基于QFD技術(shù)的船舶設計決策方法

熊云峰，陳章蘭，袁紅莉

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

滿足船東需求是船舶設計工作的根本出發(fā)點，也是最終落腳點。“顧客 (船東)至上”是船舶設計者必須踐行的設計理念。所以，在開展船舶設計時，特別是在進行船舶設計方案決策時，必須從滿足船東的需求出發(fā)，從眾多可行方案中選擇出符合船東需求的最佳方案。而要實現(xiàn)這一目標，最有效的手段就是在進行設計決策時，要高度重視船東需求在船舶設計過程中的基礎性作用，進而建立恰當?shù)臎Q策分析模型，以使決策過程能充分體現(xiàn)“船東至上”的設計原則。

質(zhì)量功能配置 (quality function deployment，QFD)是顧客驅(qū)動的產(chǎn)品設計方法，強調(diào)用戶需求在產(chǎn)品設計過程中的基礎性作用，是系統(tǒng)工程思想在產(chǎn)品設計過程中的具體應用，其目標是在產(chǎn)品設計階段實現(xiàn)顧客滿意。QFD技術(shù)的運用主要通過構(gòu)建質(zhì)量屋的方式來完成［1-5］。QFD技術(shù)目前在船舶設計決策領域還沒有公開的應用成果，但在其他產(chǎn)品設計中有很多成功的應用案例，如文獻 ［1-5］等。

基于此，本文針對船舶設計方案決策問題的特點，嘗試將QFD技術(shù)應用到船舶設計決策工作中來，利用QFD技術(shù)建立船舶設計決策質(zhì)量屋，提出一種基于QFD技術(shù)的船舶設計決策方法，以實現(xiàn)對船舶設計方案進行科學的系統(tǒng)決策。

1 基于QFD技術(shù)的船舶設計決策思路與步驟

1.1 基本思路

基于QFD的船舶設計決策思路與流程如圖1所示。

圖1 船舶設計決策思路與流程Fig.1 The idea and process of the decision-making of ship design

1.2 具體步驟

1)船東需求分析并計算需求的權(quán)重

運用專家座談、船東訪談、調(diào)查研究等方法，確定船東的具體需求(設有n個需求，以xi表示，i=1，2，…，n)，然后運用層次分析法計算出船東需求的權(quán)重矩陣 α=［αi］1×n。

2)構(gòu)建船舶設計決策指標體系

根據(jù)船型方案的特點，從眾多影響船舶設計質(zhì)量特性的因素中挑選出具有代表性的質(zhì)量特性指標(設代表性的指標有m個，以yj表示，j=1，2，…，m)，建立船舶設計決策的指標體系。

3)構(gòu)建質(zhì)量屋關(guān)系矩陣

首先，分析船東需求與設計決策指標之間關(guān)聯(lián)程度，并以相應的具體數(shù)值表示二者之間的關(guān)聯(lián)程度［2］(如表1所示)，構(gòu)造船東需求與決策指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣 A=［αij］n×m。

表1 船東需求與設計決策指標之間關(guān)聯(lián)程度的對應數(shù)值Tab.1 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and shipowner requirement

然后，逐一分析船舶設計決策指標之間的相關(guān)關(guān)系，并以相應的具體數(shù)值表示二者之間的關(guān)聯(lián)程度［2］(如表2所示)，且將某一決策指標與其自身的自相關(guān)關(guān)系定義為1，則可構(gòu)造決策指標之間的自相關(guān)矩陣 B=［bij］m×n。

表2 設計決策指標之間關(guān)聯(lián)程度的對應數(shù)值Tab.2 The corresponding data of the relevance between the decision-making index and the decision-making index

在具體構(gòu)建關(guān)系矩陣的過程中，為了提高所構(gòu)建關(guān)系矩陣的準確性，可請若干專家按上述方法參與評價并給出具體的數(shù)值，然后進行算數(shù)平均得到相應的最終關(guān)聯(lián)數(shù)值。例如，若有10位專家給出某一船東需求與某一決策指標之間的關(guān)聯(lián)數(shù)值總和為12，則二者最終的關(guān)聯(lián)數(shù)值就為1.2。

4)計算設計決策指標權(quán)重向量ω

首先，根據(jù)矩陣A和B按式(1)可得到修正后的關(guān)聯(lián)矩陣C:

然后，按式(2)可計算出船舶設計決策指標權(quán)重矩陣β，

最后，對β進行歸一化處理，得設計決策指標權(quán)重向量 ω［3］，

5)構(gòu)造決策指標矩陣i

設有s個決策對象(船型方案)，每個決策對象有m個決策指標，則有決策對象集合U=［Uk］，決策指標集合V=［Vj］，djk表示第k個決策對象Uk的第 j個評價指標 Vj的值(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)，則決策指標矩陣 D=［djk］m×s。

6)規(guī)范化決策指標矩陣

由于決策指標的物理意義不同，導致相互之間通常具有不同的量綱，而且數(shù)值的數(shù)量級相差懸殊。因此，為了消除評判指標對方案決策帶來的不利影響，需對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理。處理方法為:

經(jīng)規(guī)范化處理后決策指標矩陣

7)構(gòu)建加權(quán)決策指標矩陣

式中:fjk= ωj× ejk，(j=1，2，…，m;k=1，2，…，s)。

8)綜合設計決策

在對指標值無量綱化后，就可以將信息熵原理中的“指標”看作是“方案”、 “方案”看作是“指標”，這樣處理后，最后求得的“指標”熵值實質(zhì)就是方案的重要度。因此，可以應用信息熵原理，構(gòu)建如式(7)所示的綜合決策模型［6-7］:

根據(jù)向量R，可作出決策:R中rk的值越大，表明所對應的決策對象的綜合性能越好;R中rk的值越小，表明所對應決策對象的綜合性能越差。即rk值大者為優(yōu)，rk值小者為劣。

2 方法應用

1)QFD團隊根據(jù)上述步驟1確定質(zhì)量屋中的顧客需求分別為:適用性好(x1)、經(jīng)濟性好(x2)、安全可靠(x3)、先進美觀(x4)4項需求;

2)QFD團隊根據(jù)上述步驟1確定質(zhì)量屋中的決策指標有:航速(y1)、穩(wěn)性(y2)、耐波性指數(shù)(y3)、操縱性(y4)、凈現(xiàn)值(y5)、必要運費率(y6)、船舶造價(y7)、噪聲指數(shù)(y8)、船型成熟度(y9)等9項。

運用層次分析法［6］，獲取顧客需求的權(quán)重向量:3)QFD團隊根據(jù)上述步驟3，確定船東需求與設計指標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣、設計指標之間的自相關(guān)矩陣(如表3所示)。然后，按式(1)～式(3)計算可得設計決策指標的權(quán)重(具體結(jié)果見表3中的最后一行)。

表3 船舶設計決策質(zhì)量屋Tab.3 The house of quality of the decision-making of ship design

4)船舶設計決策

以4艘油船設計方案為決策對象，其9項決策指標值如表4 所示［8］。

表4 四艘油船設計方案的決策指標值Tab.4 The data of the decision-making index

根據(jù)上述步驟5～步驟7，可得決策指標矩陣D、規(guī)范化決策指標矩陣E及加權(quán)決策指標矩陣F:

然后，按式(7)計算可得

比較R中各元素的大小，得到船型方案的排序結(jié)果為:d2＞d3＞d1＞d4，最優(yōu)船型方案為方案2。

3 結(jié)語

本文運用QFD技術(shù)和信息熵原理，建立了一種新的船舶設計決策方法。該方法具有以下特點:

1)將QFD技術(shù)應用到船舶設計決策工作中來，利用QFD技術(shù)建立船舶設計決策質(zhì)量屋，進而計算出了船舶設計決策指標的權(quán)重，使所得的權(quán)重充分地反映了船舶的需求作用，使決策過程充分體現(xiàn)了“船東至上”的設計理念。

2)運用信息熵原理，建立了基于QFD技術(shù)的船舶設計決策模型，很好地處理了多指標、多目標綜合評價問題。該方法計算過程簡單、實用性強。

3)雖然本文所舉的算例較為簡單，但本文所提的方法可以很容易推廣應用到其他更為復雜的多目標、多指標的船舶設計決策、船舶投資決策等決策工作中去，所不同的是僅僅增加了計算工作量。

雖然本文作了一些有益的探索，但所建立的船舶設計決策方法的科學性與實用性有待進一步研究，更有待實踐的進一步檢驗，這也是今后努力鉆研的方向。

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