基于QFD技術的船舶設計決策方法

熊云峰，陳章蘭，袁紅莉

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

滿足船東需求是船舶設計工作的根本出發點，也是最終落腳點。“顧客 (船東)至上”是船舶設計者必須踐行的設計理念。所以，在開展船舶設計時，特別是在進行船舶設計方案決策時，必須從滿足船東的需求出發，從眾多可行方案中選擇出符合船東需求的最佳方案。而要實現這一目標，最有效的手段就是在進行設計決策時，要高度重視船東需求在船舶設計過程中的基礎性作用，進而建立恰當的決策分析模型，以使決策過程能充分體現“船東至上”的設計原則。

質量功能配置 (quality function deployment，QFD)是顧客驅動的產品設計方法，強調用戶需求在產品設計過程中的基礎性作用，是系統工程思想在產品設計過程中的具體應用，其目標是在產品設計階段實現顧客滿意。QFD技術的運用主要通過構建質量屋的方式來完成［1-5］。QFD技術目前在船舶設計決策領域還沒有公開的應用成果，但在其他產品設計中有很多成功的應用案例，如文獻 ［1-5］等。

基于此，本文針對船舶設計方案決策問題的特點，嘗試將QFD技術應用到船舶設計決策工作中來，利用QFD技術建立船舶設計決策質量屋，提出一種基于QFD技術的船舶設計決策方法，以實現對船舶設計方案進行科學的系統決策。

1 基于QFD技術的船舶設計決策思路與步驟

1.1 基本思路

基于QFD的船舶設計決策思路與流程如圖1所示。

圖1 船舶設計決策思路與流程Fig.1 The idea and process of the decision-making of ship design

1.2 具體步驟

1)船東需求分析并計算需求的權重

運用專家座談、船東訪談、調查研究等方法，確定船東的具體需求(設有n個需求，以xi表示，i=1，2，…，n)，然后運用層次分析法計算出船東需求的權重矩陣 α=［αi］1×n。

2)構建船舶設計決策指標體系

根據船型方案的特點，從眾多影響船舶設計質量特性的因素中挑選出具有代表性的質量特性指標(設代表性的指標有m個，以yj表示，j=1，2，…，m)，建立船舶設計決策的指標體系。

3)構建質量屋關系矩陣

首先，分析船東需求與設計決策指標之間關聯程度，并以相應的具體數值表示二者之間的關聯程度［2］(如表1所示)，構造船東需求與決策指標之間的關聯關系矩陣 A=［αij］n×m。

表1 船東需求與設計決策指標之間關聯程度的對應數值Tab.1 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and shipowner requirement

然后，逐一分析船舶設計決策指標之間的相關關系，并以相應的具體數值表示二者之間的關聯程度［2］(如表2所示)，且將某一決策指標與其自身的自相關關系定義為1，則可構造決策指標之間的自相關矩陣 B=［bij］m×n。

表2 設計決策指標之間關聯程度的對應數值Tab.2 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and the decision-making index

在具體構建關系矩陣的過程中，為了提高所構建關系矩陣的準確性，可請若干專家按上述方法參與評價并給出具體的數值，然后進行算數平均得到相應的最終關聯數值。例如，若有10位專家給出某一船東需求與某一決策指標之間的關聯數值總和為12，則二者最終的關聯數值就為1.2。

4)計算設計決策指標權重向量ω

首先，根據矩陣A和B按式(1)可得到修正后的關聯矩陣C:

然后，按式(2)可計算出船舶設計決策指標權重矩陣β，

最后，對β進行歸一化處理，得設計決策指標權重向量 ω［3］，

5)構造決策指標矩陣i

設有s個決策對象(船型方案)，每個決策對象有m個決策指標，則有決策對象集合U=［Uk］，決策指標集合V=［Vj］，djk表示第k個決策對象Uk的第 j個評價指標 Vj的值(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)，則決策指標矩陣 D=［djk］m×s。

6)規范化決策指標矩陣

由于決策指標的物理意義不同，導致相互之間通常具有不同的量綱，而且數值的數量級相差懸殊。因此，為了消除評判指標對方案決策帶來的不利影響，需對數據進行規范化處理。處理方法為:

經規范化處理后決策指標矩陣

7)構建加權決策指標矩陣

式中:fjk= ωj× ejk，(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)。

8)綜合設計決策

在對指標值無量綱化后，就可以將信息熵原理中的“指標”看作是“方案”、 “方案”看作是“指標”，這樣處理后，最后求得的“指標”熵值實質就是方案的重要度。因此，可以應用信息熵原理，構建如式(7)所示的綜合決策模型［6-7］:

根據向量R，可作出決策:R中rk的值越大，表明所對應的決策對象的綜合性能越好;R中rk的值越小，表明所對應決策對象的綜合性能越差。即rk值大者為優，rk值小者為劣。

2 方法應用

1)QFD團隊根據上述步驟1確定質量屋中的顧客需求分別為:適用性好(x1)、經濟性好(x2)、安全可靠(x3)、先進美觀(x4)4項需求;

2)QFD團隊根據上述步驟1確定質量屋中的決策指標有:航速(y1)、穩性(y2)、耐波性指數(y3)、操縱性(y4)、凈現值(y5)、必要運費率(y6)、船舶造價(y7)、噪聲指數(y8)、船型成熟度(y9)等9項。

運用層次分析法［6］，獲取顧客需求的權重向量:3)QFD團隊根據上述步驟3，確定船東需求與設計指標之間的關聯關系矩陣、設計指標之間的自相關矩陣(如表3所示)。然后，按式(1)～式(3)計算可得設計決策指標的權重(具體結果見表3中的最后一行)。

表3 船舶設計決策質量屋Tab.3 The house of quality of the decision-making of ship design

4)船舶設計決策

以4艘油船設計方案為決策對象，其9項決策指標值如表4 所示［8］。

表4 四艘油船設計方案的決策指標值Tab.4 The data of the decision-making index

根據上述步驟5～步驟7，可得決策指標矩陣D、規范化決策指標矩陣E及加權決策指標矩陣F:

然后，按式(7)計算可得

比較R中各元素的大小，得到船型方案的排序結果為:d2＞d3＞d1＞d4，最優船型方案為方案2。

3 結語

本文運用QFD技術和信息熵原理，建立了一種新的船舶設計決策方法。該方法具有以下特點:

1)將QFD技術應用到船舶設計決策工作中來，利用QFD技術建立船舶設計決策質量屋，進而計算出了船舶設計決策指標的權重，使所得的權重充分地反映了船舶的需求作用，使決策過程充分體現了“船東至上”的設計理念。

2)運用信息熵原理，建立了基于QFD技術的船舶設計決策模型，很好地處理了多指標、多目標綜合評價問題。該方法計算過程簡單、實用性強。

3)雖然本文所舉的算例較為簡單，但本文所提的方法可以很容易推廣應用到其他更為復雜的多目標、多指標的船舶設計決策、船舶投資決策等決策工作中去，所不同的是僅僅增加了計算工作量。

雖然本文作了一些有益的探索，但所建立的船舶設計決策方法的科學性與實用性有待進一步研究，更有待實踐的進一步檢驗，這也是今后努力鉆研的方向。

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