(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和約束條件進(jìn)行的電子設(shè)備多學(xué)科多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，往往會(huì)獲得由多個(gè)方案組成的非劣解集。目前還沒有一種有效的技術(shù)途徑來幫助設(shè)計(jì)者針對(duì)不同的偏好和具體設(shè)計(jì)要求，完成對(duì)多個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)、排序、選擇，進(jìn)而開展進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)。

本文通過對(duì)比各種定性、定量和定性定量評(píng)價(jià)方法[1]的優(yōu)劣，根據(jù)電子設(shè)備多目標(biāo)優(yōu)化方案的綜合評(píng)價(jià)需求，確定了以層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和模糊層次評(píng)價(jià)法組成的評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)，將上述評(píng)價(jià)系統(tǒng)集成于電子設(shè)備多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)中，為設(shè)計(jì)決策者提供科學(xué)方法和技術(shù)手段，完成優(yōu)化方案評(píng)價(jià)、比較和優(yōu)選，提高電子設(shè)備的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。

2 電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)系統(tǒng)的功能

建立電子設(shè)備設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的目的就是對(duì)電子設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，揭示電子設(shè)備研制任務(wù)的提出方(價(jià)值主體)與待評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案(價(jià)值客體)之間的價(jià)值關(guān)系，考慮待評(píng)設(shè)計(jì)方案是否符合需求以及需求滿足程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種方案的比較、排序和優(yōu)選。該系統(tǒng)主要應(yīng)具備以下功能：

(1)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)需求從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取參評(píng)方案；

(2)能夠根據(jù)評(píng)價(jià)者需求，靈活提供多種評(píng)價(jià)手段：一方面保證評(píng)價(jià)人員能夠根據(jù)具體的評(píng)價(jià)任務(wù)和特點(diǎn)選擇最合適的評(píng)價(jià)方法，另一方面還保證評(píng)價(jià)人員能夠針對(duì)同一個(gè)評(píng)價(jià)任務(wù)采用多種不同方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而獲取更全面、合理的評(píng)價(jià)結(jié)果；

(3)能夠靈活支持定性、定量指標(biāo)的處理，包括指標(biāo)的選擇、指標(biāo)系統(tǒng)的建立、各個(gè)方案的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)等；

(4)具有良好的人機(jī)交互界面，便于用戶使用和結(jié)果顯示；

(5)具有良好的可擴(kuò)展性，便于集成更多的評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)不斷完善。

3 國(guó)內(nèi)外多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)的方法及選用

綜合評(píng)價(jià)是指對(duì)多屬性體系結(jié)構(gòu)描述的對(duì)象作出全局性、整體性的評(píng)價(jià)。由于評(píng)價(jià)過程涉及的因素繁多，而且這些因素一般都具有不同屬性并相互沖突，可能既有定量信息又有定性信息，既有精確信息又有模糊信息，針對(duì)不同評(píng)價(jià)目標(biāo)和不同偏好，要獲得客觀、公正、準(zhǔn)確可信的評(píng)價(jià)結(jié)果并非易事。目前發(fā)展與應(yīng)用的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)在航天裝備體系[1]、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量[2]、空運(yùn)方案決策[3]、電子行業(yè)[4-5]等工業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用，主要有：

(1)定性評(píng)價(jià)方法，如專家評(píng)議法、Delphi法、加權(quán)評(píng)分法等；

(2)定量評(píng)價(jià)方法，如數(shù)學(xué)分析法、主成分分析法、多目標(biāo)線形加權(quán)和評(píng)價(jià)法等；

(3)定性定量綜合評(píng)價(jià)方法，如模糊綜合評(píng)價(jià)法(AHP)、層次分析法(FCE)、模糊層次評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等。

電子設(shè)備方案的評(píng)價(jià)屬?gòu)?fù)雜系統(tǒng)評(píng)價(jià)問題，存在多個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)，具有明顯的層次性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，部分評(píng)價(jià)指標(biāo)只能進(jìn)行定性分析，具有定性和定量評(píng)價(jià)指標(biāo)混合的特點(diǎn)。

