劉國(guó)昌，茍秉宸

西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，西安 710072

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)方法研究

劉國(guó)昌，茍秉宸

西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，西安 710072

作為客戶需求與產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)的中間內(nèi)容，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)很大程度上決定了可制造性特性。而概念設(shè)計(jì)中的工業(yè)設(shè)計(jì)信息很大程度上決定了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性。并且其涉及多種復(fù)雜信息的處理。對(duì)這些因素的處理是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是科學(xué)有效地評(píng)價(jià)和決策產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案必須面對(duì)和解決的關(guān)鍵問題[1]。

近年來，針對(duì)制造系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)人員進(jìn)行了大量的可制造性評(píng)價(jià)研究，如文獻(xiàn)[2]采用可沖壓性評(píng)價(jià)編碼的方法，對(duì)沖壓零件的沖壓工藝性進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出了沖壓工藝性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)流程圖，并構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)價(jià)原理圖。文獻(xiàn)[3]通過產(chǎn)品的數(shù)字化模型，利用幾何推理法，研究了粉末冶金產(chǎn)品的可制造性評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[4]對(duì)注塑及鈑金成型件的可制造性評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，其按照零件的工藝路線，并在知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，按照定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)價(jià)兩個(gè)不同的層次，依次進(jìn)行可制造性評(píng)價(jià)[2]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)飛機(jī)葉片的信息模型和制造資源能力模型，運(yùn)用匹配度算法判斷在一定制造環(huán)境下的葉片零件可制造性，并采用層次分析法對(duì)葉片制造設(shè)備進(jìn)行綜合評(píng)判，從而對(duì)葉片零件的可制造性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以上研究是在不同時(shí)期不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行的可制造性評(píng)價(jià)的研究，但由于這些評(píng)價(jià)方法面向?qū)ο蟮莫M隘性，使得這些評(píng)價(jià)方法適用性較差。本文將針對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的工業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)不同階段的特性，建立合理的基于工業(yè)設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)模型，研究基于工業(yè)設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)方法，從而合理地評(píng)價(jià)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性，并指導(dǎo)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案多樣化及其可制造性評(píng)價(jià)體系

1.1 設(shè)計(jì)方案多樣化

圖1 概念設(shè)計(jì)需求域到設(shè)計(jì)方案的映射

在概念設(shè)計(jì)的客戶需求往往是多種不同形式的需求的組合，即需求集，需求集中各個(gè)元素之間存在“或”或“與”的聯(lián)系，設(shè)概念設(shè)計(jì)需求域X的兩個(gè)元素分別為α和β，那么它們?cè)诋a(chǎn)品功能原理設(shè)計(jì)域Y中的組合體的解釋由以下集合運(yùn)算決定[6]：

同樣，從功能原理設(shè)計(jì)域Y到設(shè)計(jì)方案域Z也存在上述關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)需求集產(chǎn)生不同的產(chǎn)品功能原理組合集，進(jìn)而產(chǎn)生不同的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案集[7]。

1.2 概念設(shè)計(jì)可制造性的多屬性評(píng)價(jià)體系

本文把可制造性定義為：在給定制造資源的條件下，對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)因素所具備的制造可能性的評(píng)估與優(yōu)化。

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)包含多重屬性，工業(yè)設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品可制造性的決定階段，而工業(yè)設(shè)計(jì)主要分為形態(tài)結(jié)構(gòu)、表面材質(zhì)、人機(jī)布局、色彩涂裝等幾個(gè)屬性，各屬性之間的相互作用構(gòu)成了設(shè)計(jì)方案可制造性評(píng)價(jià)的多屬性體系。如表1所示。

每一個(gè)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案集都凝聚了設(shè)計(jì)師的辛勤的汗水，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)因素和產(chǎn)品的種類有密切的關(guān)系。有些產(chǎn)品如家居設(shè)計(jì)，人機(jī)設(shè)計(jì)的屬性權(quán)重就要大一些，而機(jī)械產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)屬性權(quán)重反而會(huì)大一些。所以各個(gè)屬性的權(quán)重隨著不同的產(chǎn)品類別不同，也存在著產(chǎn)異性。

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是從客戶需求到產(chǎn)品概念創(chuàng)新的復(fù)雜映射過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的多樣化和產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)階段的復(fù)雜化，使得概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)涉及因素廣泛且關(guān)系復(fù)雜，因而需要針對(duì)多種條件進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策，以獲取一定制造資源條件下綜合性能最優(yōu)良的方案。常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)由專家主觀賦值得到屬性權(quán)重，然而由于專家經(jīng)驗(yàn)、背景、教育程度的不同使得其評(píng)價(jià)具有主觀性強(qiáng)等缺陷，因此將專家權(quán)重系數(shù)引入多屬性決策中，增強(qiáng)多屬性決策方法的客觀性和有效性，繼而為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)提供一種新的有效的決策方法。

