基于TOPSIS的一类复杂产品成熟度评价研究

孙 静，杜 纲

(天津大学管理与经济学部，天津 300072)

基于TOPSIS的一类复杂产品成熟度评价研究

孙 静，杜 纲

(天津大学管理与经济学部，天津 300072)

复杂产品由于其内部结构、技术、制造过程、项目管理的繁杂性，难以全面、有效地评估其成熟度水平。在借鉴国内外成熟度评价方法的基础上，以一类面向高可靠性能要求的复杂产品为研究对象，引入模块的概念对复杂产品的结构进行划分，提出了复杂产品成熟度评价的三个关键维度：技术成熟度、制造成熟度和应用成熟度，建立了复杂产品成熟度评价的模型及指标体系。采用TOPSIS算法与专家打分相结合对复杂产品的成熟度进行评价，为复杂产品的快速成熟提供依据。

复杂产品;成熟度;TOPSIS算法;模块

0 引言

复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的一类产品。典型的复杂产品有航天器、飞机、复杂机电产品、汽车、武器系统等［1］。大型复杂产品在工业制造中非常广泛，由于其内部的复杂性，研制过程易发生性能调整、进度延迟、成本增加等问题。基于此，研究复杂产品的成熟度评价具有非常重要的现实意义［2］。

现有的文献中，针对技术成熟度和制造成熟度的研究相对较多，研究系统成熟度和产品成熟度的相对较少。技术成熟度方面，Gregory F.Dubos［3］等人提出了技术成熟度的进度风险曲线。Mr.William［4］开发了一种计算器，用来自动计算产品的技术成熟度。朱毅麟［5］研究了技术成熟度对航天器研制进度的影响。关于制造成熟度，高原［6］等阐述了影响制造成熟度风险的因素及评价流程在军品和民品方面的应用。何益海、常文兵［7］等提出了基于制造成熟度与模糊层析分析方法的制造风险评估方法。系统成熟度方面，丁茹［8］等人得出了系统成熟度等级确定的一般方法。刘靖东等提出了评价复杂产品的系统成熟度评估方法。中国航天企业为了实施产品工程较早地提出了产品成熟度的概念。袁家军［9］阐述了航天产品成熟度快速提升的途径和方法。王卫东［10］等人构建了单机产品成熟度模型。

综上所述，目前针对复杂产品成熟度评价的研究相对较少，且主要存在以下来三点不足。①产品成熟度的评估应该是面向产品从设计到生产、应用的整个成熟周期，仅以技术成熟度与制造成熟度作为产品成熟度的评价技术存在一定的不足［11］。②现有文献未对复杂产品内部的组成结构进行深入研究。③现存研究对技术成熟度和制造成熟度等级的描述相对笼统，评价专家不能准确地判断其成熟度的水平。

本文以一类面向高可靠性能要求的复杂产品为研究对象，提出评价复杂产品成熟度的三个关键维度，构建复杂产品成熟度评价模型及指标体系对成熟度进行评估。

1 TOPSIS算法确定指标权重

TOPSIS算法确定指标权重的步骤如下:

①对指标值进行标准化处理［12］:

2 复杂产品成熟度评价模型建立

2.1 复杂产品结构划分

本文研究一类高可靠性复杂产品，这类产品具有高成本、高可靠性要求、高风险的特征。为了对这类复杂产品的内部结构进行分析，引入模块的概念。模块可以定义为一个物质产品的子结构，它与产品的功能元素子集具有一一对应的关系。模块是由零部件聚合而成，它与产品中其他部分的连接通过接口实现［13］。构建出如图1的复杂产品分解结构图。

图1 复杂产品分解结构图

2.2 复杂产品成熟度等级划分

通常来讲，复杂产品成熟度等级可以划分成以下8 级，如表1 所示［9］。

表1 产品成熟度等级划分

2.3 复杂产品成熟度评价的关键维度

产品成熟度(Product Maturity Level，简称PML)是指对产品在研制设计、生产制造、使用与支持全寿命周期内所有影响要素的可控制程度、实现程度，以及产品固有质量、可靠性的完备程度与可应用程度的综合度量［9］。本文提出技术成熟度、制造成熟度和应用成熟度三个关键维度来衡量产品的成熟水平。

技术成熟度是主要衡量技术在开发过程中所达到的可用程度和完备程度。技术成熟度水平的表征要素有:①设计的完备性——技术设计原理、实施条件分析及验证的完备情况;②技术应用的完备性——指技术的应用满足产品功能、性能及可靠性指标的程度;③验证的充分性——指对技术进行验证的环境与产品真实使用环境的吻合程度。

