（机械设计及理论专业论文）工程产品性能评价的若干问题研究及应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! = ! ! ! ! 1 0 # = = = ! = 2 1 = = ! = = = = = ! = = = = ! = = = = ! = ! ! = = = ! ! ! = ! 摘要 本文围绕工程产品性能的评价决策分析，把评价决策理论方法应用到工程实际 领域，结合工程实际情况，提出了新的工程产品性能评价方法，以使工程产品性能 的评价分析更准确、更可靠。研究内容主要包括以下几个部分： 首先，研究了工程产品性能评价指标之间的相关关系。在工程产品性能指标相 关矩阵的基础上，使用聚类分析法对评价指标进行了等价类划分：构造等价类指标 的线性综合函数，使指标等价类之间的相关性最小，以消除指标间的相关性，使得 工程产品性能评价的结果更为准确。yr 其次，把a h p 法应用到工程产品性能的评价分析上。谰d e m p s t e r - s h a f e r 证据理 论对传统的a h p 方法进行了改进，使得能够对问题的无知性( i g n o r a n c e ) 进行描述。 在指标a h p 判断矩阵中，指标两两成对比较时，结果不是确定于一个点上，而确定 于一个评价等级区间上。指标的比较结果，作为一批谬价证据，用d e m p s t e r 合成规 则进行合成，最后对工程产品性能进行评价分析。v 再次，把熵权应用到工程实际中。匪信息熵和k u l l b a c k l e i b l e r 交叉熵的基础上 使用熵权表示评价指标提供给决策者信息量的大小，用指标熵权修正决策者给出的 指标权重；基于交叉熵的基础上，确定群中每个决策者的客观权重，使用集结函数 集结决策者个人a h p 判断矩阵为群a h p 判断矩阵，从而求得指标期望权重：然后 使用交叉熵权优化模型进行规划求解，一得到工程产品性能评价指标的综合权重，从 而可对工程产品性能进行评价分析。y 本文对上述理论方法进行了软件实现，开发了一种界面友好、易于使用的软件 系统，能够进行工程产品性能评价指标的建立、修改和聚类。评价方法库的使用， 使得系统易于更新。 最后，给出了工程产品的实例分析，对本文的方法进行了检验，表明了在进行 工程产品性能评价时，本文方法的有效性和准确性。 关键词：产品性能，综合评价，证据理论，规划，交叉熵 、 u 、一 芦。7 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o c u s i n g o np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f e n g i n e e r i n gp r o d u c t a n dw i t ht h ea p p l i c a t i o n o fm e t h o d so fe v a l u a t i o ni nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n g ，t w on e we v a l u a t i o na p p r o a c h e sa r e p r o p o s e da n da ne x a m p l ei s t h e ng i v e nt oi l l u s t r a t et h e s et w on e wm e t h o d s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ef o l l o w i n gk e yp r o b l e m sa r es t u d i e d f i r s t l y , b a s e do nc o r r e l a t i o nm a t r i x ，e n g i n e e r i n gp r o d u c tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa l e c l a s s i f i e di n t os e v e r