產品概念設計可制造性評價方法研究

劉國昌，茍秉宸

西北工業大學 工業設計研究所，西安 710072

產品概念設計可制造性評價方法研究

劉國昌，茍秉宸

西北工業大學 工業設計研究所，西安 710072

作為客戶需求與產品詳細設計的中間內容，產品概念設計很大程度上決定了可制造性特性。而概念設計中的工業設計信息很大程度上決定了產品概念設計可制造性。并且其涉及多種復雜信息的處理。對這些因素的處理是產品概念設計可制造性評價中的重點和難點，也是科學有效地評價和決策產品概念設計方案必須面對和解決的關鍵問題[1]。

近年來，針對制造系統的各個領域，相關人員進行了大量的可制造性評價研究，如文獻[2]采用可沖壓性評價編碼的方法，對沖壓零件的沖壓工藝性進行評價，給出了沖壓工藝性評價的評價流程圖，并構建了相應的評價原理圖。文獻[3]通過產品的數字化模型，利用幾何推理法，研究了粉末冶金產品的可制造性評價方法。文獻[4]對注塑及鈑金成型件的可制造性評價進行了研究，其按照零件的工藝路線，并在知識數據庫的支持下，按照定量評價和定性評價兩個不同的層次，依次進行可制造性評價[2]。文獻[5]針對飛機葉片的信息模型和制造資源能力模型，運用匹配度算法判斷在一定制造環境下的葉片零件可制造性，并采用層次分析法對葉片制造設備進行綜合評判，從而對葉片零件的可制造性進行評價。

以上研究是在不同時期不同應用領域進行的可制造性評價的研究，但由于這些評價方法面向對象的狹隘性，使得這些評價方法適用性較差。本文將針對產品概念設計階段的工業設計特點，并結合工業設計不同階段的特性，建立合理的基于工業設計信息的產品概念設計可制造性評價模型，研究基于工業設計的概念設計可制造性評價方法，從而合理地評價產品概念設計可制造性，并指導產品概念設計。

1 產品設計方案多樣化及其可制造性評價體系

1.1 設計方案多樣化

圖1 概念設計需求域到設計方案的映射

在概念設計的客戶需求往往是多種不同形式的需求的組合，即需求集，需求集中各個元素之間存在“或”或“與”的聯系，設概念設計需求域X的兩個元素分別為α和β，那么它們在產品功能原理設計域Y中的組合體的解釋由以下集合運算決定[6]：

同樣，從功能原理設計域Y到設計方案域Z也存在上述關系。因此，設計需求集產生不同的產品功能原理組合集，進而產生不同的產品概念設計方案集[7]。

1.2 概念設計可制造性的多屬性評價體系

本文把可制造性定義為：在給定制造資源的條件下，對產品概念設計工業設計因素所具備的制造可能性的評估與優化。

產品概念設計包含多重屬性，工業設計階段是產品可制造性的決定階段，而工業設計主要分為形態結構、表面材質、人機布局、色彩涂裝等幾個屬性，各屬性之間的相互作用構成了設計方案可制造性評價的多屬性體系。如表1所示。

每一個產品概念設計方案集都凝聚了設計師的辛勤的汗水，產品概念設計的評價因素和產品的種類有密切的關系。有些產品如家居設計，人機設計的屬性權重就要大一些，而機械產品形態結構屬性權重反而會大一些。所以各個屬性的權重隨著不同的產品類別不同，也存在著產異性。

產品概念設計是從客戶需求到產品概念創新的復雜映射過程。產品設計方案的多樣化和產品概念設計工業設計階段的復雜化，使得概念設計可制造性評價涉及因素廣泛且關系復雜，因而需要針對多種條件進行評價和決策，以獲取一定制造資源條件下綜合性能最優良的方案。常見的評價系統由專家主觀賦值得到屬性權重，然而由于專家經驗、背景、教育程度的不同使得其評價具有主觀性強等缺陷，因此將專家權重系數引入多屬性決策中，增強多屬性決策方法的客觀性和有效性，繼而為產品概念設計可制造性評價提供一種新的有效的決策方法。

2 基于判斷矩陣信息的多屬性決策

對于多屬性群決策中的屬性和專家賦權問題，鑒于專家對于屬性的權重信息和專家權重信息完全蘊含在專家給出的矩陣中，故應充分挖掘判斷矩陣的特征信息進行賦值，從而既獲得專家對于屬性的權重，又通過比較判斷矩陣或者權重的質量獲得專家權重[8]。

