基于云模型的油料裝備產品族設計評價方法

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，王龍，尤楊

(后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311)

基于云模型的油料裝備產品族設計評價方法

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，王龍，尤楊

(后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311)

闡述了油料裝備產品族及其設計概念，在分析傳統油料裝備設計和油料裝備產品族設計的差異基礎上，從油料裝備產品族設計的技術性、軍事性和經濟性方面出發，建立了油料裝備產品族設計評價指標體系。根據定性指標和定量指標的特點，提出基于AHP－云模型的評價方法，克服了以往模糊評價法存在的不足。用某型油料裝備產品族的設計實例證明了該方法的有效性。

產品族;評價指標;云模型

未來戰場要求油料裝備必須具備超強靈活性、機動性和適應性，在戰時條件下要能在短時間內開發出滿足軍事需求和用戶需求的油料裝備。在這樣的背景下，進行油料裝備的大批量定制(mass customization，MC)［1］生產成為必然。在大批量定制生產模式下，油料裝備的開發已從原來的面向單型裝備轉為面向一族裝備，因此在設計階段也要面向一族裝備進行設計。產品族設計［2－4］作為大批量定制生產模式下的一種有效的設計方法在20世紀就得到了迅速發展［5］。

目前，針對產品族設計的原理和技術手段的研究成果在多個領域得到成功應用，如波音的空中飛機族設計。但是在產品族設計評價方面，國內開展的研究還不多。但斌［6］提出了評估產品族定制性綜合指數——GFR的定制度(customizabledegree，CD)。CD由效果指數、成本指數和影響指數組成，采用定制性綜合指數對產品族進行評價。單汨源等［7－8］結合項目管理績效評價(QCD)和產品族設計目標，從經濟性、敏捷性和個性化等方面建立產品族評價指標，并通過物元關聯模型對產品族設計進行評價。韋俊民等［9］提出了基于零部件幾何形態相似度、特征拓撲關系相似度和位置相似度的計算方法，以衡量產品族零部件之間的相似性。秦紅斌等［10］針對產品族核心平臺的技術性和經濟性2項指標提出平臺的通用性、效率和效益指標量化方法，以人為理想的指標向量為參考值，用灰色關聯度法得到待評價設計方案與理想方案指標關聯度。以上研究成果在產品族評價方面做出了重要貢獻，但是相關指標的建立主要考慮經濟性因素，很多諸如安全性、適用性等定性指標過多，評價方法有待完善。

油料裝備作為軍事用途的特殊產品，軍事效益大于經濟效益。其產品族評價的指標體系與民用產品的評價指標有所不同。綜合運用定量指標和定性指標進行評價，能提高評價結果的有效性。因此，建立油料裝備產品族設計評價指標體系，提出科學的評價方法具有十分重要的軍事意義。

1 油料裝備產品族設計評價指標體系的構建

傳統油料裝備設計在設計規劃階段是面向單型裝備的，設計出的產品具有離散化的性質，缺少裝備之間的聯系。油料裝備產品族設計在設計規劃階段就面向一族裝備進行設計，利用裝備之間物理結構、功能和工藝的相似性和通用性來減少裝備的內部多樣性［10］。二者之間的差異如表1所示。

表1 油料裝備產品族設計和傳統設計的差異

傳統油料裝備設計評價指標主要包括技術評價、經濟評價、環境評價、適應性評價［11］。本文針對產品族設計特點，建立油料裝備產品族設計評價指標體系，如圖1所示。

圖1 油料裝備產品族設計評價指標體系

1.1 定量指標的確定

油料裝備設計的組件通用性和零部件模塊化是衡量產品族設計最重要的特征。具有良好通用性和模塊化的裝備是實施大批量定制生產的前提。一般來說，模塊化粒度越細的裝備通用性越高，其可制造性越好，裝備的各模塊裝配也越容易。因此通用性、模塊化程度、可制造性、可裝配性指標是相互關聯的。