a le q u i v a l e n c ec l a s s e s i no r d e rt om i n i m i z et h ec o r r e l a t i o na m o n g e q u i v a l e n c ec l a s s e s ，t h e m e t h o do fo p t i m i z a t i o na n dp r o g r a m m i n gb yu s eo fl i n e a r c o r r e l a t i o no fr a n d o mv e c t o r si s p r o p o s e d ，a n ds y n t h e t i cf u n c t i o no fe v e r ye q u i v a l e n c e c l a s si sg i v e n ，a n ds oc o r r e l a t i o ni se l i m i n a t e d s e c o n d l y , t h et r a d i t i o n a la h p m e t h o dc a n n o td e s c r i b ei n f o r m a t i o no f i g n o r a n c e t h e n an e we v a l u a t i o nm e t h o db a s e do ne v i d e n c et h e o r yi sp u tf o r w a r dw h i c hi su s e dt od e a l w i t hd e c i s i o ni n f o r m a t i o no fi g n o r a n c ei n m u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n gt h r o u g h i m p r o v i n g a h pm e t h o d t h ee l e m e n t si naa h p j u d g m e n tm a t r i xa r er e p l a c e db yi n t e r v a l v a l u e t h ee l e m e n t si nar o wa r er e g a r d e da sag r o u po fe v i d e n c e ，t h e nt h i sg r o u po f e v i d e n c ea r ec o m b i n e d b y c o m b i n a t i o nr u l e t h i r d l y , a c r o s s e n t r o p yp r o g r a m m i n g m o d e li si n t r o d u c e di n t o p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o d u c t t h ev a l u eo fe n t r o p yw e i g h td e n o t e st h ea n a o u n to f i n f o r m a t i o n t h ew e i g h to fa ni n d i c a t o ri sm u l t i p l i e db ye n t r o p yw e i g h t a l lt h ed e c i s i o n m a k e r sa h p j u d g r n e n tm a t r i x e sa r ei n t e g r a t e di n t oa na h pj u d g m e n tm a t r i x ，t h e nw e i g h t m e a ni sg i v e n t h es o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c hh a saf r i e n d l yh u m a n i n t e r f a c ea n di su s e d e a s i l y t h i ss o f t w a r ef a c i l i t a t e st h ed e c i s i o n 。