基于AHP和灰色聚類決策的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化選擇方法研究

葉婷 劉常青

【摘 要】管路系統(tǒng)是復(fù)雜裝備的重要組成部分，關(guān)系到裝備是否可靠有效運(yùn)行，合理選擇管路設(shè)計(jì)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)裝備功能、性能的前提和基礎(chǔ)。針對(duì)管路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)參數(shù)選擇缺乏有效方法的問(wèn)題，提出了設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化選擇模型。首先確定了管路設(shè)計(jì)參數(shù)、決策原則和灰類，然后結(jié)合AHP和信息熵方法確定綜合權(quán)重，運(yùn)用灰色聚類決策判斷各設(shè)計(jì)參數(shù)屬于的灰類，最后以燃?xì)廨啓C(jī)燃油換向閥出口油管為案例說(shuō)明了設(shè)計(jì)參數(shù)選擇過(guò)程。分析結(jié)果表明方法有一定的合理性。

【關(guān)鍵詞】AHP 信息熵 灰色聚類決策

1 引言

裝備的管路系統(tǒng)連接裝備的各部件/附件，擔(dān)負(fù)著傳輸燃油、運(yùn)送滑油、通風(fēng)放氣等重要功能，是復(fù)雜裝備的重要組成部分。管路系統(tǒng)是否安全可靠工作直接關(guān)系到裝備可否正常運(yùn)行。而設(shè)計(jì)管路需要考慮的參數(shù)數(shù)量大、種類多，除了重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括：接口尺寸、管路通徑等）、性能參數(shù)（如：強(qiáng)度、剛性、振動(dòng)頻率等）外，還需考慮加工工藝、裝配工藝、可靠性、維修性、安全性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化等參數(shù)。出于可行性的考慮，不可能選擇所有參數(shù)進(jìn)行管路設(shè)計(jì)。若選擇的參數(shù)過(guò)多，無(wú)法有效突出主要參數(shù)、弱化次要參數(shù)，導(dǎo)致參數(shù)冗余，可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)偏差；反之，若設(shè)計(jì)參數(shù)選擇過(guò)少、不完整，致使設(shè)計(jì)參數(shù)缺失，不足以設(shè)計(jì)出符合要求的管路。因此，從眾多的參數(shù)中合理的選擇滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)至關(guān)重要。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，以下簡(jiǎn)稱：AHP）采用排序原理將研究對(duì)象排出優(yōu)劣次序，并對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行分析決策[1，2]。灰色聚類決策依據(jù)白化權(quán)函數(shù)將決策對(duì)象聚集成若干個(gè)灰類，進(jìn)而分析各決策對(duì)象的類別[3，4]。這兩個(gè)方法結(jié)合使用可解決本文待求問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化選擇模型

設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化選擇模型流程，第一步，確定待解決問(wèn)題的決策對(duì)象、決策指標(biāo)和決策對(duì)象需要區(qū)分的灰類。第二步，結(jié)合AHP和信息熵方法計(jì)算綜合權(quán)重η。首先，運(yùn)用AHP方法獲得決策指標(biāo)權(quán)重向量η1。①建立判斷矩陣O：決策者將決策指標(biāo)兩兩相對(duì)重要性進(jìn)行比較，比較尺度劃分為：絕對(duì)重要、頗為重要、重要、稍微重要、同等重要。在1～9的尺度下，通過(guò)專家評(píng)分，確定判斷矩陣O。②計(jì)算判斷矩陣O的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量。③對(duì)判斷矩陣O進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若通過(guò)則進(jìn)行步驟④，反之，返回步驟①，重新建立判斷矩陣。④對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，獲得決策指標(biāo)權(quán)重向量η1。其次，運(yùn)用信息熵方法獲得決策對(duì)象權(quán)重向量η2。①建立評(píng)價(jià)矩陣X：對(duì)決策對(duì)象關(guān)于決策指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分尺度劃分為：強(qiáng)關(guān)聯(lián)、稍強(qiáng)關(guān)聯(lián)、關(guān)聯(lián)、稍弱關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)（見(jiàn)表1）。在1～9的尺度下，通過(guò)專家評(píng)分，確定判斷矩陣X。②根據(jù)式（2）對(duì)評(píng)價(jià)矩陣X標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣X*。③依據(jù)式（3）計(jì)算信息熵Hj，依據(jù)式（4）得到?jīng)Q策對(duì)象權(quán)重向量η2。最后，根據(jù)式（5），獲得綜合權(quán)重向量η。

表1 1～9尺度的含義

3 案例分析

以某型燃?xì)廨啓C(jī)的換向閥出口油管為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化選擇過(guò)程。換向閥出口油管連接換向閥和燃油控制裝置回油管，用于傳輸高壓燃油，控制排氣裝置可調(diào)葉片開關(guān)。油管在燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行過(guò)程中起著非常重要的作用，需要保證油管的安全可靠工作。

參考GJB3816-1999，管路設(shè)計(jì)中一般考慮以下要求：（1）結(jié)構(gòu)方面：①滿足流量要求；②符合裝配要求；③滿足漏油量要求；④與相鄰件的距離合理。（2）性能方面：①滿足剛性要求；②符合強(qiáng)度要求；③避免共振。（3）可靠性維修性要求：①壽命長(zhǎng)；②平均故障間隔時(shí)間MTBF短；③維護(hù)工時(shí)短。（4）測(cè)試方面：①具有可測(cè)量環(huán)境；②測(cè)點(diǎn)可視可達(dá)。（5）加工工藝方面：①加工工時(shí)短；②焊縫等級(jí)滿足要求。（6）裝配工藝方面：①裝配工時(shí)短；②裝配應(yīng)力小。將以上16個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)確定為決策對(duì)象（見(jiàn)表2）。

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)列表

從上可知：MTBF、強(qiáng)度要求、管路通徑、漏油量、接頭尺寸、壽命、自振頻率為優(yōu)先選用的設(shè)計(jì)參數(shù)；剛性、裝配應(yīng)力值、焊縫等級(jí)為選用的設(shè)計(jì)參數(shù)；加工工時(shí)、測(cè)點(diǎn)環(huán)境、相鄰件距離、維護(hù)工時(shí)、裝配工時(shí)、可視可達(dá)為不建議選用參數(shù)。

4 結(jié)果與分析

表3列出了專家評(píng)分系統(tǒng)對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)重要度的評(píng)分結(jié)果。選擇重要度不小于4的設(shè)計(jì)參數(shù)為優(yōu)先選用參數(shù)；重要度為3的參數(shù)為選用參數(shù)，重要度不大于3的參數(shù)為不建議選用參數(shù)。分析表4可知：①通徑、接口尺寸、漏油量、振動(dòng)應(yīng)力值、自振頻率、平均故障間隔時(shí)間、壽命為優(yōu)先選用參數(shù)；②剛性、裝配應(yīng)力值、焊縫等級(jí)為選用參數(shù)；③相鄰件距離、維護(hù)工時(shí)、加工工時(shí)、裝配工時(shí)、測(cè)點(diǎn)環(huán)境、可視可達(dá)為不建議選用參數(shù)。可見(jiàn)，專家評(píng)分系統(tǒng)的結(jié)論與本文結(jié)果基本一致，說(shuō)明所提方法具有一定的合理性和有效性。

表3 各設(shè)計(jì)參數(shù)重要度

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