基于制造成熟度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)研究*

王曉明 趙 武 陳 領(lǐng) 張 凱 于 淼 于澤源

四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 成都 610065

1 研究背景

制造風(fēng)險(xiǎn)是各企業(yè)在研制項(xiàng)目中存在的固有屬性,企業(yè)由于技術(shù)不成熟、生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定等不可控因素,可能對(duì)產(chǎn)品研發(fā)、成本、質(zhì)量等造成重大影響[1]。為了對(duì)產(chǎn)品制造風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期全面梳理影響產(chǎn)品研制過(guò)程的要素,建立制造能力評(píng)估機(jī)制。研究制造成熟度等級(jí)方案評(píng)價(jià)方法,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效評(píng)價(jià),能夠有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提升資源利用率。

目前,一些學(xué)者提出了針對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)方法。王海偉等[2]對(duì)產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)方案的指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理,引入信息熵對(duì)指標(biāo)權(quán)重的不確定性進(jìn)行描述,并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行排序,獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。王娟麗等[3]應(yīng)用質(zhì)量屋計(jì)算得到技術(shù)參數(shù)決策因數(shù),采用0-1整數(shù)規(guī)劃算法獲得顧客滿意度最大化的技術(shù)特性組合,構(gòu)建變速器產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法評(píng)價(jià)模型。Lin Mingchyuan等[4]通過(guò)集成層次分析法和逼近理想解排序法,進(jìn)行客戶需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)識(shí)別,完成對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)。高喜超等[5]構(gòu)建層次分析法-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法組合評(píng)價(jià)模型,在價(jià)值性、可持續(xù)性、獨(dú)特性三個(gè)維度上對(duì)生產(chǎn)制造與技術(shù)開發(fā)能力、計(jì)劃與組織能力等進(jìn)行了核心競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)。徐曉慧等[6]將機(jī)械產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)問(wèn)題描述為不完全多參數(shù)決策問(wèn)題,通過(guò)信息熵與有序加權(quán)平均算子,建立機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的決策方法。然而,以上研究沒(méi)有結(jié)合企業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況,不同企業(yè)由于自身特性不同,對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)結(jié)果是有差異的。尋求一種可以幫助企業(yè)有效評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案與企業(yè)自身的匹配度,管控制造風(fēng)險(xiǎn)的方法,顯得很有必要,并具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

筆者基于制造成熟度,將層次分析法、逼近理想解排序法、模糊集相結(jié)合,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),幫助制造企業(yè)分析設(shè)計(jì)方案與自身制造能力、資金、技術(shù)、設(shè)備、人員、管理等方面的匹配度,從而選出最佳的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)合理利用自身優(yōu)勢(shì),規(guī)避自身短板,降低制造風(fēng)險(xiǎn),獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 制造成熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)

制造成熟度是評(píng)價(jià)制造能力是否成熟的一種度量手段,用于幫助項(xiàng)目研制人員評(píng)價(jià)整個(gè)制造體系的成熟度,避免不成熟的制造能力被采用,從而降低所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[7]。制造成熟度作為一種新的工具,被應(yīng)用于企業(yè)項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)管理環(huán)節(jié)中,最大限度滿足技術(shù)指標(biāo)要求,降低研制費(fèi)用,縮短研制周期[8]。

制造要素是制造成熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。筆者從用戶、企業(yè)、產(chǎn)品三個(gè)方面考慮,根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)劃分為質(zhì)量管理、成本、服務(wù)、生產(chǎn)設(shè)備、制造人員、供應(yīng)鏈管理、材料、設(shè)計(jì)、制造計(jì)劃九大制造要素。

制造成熟度評(píng)估能夠幫助項(xiàng)目研制人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段結(jié)束后及時(shí)從九大制造要素系統(tǒng)評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可能性。考慮到我國(guó)民營(yíng)企業(yè)開發(fā)新項(xiàng)目時(shí)規(guī)模小、承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)低、研發(fā)地點(diǎn)單一、不需要外部承包商等特點(diǎn),筆者提出一套適合我國(guó)民營(yíng)企業(yè)特色的制造成熟度評(píng)價(jià)方法,應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段結(jié)束后,評(píng)價(jià)產(chǎn)品的制造風(fēng)險(xiǎn)。