AHP法是一種定性和定量分析相結(jié)合的方法，能夠把某些以人的主觀判斷為主的定性分析指標(biāo)進(jìn)行量化，用有效數(shù)值來描述各個(gè)方案的優(yōu)劣，排出優(yōu)先順序供決策參考。

FCE法在解決難以直接進(jìn)行比較、無法保證比較結(jié)果客觀性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響判斷結(jié)果的兩方案評(píng)價(jià)問題時(shí)比較有用。由于對(duì)部分定性指標(biāo)只能用很好、好、較好、一般或較差等模糊信息表達(dá)的定性概念進(jìn)行劃分，無法用準(zhǔn)確的分?jǐn)?shù)進(jìn)行度量。由于專家認(rèn)識(shí)上的差異性也可能導(dǎo)致對(duì)同一設(shè)計(jì)方案，有專家認(rèn)為可行，有專家認(rèn)為不甚可行；有專家認(rèn)為其競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，有專家認(rèn)為其競(jìng)爭(zhēng)力弱。因此，對(duì)該類問題評(píng)價(jià)，只有采用模糊綜合評(píng)判方法才能很好地加以解決。但由于影響因素權(quán)重的確定存在主觀性和不準(zhǔn)確性，模糊綜合評(píng)判方法也存在一定的局限性。為充分發(fā)揮各個(gè)方法的長(zhǎng)處，將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合形成模糊層次評(píng)價(jià)法。

基于以上分析，確定了以層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和模糊層次評(píng)價(jià)法作為電子設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的可選評(píng)價(jià)方法，以該3種方法為核心，開發(fā)電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有實(shí)際意義和現(xiàn)實(shí)可行性。

4 評(píng)價(jià)方法數(shù)學(xué)模型

4.1 電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)，首先建立一個(gè)能夠體現(xiàn)任務(wù)提出方需求和待評(píng)價(jià)方案屬性相關(guān)聯(lián)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以對(duì)某電子設(shè)備多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方案評(píng)價(jià)為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)包括熱、振動(dòng)和電磁3個(gè)學(xué)科指標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)問題如下：

(1)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)：關(guān)鍵功率元器件工作溫度盡量低；

(2)振動(dòng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：產(chǎn)品關(guān)鍵部位一階固有頻率最大化；

(3)電磁設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)：屏蔽效能盡量高。

基于以上設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，初步確定評(píng)價(jià)的內(nèi)容為各個(gè)學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)，即溫度、固有頻率和屏蔽效能。建立指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system architecture of target

評(píng)價(jià)內(nèi)容的確定和指標(biāo)體系的選取應(yīng)能充分體現(xiàn)對(duì)這3個(gè)學(xué)科參數(shù)及總體性能的綜合評(píng)價(jià)，通過提煉評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)層次化和系統(tǒng)化，建立總體方案和各分系統(tǒng)全面、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4.2 AHP法的基本步驟

(1)采用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)建立層次分析結(jié)構(gòu)模型；

(2)構(gòu)造判斷矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)師的思維判斷定量化；

(3)層次單排序及一致性檢驗(yàn)，確定各因素對(duì)于上一層次因素的相對(duì)重要性或相對(duì)優(yōu)劣度的權(quán)值；

(4)層次總排序及其一致性檢驗(yàn)，確定各層次因素相對(duì)于最高層的層次總排序權(quán)值。

通過上述4個(gè)步驟，最終完成多個(gè)方案在頂層評(píng)價(jià)目標(biāo)下的優(yōu)劣排序。

4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法的基本步驟

(1)按評(píng)價(jià)體系寫出評(píng)價(jià)因素的因素集及評(píng)價(jià)尺度集；

(2)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，確定各層評(píng)價(jià)因素相對(duì)其上層某個(gè)評(píng)價(jià)因素UP的權(quán)重；