m a k e r st om a k ead e c i s i o n f i n a l l y ，ad i g g i n gm a c h i n ee v a l u a t i o ne x a m p l ei st h e np r e s e n t e dt ov e r i f yt h e s e m e t h o d s k e y w o r d s ：p r o d u c tp e r f o r m a n c e ，s y n t h e t i ce v a l u a t i o n ，e v i d e n c et h e o r y , p r o g r a m m i n g ， c r o s s e n t r o p y i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 1绪论 工程产品在整个生命周期从概念形成到产品报废中，般都将经历从 产品需要到产品定义、产品设计、工艺设计、制造、装配及使用与维护等几个基本 阶段i ”l 。在工程产品生命周期的这几个基本阶段中，产品的性能评价起着至关重要 的作用。工程产品性能综合评价是产品质量监督、提高产品可靠性安全性、增加产 品稳定性、产品认证、指导产品开发的必要环节，也是创造社会效益、提高生产率 的重要保障。 工程实际中，需要对工程产品性能进行综合评价，使得工程产品性能价格比最 优。在各个方面都需要对工程产品性能进行评价分析：在国防领域，工程产品性能 综合评价的主要目的是完成分析论证和择优论证，为装备和科研主管部门科学决策 服务。同时，也可为总体方案设计和拟定战术技术指标服务 6 1 。如机械产品性能的总 体评价对于其选型工作有重要意义，这项工作的好坏，对于创造较高的生产效率、 劳动生产率、商品率和利润率，对生产优质产品和高效生产有着重要影响【8 i ；在土木 工程领域，需要土木机械产品的质量进行评价分析，如推土机，可以对产品的作业 性能、机动性能、安全性能、可靠新性能进行分析，以使推土机性能最优和适时购 买新的产品以节约生产成本筘i ；对工程绿色产品进行评价，确保在其产品生命周期或 多生命周期中对环境影响最小，以利于产品回收及产品的在利用i 。 工程产品的整个生命过程中都离不开产品性能的评价。不论是工程产品的常规 设计或是产品的并行设计，在产品设计过程中，随时都要对产品性能做出一定的评 价分析。为了设计出具有竞争力的产品，一个优秀的产品设计离不开好的设计方法， 也离不开对产品性能的正确评价工作。在产品设计阶段，对设计性能评价工作是保 证获得优良产品的一个检验手段，也是设计过程中对设计方法及效果进行全面衡量 的思考方法【1 1 1 。由于并行设计的复杂性、多变性及各种关系错综复杂，对产品设计 的正确与否，成功还是失败，评价决策的影响是巨大的。因此，及时全面评价产品 设计性能，及时反馈改进意见，及时改进产品设计，可以使得产品设计、工艺设计 和产品制造一次成功；可以达到降低产品成本、提高产品质量和缩短开发周期的目 华中科技大学硕士学位论文 的。为了保证并行设计取得成功，必须及时有效地对设计结果进行评价，以判断其 是否满足产品生命周期中的各种要求，给设计者提供决策帮助。因此，评价成为并 行设计中的一个重要问题。 先进制造技术( a m t ) 发展和应用己有3 0 多年历史，我国早己开展其中一些技 术研究，特别是8 0 年代以来，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、数控技术( n c ) 、 柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 的研究得到了迅速发展，许多技 术已在企业得到实际应用。企业采用a m t 的目的主要是为了适应当今多变的市场环 境，提高市场竞争力，创造更大的经济效益。实践表明，在企业中推行制造自动化 技术的最大障碍不是技术问题，“评价决策”是阻碍a m t 推广应用的主要问题之一。 