裝備模塊替換性指裝備中擁有的族內通用模塊［12－13］所占的比例。模塊替換性越高，代表該型裝備需要重新開發的個性模塊就越少，研發成本就越低，經濟效益就越好。模塊替換性計算公式為其中:Mc是通用模塊數量;Mu是需要重新設計的個性模塊數量。

組件通用性主要考慮油料裝備中通用零部件所占數量的百分比和零部件連接方式的相似性［12］。某型裝備的零部件與其他同族裝備具有相同的幾何特征、尺寸和材料，這樣的零部件就是通用零部件。應從一族裝備通用零部件之間的連接方式(接口形態、緊固連接件的類型和數量)和連接方法(焊接、法蘭、膠粘等)考慮零部件連接方式的相似性。零部件通用性的計算公式為

其中:Cc是裝備中通用零部件數量;Cu是非通用零部件數量;Lc是通用零部件之間的公共接口數量;Lu是通用零部件之間非公共接口數量;k41，k42是對應因素的權重。

可裝配性指標從裝配的次序、裝配的操作方法與裝配的定位方式角度分析，一般考慮模塊級或主要零部件級之間的可裝配性。類似可得到計算方法為

其中:Sc是通用裝配次序;Su是獨有的裝配次序; Hc是通用裝配方法;Hu是獨有的裝配方法;Dc是通用裝配定位方式;Du是獨有的裝配定位方式; k51，k52，k53是相應的因素權重。

可制造性指標考慮裝備零部件通用的加工工藝和工裝夾具(模具)的類型。計算方法為

其中:Pc是族內零部件通用加工工藝數量;Pu是該型裝備零部件獨有的加工工藝;Fc是通用工裝夾具的數量;Fu是非通用的工裝夾具數量;k61，k62是相應的因素權重。

1.2 定性指標的確定

技術性指標下的功能性是指能夠滿足用戶功能需求的程度。變型能力指該產品族設計能在未來適應用戶需求的能力。

軍事性指標下的可靠性指標主要考慮裝備工作的可靠程度;維修性考慮裝備維修時的難易程度和維修所耗時間的長短等因素，由專家根據自身經驗做出判定;機動性根據油料裝備能否在多樣、復雜的地形條件(如山地、叢林等)下機動進行評判，也可對比以往同族裝備使用情況進行評判;適應性主要考慮裝備對氣候變化、戰場環境變化等的適應性能力;操作性評判考慮裝備的系統智能化程度、是否易于人員操作，以及是否符合人機工程學要求等;偽裝效果的評判應對照偽裝方法類似的其他裝備，查閱相關資料進行判別;裝甲效果評判與偽裝效果評判類似;保障效能是指結合裝備的戰場定位、勤務需求等方面判定裝備的保障效果。

經濟性指標中的軍民通用性指標是指根據軍隊油料裝備發展規劃，結合地方民用設備進行通用性判定;時間成本考慮裝備的市場壽命周期;人力成本主要考慮研發裝備中的人工費用消耗;生產成本指研發總投資額度、制造成本等;材料利用率是指制造中的材料、能源消耗量等。

上述指標屬于定性指標，每個指標可用專家群體評分的方法，根據專家的喜好，用帶有模糊性的百分制數(如85等)、區間數(如［60，65］等)或定性語言值(如好、一般等)進行模糊評分。

2 基于云模型的油料裝備產品族設計評價

油料裝備產品族設計評價指標中存在無法用精確數值表示的定性指標，以往對有定性指標的評價問題主要采用模糊綜合評價法。模糊綜合評價采用最大隸屬度原則和模糊線性變換原理，以隸屬函數為媒介，量化具有模糊性的定性指標，從而運用經典數學的方法做出綜合評價。文獻［14］中對隸屬函數提出了質疑，指出隸屬度函數一旦被人為指定，問題模糊性就被強行抹去，模糊評價法無法反映評價問題存在的模糊性和隨機性［15］。