(3)建立隸屬度矩陣。

4.4 模糊層次評(píng)價(jià)法

模糊層次評(píng)價(jià)法的計(jì)算步驟與模糊綜合評(píng)價(jià)法步驟相同，只是在確定各評(píng)價(jià)因素權(quán)重的過程中，權(quán)重通過AHP方法計(jì)算，即通過構(gòu)造判斷矩陣計(jì)算各層評(píng)價(jià)因素的層次單排序和層次總排序。

5 電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)系統(tǒng)及流程

5.1 系統(tǒng)組成

如圖2所示，根據(jù)功能要求，系統(tǒng)組成主要分為評(píng)價(jià)模型建立模塊、評(píng)價(jià)方法計(jì)算模塊、用戶GUI模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)交互模塊四大模塊。其中，評(píng)價(jià)模型建立模塊具體包括評(píng)價(jià)方法選擇模塊、參評(píng)方案選擇模塊、指標(biāo)體系建立模塊和專家評(píng)分模塊，評(píng)價(jià)方法計(jì)算模塊包括AHP法計(jì)算模塊、模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算模塊和模糊層次評(píng)價(jià)法計(jì)算模塊。

圖2 多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of scheme evaluation system for MDO

5.2 評(píng)價(jià)流程

綜合評(píng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 方案評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 The flowchart of scheme evaluation

指標(biāo)評(píng)價(jià)值初始化十分關(guān)鍵，包括了定性和定量?jī)深愔笜?biāo)，定量指標(biāo)的值可以從待評(píng)價(jià)方案中得到，定性指標(biāo)則難以直接給出具體量值，例如設(shè)計(jì)方案的技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工藝水平等，只能通過專家打分等方式間接獲取。

圖4 評(píng)價(jià)指標(biāo)初始化流程Fig.4 The initial flowchart of the evaluation initial index

在電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，綜合了多種評(píng)價(jià)指標(biāo)處理方法，并集成于評(píng)價(jià)工具包中，滿足使用人員的各種要求。指標(biāo)初始化的具體流程如圖4所示，利用該系統(tǒng)可以進(jìn)行電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案的評(píng)價(jià)。圖5所示為參評(píng)方案選擇(方案1、方案2、方案3)及評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇(固有頻率、最高溫度和屏蔽效能)。參與評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)如表1所示，其指標(biāo)值通過仿真分析計(jì)算求得。

圖5 選擇評(píng)價(jià)方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.5 The interface to select evaluationscheme and evaluation indexes

方案名元器件最高溫度/℃固有頻率/Hz屏蔽效能/dB方案168.178790.1659.313方案269.542782.1360.568方案366.132795.0258.741

通過系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的選擇(如圖6)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行方案的評(píng)價(jià)(圖7)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)(如圖8)，表明方案3具有較高的綜合指標(biāo)。

圖6 選擇評(píng)價(jià)方法Fig.6 The interface to select the evaluation method

圖7 方案評(píng)價(jià)Fig.7 The interface to evaluation scheme

圖8 評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.8 The evaluated result

6 結(jié) 論

進(jìn)行多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化是根據(jù)電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及學(xué)科特點(diǎn)提出的一種需求，是有效提高電子設(shè)備設(shè)計(jì)水平的途徑之一。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)方法研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)電子設(shè)備多學(xué)科優(yōu)化方案綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、流程定義、評(píng)價(jià)方法選擇、數(shù)學(xué)模型建立等進(jìn)行研究，并將該研究成果集成在電子設(shè)備多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)之中，能有效實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化和方案評(píng)價(jià)等功能，對(duì)提高設(shè)計(jì)者決策能力、完成電子設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化方案科學(xué)評(píng)價(jià)工作均具有工程應(yīng)用價(jià)值。但由于電子設(shè)備多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)的研究仍處于初期階段，系統(tǒng)中有關(guān)的方案評(píng)價(jià)依據(jù)、評(píng)價(jià)規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)還有待充實(shí)完善。

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