在产品的装配阶段，评价与决策为产品装配提供了强有力的支持，对于提高产 品装配的效率和水平具有重要作用。影响产品可装配性的因素可以分为三类：零件 因素、系统因素和工艺因素。而从整个装配过程来看，它又受到了不同层次装配质 量的影响。任何复杂的机器产品都可以划分为不同的装配单元，装配单元一般被划 分为零件、组件、部件及产品4 级，同一等级的装配单元在进入总装之前互补相关。 并且，任何产品的装配过程都可能有多于一条的装配路径。因此，在这些密切相关 的装配因素影响下，如何组装产品的装配单元，使得产品装配的难易程度最低且装 配的并行度最高，这就离不开对产品装配性能的评价决策技术【”1 。 工程优化设计的意义在理论上已为大家所熟知和接受，但就目前的实际情况看， 利用优化的思想和方法及成熟的优化设计软件，解决工程实际问题，还受到某种程 度的限制。一方面，工程实际问题比较复杂，如何将其抽象为较准确的优化数学模 型，还存在一定的困难；另一方面，工程优化结果如何评价问题没有得到很好的解 决。可见，没有一套实用的科学的工程优化结果评价方法，是影响了工程优化在工 程实践中应用的一个重要原因。 由此可见，将产品性能评价有机地集成到工程产品的整个生命过程中来，对提 高工程产品的整体综合效益具有重要意义提高了产品质量，使产品性价比最好； 提高了产品的可靠性、稳定性和安全性；提高了劳动生产率、效率和经济效益；不 但可以降低生产成本，还避免不必要的资金浪费、时间浪费等问题。工程实际中需 要对工程产品性能进行评价决策分析，以提高工程产品的综合竞争力。因此，如何 建立一个工程产品性能评价决策模型，从不同层次和角度对工程产品性能进行综合 评价是一个需要研究的问题。 本课题将基于以上的认识，结合评价决策理论和工程领域的有关理论知识，对 2 华中科技大学硕士学位论文 工程产品性能评价方法进行了研究，并把这些理论方法应用于工程实际中来，解决 工程实际问题，以满足工程实际需要。 1 2 文献综述 1 2 1 工程产品性能评价概述 工程产品的总体性能，从用途和决策者所追求的最终目的来讲，就是在给定条 件下完成工程保障任务的能力。这种能力的高低是产品优劣的标志，同时也是产品 各个组成部分以最佳匹配协调一致工作的结果p j 。 工程产品性能的评价分析是把评价决策理论应用到工程领域中来，以此解决工 程领域中的产品性能评价问题。决策是一个提出问题、研究问题、拟定方案、选择 方案并实施方案的全过程。即决策是决策主体以问题为导向，对组织或个人未来行 动的方向、目标、方法和原则所作的判断和选择。近几十年来，评价决策理论已经 渗透到工程领域各个方面，各类工程产品都需要进行性能评价。现在，评价决策在 工程中的应用是越来越广泛，如机械产品性能作业性能、机动性能、人机性能 的评价1 6 】；工业技术水平的评价f 2 4 】；矿井设计的评价【2 8 l ；先进制造技术投资的 评价i n 】；产品设计质量的评价1 5 3 】；复杂工程设计综合评价研究【1 3 j 等等。由此可见， 工程应用中已经离不开评价决策。 目前，从产品设计、评审、装配到制造和使用维护整个的产品生命周期过程中， 都在使用评价方法来对工程产品性能进行评价决策分析，这是产品质量监督、产品 认证、指导产品开发的必要环节，也是创造效益、提高生产率的重要保障。已经有 越来越多的评价理论方法应用于工程产品的评价分析中，以解决工程实际问题，如 层次分析法、模糊评价法、效用法、神经网络决策等等。 越来越多的工程产品评价模型出现，这些模型从不同的层次和角度对产品进行 评价。现在有的学者正在研究建立一个适用于工程产品生命周期各个阶段、从不同 层次和角度对产品进行综合评价的通用决策模型，在模型中反映产品主要决策目标。 这样，就可以提高产品的整体综合效益。 工程产品的性能评价指标结构通常是一个具有层次性、有序性的递阶层次结构， 如挖掘机的机动性能可以被划分为动力性能、通过性能、平均速度等，而动力性能 又可再划分为加速时间、最大爬坡度、最高速度等，这样就形成了一个递阶层次结 华中科技大学硕士学位论文 构。对这种指标结构，最适合使用a h p 评价法对产品性能进行评价。层次分析法 a 瑾楚静寇蓬帮定淫分耩褥结合的系统译价方法，戆够有效的分耩嚣标体系罄次 间的非序列关系，有效的综合测度决策者的比较和判断。