制造成熟度保证了制造出规范产品的能力及产品的批量生产能力。制造成熟度水平的表征要素有:①生产环节规范化程度——产品关键生产环节的识别及过程控制的规范化程度;②批量生产能力——产品能耐稳定地连续生产，满足规模效益。

应用成熟度是衡量批量生产出的产品各模块所发挥的集成效应、用户正确使用产品的能力以及产品满足用户需求的能力。应用成熟度水平的表征要素有:①产品集成效应——在真实作业状态下模块间的协同性能;②应用方法识别与掌握的熟练程度及普及度——用户能够熟练掌握如何使用产品;③产品升级能力——产品满足用户使用要求，技术改革的创新能力。

2.4 复杂产品成熟度评价的指标体系

基于复杂产品成熟度评价的三个关键维度，考虑复杂产品分解结构，构建出如图2的复杂产品成熟度综合评价指标体系模型。

图2 复杂产品成熟度综合评价的指标体系模型

2.5 复杂产品成熟度的评语集

在评价成熟度之前，要对指标情况赋予一个评语集［14］。给出如表2的评语集作为示例，其他评语集的构建方法与此相同。

表2 技术成熟度水平中设计完备性的评语集

3 复杂产品成熟度评价方法

专家打分受评估专家的主观因素影响较大，为此采用TOPSIS算法与专家打分法相结合确定权重，使得评价结果更加符合实际情况，由图2可以看出，需要引入三层权重，迭代三次，具体步骤如下。

①根据图2，建立第一层初始样本矩阵Yij。以技术成熟度水平为例，表3依次为设计的完备性、技术应用的完备性、验证充分性构成的初始样本矩阵。让专家对y11到yN3进行打分，其中y11代表模块1设计的完备性程度，yN3代表模块N验证的充分性程度，打分可依据如示例表2给出的评语集。由于该矩阵的打分量纲相同，所以矩阵不用进行无量纲处理。

表3 技术成熟度水平的初始样本矩阵(第一层)

②采用专家打分法，依据各指标的重要程度，对技术成熟度水平的三个指标权重进行打分，分别赋予权重 α1，α2Kαn。

③利用TOPSIS算法对专家打分给出的权重进行修正，可以得到修正后的权重向量，记为ωj。

④ωj与Yij矩阵的加和即为各模块的技术成熟度水平，同理可求出各模块的制造成熟度和应用成熟度，即可得到第二层初始样本矩阵Y'ij，如表4所示。

表4 模块成熟度的初始样本矩阵(第二层)

⑤让专家对模块的技术成熟度、制造成熟度、应用成熟度在产品整个生命周期的重要程度进行打分，利用TOPSIS对权重进行修正，得出修正后的权重向量，记为。

表5 产品成熟度初始样本矩阵(第三层)

⑦依据各模块在产品中的重要程度，让专家对其权重进行打分，记为ω＊＊j，ω＊＊j与Yij”的加和为复杂产品成熟度的水平，记为Z，最终的成熟度值Z*=⎿Z」。求出Z*后，参照上表1，即可确定该复杂产品的成熟度等级水平及其外在表征，为改进复杂产品以促进产品的快速成熟提供建议。

4 实例分析

为了验证文中提出的方法，选用某家用分体式空调室内机实例，某家用分体式空调的室内机根据功能可分成7个模块，分别是供电模块、控制模块、通风模块、热交换模块、排水模块、显示模块、壳体模块［13］。

采用本文提出的复杂产品成熟度评价方法对某家用分体式空调室内机的成熟度进行评价，评价步骤如下:

①根据图2，建立家用分体式空调室内机的成熟度综合评价指标体系模型，如图3所示。

建立第一层初始样本矩阵Yij。针对技术成熟度，让专家对各模块的设计完备性、技术应用完备性、验证充分性进行打分，得到样本矩阵，如表6所示。同理，让专家对制造成熟度和应用成熟度的各指标进行打分，得到的样本矩阵分别为:

⑤让专家对各模块的技术成熟度、制造成熟度、应用成熟度在产品整个生命周期的重要程度进行打分，得到的权重系数矩阵为[ 0 .4 0.3 0.3]，用TOPSIS修正后的权重矩阵为:

图3 空调室内机成熟度综合评价的指标体系模型

表6 空调室内机的初始样本矩阵(第一层)

②采用专家打分法，依据各指标的重要程度，对模块的技术成熟度、制造成熟度和应用成熟度各指标的权重进行打分，得到权重向量分别为:

③采用TOPSIS算法对专家打分给出的权重向量进行修正，得出修正后的权重向量ωj分别为:

④ωj与Yij矩阵的加和即为各模块的技术成熟度、制造成熟度及应用成熟度水平。第二层的初始样本矩阵Y'ij为:

⑦让专家对七个模块在某家用分体式空调室内机中的重要性进行打分，得到权重向量为[0.1 0.2 0.2 0.15 0.2 0.1 0.05]，最后得到的空调室内机的产品成熟度水平矩阵为:

可以得出某家用分体式空调室内机的成熟度水平Z为4.8657，最终的成熟度值z*为4。参照表1，即可知道该产品属于高级工程产品，其外在表征为产品原型在真实使用环境下功能性能满足用户使用要求，完成设计定型，具备生产准入条件。

通过计算，我们可以发现该家用分体式空调室内机的壳体模块最不成熟，影响了室内机的整体成熟度水平，而在壳体模块中技术成熟度的水平相对比较薄弱，建议对壳体模块的技术成熟度水平加以改进，以提高产品整体的成熟度水平。

5 结束语

在技术成熟度和制造成熟度不能全面准确评价复杂产品成熟度水平的基础上，引入应用成熟度作为第三个评价指标，对一类面向高可靠性应用要求的复杂产品进行研究。从模块的角度对复杂产品的内部结构进行分解，建立了复杂产品成熟度的评价模型及指标体系，采用TOPSIS算法与专家打分法相结合，有效地避免了专家打分的主观性，使结果更加科学合理。以某家用分体式空调的室内机为例，进一步验证了本文提出的方法，并给出了使复杂产品快速成熟的合理化建议。

［1］吴延勋，秦现生.一种复杂产品研发决策支持系统的结构与流程设计［J］.制造业自动化，2011，33(1):52-53.

［2］刘靖东，张化照，高锁文，梁玺.复杂产品系统成熟度评估方法与应用［J］.科技管理研究，2010(12):44-45.

［3］ Gregory F.Dubos，Joseph H.Salehand Robert Braun.Technology Readiness Level，Schedule Risk，and Slippage in Spacecraft Design［J］.JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS，2008，4(45):836-842.

［4］王立群.美国的技术成熟度等级［J］.国外管理，2009(2):55-57.

［5］朱毅麟.技术成熟度对航天器研制进度的影响［J］.航天器工程，2009，18(2):8-13.

［6］高原，高彬彬，董雅萍.制造成熟度管理方法研究［J］.制造技术与机床，2012(3):30-34.

［7］何益海，常文兵.基于制造成熟度的武器装备研制项目制造风险评估［J］.项目管理技术，2009，7(7):54-55.

［8］丁茹，何剑彬，彭灏.大型武器系统的技术成熟度评估方法［J］. 装甲兵工程学院学报，2011，25(4):19-21.

［9］袁家军.航天产品成熟度研究［J］.航天器工程，2011，20(1):1-7.

［10］王卫东，朱杏生，李宇峰.空间产品成熟度模型的建立与应用研究［J］.航天工业管理，2007(7):26-31.

［11］Huang Jie，Gao Zhaofeng，Zhang Kui.Research on Evaluation Method of Electronic Product Maturity［J］.Computing，Control and Industrial Engineering，2011:118-121.

［12］穆涛.多指标综合评价中确定指标权重的一种方法［J］. 科技经济市场，2007(11):37-38.

［13］吕利勇，乔立红，王田苗.面向产品生命周期的产品模块化分解方法研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12(4):546-547.

［14］张迪.基于生命周期的产品成熟度研究［D］.天津:天津大学，2012.

(编辑 李秀敏)

Research on Maturity Evaluation of a Kind of Complex Product Based on TOPSISMethod

SUN Jing，DU Gang
(Department of Management and Eeonomics，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Because of the complex of internal structure，the technology，manufacturing process，the projectmanagement，it is difficult to evaluate thematurity level of complex products comprehensively and effectively.Based on the thought ofmaturity model from home and abroad，this paper studies on a kind of complex productwhich meet high reliability requirements and brings in the concept ofmodule for the structure division of complex product.Three key dimensions are put forward to evaluate thematurity of product，these are Technology Readiness Level，Manufacturing Readiness Level and Application Readiness Level.This paper establishes the evaluationmodel and index system of complex product’smaturity，uses TOPSIS algorithm combined w ith expert scoringmethod to evaluate thematurity of the products and provides the basis for the rapid mature of complex products.

complex product;maturity;TOPSIS algorithm;module

TH16;TG65

A

1001-2265(2013)03-0122-05

2012-08-24;

2012-09-16

孙静(1988—)，女，辽宁葫芦岛人，天津大学管理与经济学部硕士研究生，研究方向为产品成熟度，(E-mail)sssunjing_0808@163.com;杜纲(1954—)，女，湖北秭归人，天津大学管理与经济学部教授，博士，博士生导师，研究方向为管理系统分析与决策。