基于AHP-TOPSIS方...的智能液压设备设计评价研究_李泽宏.pdf

第 44 卷 第 14 期 包 装 工 程 2023 年 7 月 PACKAGING ENGINEERING 83 收稿日期：20230201 基金项目：过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金项目（GK201913）；产学研基金项目（E10204788）作者简介：李泽宏（1997），男，硕士，主要研究方向为产品创新设计、设计工具。通信作者：张玲玉（1972），女，硕士，教授，主要研究方向为用户体验、产品创新设计。基于 AHP-TOPSIS 方法的智能液压设备设计评价研究 李泽宏1a，张玲玉1b，胡蝶2，罗怀林1b，郑乔誉1a，陈新月1a（1.四川轻化工大学 a.机械工程学院 b.过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 宜宾 644000；2.西华大学 美术与设计学院，成都 610039）摘要：目的目的 为解决智能液压设备设计方案评价主观片面的问题，优选最佳设计方案。方法方法 根据问卷调研和专家意见初步构建智能液压设备评价指标，建立智能液压设备设计方案评价模型。采用 AHP 层次分析法从外部形象、生产成本、人机工程、安全可靠 4 个方面建立 4 个准则层指标，12 个子准则层指标，并通过计算得到各级指标的最终权重结果及排序；再利用 TOPSIS 逼近理想解排序法对 3 款四柱永磁粉末液压设备的设计方案进行评价，计算得到贴近度优劣排序，从而确定最优选方案。结论结论 通过AHP-TOPSIS 相结合的定性定量评价方法，评估出最符合企业需求的四柱永磁粉末液压设备设计方案，为四柱永磁粉末液压设备及同类智能液压设备的设计实践和评价提供参考。关键词：工业设计；智能液压设备；四柱永磁粉末液压设备；AHP-TOPSIS；设计评价 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)14-0083-08 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.14.008 Evaluation of Intelligent Hydraulic Equipment Design Based on AHP-TOPSIS Method LI Ze-hong1a,ZHANG Ling-yu1b,HU Die2,LUO Huai-Lin1b,ZHENG Qiao-yu1a,CHEN Xin-yue1a(1.a.School of Mechanical Engineering b.University Key Laboratory of Process Equipment and Control Engineering of Sichuan Province,Sichuan University of Science&Engineering,Sichuan Yibin 644000,China;2.School of Fine Arts and Design,Xihua University,Chengdu 610039,China)ABSTRACT:The work aims to select the optimal design solution to solve the problem of subjective and one-sided evaluation of intelligent hydraulic equipment design solutions.According to the questionnaire research and experts opin-ions,evaluation indicators of intelligent hydraulic equipment were initially constructed and the evaluation model of intel-ligent hydraulic equipment design scheme was established.4 criterion layer indicators and 12 sub-criterion layer indica-tors were constructed through Analytic Hierarchy Process(AHP).The final weight result and ranking of different indica-tors were obtained through calculation.Finally,the design solution of 3 types of four-column permanent magnet powder hydraulic equipment was evaluated through TOPSIS.The ranking of proximity degree was obtained through calculation to determine the optimal solution.The combined qualitative and quantitative evaluation method of AHP-TOPSIS is used to evaluate the four-column permanent magnetic powder hydraulic equipment design solutions that best meet the needs of enterprises,and to provide reference for the design practice and evaluation of four-column permanent magnetic powder hydraulic equipment and similar intelligent hydraulic equipment.KEY WORDS:industrial design;intelligent hydraulic equipment;four-column permanent magnet powder hydraulic equipment;AHP-TOPSIS;design evaluation 在智能液压设备设计阶段，研发人员常会基于企业需求产出不同类型的设计方案。