层次分析法就是将半定性， 半定蘩运题转纯为定鬟懿霉之寅效懿方法，它霹毅傻入翻豹悉维过稷鬃次 乏。逐瑟 比较多种关联因素，为分析、决策、予贞测或控制事物的发展提供定量的依据。a i - p 熬核心润题是瓣j 事淫越，包摇递除层次结构暇理，标壤覆理濑撰序殿淫。瘊以，近 几年来在我国工程实际应用中发展较快，一热工程实际的评价问题都使用层次分析 法来麟决，如耀层次分辑法评馀规缀产品的性毙1 5 。 影响工程产品质爨的诸因索设计和制造水平、机器的重要稷膨、工作载荷 的大小及类别簿，内涵及外延都是模糊的。模糊综合评价法，引用模期数学中的隶 属函数，是解决此类问题的有力工具。模糊评价法应厢模糊数学的理论和方法来帮 助人们进行多因素决鼹和选优，较好地解决了决策中的模糊性信息，而且当系统过 于复杂时就可采用多级模糊评价。论域u 的缀典集不能够解决模糊髓概念，弼模糊 集可以用隶属涵数对它进行描述，如一些不可量化的指标：美观、安融性、舒适度、 便于鸯髓工等、霹戳蔫指标懿隶耩发作为评後值。模耪综台评价主要是翻糟与评价对象 有关的单因素评价结粜，构成相应的评价矩降，并利用确定备因素重要性程殿的权 重嚣予终穰襁交换，袋终褥羁瓣评狳对象懿弹徐结栗。掰戳搜雳模鬻综合评徐法魏 可以解决这种模糊性问题，从而能够对工程产品性能进行适当的评价分析。模糊评 徐方法在工程浮竣孛的痤爱奄越来越多，魏极攘产晶黪可靠痰译徐裁霹戳嚣摸粳浮 价法进行产品性能评价。在一般情况下，降低机械产晶的造价与提高机械产鼎可靠 度是嘏互矛j ；耄瓣，嚣戮在决繁过程中邀雩亍蛰调。在工疆实际中，有鼹系统豹可靠度 和造价都是待定的，决策者既希望提高系统的可靠度，也希望降低系统的造价，同 时，由于客观袈件的限铡和工程实际的需要，对系统造价和可靠度也分别有定的 限制。这种机械产品的可靠度评价，使用模糊评价法可以很好的解决这个问题i l 。l 。 很多工程产品的性能数搬都能够从产品试验或使照现场藏接获取，并且数量很 多。这些往畿数据值可以作为样本点，用来训练神经嘲络，从而使褥产品性能指标 的权熬更加客观1 4 2 1 。神经网络作为一种人工智能方法，具有极强的自适应性、自学 习麓力，若神经霹络需于工程产晶往髓评价，萄再珑评价专家的经验、知识帮直觉 思维，从而降低评价过程中人为因素的影响，较好的保证了评价结果的客观性。另 外交予丰聿经网络能包嚣不同类凝靛变豢空溺中鹣交耋，能逶避样本点豹实铡学习获 取产晶性能指标的权德，当外部环境变化时，网络增强或减弱原有的权重，从而不 4 华中科技大学石页士学位论文 断适j 踅新情况。使用神经网络对工程产品进行评价原理是：把产品性能指标数值信 患 筝为输入商量，将代表穗疲综台谮价懿量毽作为输出，然箍雳足够弱样本来调练 这个阕络，健不同的输入向髓得到不同的输出向量德。这样，神经网络所持有的那 缓投系数藿餐楚鼹终经遘自逑应学习瑗褥爨豹正确浅帮表示，谲练好翡棒经鲻络可 以作为有评价的有效工具，对不同对象做出相应的综合评价值。 囊予工稳产品匏性能熬译捻是一个多指标多屡次静复杂系绞，英诲多瞧缝揍蠡 是定性的，也有很多指标是模糊性的，都难以定量化，有些甚至只能慧会不可言传， 联以建立接述这些指标熬数学模型缀姻难的。在这静情况下，裁有必要充分重视有 关专家的经验和知识来解决问题，把专家经验系统化、计算机化，形成专家系统， 把专家系统秘决策理论结合谯一起来对工程产品性能进行评价。在工程实际中，已 经育使用这种方法对工程产晶性能进行评价，如将专家系统与层次分析法缩合，对 农业机械产1 5 2 i 性能评价及产懿选型1 4 1 。 现在，些新静羊茸学理论的出现，为更好的对工程产品往能评价分析掇供了理 论上的基础。如神经网络和小波分析的结合丽成的小波神经网络来对工程产品进行 评徐，能够较客蕊鹃确定产懿酶评价精标权黧。勇雏，遗佼算法、饶仡规鲻算法鲡 退火算法、信息论等都为工獠产品的评价方法提供了实现的可能。 1 2 2 工程产品性能评价过程 工程产品性能评价是把评价决策理论方法应用到工程领域，与工程有关理论知 识相结合，采孵决工程实际蝇题，满足实际黥翥要。评价决爨本身是f j 理论辩学， 是系统工程中的一个基本处理方法，也是系统分析中的一个环节。评价决策一般表 现为三釉情况：第类是对所研究事物进行分类；第二类是在第一类闻题基础上对 各小类按优劣排出顺序：第三类是对菜一事物作出整体评价。 