3 制造成熟度綜合評(píng)價(jià)方案

筆者將層次分析法、逼近理想解排序法、模糊集相結(jié)合,目標(biāo)是找出與企業(yè)最匹配的設(shè)計(jì)方案?；谥圃斐墒於鹊漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)屬性決策問(wèn)題,采用逼近理想解排序法能夠解決同一企業(yè)不同設(shè)計(jì)方案集的排序問(wèn)題。在這一優(yōu)化算法中,需要確定各個(gè)制造要素的影響因子權(quán)重,采用層次分析法能夠有效表達(dá)出每個(gè)影響因子對(duì)于最終制造成熟度判斷的權(quán)重[9-10]。在逼近理想解排序法的使用過(guò)程中,還需要判斷不同候選方案的影響因子與最優(yōu)影響因子、最差影響因子的差異,采用模糊集表示[11],最終將離最優(yōu)理想解最近,離最差理想解最遠(yuǎn)的候選方案作為最佳方案。

4 基于層次分析法的制造要素評(píng)價(jià)算法

制造要素F包含面向用戶的制造要素F1、面向企業(yè)的制造要素F2、面向產(chǎn)品的制造要素F3。將F1、F2、F3稱為一級(jí)影響因子,對(duì)一級(jí)影響因子產(chǎn)生影響的質(zhì)量管理I1、成本I2、服務(wù)I3、生產(chǎn)設(shè)備I4、制造人員I5、供應(yīng)鏈管理I6、材料I7、設(shè)計(jì)I8、制造計(jì)劃I9稱為二級(jí)影響因子。要得到匹配度值M,需要得到二級(jí)影響因子及其權(quán)重,根據(jù)二級(jí)影響因子求得一級(jí)影響因子及其權(quán)重,最后求得匹配度值M。顯然,這是一個(gè)多屬性決策問(wèn)題。為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,采用層次分析法計(jì)算出各個(gè)二級(jí)影響因子對(duì)于匹配度值M的影響重要程度,定義為權(quán)重。

計(jì)算各個(gè)制造要素的權(quán)重,主要操作步驟有四步。

(1) 建立制造要素層次結(jié)構(gòu)。層次分析法的基本特征是具有從屬關(guān)系的等級(jí)層次結(jié)構(gòu),制造要素層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

▲圖1 制造要素層次結(jié)構(gòu)模型

(2) 構(gòu)造判斷矩陣?；谄ヅ涠戎礛與一級(jí)影響因子的相互關(guān)系,構(gòu)造判斷矩陣,如圖2所示,反映了制造要素一級(jí)影響因子相對(duì)于匹配度值M的重要度值。

▲圖2 匹配度值M與一級(jí)影響因子關(guān)系判斷矩陣

基于一級(jí)影響因子與二級(jí)影響因子的相互關(guān)系,構(gòu)造判斷矩陣,分別如圖3、圖4、圖5所示。

▲圖3 面向用戶制造要素與二級(jí)影響因子關(guān)系判斷矩陣

▲圖4 面向企業(yè)制造要素與二級(jí)影響因子關(guān)系判斷矩陣▲圖5 面向產(chǎn)品制造要素與二級(jí)影響因子關(guān)系判斷矩陣

判斷矩陣中元素具有以下性質(zhì):xij>0;xij=1(i=j);xij=1/xji(i≠j)。

為了使制造要素與影響因子之間的關(guān)系量化,需要對(duì)xij進(jìn)行賦值。判斷矩陣賦值見表1。

表1 判斷矩陣賦值

(3) 一致性檢驗(yàn)。計(jì)算判斷矩陣的特征值,求出最大特征值λmax,由此得到一致性因數(shù)CI為:

(1)

式中:n為矩陣的階數(shù)。

對(duì)于不同階數(shù)判斷矩陣的一致性,需要引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI,取值見表2。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值

隨機(jī)一致性比率CR為:

CR=CI/RI

(2)

