基于层次分析法的3D生产设计系统功能评价

王炬成， 张世超， 张 磊， 朱小敏

(1. 江苏科技大学， 江苏 镇江 212003； 2. 上海外高桥造船有限公司， 上海 200137；3. 江苏现代造船技术有限公司， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

国际造船行业竞争日趋激烈，三维生产设计系统能够大幅缩减船舶生产周期，降低生产成本，提高船舶企业利润。随着船舶行业的日益发展，三维生产设计系统的种类不断增加，如Tribon、AVEVA Marine、INTERGRAPH等。

邮船的建造过程复杂，设计要求高，国内现有的设计软件和传统的生产设计技术无法满足大型邮船复杂系统设计和建造需求。选择合适的3D生产设计系统可帮助船厂提高邮船设计建造的质量和效率，降低邮船建造成本，在市场竞争中保证自身优势。

1 层次分析法

1.1 层次分析法概述

20世纪70年代初，美国提出了层次分析法的概念。层次分析法是将评价因素分成目标、准则、方案等层次，进行定量、定性分析的方法，具有灵活、方便等优点[1-2]。层次分析法将总目标分解成各层子目标，再分解成评价准则，最后分解成备选方案，从而将复杂的评价问题简单化，通过建立判断矩阵并计算权重将评价问题量化。

1.2 层次分析法步骤

运用层次分析法建模来解决实际问题，主要包括以下4个步骤：

(1) 建立层次结构模型。层次分析法结构示例如图1所示。

图1 层次分析法结构示例

(2) 构造判断矩阵。准则层的各准则在评价过程中所占比重不同，层次分析法用标度表达各准则的比重，进而定义判断矩阵。表1所示为判断矩阵的标度定义[3-4]。

(3) 权重计算。根据上述步骤构造的判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征值及特征向量。

表1 判断矩阵标度定义

(4) 一致性检验。根据公式计算检验因数，当检验因数<0.1时，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有满意一致性[5]。

2 3D生产设计系统功能评价指标模型构建

3D生产设计系统功能测试分为船体、管系、电装、铁舾、内装、涂装等专业。各个专业又可按业务流程分为：系统初始化、生产设计三维建模、生产设计图表设绘和生产信息输出。其分别包含多个测试要点。采用多层次的方法构建3D生产设计系统功能评价指标体系，第一层的评价指标为6个专业，第二层的评价指标为各业务流程，第三层的评价指标为测试要点。3D生产设计系统各个专业的测试要点有334个，表2只列出一部分，其余省略。

表2 3D生产设计系统测试要点

续表2 3D生产设计系统测试要点

本文的决策目标为3D生产设计系统。在进行3D生产设计系统测试时，首先按业务流程分为系统初始化、生产设计三维建模、生产设计图表设绘和生产信息输出。根据测试功能点分布情况分别建模：系统初始化按专业可分为船体、管系、铁舾；生产设计三维建模按专业可分为船体、管系、电装、铁舾、内装；生产设计图表绘制按专业可分为船体、管系、电装、铁舾、内装、涂装；生产信息输出可按工艺类别分为零件下料切割、船体零件加工、舾装零件加工、构件装配、构件焊接工艺。第一层中间要素为系统初始化、生产设计三维建模、生产设计图表设绘和生产信息输出等四大要素；第二层中间要素为各专业及工艺类别，备选方案为表2所示的334个测试要点。在进行层次模型构建时，备选方案采用编号形式标注，不采用详细文字描述进行标注。

3D生产设计系统测试功能评价指标模型采用yaahp软件构建。yaahp是山西元决策软件科技有限公司开发的一款层次分析法辅助软件，为使用层次分析法的决策过程提供层次结构模型构造、层次结构模型检查、判断矩阵建立、判断矩阵检查、根据总目标或子目标排序权重的加权分数计算等功能。目前，最新yaahp版本为yaahp V11.3.6335。

本文计算权重采用的即是最新版本的yaahp软件。

3 3D生产设计系统功能评价指标权重计算

3.1 3D生产设计系统功能评价判断矩阵构建

3D生产设计系统测试功能评价指标模型是采用层次分析法构建的，从上至下依次为目标层、第一层中间要素、第二层中间要素、备选方案层。根据各要素的重要性比较，按构建的评价模型层级，逐层填写标度，构造判断矩阵，并进行矩阵一致性检验。如图2所示为第一层中间要素的重要性比较及判断矩阵构建。以图2所示第一层中间要素即系统初始化、建模、出图、生产信息为例，阐述判断矩阵的构建。系统初始化、建模、出图、生产信息之间的重要程度比，是根据不同船型所统计的生产设计工时中各部分的工时比得出的。对不同船型系统初始化、建模、出图、生产信息所需的工时进行统计，结合邮船生产设计特点，将邮船系统初始化、建模、出图、生产信息之间的重要程度比取为1∶5∶8∶6。因此，如图2所示，系统初始化与出图的标度为1/8，系统初始化与生产信息的标度为1/6，以此类推。根据系统初始化、建模、出图、生产信息等4个因素之间两两因素的重要程度比，得出相应标度，即可构建出如式(1)所示的判断矩阵，该矩阵在yaahp软件中的显示如图2所示。

(1)

图2 第一层中间要素重要性比较及判断矩阵构建

3.2 3D生产设计系统功能评价指标权重计算

判断矩阵构造完成后，即可进行权重计算，计算结果如表3所示，序号对应表2第四列的各项测试要点及第五列的描述，权重行即为yaahp计算的各项测试要点的权重结果。

表3 3D生产设计系统各测试点权重计算

4 3D生产设计系统功能评价

根据上述计算得出的权重集，结合各项评分，计算出评价总分。计算公式为

总层权重集为

W=(w1,w2,…,wn)

(2)

各项评分集为

S=(s1,s2,…,sn)

(3)

则评价总分为

S总=w1s1+w2s2+…+wnsn

(4)

式(2)～式(4)中：w1～wn为各测试点对应的权重；s1～sn为各测试点对应的评分。

选取两款3D生产设计系统，进行3D生产设计系统功能评价总分计算。依据334个测试要点在3D生产设计系统功能评价中的权重及其综合评价分值，代入式(3)，经线性加权后的加权值相加，即可分别计算出两款3D生产设计系统功能评价的总分值。总分值较高的则表明经层次分析法计算，该软件的功能较另一款软件强大。

5 结束语

采用层次分析法进行3D生产设计系统功能评价：首先，建立3D生产设计系统功能评价指标模型，根据评价指标构造判断矩阵；其次，根据判断矩阵进行3D生产设计系统功能评价指标的权重计算；最后，给出评价总分计算公式，可根据各项权重及各项评分计算出3D生产设计系统功能评价总分，并以此评价总分来评判3D生产设计系统的功能优劣。