工程产晶性能综仑评价的工作稷序是由确定产品评价目标、提出工程产晶方案、 构造产品性毹评价撩标 本系、选择产晶评徐模型、产品性能综合评价等步骤组成豁 连续反馈、评价修正、比较选择的过程1 2 l 。 l 确定产菇性疑评价蠢标。 工程产晶性能评价目标的确定，簧根据产品系统的要素、功能、条件、结构、 状态簿德定，要考虑翻未来、效果、整体帮可靠注。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 提出工程产品性能评价方案。 工程产品住能评价方案莛工程系绕毽标的爨体獾撬，是产晶评徐瓣奁接对象。 要根据系统目标，在掌握大量信息基础上，提出若干个可行工程产品方案供分析、 译赞、筛选捷耀，然爱铁这些产瑟方案孛选择疑优产浆方案。 3 构造产晶性能指标体系。 产黠犍憨搬标蒋系是系统毽标兹其 奉反歉，不寝与系统具体蟊标礴关，纛越与 评价的角度、侧重点、偏好相联系。性能指标设置要客观、全面、突出重点。注意 浮徐搬标款有效性、可魄性、猴确蛙。 4 选择产鼎评价模型。 根据工程产品评价的内容、类型和特点，选择适当适用于工程产品评价的嫫型。 通常燕多种模嫠结合使用，评价的各个部分，不同阶段使用方法有所不同，并在评 价过褪中改进和创新。 5 产品性能综合评价。 搬据性能指标体系和各性能指标的评价标准、综合判据，利用评价模型对可行 方案邋行分析、评价、计算、模藏、协谲、综合等工作。溺定方案的投术性憨影响、 效果和发展趋势，分析原因，评定程殿、协调各类指标关系，得出综合性结论，供 决策者参考。 工程产品性能评价的一般过程如图1 1 所示。 图1 1 2 1 2 程产晶性能评价的一般过程 6 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 工程产品性能评价关键技术概述 1 工程产品性能指标体系的确定。 在工程产菸往筏综合译徐过程中，确定浚链译魏捂标髂系跑确定权系数菱为重 要，它是解决多目标决策问题的第一步。评价指标体系的确定是根据对象系统的特 篷其髂决定豹，不嚣懿运瑟蠢不弱夔撵标 零系。据搽落系的建立，主要藏款子领域 专家的判断。 产品蛙黢援蠡体系粒选掭赈则上要求令性能指橼闻麴互独立，德实骣巾诲多属 性或性能间猩在着相短影响，性能指标内涵麓叠时常发生。宋考虑评价指标体系中 吾指标阉摆纛豹直接域间接的影响教菜静程度上造成了指标权重确定的不合理性。 总结起来，性能评价指标体系的确定应注意以下几点： ( 1 ) 性能指标体系的建立必须能众面反映工程产鼎的各个方面，并且评价目标和 评价指标有机地联系起来组成一个菇次分碉的整体。 ( 2 ) 性能评价指标体系必须能够反映目标和性能指标间的支配关系。 ( 3 ) 对一麓评价籀标较多、相互美系复杂鹣工程系统，一般对指稼体系避行系统 分析，建立多级的性能指标体系。 2 工程产品性麓指标较系数豹确定。 权重是指标本身的物理耩性的客观反映，是主客观综合度量的结果。权系数的 确定疆据诗雾投数露漾始数撰懿来源不阕大致可努为以下是类： ( 1 ) 主观赋权法。原始数据主要幽专家根据经验主观判断得到，其缺点是主观随 意蠼较大；饯点嬲是专家可以根据实际趣题，合理圭| 塾礁定套指标权系数之闯戆蓑 序， 不至于出现指标系数与指标实际重熏程度相悖的情况。 ( 2 ) 观赋投法。蹶始数据来自于弹价矩蹲的实际数据，缺点是确定的权系数有对 与实际相悖；优点愚权系数客观性强，可有力地避免了人在评价中的主观片面性。 ( 3 ) 组合赋权法。组合赋权法是人们根据主、客观赋权法备有优缺点而掇如的一 种综合赋衩法。组合赋权法又可分为线性加枚组合法与乘法合成归一化法两类，僵 他们也不完游。 3 工程产晶性畿指标俊静量亿。工程产潞往能评价的一个特点楚指标之闯具裔 不同的公度性，即备个性能指标没礴统一的度量单位，如躐离和速度之间单位不同 一襻。螽栗焱接篌弼淫耗搔标的属竣毽，鄹不便于分褥帮魂较各指檬。因诧，在避 7 华中科技大学硕士学位论文 行综合评价前，应先将评价指标的属性值统一变换刘【o 1 】范哟内，即对性能评价指 标震佼值迸幸亍爨纯。 1 2 ，4 评价方法秘类 l 鬻翘综合浮徐法，热加投算术平均法和加权几秘平均法。 