吳宗仁,古兆兵,王 寅,王慶民

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100141)

0 引言

在國家推進(jìn)國產(chǎn)化替代，要求技術(shù)自主可控的大背景下，計量設(shè)備是國防和裝備體系建設(shè)安全、可控的基礎(chǔ)，是國防安全建設(shè)的急切需求[1]。信號發(fā)生器可以應(yīng)用在測量、通信、試驗、控制等領(lǐng)域。對軍工研制單位而言信號發(fā)生器是不可或缺的重要計量設(shè)備[2]。國防科研機(jī)構(gòu)急需尋求性能與國外設(shè)備匹配的信號發(fā)生器進(jìn)行國產(chǎn)化替代。目前，主流信號發(fā)生器大多由安捷倫等國外廠商生產(chǎn)，國產(chǎn)信號發(fā)生器質(zhì)量參差不齊，與國外同規(guī)格儀器的差距對比沒有可量化的評價標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何量化評價信號發(fā)生器性能，快速對不同型號設(shè)備進(jìn)行選優(yōu)，已成為現(xiàn)階段用戶對實現(xiàn)信號發(fā)生器國產(chǎn)化替代的迫切需求。

目前，對于信號發(fā)生器的評價主要依靠計量實驗室的計量檢定，利用檢定的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項評價。當(dāng)不同設(shè)備間性能對比呈非線性分布時，很難給出優(yōu)劣評價結(jié)論。

本文基于用戶需求角度，以信號發(fā)生器為研究對象，采用層次分析(analytic hierarchy process,AHP)-德爾菲綜合評價法，提出了信號發(fā)生器性能綜合評價指標(biāo)體系構(gòu)建原則；通過專家打分，確定了各指標(biāo)權(quán)重；對某兩型先進(jìn)國產(chǎn)信號發(fā)生器進(jìn)行了性能量化綜合評價。

1 信號發(fā)生器綜合評價模型設(shè)計

1.1 評價目標(biāo)

本研究以信號發(fā)生器性能為評價對象，綜合評價國產(chǎn)信號發(fā)生器的性能水平能否達(dá)到國產(chǎn)化替代的標(biāo)準(zhǔn)。評價的最終目的是選擇有效的信號發(fā)生器進(jìn)行國產(chǎn)化替代。為此，主要評價目標(biāo)如下。

①通過綜合評價，在眾多可選儀器中選出最優(yōu)者。

②找出國產(chǎn)儀器相對于國外對標(biāo)儀器的不足，并為國產(chǎn)儀器的發(fā)展提供借鑒。

1.2 評價原則

為了準(zhǔn)確、定量地給用戶單位產(chǎn)品選擇提供技術(shù)方法，評價結(jié)果將為用戶進(jìn)行信號發(fā)生器的選擇提供數(shù)據(jù)支撐。因此，信號發(fā)生器綜合評價模型設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。

①系統(tǒng)性原則。構(gòu)建的指標(biāo)體系應(yīng)能夠反映信號發(fā)生器性能的綜合情況，既要突出關(guān)鍵指標(biāo)對整體評價的影響，又要避免個別指標(biāo)對整體情況造成誤判。

②指標(biāo)可測性原則[3]。指標(biāo)應(yīng)當(dāng)含義明確，界限清晰。所選取指標(biāo)的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)可通過測量獲得。

③層次性原則。評價模型的建立應(yīng)該根據(jù)信號發(fā)生器的固有屬性和特點，以層次結(jié)構(gòu)的形式表現(xiàn)出內(nèi)部邏輯關(guān)系，以保證整體結(jié)構(gòu)的清晰性。

④互斥性原則。在遵循層次性原則的基礎(chǔ)上，同一層次指標(biāo)間的關(guān)系應(yīng)該是并列、互斥的。

1.3 基于層次分析法的指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)選取是否合理，直接決定了評價模型能否準(zhǔn)確對信號發(fā)生器的性能作出評價。評價模型的指標(biāo)選取構(gòu)建是對系統(tǒng)特征的反映。而在技術(shù)和效率的限制下，如何在眾多指標(biāo)中選取有效、合理的指標(biāo)進(jìn)行評價尤為重要。如果評價指標(biāo)選取不當(dāng)，會對評價的準(zhǔn)確性造成影響，嚴(yán)重的還會對選型工作進(jìn)行誤導(dǎo)。信號發(fā)生器性能綜合評價層次化指標(biāo)模型如表1所示。

表1 信號發(fā)生器性能綜合評價層次化指標(biāo)模型Tab.1 Hierarchical index model for comprehensive evaluation of signal generator performance