由于受到一些客观因素的限制，往往仅有一款方案能被实现。在对设计进行评价和决策的过程中，评价指标通常由决策者根84 包 装 工 程 2023 年 7 月 据自身的经验和直觉判定，易受到偏好、年龄、工作职位等影响1。这样粗略的定性分析和评价方式达不到准确客观地分析评价方案的目的。只有合理的设计评价才能准确地反映产品设计的质量，从而有效地从多种设计方案中确定最优方案，并快速投入后期生产制造，进而提高产品市场竞争力。因此如何客观、准确地完成四柱永磁粉末液压设备的设计方案，建立合理的设计评价指标体系，优选出最符合企业需求的设计方案是当前智能液压设备行业面临的主要问题。TOPSIS 能有效地对多目标、多影响因素的复杂目标进行评价2。该方法能充分利用调研或实验得到的初始数据信息，对多个设计方案进行评价与优选3。其被广泛地运用在管理决策、风险评估、商业决策等领域，近年来在产品设计方案决策中也被广泛利用。为了降低人为主观性，张健等4将灰色关联法和 AHP方法相结合引入动态权重对 TOPSIS 方法进行计算并建立评价模型，对三种汽车覆盖件进行了由高到低的优选度排名。周凯等5在绿色包装方案决策中运用TOPSIS 评价法并引入粗糙集理论，最终得到了优越度最高的包装方案。陈香等6则在录音笔设计评估中，构建出一种结构熵权与 TOPSIS 法设计评估模型，并验证了该模型的可行性。上述文献综述表明TOPSIS 方法在权重计算部分具有一定的主观性，常容易受到人为因素的干扰。如需对方案进行全面综合客观的评价与决策，应搭配其他客观权重定量研究方法。本文采用 TOPSIS 与 AHP 相结合的定性定量研究方法，利用 AHP 方法从外部形象、生产成本、人机工程、安全可靠 4 大影响因素综合考虑，使其评价指标的权重值更为客观和完整。TOPSIS 方法作为优选设计方案的工具，通过计算各方案与理想解的贴近度，最终得到最优选设计方案。1 AHP-TOPSIS 方法 AHP 是 STAAY 提出的一种多指标的统计方法，能有效地将复杂的定性评价过程量化，通过将高层次的指标层往低层次的指标层逐一分解，归纳形成为有序的层级分析结构。在处理受到多因素影响的复杂目标时非常便捷高效，且实用性强7。TOPSIS是 HWANG和 YOON提出的针对多属性问题的评价方法，能有效的对多目标进行决策分析。其原理是依据方案与最正、负理想解的距离并排序来优选出最佳方案8。建立改进后的 AHP-TOPSIS 方法的评价步骤如下。1.1 判断矩阵的构建与权重确定 建立合理的判断矩阵是 AHP 方法中重要的一项环节，通过将属于相同层级中的各个指标进行两两比较，构建判断矩阵 A，见式（1）。111212122212()nnijn nnnnnbbbbbbbbbb|=|A(1)式中：用ijb表示第 i 个指标相对于第 j 个指标的重要程度，则：1ijjibb=。判断矩阵的元素运用 19 模糊数值标度法进行确定，其评价尺度，见表 1。表 1 评价尺度 Tab.1 Evaluation scale 评价尺度 含义（元素 i 相比于元素 j）1 i 与 j 相比同样重要 3 i 与 j 相比稍微重要 5 i 与 j 相比较重要 7 i 与 j 相比明显重要 9 i 与 j 相比绝对重要 2、4、6、8 取中 1.2 确定各指标的权重 1）得到各矩阵判断后，采用几何平均法求得矩阵的权重向量值()iW。2）计算最大特征根max。3）一致性检验。在进行 AHP 法时为保证决策者思维的一致需要对判断矩阵进行一致性检验，见式（2）。maxIII(1)nFRRR n-=-(2)式中：R是平均一致性指标，n 为阶数，IR为平均随机一致性指标，IF为一致性检验指标。如果 R0.1 时，一致性检验通过9；反之，则不通过。要重新调研或咨询专家意见，对 A 加以修改，使其满足一致性检验的条件。1.3 建立标准化决策矩阵、加权标准化决策矩阵 标准化决策矩阵()ijm nX=B，以消除量纲不同带来的影响。1）效益型指标，见式（3）。minmaxm niijjijjjXXbXX-=-(3)2）成本型指标，见式（4）。maxmaxmin()jijijjjXXyXX-=-(4)将经过标准化处理的矩阵 B 的每一列与指标总排序权重nW对应相乘，得到加权标准化决策矩阵 C。1.4 贴近度计算 1）确定正、负理想解10，见式（5）（6）。第 44 卷 第 14 期 李泽宏，等：基于 AHP-TOPSIS 方法的智能液压设备设计评价研究 85 12max(),max(),max()1,2,iiinCcccim+=(5)12min(),min(),min()1,2,iiinCcccim-=(6)2）计算设计方案与正、负理想解的距离11，见式（7）（8）。21()niijjjdcc+=-(7)21()niijjjdcc-=-(8)式中：jc+、jc-分别为C+、C-中对应的元素。3）确定设计方案与正理想解的贴近度，见式（9）。iiiidEdd-+-=+(9)根据所得的iE+值进行排序，iE+值越大说明越符合用户心理预期，方案优选度则越高；反之则表明方 案优选度越小。2 基于 AHP-TOPSIS 方法的评价 2.1 智能液压设备设计方案评价流程 智能液压设备设计受多种因素影响，在基础功能和形态结构满足此类产品相关要求的前提下，利用美学设计原则，从外观造型、CMF、人机要素等方面对设备进行创新设计，以达到美观、经济、舒适、安全的目的。通过对 AHP 和 TOPSIS 有关文献的分析研究，构建如图 1 的设计评价流程。首先，进行问卷调研和咨询行业专家意见，运用 AHP 对影响因素筛选归纳，建立智能液压设备指标体系层级分析评价模型，并构建判断矩阵。其次，利用 TOPSIS 法计算各方案与正、负理想解的距离，并根据方案集排序得到最优选设计方案。