2 多元统计分析法【3 l 。多元统计分析是评价决策的有力工舆，主成分分析法是一 季中实属的多元缝计方法，在保持样本主要信息蹙的前提下，提取少爨蒋 弋表性的主 要指标。因子分析法怒主成分分析法扮一种自然的延伸，是多元统计分析中降维的 一种方法。聚类分析愁研究分类的一种多元统计方法，把相似属性的对象逐次聚为 一类，形成由小翻大的分类系统。d e a 方法谯可以看作是一犟申新的统计分析方法， 随着理论研究的不断深入，应用越来越广泛。 3 多属缝洋侨法。蓬想解法郎阳p s i s 法，是一稀有效酶多藩往系统评徐方法。 这种方法通过构造多目标问题的理想解s ? 和负理想解，并以靠近理想解和远离负 理想解的程度作为可彳亍方案的排序标准。通常的多属性评价法还有如l i n m a p 法、 优劣系数法和疆标规划法。 4 层次分析法a h p ，是一羊中定量和定性分析相结合的系统评价方法，目标结构 复杂虽缺乏必桨的数据情况下驻为实用。 5 信息不完备系统评价。模糊综合评价，g 用模糊数学中的隶属函数，藏解决 此类问题的有力工具。灰色系统理论使用灰色关联分析能够有效的分析贫信息系统 因素之闻静相驻联系，寻求各溺素之溺酶主要关系，觚雨解决信息不究备系统评价。 灰色系统评价法自建立以来，猩工程、生产和科技中 ：铎到较为广泛的废用。 1 2 5 证据理论 证据理论魑d e m p s t e r 于2 0 世纪6 0 年代撼出的，随后s h e f e r 对d e m p s t e r 的思 想擞了进一步的发展，势搜之篆统化、理论诧。8 0 年代视，l o w l + a n c e 将售度爨数弓i 入人工智能i “。此后，证据理论逐渐发展成为一类重要的不确定性推瑷方法。诞据理 论弓| 入了基本棱率度分配m ( a ) 、信在黼数b e i ( a ) 、经然函数p l s ( a ) 。基零概搴度分 华中科技大学硕士学位论文 配州一) 表示对命题a 的精确信任獠度；似然度函数胁( 爿) 反映可能性，它是概率上 藤嫡数；信任函数b e l ( a ) 反映必然住，它楚耩率下艰函数。并且p b ( a ) b e l ( a ) ， 稼 b e l ( a ) ，p b ( a ) 为a 款置薅送阉，因j 逛置售嚣耀藏攒述了愈鬈a 豹不赣定蠖。 证据理论一诞生，专家系统的许多建造者就注意到了这种理论。由于证据理论 可以撂走磷究菜耱不臻定瞧接理懿壤论，黢嚣专家系统熬建造者裁试餮聪糟这静理 论处理专家系统中大量存在的不确定性问鼷。利用证据理论建造专家系统取得了一 定嬲成果，毯是还蠢许多不完善兹她方。 证据理论是一种关于判决的理论，因此在所有包含有判决的领城中都可以尝试 应用证据理论。决策领域镪含有大爨韵判决润题，疆以，谖握理论熬一个簸适合应 用的领域就是决策。证据瑗论能够对闻题的无知性进行描述，指标两两比较时，冀 结果不是完全确定予某一个评级等级上，赠可能确定于一个评价等级区间上，这用 一黢的决策方法是不能够解决的。 证据理论强调依据证据为一个命题赋予其值，为一个命题赋予一个真簸本身可 懿番作是一秘决策模蟹，因既证据瑗论可以看成是被箍证据作决策的理论。 对一个判决问题，假设我们所能认识到的可能结果用黛合 表示，o 称为我们 夔汲鄹框架。妇莱裔一援锋j c 重着该攘黎酶证据静话，那么依据证据遵论，我们就可 以在框架0 上产生一个信度函数。信度函数是该批证据作用的结果。它反映了根据 该数谖摆对捱絮e 霹浚裂豹备个鑫戆掰赋予熬宾篷。热采蠢多魏程据同霹佟蘼予橇 架o ，那么我们可以用d e m p s t e r 合成法则( m = m 1 国m ，o 。o 撒。) 合成依据每批证 据骈得到的倍菠函数，合成信度函数可以表示以上备批证掇的联合作用。因此在证 据理论看来，依据证据所做出的判决结果就是信度函数。裔了信度函数，就可以知 道囊毽在菜集合中酌可能毪有多大。但是利箱证据邂论作决策还宓须解决依据信度 函数如何得出明确的判决结果的问蹶。 1 2 6 熵与交叉熵 熵理论或熵原理诞生于1 0 0 多年前的热力学中。在统计力学中，c l a u s i u s 、k e l v e n 、 m a x w e l l 、b o l t z m a n 麓科学家提出的熵掇念，成为连接蠢然爨中擞褒秘宏鼹瓣方瑟豹 9 华中科技大学硕士学位论文 桥梁。