 Judgment matrix of target layer E

表5 外部形象下的子準(zhǔn)則判斷矩陣

Tab.5 Sub-criterion judgment matrix under external image

表6 生產(chǎn)成本下的子準(zhǔn)則判斷矩陣

Tab.6 Sub-criterion judgment matrix under production cost

表7 人機工程下的子準(zhǔn)則判斷矩陣

Tab.7 Sub-criterion judgement matrix in ergonomics

表8 安全可靠下的子準(zhǔn)則判斷矩陣

Tab.8 Sub-criterion judgement matrix under safety and reliability

綜上可見，用戶所希望的四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計應(yīng)具有更高的安全可靠性，應(yīng)合理設(shè)置報警提示和保護機制從而保證用戶操作安全，避免產(chǎn)生安全事故；在人機工程方面，用戶希望在控制面板、儲物箱與把手設(shè)計、控制面板按鈕布局等部位要符合使用邏輯并充分考慮人體尺寸、最佳觀察范圍、作業(yè)區(qū)域、高度人手操作范圍；在生產(chǎn)成本方面，應(yīng)避免造型過于復(fù)雜，增加生產(chǎn)成本，影響后期生產(chǎn)制造。

3.3 四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計方案實踐

某智能液壓設(shè)備制造企業(yè)對其現(xiàn)有的四柱永磁粉末液壓設(shè)備進行了迭代升級。提取四柱永磁粉末液壓設(shè)備產(chǎn)品基礎(chǔ)元素特征，運用轉(zhuǎn)折、倒角等形態(tài)設(shè)計方法，并結(jié)合上述各級指標(biāo)權(quán)重分析結(jié)果進行方案設(shè)計，使四柱永磁粉末液壓設(shè)備的設(shè)計在保證基本產(chǎn)品功能屬性的前提下提高了產(chǎn)品競爭力。使用Rhino三維設(shè)計軟件及Keyshot軟件進行效果圖制作，最后得到備選方案D1、方案D2、方案D3，組成方案層（），方案整體符合機械裝備設(shè)計的屬性和要求[15]，見圖4。

表9 各級子指標(biāo)最終權(quán)重結(jié)果及排序

1）方案D1整體以長方體為造型基礎(chǔ)形態(tài)，多斜切轉(zhuǎn)折，彰顯直線條的設(shè)計語言。整體風(fēng)格方正硬朗，簡潔有力。配色上采用淺灰色的主機身搭配少量的黑色。整體造型采用傳統(tǒng)的三段式分割。操作面板呈垂直設(shè)計，未進行按鍵功能分區(qū)。活動作業(yè)區(qū)域設(shè)置有警示標(biāo)志。

2）方案D2整體以直面、斜角、微圓角為設(shè)計元素。整體風(fēng)格板正統(tǒng)一，塑造一種硬朗中略帶圓潤的設(shè)計風(fēng)格。頂部采用圍欄設(shè)計。工作活動部位設(shè)置警示條，顯眼部位增加警示燈光。涂裝上采用簡潔的白色搭配品牌標(biāo)準(zhǔn)色藍色線型涂裝。操作面板具有一定的傾斜角度，對按鈕進行功能分區(qū)，將常用按鈕放大并放置在顯眼區(qū)域。

3）方案D3整體以大圓角、包裹性切割為設(shè)計元素，塑造了一種現(xiàn)代簡潔的設(shè)計風(fēng)格。頂部油泵部分被整體包裹。配色上主色為黑、白色，藍色線型涂裝作為裝飾線條。操作面板有一定傾斜角度，操作按鈕進行顏色分區(qū)。在活動作業(yè)部分未設(shè)置提示標(biāo)志。

3.4 TOPSIS方案評價結(jié)果的計算

為了保證優(yōu)選方案的準(zhǔn)確性，邀請10位行業(yè)專家（包括相關(guān)企業(yè)高層管理3人、工業(yè)設(shè)計專業(yè)教授3人、潛在購買方2人、相關(guān)企業(yè)高級工程師2人）對3個設(shè)計方案的12項子指標(biāo)采用1～10標(biāo)度法進行評分（其中效益型指標(biāo)1～3分表示為很不合格、3～5分表示不合格、5～6分表示為良好、6～8分表示為優(yōu)秀、8～10表示為非常優(yōu)秀。成本型指標(biāo)1～3分表示為非常優(yōu)秀、3～5分表示為優(yōu)秀、5～6分表示為良好、6～8分表示為不合格、8～10分表示為很不合格）將打分結(jié)果計算出的算術(shù)平均數(shù)作為最終方案綜合評價表，見表10。