根據(jù)對用戶對信號發(fā)生器性能要求的調(diào)研和分析，結(jié)合國標(biāo)、國軍標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，本文將采用AHP法對信號發(fā)生器這一評價對象進(jìn)行層次化，將復(fù)雜的評價對象分解為相互間存在關(guān)系的分層結(jié)構(gòu)。基于對信號發(fā)生器性能綜合評價的總體目標(biāo)，從計量特性、重復(fù)性、安全性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面對評價目標(biāo)進(jìn)行分解[4-7]。進(jìn)一步結(jié)合對評價維度的狀態(tài)參數(shù)分析結(jié)果構(gòu)建下一級評價項，逐級細(xì)化，層層分解，直至獲得能夠通過直接測量獲得數(shù)據(jù)的指標(biāo)為止，最終形成最底層的指標(biāo)層。

2 指標(biāo)權(quán)重確定

本文采用組合賦權(quán)，運用AHP法結(jié)合德爾菲法的方式確定指標(biāo)權(quán)重。

2.1 AHP法確定權(quán)重

AHP法需對評價指標(biāo)和方案進(jìn)行分層。對于每層的指標(biāo)，首先通過兩兩比較的方式構(gòu)造判斷矩陣,再通過求該矩陣的最大特征與對應(yīng)的特征向量確定該層各指標(biāo)的權(quán)重，最后進(jìn)行一致性檢驗以判斷矩陣構(gòu)造是否合理[8]。AHP法主要步驟如下。

①建立指標(biāo)體系。按照指標(biāo)的不同性質(zhì)，根據(jù)AHP法的原理建立指標(biāo)體系。

②構(gòu)造判斷矩陣。分別對每一層的指標(biāo)建立兩兩比較的判斷矩陣。其比較值為兩指標(biāo)相比的重要性，常采用1～9標(biāo)度。具體方法可以參考文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]。

③確定該層權(quán)重。求解構(gòu)造的判斷矩陣的特征值，取其最大特征值，并求出此特征值對應(yīng)的特征向量,將特征向量進(jìn)行歸一化處理即可得到權(quán)重向量。

④一致性檢驗。一致性檢驗的參考指標(biāo)見文獻(xiàn)[12]。若符合一致性檢驗，則判斷矩陣構(gòu)造合理；若一致性檢驗未通過，則返回步驟②重建判斷矩陣。

2.2 德爾菲法確定權(quán)重

德爾菲法是典型的專家評價法[13]。該方法通過專家打分確定權(quán)重，如果某幾項指標(biāo)專家分歧較大，則單列出來讓產(chǎn)生分歧的專家進(jìn)行討論再次打分，如此反復(fù)，直到消除分歧[14-15]。

本文并不是采用德爾菲法直接進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定，而是利用德爾菲法的專家評分機(jī)制。通過AHP法構(gòu)建評分表，邀請一定數(shù)量的專家對評分表進(jìn)行填寫，并統(tǒng)計專家評分結(jié)果。每個指標(biāo)取眾數(shù)作為最后結(jié)果，以此構(gòu)成AHP法的判斷矩陣，從而進(jìn)一步求取指標(biāo)權(quán)重。這種方式不需要專家進(jìn)行多次打分，減少了工作量。

2.3 AHP-德爾菲法確定指標(biāo)

由于篇幅限制，本文以一級指標(biāo)為例，對如何確定指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行說明。

首先，設(shè)計基于AHP法兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣的一級指標(biāo)打分表，邀請專家進(jìn)行打分。所得到的一級指標(biāo)打分情況如表2所示。

表2 一級指標(biāo)打分情況Tab.2 Scoring of primary indicators

根據(jù)打分表構(gòu)造一級指標(biāo)的判斷矩陣A計算特征向量，如式(1)、式(2)所示。

(2)

式中：E為單位矩陣；λ為系數(shù)。

通過MATLAB計算出最大特征值為λmax=7.552，對應(yīng)的特征向量如式(3)所示。

W一級=[2.193 1.331 0.879 1.305 0.405 0.451

0.435]T

(3)

式中：W一級為一級指標(biāo)最大特征對應(yīng)特征向量。

對特征向量進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重向量：

0.057 84 0.064 46 0.062 17]T

(4)

進(jìn)行一致性檢驗：

式中：CI為一致性指標(biāo)參數(shù)；n為矩陣階數(shù)。

查詢隨機(jī)一致性表，得：

式中：CR為一致性比率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

故該判斷矩陣滿足一致性要求，由此得到了如表3所示的一級指標(biāo)權(quán)重值。

表3 一級指標(biāo)權(quán)重值Tab.3 Weight values of primary indicators

同理，可以得到其他指標(biāo)的權(quán)重。信號發(fā)生器綜合評價指標(biāo)體系權(quán)重如表4所示。

表4 信號發(fā)生器綜合評價指標(biāo)體系權(quán)重Tab.4 Signal generator comprehensive evaluation index system weights

續(xù)表

3 信號發(fā)生器綜合評價實例

本文以擬對標(biāo)國外產(chǎn)品的國產(chǎn)信號發(fā)生器為例，利用前文所構(gòu)建的指標(biāo)體系和權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實例綜合評價。

