叢揚(yáng)帆 張可然
摘要:解決抗擊新型冠狀病毒肺炎背景下N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)優(yōu)選問題?;谀:龑哟畏治龇?,建立了N95口罩方案層級(jí)評(píng)價(jià)模型,通過依次建立模糊比較判斷矩陣,計(jì)算要素權(quán)重,為N95口罩方案的選擇與決策提供依據(jù);通過綜合評(píng)價(jià)法對(duì)待評(píng)價(jià)方案進(jìn)行排序,通過歸一化將設(shè)計(jì)方案的單項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行排序比較,最后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行選擇決策。以某企業(yè)緊急加量生產(chǎn)N95口罩為例,應(yīng)用該評(píng)價(jià)決策方法選出最適合投入生產(chǎn)的方案,證明其可行性,發(fā)揮其現(xiàn)實(shí)意義??梢詮南到y(tǒng)與層次等多個(gè)角度進(jìn)行定性與定量的分析,從而為設(shè)計(jì)方案優(yōu)選問題提供清晰適合的決策方案。
關(guān)鍵詞:模糊層次分析法 N95口罩設(shè)計(jì) 方案優(yōu)選 評(píng)價(jià)決策 新型冠狀病毒肺炎
中國(guó)分類號(hào):TP47
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1003-0069 (2020) 03-0078-04
引言
著新型冠狀病毒肺炎疫情的迅速擴(kuò)散傳播,感染人數(shù)出現(xiàn)了急劇攀升的狀況。N95等具有高過濾效能的口罩,能有效過濾飛沫和氣溶膠[1],所以一度出現(xiàn)售罄斷貨的情況。但是隨著需求仍在提升,價(jià)格也隨之翻倍。為了緩解供求緊張的局面,工人陸續(xù)返廠復(fù)工,2020年2月底我國(guó)實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)各類口罩近1.8億只。目前市面上有關(guān)于N95口罩的設(shè)計(jì)方案不止一種,面對(duì)現(xiàn)在的特殊時(shí)期,可以購(gòu)買到口罩幾乎成為消費(fèi)者的唯一要求。作為設(shè)計(jì)決策者,可以在方案決策階段,預(yù)先對(duì)眾多N95口罩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選,優(yōu)選出幾款方案進(jìn)行集中生產(chǎn),不僅可以提高生產(chǎn)效率,還可以直接剔除較差的方案,為消費(fèi)者提供更好的選擇。層次分析法的出現(xiàn)為幫助決策者解決難以定量描述的復(fù)雜問題帶來極大的方便,目前應(yīng)用已普及到眾多領(lǐng)域,如經(jīng)濟(jì)計(jì)劃、管理和教育等。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,目前已開始將其應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)中,本文采用層次分析法來輔助N95口罩設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)和決策,并借助三角模糊數(shù)模擬人在判斷時(shí)思維的模糊特征,提高評(píng)價(jià)的科學(xué)性與可信度,無論在理論上還是應(yīng)用中,這都具有重要意義。
一、N95口罩設(shè)計(jì)方案優(yōu)選
N95口罩是美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)認(rèn)證的9種防顆粒物口罩中的1種。“N”是指適合油性顆粒;“95”是指在NIOSH標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)條件下,過濾效率達(dá)到95%。所以,N95不是特定的產(chǎn)品名稱,只要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),就可以稱之為N95口罩。N95口罩的最大特點(diǎn)是可以有效預(yù)防體液和血液飛濺引起的傳染圓。
正因?yàn)镹95口罩不是某一款特定的口罩,所以在設(shè)計(jì)方案上沒有統(tǒng)一的范式,會(huì)存在一定的異同。不同的設(shè)計(jì)方案,從不同的角度去評(píng)價(jià),都會(huì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。企業(yè)在生產(chǎn)之前,通常會(huì)在若干設(shè)計(jì)方案中,由決策人員選擇出最終投入生產(chǎn)的方案。在新型冠狀病毒肺炎疫情嚴(yán)峻的特殊時(shí)期,口罩作為極為重要的生活必需品,在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中更應(yīng)該得到相應(yīng)的重視,堅(jiān)決杜絕粗制濫造。因此,基于快速、科學(xué)的算法,合理科學(xué)地預(yù)先決策出最優(yōu)的方案,再投入生產(chǎn),可以事半功倍,提高產(chǎn)品質(zhì)量,利于生產(chǎn)的合理化,也可以一定程度上保證消費(fèi)者的使用感受,使產(chǎn)品更加細(xì)節(jié)化、人性化。