針對傳統的模糊評價方法存在的不足，本文以云模型代替隸屬函數表示定性指標，各指標權重采用層次分析法進行確定。

2.1 層次分析法

層次分析法(AHP)針對多目標決策問題，結合定量分析與定性分析，能科學地劃定各關聯要素的重要程度［16］。AHP根據多目標決策問題的特點，將問題所有因素分為目標層、準則層和方案層，采取1～9標度法對各元素之間相對重要程度進行比較，構造相對于上層元素的判斷矩陣。判斷矩陣的最大特征值對應的特征向量就是當前層元素的局部權重。為確保構造的判斷矩陣中重要度之間的協調性，必須對判斷矩陣進行一致性檢驗。一致性檢驗數C.R.＜0.1時，局部權重結果有效。方案層各指標的最終權重為方案層局部權重與準則層局部權重的乘積。

2.2 云模型

云模型是建立在模糊理論和概率統計理論基礎上，能夠表達定性概念和定量精確值之間模糊、隨機關聯關系的數學模型［15］。設U是一個由定量數值表示的論域，C是U上的定性概念，x∈U是C的一次隨機實現，而x對C的確定度μ(x)是一個具有穩定傾向的隨機數:μ(x):U→［0，1］?x∈U，那么在論域U上的分布稱為云模型［17］。云模型用3個數字特征:期望Ex、熵En和超熵He來反映定性概念C。期望Ex是論域空間U上最能代表定性概念C的數值;熵En是概念C的不確定程度;超熵He表示熵的不確定性，是云形狀的離散程度［18］。正態云模型在模糊概念的量化處理上具有普遍適用性［19］。云和云的加法運算［20］定義如下:

2.3 評價方法步驟

1)確定待評價裝備各指標的值。定量指標通過式(1)～(4)求得。定性指標需組織相關專家進行評審和模糊打分。運用AHP法求得設計評價指標I11～I35對應的權重為ω11～ω35。

2)根據評價指標，建立設計評價集對設計優劣進行模糊描述。本文采用符合人類評價思維習慣的黃金分割模型驅動法［21］對評價集建立云模型，劃分出5個評價等級:滿意、較滿意、一般、不滿意、極不滿意。各等級云模型數字特征見表2，相應的云模型見圖2。

表2 評價集云模型的數字特征

圖2 評價集云模型

3)建立各指標云模型。針對定性指標和定量指標，采用以下方法進行:

定量指標是精確的數值V1的轉換成云模型的數字特征為:Ex=V1，En=0，He= 0;定性指標中專家用帶有模糊性的百分制數V2評價，轉換成云模型的數字特征為:Ex=V2，En=5，He=0。

對于專家采用區間數［V1，V2］進行評分的定性指標，其指標云模型數字特征為

對于定性語言值評價的，采用云模型而不是模糊隸屬函數進行表示，能體現專家評價語言的模糊性和隨機性。本文采用文獻［22］中的取值。語言值與對應云模型的數字特征取值見表3，相應的云模型見圖3。

表3 語言值評價云模型數字特征

圖3 定性語言值云模型

4)進行評價指標的綜合，得到單一指標最終評價結果云和綜合評價結果云。由于N個專家評價喜好不同，采用前述方法將定性評價指標轉換成云模型，利用云加法運算，計算N個專家對單一指標評價云模型的平均值，即單一指標評價結果云模型。M個單一指標評價結果云利用綜合云算法［23］進行加權綜合，形成綜合評價結果云，與設計評價集云模型進行比較，判斷設計優劣。正態云模型中，虛擬云是依據某種目的將各基本云數字特征通過運算合成綜合云的過程。綜合云能顯示基本云群體作用的結果。假定綜合評價結果云(綜合云)為，指標評價結果云(基本云)，則綜合云算法為:

3 實例應用

某新型野戰群車加油車屬于加油車族。在實地調研、收集相關數據資料的基礎上，對該型裝備解構后，通過式(1)～(4)求得定量指標精確值: I13=0.863，I14=0.729，I15=0.77，I16=0.82，劃為百分制數為:I'13=86.3，I'14=72.9，I'15=77，I'16= 82。對應云為13=(86.3，0，0)，14=(72.9，0，0)，15=(77，0，0)，16=(82，0，0)。組織5名油料裝備領域專家進行評審，給出定性指標模糊分值。根據本文方法將5名專家對單一指標評分綜合成終評云模型，如表4所示。

圖4是可靠性指標I21專家評分云和終評結果云的對比，表明在處理模糊問題過程中，評價問題的模糊性通過云模型得到了繼承。

圖4 可靠性指標I21專家評分云和終評結果云

用AHP法確定指標權重，構造準則層判斷矩陣，如表5所示。方案層判斷矩陣如表6～8所示。

表4 定性指標模糊評分表

續表

表5 準則層I1～I3判斷矩陣

表6 方案層I11～I16判斷矩陣

表7 方案層I21～I28判斷矩陣

表8 方案層I31～I35判斷矩陣

圖5 綜合評價結果云

由圖5可知:加油車族中的某型野戰群加油車設計結果介于滿意和較滿意之間，評價結果云的期望Ext=82.99，即為綜合評分。不難看出:確定度比較大的得分介于80分到85分，也說明該型車設計是成功的。利用模糊綜合評價法［24－27］也得到了同樣的結論，說明了該方法的有效性。通過各指標的終評結果云還可得出今后該型裝備需要改進的方向，如圖6“x”形云是軍事性指標中的機動性終評結果云，其圖形基本與表示“一般”的評價云圖形重合，所以該型裝備機動性評價“一般”，是需要改進的。

圖6 機動性指標評價

4 結束語

油料裝備產品族設計利用了裝備之間物理結構、功能和工藝的相似性和通用性，在不降低外部車型多樣性的前提下，同時減少了裝備的內部零部件多樣性，提高了設計效率，縮短了制造周期，達到了快速響應未來戰爭勤務需求的目的。本文在對比傳統油料裝備設計和油料裝備產品族設計的差異的基礎上，考慮了油料裝備的軍事性需求，建立了適合于評價油料裝備產品族設計的指標體系。該方案將層次分析法與云模型相結合，綜合考慮定性指標與定量指標，對產品族的設計進行了科學、合理的評價，并通過實例驗證了該方法的有效性。

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(責任編輯 劉舸)

Evaluation Method for POL Equipment Product Family Design Based on Cloud Model

PU Jia－qi，CHEN Jun，QU De－gang，WANG Long，YOU Yang
(Department of Military Petroleum Supply Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Firstly，the concept of POL equipment product family(PF)and product family design (PFD)are illustrated in this paper.Evaluation index system for POL equipment PFD is put forward based on the analysis of difference between traditional design and PFD，and on considering characters of technical and military of POL equipment.According to qualitative and quantitative characteristics of index，evaluation method for POL equipment PFD based on combining analytic hierarchy process (AHP)and cloud model is put forward in this paper，avoiding the lack of fuzzy－evaluation.Finally，the effectiveness of this method is proved through the example of POL equipment PFD.

product family;evaluation index;cloud model

TP 393;TH122

A

1674－8425(2014)05－0107－08

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.021

2014－02－18

總后勤部資助基金(G14036904)

蒲家琦(1990—)，男，陜西武功人，碩士研究生，主要從事油料加注裝備與技術研究;陳軍(1965—)，男，教授，主要從事油料加注裝備與技術研究。

蒲家琦，陳軍，瞿德剛，等.基于云模型的油料裝備產品族設計評價方法［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(5):107－114.

format:PU Jia－qi，CHEN Jun，QU De－gang，et al.Evaluation Method for POL Equipment Product Family Design Based on Cloud Model［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):107－114.