當(dāng)CR小于0.1時(shí),即可認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。

(4) 層次排序。層次單排序指根據(jù)判斷矩陣計(jì)算本層次對(duì)于上一層影響因子的重要性次序權(quán)值,表征本層次對(duì)于上一層次需求信息的重要度。

XW=λmaxwm

(3)

式中:X為判斷矩陣;W為對(duì)應(yīng)于λmax的歸一化特征矢量;wm為W的分量,即對(duì)應(yīng)一級(jí)影響因子單排序的權(quán)值,m=1,2,3。

筆者計(jì)算一級(jí)影響因子Fm對(duì)于匹配度值M的重要度權(quán)重wMFm,并計(jì)算二級(jí)影響因子Ij對(duì)于一級(jí)影響因子Fm的重要度權(quán)重wFmIj,得到各個(gè)層次重要度權(quán)重。將各個(gè)二級(jí)影響因子Ij對(duì)于一級(jí)影響因子Fm的重要度權(quán)重乘以一級(jí)影響因子Fm對(duì)于匹配度值M的重要度權(quán)重,就能得到各個(gè)二級(jí)影響因子Ij對(duì)于匹配度值M的重要度權(quán)重ωj:

ωj=wMFmwFmIj

(4)

通過(guò)層次排序得到的制造要素影響權(quán)重能夠客觀反映各影響因子與制造要素之間的真實(shí)情況,從而為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策提供科學(xué)的理論依據(jù)。

5 基于模糊集的制造成熟度表示方法

定義模糊集為A,是非空集合U中的一對(duì)隸屬函數(shù),由tA和fA表示。其中,tA為真隸屬函數(shù),fA為假隸屬函數(shù)。

tA:U→[0,1]

fA:U→[0,1]

設(shè)任意z∈U,要求tA(z)+fA(z)≤1,0≤tA(z)≤1,0≤fA(z)≤1。其中,tA(z)為支持z∈A的證據(jù)隸屬度下界,即為與最優(yōu)理想解的距離;fA(z)為反對(duì)z∈A的證據(jù)隸屬度下界,即為與最差理想解的距離;1-tA(z)-fA(z)為z對(duì)于A的未知程度,稱為棄權(quán)程度πA(z)。

以閉區(qū)間的形式定義模糊集A在任意z處的模糊集值為[tA(z),1-fA(z)],模糊集A能夠同時(shí)表示與最優(yōu)理想解、最差理想解的距離。

采用模糊集可以全面表達(dá)不同方案對(duì)于每一個(gè)制造要素影響因子的優(yōu)劣程度。

在確定制造要素的制造成熟度等級(jí)過(guò)程中,需要企業(yè)結(jié)合自身情況組建評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)。為了增強(qiáng)評(píng)審的可信度,評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該保持一定的獨(dú)立性。評(píng)審專家由項(xiàng)目發(fā)起者、企業(yè)決策管理者、技術(shù)和工藝專家,以及在制造工程、質(zhì)量管理、供應(yīng)鏈管理、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方面有很深造詣的專家組成。評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)評(píng)審設(shè)計(jì)方案,并到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行評(píng)審,在制造要素的制造成熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上,判斷制造要素的等級(jí)。這一過(guò)程需要保證不同專家有不同觀點(diǎn),因?yàn)椴煌瑢＜覐牟煌慕嵌瓤创u(píng)審對(duì)象。最終通過(guò)評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)會(huì)議討論,由決策者宣布制造要素的制造成熟度等級(jí)。

在確定制造要素的制造成熟度等級(jí)后,為了便于計(jì)算,將等級(jí)轉(zhuǎn)換為模糊集值。將制造成熟度等級(jí)10級(jí)定義為最理想情況,模糊集值為[1,1]。取制造成熟度等級(jí)5級(jí)為中間值,模糊集值為[0.5,0.5]。制造成熟度等級(jí)1～4與6～9均勻?qū)ΨQ分布。制造成熟度等級(jí)轉(zhuǎn)換為模糊集值見表3。