二、基于模糊層次分析法的N95口罩評(píng)價(jià)決策體系
模糊層次分析法,主要是在考慮到人的思維模糊性的基礎(chǔ)上,通過確定準(zhǔn)則權(quán)重,將原本復(fù)雜的評(píng)價(jià)問題分解為有條理的若干可以量化評(píng)價(jià)的目標(biāo),最后再匯總評(píng)價(jià)、輔助決策。在N95口罩研發(fā)過程中,設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與優(yōu)選是一項(xiàng)涉及多方面因素的工作?;谀:龑哟畏治龇?,可建立出衡量口罩設(shè)計(jì)方案的多層次分級(jí)模型[3-4],進(jìn)而建立多準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)決策體系,使用科學(xué)有效的量化方法進(jìn)行分析。通過模糊判斷矩陣的建立以及權(quán)重的衡量,不僅可以最終評(píng)選出綜合評(píng)價(jià)最好的口罩設(shè)計(jì)方案.在計(jì)算過程中也可以得到單項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則最優(yōu)的方案,為N95口罩方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選提供有理有據(jù)的參考。模糊層次分析法不是用來尋找“正確”的決策方案,而是輔助決策者挑選出最合適的設(shè)計(jì)方案,提供全面且理性的方案優(yōu)選思路。
(一)N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型
1)目標(biāo)層。目標(biāo)層為N95口罩方案綜合評(píng)價(jià)Q,該層的要素是唯一確定的。
2)準(zhǔn)則層。通過對(duì)N95口罩的關(guān)鍵要素進(jìn)行較為全面的考慮之后并結(jié)合專家訪談,將一級(jí)準(zhǔn)則設(shè)為用戶體驗(yàn)、實(shí)際生產(chǎn)和造型功能,構(gòu)建一級(jí)準(zhǔn)則集合。
3)子準(zhǔn)則層。繼續(xù)進(jìn)行分解準(zhǔn)則層的每一個(gè)準(zhǔn)則,共得到13個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則,共同構(gòu)成子準(zhǔn)則層。從用戶體驗(yàn)B1分化出5個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則,包括材質(zhì)舒適M1、形狀貼合M2、眼鏡用戶友好M3、松緊適中M4和摘戴方便Ms;從實(shí)際生產(chǎn)B2分化出3個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則,包括成本適中M6、結(jié)構(gòu)合理M7、材料環(huán)保Ms;從造型功能B3分化出5個(gè)二級(jí)準(zhǔn)則,包括外觀簡(jiǎn)潔M9、過濾效率高M(jìn)10、重復(fù)使用率高M(jìn)11、呼吸阻力低M12和泄露率低M13[5]。由此得到二級(jí)準(zhǔn)則集合Bi= {Mi,M2,M3,M4,M5),B2= {M6,M7,M8),B3={M9,M10,M11,M12,M13)。至此,基于模糊層次分析法構(gòu)建出N95口罩設(shè)計(jì)方案的層級(jí)評(píng)價(jià)模型,如圖1。
(二)N95口罩設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)過程
1.構(gòu)造評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的模糊判斷矩陣
在確定各層次各準(zhǔn)則之間的權(quán)重時(shí),如果只定性評(píng)價(jià),會(huì)缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性與說服力。通過構(gòu)造判斷矩陣,采用定量分析盡可能克服不同因素之間因性質(zhì)不同導(dǎo)致的評(píng)價(jià)困難,從而更高效地完成評(píng)價(jià)與決策。首先,構(gòu)造初始模糊判斷矩陣,它是針對(duì)目標(biāo)層在一級(jí)準(zhǔn)則之間進(jìn)行比較與打分;其次,針對(duì)一級(jí)準(zhǔn)則,構(gòu)造其二級(jí)準(zhǔn)則之間的模糊比較矩陣。依據(jù)兩兩比較法和1-9比率標(biāo)度建立矩陣,由專家、設(shè)計(jì)人員進(jìn)行打分裁定。三角模糊數(shù)的確定通過采集三個(gè)數(shù)點(diǎn)來完成,可以克服在準(zhǔn)則兩兩比較過程中因無法準(zhǔn)確度量而只能用自然語言變量進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)的困難[6]。