图 1 智能液压设备设计方案评价流程 Fig.1 Evaluation process of intelligent hydraulic equipment design solution 2.2 智能液压设备多层次评价模型构建 2.2.1 评价指标确立 智能液压设备设计涉及到人机工程学、结构设计、美学等方面，由此造成智能液压设备方案呈现出多样化的结果。而要优选出最佳设计方案，则必须构建多层次评价模型，对各个方案进行客观评价12，从而提高产品的市场竞争力。由于智能液压设备使用场景的专业性和复杂性，市场上各产品功能外观各不相同，对设计方案的决策造成很大阻力。通过对影响产品的各类指标进行筛选整理，能更准确客观地建立评价指标体系13。本研究的前期调研邀请了 60 位专家（包括液压设备制造行业专家、相关企业高级管理人员、相关企业高级工程师、工业设计专业教授等）进行问卷调研，调研最终回收到有效问卷 57 份。在此基础上，对智能液压设备有重要影响的评价指标进行合理性评估，见式（10）。H=G/57(10)式中：H 为公信度值，G 为该指标选择人数。移除 HD1D3。因此可以确定方案 D2为四柱永磁粉末液压设备最优选设计方案。4 结论 本次研究首先通过问卷调研、行业专家意见指导建立了智能液压设备设计评价指标体系，提出了基于AHP-TOPSIS 方法的设计方案评价流程。通过实际案例的应用可知，两种定性定量的研究方法能有效降低了四柱永磁粉末液压设备设计评价中要素复杂、要素关系难以判断、难以量化分析带来的不利影响，降低了方案选择过程中人为的主观性影响，提高了智能液压设备设计评价的客观性和有效性。文中在确定各指标权重过程中，以及人为主观性问题上的研究仍然不足，在后续的研究中还需扩大样本数量，在四柱永磁粉末液压设备实际转化应用中，展开进一步的优化与研究。参考文献：1 李芳,何思俊,支锦亦,等.基于 AHP-熵权法的高速列车乘客车厢设计满意度评价J.机械设计,2020,37(2):121-125.LI Fang,HE Si-jun,ZHI Jin-yi,et al.Evaluation of High Speed Train Passenger Compartment Design Sat-isfaction Based on AHP Entropy Weight MethodJ.Mechanical Design,2020,37(2):121-125.2 王媚雪,翟洪磊.基于 AHP 与 TOPSIS 法的自闭症儿童康复训练产品设计评价方法及应用J.图学学报,2020,41(3):453-460.WANG Mei-xue,ZHAI Hong-lei.Evaluation Method and Application of Rehabilitation Training Products for Autistic Children Based on AHP and TOPSISJ.Journal of Graphics,2020,41(3):453-460.3 李娜,李小东,唐东芳.基于 AHP-TOPSIS 的可持续包装设计最优方案的筛选J.包装工程,2020,41(23):90 包 装 工 程 2023 年 7 月 242-248.LI Na,LI Xiao-dong,TANG Dong-fang.Selection of the Best Sustainable Packaging Design Scheme Based on AHP-TOPSISJ.Packaging Engineering,2020,41(23):242-248.4 张健,贾浩林,王丽萍,等.基于 TOPSIS 的汽车零部件设计方案评价J.机械设计,2020,37(S1):107-111.你好,ZHANG Jian,JIA Hao-lin,WANG Li-ping,et al.Eval-uation of Automobile Parts Design Scheme Based on TOPSISJ.Machine Design,2020,37(S1):107-111.5 周凯,孙宏悦,姜辉,等.基于粗糙集理论和 TOPSIS的绿色包装评价方法J.包装工程,2018,39(17):142-146.ZHOU Kai,SUN Hong-yue,JIANG Hui,et al.The Evaluation Method of Green Packaging Based on Rough Set Theory and TOPSISJ.Packaging Engineering,2018,39(17):142-146.6 陈香,卫华.基于结构熵权 TOPSIS 法的产品设计方案评估研究J.图学学报,2020,41(3):446-452.CHEN Xiang,WEI Hua.Research on Product Design Scheme Evaluation Based on TOPSIS Method of Struc-ture Entropy WeightJ.Journal of Graphics,2020,41(3):446-452.7 陈明,郭立新.基于 AHP-熵权-TOPSIS的电动汽车动力性经济性综合评价方法J.机械设计,2013,30(4):15-19.CHEN Ming,GUO Li-xin.Comprehensive Evaluation of Power Performance and Energy Consumption Econ-omy of Battery Electric Vehicle Based on AHP-Entropy-TOPSISJ.Journal of Machine Design,2013,30(4):15-19.8 吕欣,刘玉云.基于 AHP-TOPSIS 方法的儿童安全座椅设计方案评价研究J.包装工程,2019,40(14):150-155.LYU Xin,LIU Yu-yun.Evaluation of Design 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