圖4 四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計方案層D

表10 各子指標(biāo)專家方案綜合評價表

Tab.10 Comprehensive evaluation form of each sub-indicator expert solution

1）根據(jù)上表構(gòu)建判斷矩陣并標(biāo)準(zhǔn)化后得

2）計算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

3）方案排序

由于評價指標(biāo)中既有效益型指標(biāo)又有成本型指標(biāo)，所以先確定指標(biāo)的屬性，然后通過式（5）—（6）計算得到所有指標(biāo)的理想解。

最終各方案標(biāo)準(zhǔn)化后的得分，見表11。

表11 方案綜合得分

Tab.11 Comprehensive score of solutions

由表11可知，最終方案排序為D2>D1>D3。因此可以確定方案D2為四柱永磁粉末液壓設(shè)備最優(yōu)選設(shè)計方案。

4 結(jié)論

本次研究首先通過問卷調(diào)研、行業(yè)專家意見指導(dǎo)建立了智能液壓設(shè)備設(shè)計評價指標(biāo)體系，提出了基于AHP-TOPSIS方法的設(shè)計方案評價流程。通過實際案例的應(yīng)用可知，兩種定性定量的研究方法能有效降低了四柱永磁粉末液壓設(shè)備設(shè)計評價中要素復(fù)雜、要素關(guān)系難以判斷、難以量化分析帶來的不利影響，降低了方案選擇過程中人為的主觀性影響，提高了智能液壓設(shè)備設(shè)計評價的客觀性和有效性。文中在確定各指標(biāo)權(quán)重過程中，以及人為主觀性問題上的研究仍然不足，在后續(xù)的研究中還需擴大樣本數(shù)量，在四柱永磁粉末液壓設(shè)備實際轉(zhuǎn)化應(yīng)用中，展開進一步的優(yōu)化與研究。

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Evaluation of Intelligent Hydraulic Equipment Design Based on AHP-TOPSIS Method

LI Ze-hong1a, ZHANG Ling-yu1b, HU Die2, LUO Huai-Lin1b, ZHENG Qiao-yu1a, CHEN Xin-yue1a

(1. a. School of Mechanical Engineering b. University Key Laboratory of Process Equipment and Control Engineering of Sichuan Province, Sichuan University of Science & Engineering, Sichuan Yibin 644000, China; 2. School of Fine Arts and Design, Xihua University, Chengdu 610039, China)

The work aims to select the optimal design solution to solve the problem of subjective and one-sided evaluation of intelligent hydraulic equipment design solutions. According to the questionnaire research and experts' opinions, evaluation indicators of intelligent hydraulic equipment were initially constructed and the evaluation model of intelligent hydraulic equipment design scheme was established. 4 criterion layer indicators and 12 sub-criterion layer indicators were constructed through Analytic Hierarchy Process (AHP). The final weight result and ranking of different indicators were obtained through calculation. Finally, the design solution of 3 types of four-column permanent magnet powder hydraulic equipment was evaluated through TOPSIS. The ranking of proximity degree was obtained through calculation to determine the optimal solution. The combined qualitative and quantitative evaluation method of AHP-TOPSIS is used to evaluate the four-column permanent magnetic powder hydraulic equipment design solutions that best meet the needs of enterprises, and to provide reference for the design practice and evaluation of four-column permanent magnetic powder hydraulic equipment and similar intelligent hydraulic equipment.

industrial design; intelligent hydraulic equipment; four-column permanent magnet powder hydraulic equipment; AHP-TOPSIS; design evaluation

TB472

A

1001-3563(2023)14-0083-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.008

2023–02–01

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金項目（GK201913）；產(chǎn)學(xué)研基金項目（E10204788）

李澤宏（1997—），男，碩士，主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、設(shè)計工具。

張玲玉（1972—），女，碩士，教授，主要研究方向為用戶體驗、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。

責(zé)任編輯：藍英僑