基于層次分析法的3D生產設計系統功能評價

王炬成， 張世超， 張 磊， 朱小敏

(1. 江蘇科技大學， 江蘇 鎮江 212003； 2. 上海外高橋造船有限公司， 上海 200137；3. 江蘇現代造船技術有限公司， 江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

國際造船行業競爭日趨激烈，三維生產設計系統能夠大幅縮減船舶生產周期，降低生產成本，提高船舶企業利潤。隨著船舶行業的日益發展，三維生產設計系統的種類不斷增加，如Tribon、AVEVA Marine、INTERGRAPH等。

郵船的建造過程復雜，設計要求高，國內現有的設計軟件和傳統的生產設計技術無法滿足大型郵船復雜系統設計和建造需求。選擇合適的3D生產設計系統可幫助船廠提高郵船設計建造的質量和效率，降低郵船建造成本，在市場競爭中保證自身優勢。

1 層次分析法

1.1 層次分析法概述

20世紀70年代初，美國提出了層次分析法的概念。層次分析法是將評價因素分成目標、準則、方案等層次，進行定量、定性分析的方法，具有靈活、方便等優點[1-2]。層次分析法將總目標分解成各層子目標，再分解成評價準則，最后分解成備選方案，從而將復雜的評價問題簡單化，通過建立判斷矩陣并計算權重將評價問題量化。

1.2 層次分析法步驟

運用層次分析法建模來解決實際問題，主要包括以下4個步驟：

(1) 建立層次結構模型。層次分析法結構示例如圖1所示。

圖1 層次分析法結構示例

(2) 構造判斷矩陣。準則層的各準則在評價過程中所占比重不同，層次分析法用標度表達各準則的比重，進而定義判斷矩陣。表1所示為判斷矩陣的標度定義[3-4]。

(3) 權重計算。根據上述步驟構造的判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值及特征向量。

表1 判斷矩陣標度定義

(4) 一致性檢驗。根據公式計算檢驗因數，當檢驗因數<0.1時，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則就不具有滿意一致性[5]。

2 3D生產設計系統功能評價指標模型構建

3D生產設計系統功能測試分為船體、管系、電裝、鐵舾、內裝、涂裝等專業。各個專業又可按業務流程分為：系統初始化、生產設計三維建模、生產設計圖表設繪和生產信息輸出。其分別包含多個測試要點。采用多層次的方法構建3D生產設計系統功能評價指標體系，第一層的評價指標為6個專業，第二層的評價指標為各業務流程，第三層的評價指標為測試要點。3D生產設計系統各個專業的測試要點有334個，表2只列出一部分，其余省略。

表2 3D生產設計系統測試要點

續表2 3D生產設計系統測試要點

本文的決策目標為3D生產設計系統。在進行3D生產設計系統測試時，首先按業務流程分為系統初始化、生產設計三維建模、生產設計圖表設繪和生產信息輸出。根據測試功能點分布情況分別建模：系統初始化按專業可分為船體、管系、鐵舾；生產設計三維建模按專業可分為船體、管系、電裝、鐵舾、內裝；生產設計圖表繪制按專業可分為船體、管系、電裝、鐵舾、內裝、涂裝；生產信息輸出可按工藝類別分為零件下料切割、船體零件加工、舾裝零件加工、構件裝配、構件焊接工藝。第一層中間要素為系統初始化、生產設計三維建模、生產設計圖表設繪和生產信息輸出等四大要素；第二層中間要素為各專業及工藝類別，備選方案為表2所示的334個測試要點。在進行層次模型構建時，備選方案采用編號形式標注，不采用詳細文字描述進行標注。

3D生產設計系統測試功能評價指標模型采用yaahp軟件構建。yaahp是山西元決策軟件科技有限公司開發的一款層次分析法輔助軟件，為使用層次分析法的決策過程提供層次結構模型構造、層次結構模型檢查、判斷矩陣建立、判斷矩陣檢查、根據總目標或子目標排序權重的加權分數計算等功能。目前，最新yaahp版本為yaahp V11.3.6335。

本文計算權重采用的即是最新版本的yaahp軟件。

3 3D生產設計系統功能評價指標權重計算

3.1 3D生產設計系統功能評價判斷矩陣構建

3D生產設計系統測試功能評價指標模型是采用層次分析法構建的，從上至下依次為目標層、第一層中間要素、第二層中間要素、備選方案層。根據各要素的重要性比較，按構建的評價模型層級，逐層填寫標度，構造判斷矩陣，并進行矩陣一致性檢驗。如圖2所示為第一層中間要素的重要性比較及判斷矩陣構建。以圖2所示第一層中間要素即系統初始化、建模、出圖、生產信息為例，闡述判斷矩陣的構建。系統初始化、建模、出圖、生產信息之間的重要程度比，是根據不同船型所統計的生產設計工時中各部分的工時比得出的。對不同船型系統初始化、建模、出圖、生產信息所需的工時進行統計，結合郵船生產設計特點，將郵船系統初始化、建模、出圖、生產信息之間的重要程度比取為1∶5∶8∶6。因此，如圖2所示，系統初始化與出圖的標度為1/8，系統初始化與生產信息的標度為1/6，以此類推。根據系統初始化、建模、出圖、生產信息等4個因素之間兩兩因素的重要程度比，得出相應標度，即可構建出如式(1)所示的判斷矩陣，該矩陣在yaahp軟件中的顯示如圖2所示。

(1)

圖2 第一層中間要素重要性比較及判斷矩陣構建

3.2 3D生產設計系統功能評價指標權重計算

判斷矩陣構造完成后，即可進行權重計算，計算結果如表3所示，序號對應表2第四列的各項測試要點及第五列的描述，權重行即為yaahp計算的各項測試要點的權重結果。

表3 3D生產設計系統各測試點權重計算

4 3D生產設計系統功能評價

根據上述計算得出的權重集，結合各項評分，計算出評價總分。計算公式為

總層權重集為

W=(w1,w2,…,wn)

(2)

各項評分集為

S=(s1,s2,…,sn)

(3)

則評價總分為

S總=w1s1+w2s2+…+wnsn

(4)

式(2)～式(4)中：w1～wn為各測試點對應的權重；s1～sn為各測試點對應的評分。

選取兩款3D生產設計系統，進行3D生產設計系統功能評價總分計算。依據334個測試要點在3D生產設計系統功能評價中的權重及其綜合評價分值，代入式(3)，經線性加權后的加權值相加，即可分別計算出兩款3D生產設計系統功能評價的總分值。總分值較高的則表明經層次分析法計算，該軟件的功能較另一款軟件強大。

5 結束語

采用層次分析法進行3D生產設計系統功能評價：首先，建立3D生產設計系統功能評價指標模型，根據評價指標構造判斷矩陣；其次，根據判斷矩陣進行3D生產設計系統功能評價指標的權重計算；最后，給出評價總分計算公式，可根據各項權重及各項評分計算出3D生產設計系統功能評價總分，并以此評價總分來評判3D生產設計系統的功能優劣。