電子設備多學科優化方案綜合評價系統概述

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

根據設計需求和約束條件進行的電子設備多學科多目標綜合優化設計，往往會獲得由多個方案組成的非劣解集。目前還沒有一種有效的技術途徑來幫助設計者針對不同的偏好和具體設計要求，完成對多個優化方案進行科學的評價、排序、選擇，進而開展進一步詳細設計。

本文通過對比各種定性、定量和定性定量評價方法[1]的優劣，根據電子設備多目標優化方案的綜合評價需求，確定了以層次分析法、模糊綜合評價法和模糊層次評價法組成的評價體系結構，將上述評價系統集成于電子設備多學科設計優化平臺中，為設計決策者提供科學方法和技術手段，完成優化方案評價、比較和優選，提高電子設備的總體優化設計能力。

2 電子設備多學科優化方案評價系統的功能

建立電子設備設計方案綜合評價系統的目的就是對電子設備設計優化的結果進行評價，揭示電子設備研制任務的提出方(價值主體)與待評價設計方案(價值客體)之間的價值關系，考慮待評設計方案是否符合需求以及需求滿足程度，進而實現對多種方案的比較、排序和優選。該系統主要應具備以下功能：

(1)能夠根據設計優化平臺需求從數據庫獲取參評方案；

(2)能夠根據評價者需求，靈活提供多種評價手段：一方面保證評價人員能夠根據具體的評價任務和特點選擇最合適的評價方法，另一方面還保證評價人員能夠針對同一個評價任務采用多種不同方法進行評價，對評價結果進行比較分析，從而獲取更全面、合理的評價結果；

(3)能夠靈活支持定性、定量指標的處理，包括指標的選擇、指標系統的建立、各個方案的單項指標評價等；

(4)具有良好的人機交互界面，便于用戶使用和結果顯示；

(5)具有良好的可擴展性，便于集成更多的評價方法，實現綜合評價系統不斷完善。

3 國內外多學科優化方案評價的方法及選用

綜合評價是指對多屬性體系結構描述的對象作出全局性、整體性的評價。由于評價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，針對不同評價目標和不同偏好，要獲得客觀、公正、準確可信的評價結果并非易事。目前發展與應用的評價方法已經在航天裝備體系[1]、機械產品設計質量[2]、空運方案決策[3]、電子行業[4-5]等工業部門得到了廣泛應用，主要有：

(1)定性評價方法，如專家評議法、Delphi法、加權評分法等；

(2)定量評價方法，如數學分析法、主成分分析法、多目標線形加權和評價法等；

(3)定性定量綜合評價方法，如模糊綜合評價法(AHP)、層次分析法(FCE)、模糊層次評價法、灰色系統評價法、人工神經網絡評價法等。

電子設備方案的評價屬復雜系統評價問題，存在多個評價目標，具有明顯的層次性評價指標體系，部分評價指標只能進行定性分析，具有定性和定量評價指標混合的特點。

AHP法是一種定性和定量分析相結合的方法，能夠把某些以人的主觀判斷為主的定性分析指標進行量化，用有效數值來描述各個方案的優劣，排出優先順序供決策參考。

FCE法在解決難以直接進行比較、無法保證比較結果客觀性和準確性，進而影響判斷結果的兩方案評價問題時比較有用。由于對部分定性指標只能用很好、好、較好、一般或較差等模糊信息表達的定性概念進行劃分，無法用準確的分數進行度量。由于專家認識上的差異性也可能導致對同一設計方案，有專家認為可行，有專家認為不甚可行；有專家認為其競爭力強，有專家認為其競爭力弱。因此，對該類問題評價，只有采用模糊綜合評判方法才能很好地加以解決。但由于影響因素權重的確定存在主觀性和不準確性，模糊綜合評判方法也存在一定的局限性。為充分發揮各個方法的長處，將層次分析法和模糊綜合評價法相結合形成模糊層次評價法。

基于以上分析，確定了以層次分析法、模糊綜合評價法和模糊層次評價法作為電子設備設計優化方案的可選評價方法，以該3種方法為核心，開發電子設備多學科優化方案綜合評價系統具有實際意義和現實可行性。

4 評價方法數學模型

4.1 電子設備多學科優化方案評價指標體系

進行電子設備設計方案的評價，首先建立一個能夠體現任務提出方需求和待評價方案屬性相關聯的評價指標體系。以對某電子設備多學科設計優化方案評價為例，優化設計指標包括熱、振動和電磁3個學科指標。優化設計問題如下：

(1)熱設計目標：關鍵功率元器件工作溫度盡量低；

(2)振動設計目標：產品關鍵部位一階固有頻率最大化；

(3)電磁設計目標函數：屏蔽效能盡量高。

基于以上設計優化問題，初步確定評價的內容為各個學科的優化目標，即溫度、固有頻率和屏蔽效能。建立指標體系結構如圖1所示。

圖1 指標體系結構圖Fig.1 The system architecture of target

評價內容的確定和指標體系的選取應能充分體現對這3個學科參數及總體性能的綜合評價，通過提煉評價指標、指標層次化和系統化，建立總體方案和各分系統全面、合理的評價指標體系。