對標(biāo)的國外儀器為安捷倫E8257D。

3.1 指標(biāo)打分方法

①減多加少法。

各指標(biāo)以對標(biāo)儀器為評價標(biāo)準(zhǔn)，以指標(biāo)的偏離度為打分基本依據(jù)，以60分為基礎(chǔ)得分。打分依據(jù)為：滿足對照指標(biāo)基本要求則得分60；弱于對照指標(biāo)扣分；優(yōu)于對照指標(biāo)加分；扣分幅度大于加分幅度。

減多加少法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

②同增同減法。

打分基準(zhǔn)、加分和扣分條件與方法①相同，但扣分幅度等于加分幅度。同增同減法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

③減少加多法。

打分基準(zhǔn)、加分和扣分條件與方法①相同，但扣分幅度小于加分幅度。減少加多法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

表5 減多加少法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Index deviation scoring criteria of reduction more and increase less method

表6 同增同減法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Index deviation scoring criteria of same increase same reduction method

表7 減少增多法指標(biāo)偏離度評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Index deviation scoring criteria of reduction less and increase more method

方法驗證如下。

假設(shè)某信號發(fā)生器的功率特性各項指標(biāo)的偏離度分別為最大輸出功率(-1%)、最小輸出功率(-2.7%)、輸出功率準(zhǔn)確度(-4%)、輸出功率顯示分辨力(-0.5%)、功率隨溫度穩(wěn)定性(+30%)、源駐波比(+20%)。

使用方法①計算功率特性的綜合得分(R1)為：

R1=58×24.734%+55×19.435%+0×30.051%+60×9.083%+65×(7.613%+9.083%)=41.3372

(7)

使用方法②計算功率特性的綜合得分(R2)為：

R2=60×24.734%+58×19.435%+56.5×30.051%+

60×9.083%+65×(7.613%+9.083%)=

59.3937

(8)

使用方法③計算功率特性的綜合得分(R3)為：

R3=60×24.734%+58×19.435%+58×19.435%+58×30.051%+60×9.083%+75×(7.613%+

9.083%)=61.5141

(9)

通過對3種打分方法可知，方法②和方法③的結(jié)果都趨近于基礎(chǔ)分值，方法①遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)分值。指標(biāo)權(quán)重輸出功率準(zhǔn)確度占比達(dá)30.051%，是所有指標(biāo)中重要性最高的指標(biāo)，其偏離度已經(jīng)達(dá)到了-4%。在實際工作中可以認(rèn)為此信號發(fā)生器的功率特性不合格。方法②和方法③，由于扣分幅度過小，導(dǎo)致最重要的指標(biāo)對于綜合得分的影響無法體現(xiàn)，從而得到不夠精準(zhǔn)的評價結(jié)論。反觀方法①，其綜合得分明顯與實際工作中的結(jié)論更為接近。

因此，在后文的研究中采用方法①進(jìn)行各項指標(biāo)打分。

3.2 評價實例

信號發(fā)生器1評價結(jié)果如表8所示。

表8 信號發(fā)生器1評價結(jié)果Tab.8 Signal generator 1 evaluation results

信號發(fā)生器2評價結(jié)果如表9所示。

表9 信號發(fā)生器2評價結(jié)果Tab.9 Signal generator 2 evaluation results

綜合評價得分為一級指標(biāo)的權(quán)重向量與其得分向量的乘積。

3.3 結(jié)果分析

通過計算可知，信號發(fā)生器1的綜合評價得分為58.138 1，信號發(fā)生器2的綜合評價得分為53.343 4?？梢灾庇^地看出，信號發(fā)生器1的性能明顯優(yōu)于信號發(fā)生器2，且兩者均相對于對標(biāo)儀器有部分差距，但信號發(fā)生器1差距較小。

在共性問題上，兩臺信號發(fā)生器在頻率特性、內(nèi)部信號調(diào)制特性、電磁兼容性這幾個方面與國外先進(jìn)儀器差距最大，在頻譜純度、量值傳遞能力、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等方面達(dá)到甚至超過了國外先進(jìn)儀器。綜合來看，如需達(dá)到完全的國產(chǎn)化替代，國內(nèi)信號發(fā)生器生產(chǎn)廠家要在差距較大的方面進(jìn)行提升。

在個性問題上，信號發(fā)生器2在最重要的計量特性這一方面明顯不足，其頻率特性、調(diào)制特性得分明顯較低。信號發(fā)生器1的計量特性雖然也未完全達(dá)到對標(biāo)儀器的水平，但是其差距明顯比信號發(fā)生器2更小。

4 結(jié)論

本文基于AHP法，提出了信號發(fā)生器性能綜合評價方法，并將該方法引入計量設(shè)備評價領(lǐng)域，構(gòu)建了綜合評價指標(biāo)體系，確立了評價指標(biāo)權(quán)重，對于計量設(shè)備的綜合評價研究具有借鑒意義。研究表明，本文提出的綜合評價方法從而對信號發(fā)生器性能進(jìn)行評價選優(yōu)，從而為用戶單位進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)備選優(yōu)提供技術(shù)手段，為高端計量設(shè)備國產(chǎn)化替代選型提供方法依據(jù)。