2 基于判斷矩陣信息的多屬性決策

對(duì)于多屬性群決策中的屬性和專家賦權(quán)問題，鑒于專家對(duì)于屬性的權(quán)重信息和專家權(quán)重信息完全蘊(yùn)含在專家給出的矩陣中，故應(yīng)充分挖掘判斷矩陣的特征信息進(jìn)行賦值，從而既獲得專家對(duì)于屬性的權(quán)重，又通過比較判斷矩陣或者權(quán)重的質(zhì)量獲得專家權(quán)重[8]。

基于判斷矩陣信息的語(yǔ)言多屬性決策方法主要分為兩步：首先是專家對(duì)評(píng)價(jià)體系的各個(gè)屬性進(jìn)行賦權(quán)；然后確定各個(gè)專家的個(gè)體可信度權(quán)值。以上兩個(gè)步驟均基于專家給出的判斷矩陣。并采用客觀賦權(quán)進(jìn)行。

表1 面向產(chǎn)品可制造性的評(píng)價(jià)體系

2.1 屬性賦權(quán)

假設(shè)設(shè)計(jì)方案集N={N1，N2，… ，Nm}、屬性集 P={P1，P2，…， Pm}、規(guī)范化的矩陣為R=(rij)m×n，問題的屬性權(quán)重未知。同時(shí)聘請(qǐng)專家采用9級(jí)評(píng)分的方法，分別對(duì)各個(gè)屬性進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣。專家Ek給出的判斷矩陣為A(k)(k =1，2，…，K )，由判斷矩陣得到的屬性權(quán)重：

獨(dú)立考慮各個(gè)專家給出的判斷矩陣。當(dāng)判斷矩陣滿足一致性要求的時(shí)候，認(rèn)為aijwj=wi。但由于專家認(rèn)識(shí)的局限性和實(shí)物的客觀復(fù)雜性，專家給出的判斷矩陣一般不會(huì)滿足一致性要求。因此期望由判斷矩陣A(k)得到屬性權(quán)重：

構(gòu)造拉格朗日函數(shù)得：

然后對(duì)wi和λ求偏導(dǎo)數(shù)，得到方程組為：

用矩陣形式表示為：

Q=(qij)是n+1階方陣：

易知矩陣Q=(qij)可逆，故解為 X=Q-1P，所以 X的前n個(gè)分量就是由專家Ek的判斷矩陣計(jì)算得出的屬性權(quán)重wk[11]。

2.2 專家賦權(quán)

在給定專家進(jìn)行賦權(quán)的時(shí)候，應(yīng)從專家給出的判斷矩陣的一致性程度進(jìn)行考慮，一般認(rèn)為，判斷矩陣的一致性越好，該專家的屬性權(quán)重的判斷矩陣的可信度就越高。專家的判斷矩陣的一般形式為：

那么如何提取專家的全部判斷信息呢?根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]的定理，對(duì)一個(gè)n階判斷矩陣Ak，最多可以提取出一致性專家判斷矩陣的個(gè)數(shù)是nn-2個(gè)。針對(duì)提取的專家一致性判斷矩陣，本文采用以下方法確定專家的權(quán)重值。

其中，psi表示根據(jù)第s個(gè)排序方案得到的第i個(gè)方案在整個(gè)排序中所處的位置[13]。

易知，權(quán)重次序函數(shù)：

由以上可知：

該專家給出的判斷矩陣的偏移度為：

式中M為n階矩陣的最大偏移度。其中：

于是得到專家的個(gè)體的一致性程度為Sk=1-Pk，Sk反映了該專家的一致性程度，其值越大，說明這位專家判斷的一致性越高，則專家Ek相對(duì)權(quán)重值為：