基于判斷矩陣信息的語言多屬性決策方法主要分為兩步：首先是專家對評價體系的各個屬性進行賦權；然后確定各個專家的個體可信度權值。以上兩個步驟均基于專家給出的判斷矩陣。并采用客觀賦權進行。

表1 面向產品可制造性的評價體系

2.1 屬性賦權

假設設計方案集N={N1，N2，… ，Nm}、屬性集 P={P1，P2，…， Pm}、規范化的矩陣為R=(rij)m×n，問題的屬性權重未知。同時聘請專家采用9級評分的方法，分別對各個屬性進行兩兩比較，得到判斷矩陣。專家Ek給出的判斷矩陣為A(k)(k =1，2，…，K )，由判斷矩陣得到的屬性權重：

獨立考慮各個專家給出的判斷矩陣。當判斷矩陣滿足一致性要求的時候，認為aijwj=wi。但由于專家認識的局限性和實物的客觀復雜性，專家給出的判斷矩陣一般不會滿足一致性要求。因此期望由判斷矩陣A(k)得到屬性權重：

構造拉格朗日函數得：

然后對wi和λ求偏導數，得到方程組為：

用矩陣形式表示為：

Q=(qij)是n+1階方陣：

易知矩陣Q=(qij)可逆，故解為 X=Q-1P，所以 X的前n個分量就是由專家Ek的判斷矩陣計算得出的屬性權重wk[11]。

2.2 專家賦權

在給定專家進行賦權的時候，應從專家給出的判斷矩陣的一致性程度進行考慮，一般認為，判斷矩陣的一致性越好，該專家的屬性權重的判斷矩陣的可信度就越高。專家的判斷矩陣的一般形式為：

那么如何提取專家的全部判斷信息呢?根據參考文獻[12]的定理，對一個n階判斷矩陣Ak，最多可以提取出一致性專家判斷矩陣的個數是nn-2個。針對提取的專家一致性判斷矩陣，本文采用以下方法確定專家的權重值。

其中，psi表示根據第s個排序方案得到的第i個方案在整個排序中所處的位置[13]。

易知，權重次序函數：

由以上可知：

該專家給出的判斷矩陣的偏移度為：

式中M為n階矩陣的最大偏移度。其中：

于是得到專家的個體的一致性程度為Sk=1-Pk，Sk反映了該專家的一致性程度，其值越大，說明這位專家判斷的一致性越高，則專家Ek相對權重值為：

2.3 評價實施方法

步驟1利用式（4）由判斷矩陣得出各個專家的屬性權重wk(k=1，2，…，K)。

步驟2利用式（5）和（6）得出專家權重ξk(k=1，2，…，K)。

步驟3利用線性加權法結合屬性信息，得到專家對于某一方案Ni的判斷結果，記為Nki，且：

步驟4利用線性加權法得到方案的最終排序結果記為Ni，并且：

3 可制造性評價實例及分析

自行車租賃系統通過便捷的操作和時尚的外觀和綜合工藝性，通過物聯網技術完成不同機柜之間的數據交換，為市民提供服務。系統結構較為復雜，零部件種類和數量繁多，設計條件涉及面廣，約束關系復雜?，F選取4位專家從4個屬性對某一方案進行評價。屬性分別包含形態設計、人機布局、表面材質和色彩涂裝。得到了四位專家的判斷矩陣為：

步驟1由判斷矩陣計算屬性權重wk(k=1，2，3，4) 。由式（4）得到判斷矩陣的專家的屬性權重分別為：

步驟2計算每個專家的權重：

根據文中的方法得到M=8：

專家權重值為：

步驟3利用線性加權法集結屬性信息和專家信息，并選出最優方案。

易看出4個專家中有3個專家都認為屬性結構設計屬性最為重要，而人機設計屬性、環境保護屬性和需求設計屬性的重要性相對接近且比結構設計的重要性要小。由此分析：由專家E2，E3，E4得到的屬性權重較為一致；專家E2，E3，E4的權重系數應該接近且大于E1的權重。

從案例計算結果看，w2，w3，w4一致性較好，且結構相同，均顯示屬性1權重最大，容易看出專家權重ξ2，ξ3，ξ4數值接近，均大于ξ1。同時也容易看出專家E4的判斷矩陣一致性最好，可以看出本方法具有簡答明了且快捷有效的特點。