以目標(biāo)層要素A與其對(duì)應(yīng)的下一準(zhǔn)則層Y中的準(zhǔn)則Y1,Y2,...,Yn為例,構(gòu)建模糊判斷矩陣A=(aij)nxn,構(gòu)建方式見表1。
其中,aij用來描述元素i與元素j之間的相對(duì)重要程度,aij的值可按照規(guī)定標(biāo)度進(jìn)行選擇,具體含義如表2。
在判斷矩陣中aii=(1,1,1),aij=1/aij。
更具體的,( ),其中i和j表示進(jìn)行對(duì)比判斷的兩項(xiàng)準(zhǔn)則,上標(biāo)表示該數(shù)據(jù)由第t位打分人員給出。綜合Z位打分人員的模糊判斷矩陣,分別建立Q-B層和B-M層模糊綜合判斷矩陣。假定打分人員均具有相近的知識(shí)量和判斷水平,那么每位打分人員都取相同的權(quán)重,因此可以采用算術(shù)平均的方法綜合評(píng)分信息。上述示例中A-Y層的模糊綜合判斷矩陣如下:
4.一致性檢驗(yàn)
為了提高設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性、確保評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性,有必要在計(jì)算出權(quán)重之后、綜合排序之前,進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。首先完成判斷矩陣的最大特征值λmax的計(jì)算,然后檢驗(yàn)一致性,該檢驗(yàn)需要結(jié)合一致性準(zhǔn)則CI、隨機(jī)一致性準(zhǔn)則Rl和-致性比率CR來度量判斷矩陣的一致性。在這里,判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性準(zhǔn)則Rl是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,判斷矩陣的最大特征值λmax、1-9階判斷矩陣的Rl以及CI、CR的具體計(jì)算公式如下[7-8]:
4)計(jì)算矩陣的隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI
當(dāng)CR<0.1時(shí),判斷矩陣具有良好的一致性,反之,則需要適當(dāng)修改取值,直到達(dá)到良好的一致性,則可以終止調(diào)整,完成單層次排序,檢驗(yàn)結(jié)果如見表8。
(三)計(jì)算綜合排序輔助決策
準(zhǔn)則層各權(quán)重值的一致性檢驗(yàn)完成后,需匯合各個(gè)層次單排序,見表9。若設(shè)綜合權(quán)重為wr,則wr=BpXMq,(p=1,2,3;q=l,2,3,L,13),計(jì)算得出層次總體排序,M1到M13的相對(duì)重要程度的綜合排序可作為最終N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的參照標(biāo)準(zhǔn),見圖2。
四、應(yīng)用案例
以上各評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的排序果具有較高的可靠性,并具備科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性,將其存入企業(yè)的數(shù)據(jù)庫,為以后的決策留作參考.也方便日后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。現(xiàn)以某公司新型冠狀病毒肺炎疫情期間N95口罩生產(chǎn)為實(shí)例,對(duì)8款口罩方案進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇。
(一)計(jì)算結(jié)果
在13項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中,M1-M9共9個(gè)準(zhǔn)則,需要將對(duì)其定性的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換成定量的數(shù)值,通過專業(yè)設(shè)計(jì)人員、專家組成的決策者集,對(duì)可供選擇的8個(gè)N95口罩設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行打分,分?jǐn)?shù)為10分制,并將打分結(jié)果匯總?cè)∑骄鶖?shù);M10-M13,共4個(gè)準(zhǔn)則,是確定的百分比數(shù)值,無需打分,但需要將其等比轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)值,方便計(jì)算與比較。待評(píng)價(jià)N95口罩設(shè)計(jì)方案匯總見表10,打分安排情況見表11,初始統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表12。