2.3 評(píng)價(jià)實(shí)施方法

步驟1利用式（4）由判斷矩陣得出各個(gè)專家的屬性權(quán)重wk(k=1，2，…，K)。

步驟2利用式（5）和（6）得出專家權(quán)重ξk(k=1，2，…，K)。

步驟3利用線性加權(quán)法結(jié)合屬性信息，得到專家對(duì)于某一方案Ni的判斷結(jié)果，記為Nki，且：

步驟4利用線性加權(quán)法得到方案的最終排序結(jié)果記為Ni，并且：

3 可制造性評(píng)價(jià)實(shí)例及分析

自行車租賃系統(tǒng)通過便捷的操作和時(shí)尚的外觀和綜合工藝性，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成不同機(jī)柜之間的數(shù)據(jù)交換，為市民提供服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件種類和數(shù)量繁多，設(shè)計(jì)條件涉及面廣，約束關(guān)系復(fù)雜?，F(xiàn)選取4位專家從4個(gè)屬性對(duì)某一方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。屬性分別包含形態(tài)設(shè)計(jì)、人機(jī)布局、表面材質(zhì)和色彩涂裝。得到了四位專家的判斷矩陣為：

步驟1由判斷矩陣計(jì)算屬性權(quán)重wk(k=1，2，3，4) 。由式（4）得到判斷矩陣的專家的屬性權(quán)重分別為：

步驟2計(jì)算每個(gè)專家的權(quán)重：

根據(jù)文中的方法得到M=8：

專家權(quán)重值為：

步驟3利用線性加權(quán)法集結(jié)屬性信息和專家信息，并選出最優(yōu)方案。

易看出4個(gè)專家中有3個(gè)專家都認(rèn)為屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬性最為重要，而人機(jī)設(shè)計(jì)屬性、環(huán)境保護(hù)屬性和需求設(shè)計(jì)屬性的重要性相對(duì)接近且比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性要小。由此分析：由專家E2，E3，E4得到的屬性權(quán)重較為一致；專家E2，E3，E4的權(quán)重系數(shù)應(yīng)該接近且大于E1的權(quán)重。

從案例計(jì)算結(jié)果看，w2，w3，w4一致性較好，且結(jié)構(gòu)相同，均顯示屬性1權(quán)重最大，容易看出專家權(quán)重ξ2，ξ3，ξ4數(shù)值接近，均大于ξ1。同時(shí)也容易看出專家E4的判斷矩陣一致性最好，可以看出本方法具有簡(jiǎn)答明了且快捷有效的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)是一個(gè)多屬性的決策問題，在面對(duì)制造因素制約的前提條件下，評(píng)價(jià)專家的主觀判斷致使決策行為不一致。由于專家對(duì)某個(gè)實(shí)際問題的決策的判斷完全蘊(yùn)含在其給出的判斷矩陣中，因此應(yīng)該充分挖掘?qū)＜遗袛嗑仃囆畔ⅲ瑥亩玫綄傩詸?quán)重和專家權(quán)重。本文利用一致性要求，提出了一種新的概念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法：挖掘?qū)＜遗袛嗑仃囍械男畔?，得出專家?quán)重，以得出最優(yōu)方案。

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LIU Guochang,GOU Bingchen

Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China

With the development of new product development,requirements of product performance and appearance of art are getting higher and higher.But concept design should not only reflect the artistic,it also should be consistent with the manufacture of industrial products features and use characteristics.It is believed that the manufacturability of product concept design is decided in the industrial design stage,and it builds a conceptual design evaluation system according to the industrial design factors.Manufacturability evaluation is a multi-layered,multi-attribute decision-making problem,and it establishes the conceptual design evaluation model,it is resolved based on the theoretical knowledge of the multi-attribute decision-making.

conceptual design;industrial design;multi-attribute decision making;judgment matrix;manufacturability evaluation

隨著新產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品使用性能和外觀藝術(shù)的要求越來越高。但概念設(shè)計(jì)不僅僅體現(xiàn)藝術(shù)性，更應(yīng)符合工業(yè)產(chǎn)品的制造特點(diǎn)和使用特性。認(rèn)為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案的可制造性決定于概念設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)階段，并針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)因素建立概念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系。認(rèn)為產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)可制造性評(píng)價(jià)是一個(gè)多層次、多屬性的決策問題，建立概念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型，并基于多屬性決策的理論知識(shí)給予了解決。

概念設(shè)計(jì)；工業(yè)設(shè)計(jì)；多屬性決策；判斷矩陣；可制造性評(píng)價(jià)

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1206-0154

LIU Guochang,GOU Bingchen.Evaluation method of manufacturability for product concept design.Computer Engineering and Applications,2013,49（5）：55-58.

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金（No.z2012031）。

劉國(guó)昌（1986—），男，碩士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、人機(jī)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；茍秉宸（1976—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)、人機(jī)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化與設(shè)計(jì)工程。E-mail：shuiyunlanyi@gmail.com

2012-06-11

2012-08-31

1002-8331（2013）05-0055-04

CNKI出版日期：2012-10-31 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121031.0936.013.html