4.2 AHP法的基本步驟

(1)采用評價指標體系結構建立層次分析結構模型；

(2)構造判斷矩陣實現對設計師的思維判斷定量化；

(3)層次單排序及一致性檢驗，確定各因素對于上一層次因素的相對重要性或相對優劣度的權值；

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

通過上述4個步驟，最終完成多個方案在頂層評價目標下的優劣排序。

4.3 模糊綜合評價法的基本步驟

(1)按評價體系寫出評價因素的因素集及評價尺度集；

(2)根據專家經驗，確定各層評價因素相對其上層某個評價因素UP的權重；

(3)建立隸屬度矩陣。

4.4 模糊層次評價法

模糊層次評價法的計算步驟與模糊綜合評價法步驟相同，只是在確定各評價因素權重的過程中，權重通過AHP方法計算，即通過構造判斷矩陣計算各層評價因素的層次單排序和層次總排序。

5 電子設備多學科優化方案評價系統及流程

5.1 系統組成

如圖2所示，根據功能要求，系統組成主要分為評價模型建立模塊、評價方法計算模塊、用戶GUI模塊和數據庫交互模塊四大模塊。其中，評價模型建立模塊具體包括評價方法選擇模塊、參評方案選擇模塊、指標體系建立模塊和專家評分模塊，評價方法計算模塊包括AHP法計算模塊、模糊綜合評價法計算模塊和模糊層次評價法計算模塊。

圖2 多學科優化方案評價系統組成Fig.2 The composition of scheme evaluation system for MDO

5.2 評價流程

綜合評價流程如圖3所示。

圖3 方案評價流程圖Fig.3 The flowchart of scheme evaluation

指標評價值初始化十分關鍵，包括了定性和定量兩類指標，定量指標的值可以從待評價方案中得到，定性指標則難以直接給出具體量值，例如設計方案的技術基礎、設計生產經驗和工藝水平等，只能通過專家打分等方式間接獲取。

圖4 評價指標初始化流程Fig.4 The initial flowchart of the evaluation initial index

在電子設備多學科優化方案的綜合評價指標體系中，綜合了多種評價指標處理方法，并集成于評價工具包中，滿足使用人員的各種要求。指標初始化的具體流程如圖4所示，利用該系統可以進行電子設備多學科優化方案的評價。圖5所示為參評方案選擇(方案1、方案2、方案3)及評價指標選擇(固有頻率、最高溫度和屏蔽效能)。參與評價方案的指標如表1所示，其指標值通過仿真分析計算求得。

圖5 選擇評價方案及評價指標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

通過系統評價方法的選擇(如圖6)，對各指標進行方案的評價(圖7)，實現電子設備多學科優化方案評價系統的評價(如圖8)，表明方案3具有較高的綜合指標。

圖6 選擇評價方法Fig.6 The interface to select the evaluation method

圖7 方案評價Fig.7 The interface to evaluation scheme

圖8 評價結果Fig.8 The evaluated result

6 結 論

進行多學科多目標優化是根據電子設備多學科優化設計的復雜性及學科特點提出的一種需求，是有效提高電子設備設計水平的途徑之一。在總結國內外評價方法研究成果的基礎上，對電子設備多學科優化方案綜合評價系統的系統功能、流程定義、評價方法選擇、數學模型建立等進行研究，并將該研究成果集成在電子設備多學科綜合優化設計平臺之中，能有效實現性能優化和方案評價等功能，對提高設計者決策能力、完成電子設備設計優化方案科學評價工作均具有工程應用價值。但由于電子設備多學科綜合優化技術的研究仍處于初期階段，系統中有關的方案評價依據、評價規則數據庫還有待充實完善。

參考文獻：

[1] 吳小萍,張小勇,孟祥定,等.復雜系統決策的綜合評價方法研究[J].系統工程與電子技術,2004，26(12)：1807-1811.

WU Xiao-ping, ZHANG Xiao-yong,MENG Xiang-ding,et al. Comprehensive assessment method for the decision making of a complicated system[J]. Systems Engineering and Electronics, 2004，26(12)：1807-1811.(in Chinese)

[2] 沈如松,張占月. 航天裝備體系優化與評價集成仿真平臺設計研究[J]. 裝備指揮技術學院學報, 2003,14(3):38-41.

SHEN Ru-song,ZHANG Zhan-yue. Study on Design of Integrated Simulation Platform for Optimizing and Evaluating Aerospace Equipment Architecture[J]. Journal of Institute of Command and Technology, 2003,14(3):38-41.(in Chinese)

[3] Ufuk Cebeci, Da Ruan. A multi-attribute comparison of turkish quality consultants by fuzzy AHP[J]. International Journal of Information Technology & Decision Making, 2007,6(1): 191-207.

[5] 盧涼，方偉，馮剛英．多學科優化技術在航空電子設備設計中的應用[J].電訊技術，2009,49(4):20-24.

LU Liang, FANG Wei, FENG Gang-ying. Application of multidisciplinary design optimization invaionics equipment design[J].Telecommunication Engineering,2009,49(4):20-24.(in Chinese)

[6] 盧涼.電子設備多學科優化設計平臺的實現[J].電訊技術，2010，50(7)：31-34.

LU Liang. Realization of Multidisciplinary Design Optimization Platform for Electronic Equipment[J].Telecommunication Engineering,2010，50(7)：31-34. (in Chinese)