接下來采用綜合評(píng)價(jià)法,引入公式計(jì)算每個(gè)方案的綜合數(shù)R=∑En×Sn(n=l,2,…,13),其中E為每—具體準(zhǔn)則的得分,5為相應(yīng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重,n表示準(zhǔn)則的項(xiàng)數(shù)(共計(jì)13項(xiàng)),在以上的計(jì)算過程中,可以得到每個(gè)方案的各項(xiàng)準(zhǔn)則的加權(quán)得分以及排序結(jié)果,排序結(jié)果見表13。從圖3中可知,方案NO.5位列第一,綜合得分最高,可直接選擇N0.5方案投入大批量的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
為了更進(jìn)一步優(yōu)化方案,可以在剔除排名較為靠后的方案之后,選取排名靠前的方案進(jìn)行著重研究與優(yōu)化,以提高效率。在圖4中選取最終排名前四的設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)則數(shù)據(jù),采用歸一化的處理方法,把數(shù)據(jù)映射到0-1范圍之內(nèi),可以清晰地看到方案之間在不同準(zhǔn)則上的得分差距,結(jié)果見雷達(dá)圖3。
(二)結(jié)果分析
從整體所有方案上來看,該公司的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案在數(shù)據(jù)得分方面都有著共同的走勢(shì)和特點(diǎn),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出如下方案優(yōu)化建議: 在過濾效率方面均達(dá)到了不錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn),這是N95口罩最基本也是最重要的功能。在形狀貼合方面均得分不高,防護(hù)型口罩無法100%地與人臉密合,這受臉形、皮膚光滑程度和是否有毛發(fā)墊在口罩下面等諸多因素的影響,防護(hù)型口罩靠頭帶和鼻夾施加一定壓力使口罩與臉緊密地貼合,設(shè)計(jì)師可以繼續(xù)深入考慮使口罩與人臉形狀貼合的更多可能性,以此增強(qiáng)口罩的防護(hù)性和安全性,也是整體提高該公司N95口罩產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在松緊程度方面,所有方案的得分均不是很讓人滿意,松緊程度不適中會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)勒耳朵的情況,造成佩戴不適,這個(gè)問題可作為下一步完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)目標(biāo),著重優(yōu)化。
從方案與方案之間的比較來看,有關(guān)于轉(zhuǎn)化落地的選擇,提出如下生產(chǎn)建議:
排名前3的方案在各準(zhǔn)則之間差距不明顯,在新型冠狀病毒肺炎疫情緊張的情況下,可以考慮全部投入生產(chǎn),但是可以按照排名前后來定奪生產(chǎn)數(shù)量的比例,為消費(fèi)者提供更多的選擇。因?yàn)榕琶谝坏姆桨覆豢赡軡M足每一位消費(fèi)者,適量生產(chǎn)其他排名靠前的方案,可以有效緩解嚴(yán)重新型冠狀病毒肺炎疫情下不同消費(fèi)者的需求。方案N0.4排在第4名,與前3方案相比,在各準(zhǔn)則之間數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,非緊急情況,不考慮投入生產(chǎn)。
結(jié)語
采用模糊層次分析法建立了層次分析模型,在考慮人的思維模糊性的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)與層次等多個(gè)角度將思維過程進(jìn)行定性與定量分析,提高了N95口罩設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的科學(xué)性與可靠性;通過構(gòu)建模糊判斷矩陣,計(jì)算相對(duì)權(quán)重,為N95口罩設(shè)計(jì)方案的選擇決策提供參考,結(jié)合專家打分最終對(duì)N95口罩設(shè)計(jì)方案的單項(xiàng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行整理排序,參考排序結(jié)果組優(yōu)選出最適合投入生產(chǎn)的方案,打破傳統(tǒng)的串聯(lián)工作流程,提高了設(shè)計(jì)工作的效率。通過在實(shí)際公司案例中的應(yīng)用,驗(yàn)證了該方法的可實(shí)施性。但該方法不能在優(yōu)選出方案后,直接給出相應(yīng)的優(yōu)化方案,只可搭配計(jì)算結(jié)果給出優(yōu)化建議,仍存在一定的局限性,將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探究與完善。.
基金“山東省2018年研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力提升項(xiàng)目(編號(hào):SDYY18082)”。
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