4 結束語

概念設計可制造性評價是一個多屬性的決策問題，在面對制造因素制約的前提條件下，評價專家的主觀判斷致使決策行為不一致。由于專家對某個實際問題的決策的判斷完全蘊含在其給出的判斷矩陣中，因此應該充分挖掘專家判斷矩陣信息，從而得到屬性權重和專家權重。本文利用一致性要求，提出了一種新的概念設計評價方法：挖掘專家判斷矩陣中的信息，得出專家權重，以得出最優方案。

[1]Herrmann C，Frad A，Luger T，et al.Integrating end-of-life evaluation in conceptual design[C]//Proceedings of the 2006 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment.Washington，DC，USA：IEEE，2006：245-250.

[2]張洪麗，郎偉鋒，李磊.沖壓零件工藝性評價的程序實現[J].山東交通學院學報，2003，11（3）.

[3]Dissinger T E，Magrab E B.Geometric reasoning for manufacturability evaluation-application to powder metallurgy[J]. Computer-Aided Design，2006，28（10）：783-794.

[4]Zhao Zuozhi，Shah J J.Domain independent shell for DFM and its application to sheet metal forming and injection molding[J].Computer-Aided Design，2005，37（9）：881-898.

[5]劉紅軍，莫蓉.面向航空發動機葉片的可制造性評價方法[J].計算機集成制造，2009，15（7）：1328-1335.

[6]Timothy J R.Fuzzy logic with engineering applications[M]. New York，USA：John Wiley&Sons，2004.

[7]方輝，譚建榮，殷國富，等.基于不確定語言多屬性決策的設計方案評價[J].計算機集成制造系統，2009，15（7）：1257-1269.

[8]張榮，劉思峰.一種基于判斷矩陣信息的多屬性群決策方法[J].系統工程與電子技術，2009，31（2）：373-375.

[9]張忠誠.多屬性決策問題的一種新方法[J].武漢理工大學學報，2006，28（4）：117-120.

[10]Chu A T W，Kalaba R E，Spingarm K.A comparison of two methods for determining the weights of belonging to fuzzy sets[J].Journal of Optimization Theory and Applications，1979，27（4）：531-538.

[11]徐玖平，吳巍.多屬性決策的理論與方法[M].北京：清華大學出版社，2006.

[12]梁樑，王國華.多專家判斷信息的一種聚類分析方法[J].系統工程理論方法應用，2003（3）：270-273.

[13]梁樑，熊立，王國華.一種群決策中專家客觀權重的確定方法[J].系統工程與電子技術，2005，27（4）：652-655.

LIU Guochang,GOU Bingchen

Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China

With the development of new product development,requirements of product performance and appearance of art are getting higher and higher.But concept design should not only reflect the artistic,it also should be consistent with the manufacture of industrial products features and use characteristics.It is believed that the manufacturability of product concept design is decided in the industrial design stage,and it builds a conceptual design evaluation system according to the industrial design factors.Manufacturability evaluation is a multi-layered,multi-attribute decision-making problem,and it establishes the conceptual design evaluation model,it is resolved based on the theoretical knowledge of the multi-attribute decision-making.

conceptual design;industrial design;multi-attribute decision making;judgment matrix;manufacturability evaluation

隨著新產品開發技術的發展，人們對產品使用性能和外觀藝術的要求越來越高。但概念設計不僅僅體現藝術性，更應符合工業產品的制造特點和使用特性。認為產品概念設計方案的可制造性決定于概念設計的工業設計階段，并針對工業設計因素建立概念設計評價體系。認為產品概念設計可制造性評價是一個多層次、多屬性的決策問題，建立概念設計評價模型，并基于多屬性決策的理論知識給予了解決。

概念設計；工業設計；多屬性決策；判斷矩陣；可制造性評價

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1206-0154

LIU Guochang,GOU Bingchen.Evaluation method of manufacturability for product concept design.Computer Engineering and Applications,2013,49（5）：55-58.

西北工業大學研究生創業種子基金（No.z2012031）。

劉國昌（1986—），男，碩士，研究方向為產品數字化設計與制造、人機設計與仿真技術；茍秉宸（1976—），男，博士，副教授，研究方向為數字化工業設計技術、人機設計與仿真技術、設計優化與設計工程。E-mail：shuiyunlanyi@gmail.com

2012-06-11

2012-08-31

1002-8331（2013）05-0055-04

CNKI出版日期：2012-10-31 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121031.0936.013.html