表3 制造成熟度等級(jí)模糊集值

6 基于逼近理想解排序法的制造成熟度評(píng)價(jià)方法

逼近理想解排序法的核心是計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)理想解的距離D+,以及與最差理想解的距離D-,再計(jì)算制造要素評(píng)價(jià)指標(biāo),也就是匹配度值M。九大制造要素的制造成熟度是評(píng)價(jià)對(duì)象,最優(yōu)理想解指制造成熟度處于最高等級(jí),最差理想解指制造成熟度處于最低等級(jí),對(duì)多個(gè)備選方案進(jìn)行逼近理想解排序,從而選出制造成熟度等級(jí)最高的方案。

(1) 建立最優(yōu)W理想解和最差理想解。假設(shè)第h個(gè)備選設(shè)計(jì)方案為Bh,二級(jí)影響因子Ihj的模糊集值為[thj,1-fhj],其中,thj為二級(jí)影響因子Inj的模糊集值上界,1-fhj為二級(jí)影響因子Inj的模糊集值下界,備選設(shè)計(jì)方案Bh二級(jí)影響因子Ihj的特征由模糊集表示為:

Bh={[th1,1-fh1],[th2,1-fh2],…,[th9,1-fh9]}

構(gòu)造影響因子最優(yōu)理想解方案B+為:

B+={[1,1],[1,1],…,[1,1]}

構(gòu)造影響因子最差理想解方案B-為:

B-={[0,0],[0,0],…,[0,0]}

(5)

(6)

由此得到距離量度D為:

D([thj,1-fhj],[1,1])=

(7)

D([thj,1-fhj],[0,0])=

(8)

(3) 計(jì)算方案Bh的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,可以得到方案Bh的評(píng)價(jià)指標(biāo),定義為方案與企業(yè)的匹配度值Mh。

(9)

根據(jù)匹配度值的大小排序,匹配度值越大,對(duì)應(yīng)的方案就越好。

7 制造成熟度方案綜合評(píng)價(jià)模型

將層次分析法、逼近理想解排序法、模糊集相結(jié)合,在量化評(píng)價(jià)制造成熟度的同時(shí),也對(duì)評(píng)價(jià)方法的使用模型做出歸納總結(jié)。制造成熟度方案評(píng)價(jià)流程如圖6所示。

▲圖6 制造成熟度方案評(píng)價(jià)流程

制造成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)完成之后,通過(guò)計(jì)算最終匹配度值,比較各個(gè)方案匹配度值的大小,并進(jìn)行排序。若負(fù)責(zé)人滿意,則選擇匹配度值最大的方案作為最優(yōu)方案。若負(fù)責(zé)人不滿意,則進(jìn)行改進(jìn)。制造成熟度方案綜合評(píng)價(jià)模型是一個(gè)循環(huán)優(yōu)化的過(guò)程,直到最終設(shè)計(jì)出令企業(yè)自身和項(xiàng)目決策者都滿意的方案為止。

8 電子水泵制造成熟度方案綜合評(píng)價(jià)

筆者結(jié)合電子水泵的制造要素特征進(jìn)行制造成熟度方案綜合評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)對(duì)象為某新能源汽車企業(yè)生產(chǎn)的電子水泵。結(jié)合企業(yè)自身現(xiàn)狀,經(jīng)過(guò)一系列調(diào)研,最終設(shè)計(jì)出兩套新能源汽車電子水泵制造方案。歸納兩套制造方案之間的不同點(diǎn)與相同點(diǎn),見表4。

表4 電子水泵制造方案對(duì)比

(1) 獲取電子水泵制造成熟度的重要度權(quán)重。采用層次分析法對(duì)電子水泵進(jìn)行分析處理,確定三個(gè)層次制造要素信息之間的關(guān)系,對(duì)一級(jí)影響因子與匹配度值建立一個(gè)3階判斷矩陣,對(duì)二級(jí)影響因子與一級(jí)影響因子建立三個(gè)3階判斷矩陣。依據(jù)對(duì)各層次信息之間重要程度的分析,得出相應(yīng)的數(shù)值,建立各層次的判斷矩陣。

電子水泵一級(jí)影響因子與匹配度值的判斷矩陣HM為:

電子水泵二級(jí)影響因子與一級(jí)影響因子的判斷矩陣HF1、HF2、HF3為:

通過(guò)對(duì)上述判斷矩陣的求解,可以得到電子水泵制造要素信息的層次單排序結(jié)果:

WM=[0.637 0 0.258 3 0.104 7]T

WF1=[0.666 7 0.111 1 0.222 2]T

WF2=[0.581 0 0.109 0 0.309 0]T

WF3=[0.400 0 0.400 0 0.200 0]T

在獲取電子水泵制造要素信息的層次單排序之后,為了驗(yàn)證各判斷矩陣中重要程度分析判斷的邏輯是否合理,需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),結(jié)果見表5。

表5 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果

各判斷矩陣的CR均小于0.1,可以判定判斷矩陣具有滿意的一致性。將各個(gè)二級(jí)影響因子對(duì)于一級(jí)影響因子的重要度權(quán)重乘以一級(jí)影響因子對(duì)于匹配度值的重要度權(quán)重,得到各個(gè)二級(jí)影響因子對(duì)于匹配度值的重要度權(quán)重,見表6。

表6 制造要素重要度權(quán)重

(2) 獲取制造成熟度模糊集。在獲取電子水泵制造成熟度重要度權(quán)重后,需要在企業(yè)中組建評(píng)審專家團(tuán)隊(duì),評(píng)審專家團(tuán)隊(duì)由項(xiàng)目執(zhí)行者、企業(yè)總經(jīng)理、負(fù)責(zé)技術(shù)的副總經(jīng)理和產(chǎn)品經(jīng)理、工藝專家、大學(xué)教授組成。專家到企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審確定,最后采取平均值確定最終的制造成熟度等級(jí),然后將制造成熟度等級(jí)轉(zhuǎn)化為模糊集值。

制造成熟度等級(jí)分為0～10級(jí),其中10級(jí)定義為最理想情況,對(duì)應(yīng)模糊集值為[1,1]。電子水泵制造方案的制造成熟度等級(jí)見表7。

表7 電子水泵制造方案制造成熟度等級(jí)

(3) 基于逼近理想解排序法構(gòu)造最優(yōu)、最差理想解方案。最優(yōu)理想解等級(jí)為10級(jí),相應(yīng)的制造要素影響因子模糊集值為[1,1]。最差理想解等級(jí)為0級(jí),相應(yīng)的制造要素影響因子的模糊集值為[0,0]。

最優(yōu)理想解方案的模糊集B+為:

B+={[1,1],[1,1],…,[1,1]}

最差理想解方案的模糊集B-為:

B-={[0,0],[0,0],…,[0,0]}

計(jì)算制造要素影響因子與最優(yōu)、最差理想解的距離,得到設(shè)計(jì)方案B1、B2與最優(yōu)理想解的距離為:

得到設(shè)計(jì)方案B1、B2與最差理想解的距離為:

最終計(jì)算得到設(shè)計(jì)方案B1、B2與企業(yè)的最終匹配度值為:

由此可以得到方案2的制造成熟度目標(biāo)匹配度值更高,說(shuō)明方案2更適合企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)制造。最終企業(yè)選擇方案2作為新能源汽車電子水泵的設(shè)計(jì)制造方案,新能源汽車電子水泵三維效果如圖7所示。

▲圖7 新能源汽車電子水泵三維效果

這類電子水泵已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),性能優(yōu)良,運(yùn)行可靠,具有較高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益,證明了制造成熟度綜合評(píng)價(jià)模型能夠幫助企業(yè)分析設(shè)計(jì)方案與自身制造能力、資金、技術(shù)、設(shè)備等方面的匹配度,選出最佳方案。

9 結(jié)束語(yǔ)

為了使產(chǎn)品更好地滿足企業(yè)制造需求,筆者提出一種基于制造成熟度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型,對(duì)多個(gè)可行性方案實(shí)施評(píng)價(jià),幫助企業(yè)選擇最優(yōu)方案。以電子水泵為例,通過(guò)評(píng)價(jià)方法選出與企業(yè)最匹配的制造方案,經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法的可靠性。