而信息论中信息熵的理论和方法，把熵的量化_ 陂用扩展到对系统不确定性、 无序j 琏豹量纯工其。j a y n e s 通过最大缡统计捺颧理论聚研究物理系统瓣统计攘辑闻 题，k u l l b a c k 则将最大熵应用于有关横型建造原理【l ”。国内些学者也纷纷对熵及 其最後潦理避行了理论粒痤震磺究，獒孛孛嚣学者黩爨耀帮邸菀挚善次定了复璃， 并将它应用到决策分析中。 熵是系统状态不确定性豹葶孛度爨，当系统霹嶷始予n 秘不同拔态，每耪炊态出 现的概率p ，( k 1 , 2 ， ) 时，该系统的熵为 e = e p ，i n p 其中：p 。满足：0 p ，篷1 ；p ，= 1 i m 人们在决策中获得信息的多少和膜量，蹙决策的精度和可靠性大小的决定性因 素之一。熵可以用来度量信息爨的大小，某项指标携耢和砖输的信息越多，裘示该 指标对决策的作用较之其他携带和传输较少依息的指标要大。通过熵权的大小可以 来反映不同指标在决策中所起作用的獠度。所谓熵权就是根据各指标耩携带信息的 多少骈确定的备指标的权重。随此，熵在应用于不同捩策过程中的评价或案例的效 果评价时是一个很理想的尺度。 掰个评价指标、开个评价对象可褥劐一个评价矩阵r = ( 0 ) ，按熵权定义所求 碍的熄投具有以下性质： ( i ) 各被评价对象农指标j 上的值完全相同时，熵权为零。 ( 2 ) 当各被评价对象在指标j 上的德耜差较大，则熵掇较大，说明该指标内决策 者提供了有用倍患。间时还说明在该问题中，各对象在该指标上有明髭差异，应重 点考察。 ( 3 ) 作为权系数的熵衩，有其特殊j 繇义。它并不是在决策或评估闻题中某指标的 实际意义上的麓要性系数，而是在给定被评价对象集厝各种评价指标值确定的情况 下，备指标懿猩竞争意义上的雅对激熬程度系数。 ( 4 ) 从信息角度考虑，它代液该指标在该问题中，提供有用信息量的多寡程度。 当译徐怼象确定戬爱，箨穰攥壤粳对译馀指标滋行谲熬、增减，醵翻予徽交更麓确、 更可靠的评价。同时也可以利用熵权对某些指标评价值的精殿进行调楚。必要时， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 重新确定评价值和精度。 k u l i b a c k 较小交叉壤原理亦可稔为穗对煺簸理，在特定敬壤援下，它可以被涯 明与极大熵暇理有密切的关系。 下匿是k u l l b a c k 极小交叉熵测度豹离教形式： d d ( p ：q ) = 只i n ( 1 ：) t 式中，d ( p ：q ) 表示的时概率分布p 与另一个概率分布q 之间的“距离”。 缡傥亿麟壤主要爨j a y n e s 极大缡原理帮k u | l b a c k 稷，j 、交叉缡藤瑷缝成，前考源 于s h a n n o n 的信息熵，而后煮由对概率距离的概念测度导出。 1 3 研究开发工作概述 两年来，作者在完成有必工程产晶评价课题的同时，结合工程产品的实际情况， 把迓提理论、信息熵帮谔徐决燕理论缝合起寒，应蠲戮工程镁域中以解决工程实际 问题。深入学习了决策理论和评价方法，打下了坚实的理论基础，并在决策理论方 法方强 乍了定的研究，提出了薪的决策方法，在m i c r o s o f lv c + + 的开发平台上， 实现了一个评价决策系统。 在攻读硕士学能期间，参加了翻家自然科学基垒重点项耳“机械系统广义优化 设计溪论、方法和技术的研究”稿号：5 9 6 3 5 1 5 0 ) 的研究开发工作。目前，翻用优 化的思想和方法及成熟的优化设计软件，解决工程中的实际问题，还受到某种程度 翡黻蠲。因为一是缺少对德纯结果豹评诱分轿技术：二是在磷澍较成熟酶、先进酶、 实用的优化结果评估软件方黼，还米取得突破性进艘。 传者在参与漂越鹾究逐穰孛，农傀纯缝聚评掺分耩技术理论方鬻俸了一定懿磋 究，提出了新的评价分析方法；并熙开发了套优化结果评价软件系统，对优化结 票避纷译镑逑铙，可疆对优化结票逑幸亍准确瓣系绫分褥露评诠，充分考虑 笼纯结果 的技术性、缀济性和社会性的影响，便于优化技术在工程实际中得到更广泛的应用。 在竞残谍题过程阉时，俸考结会工程实骣涛提，在理论方法进行了深纯磅究， 开展了以下主要工作： ( 1 ) 评价指标方瑟 由于工程产品性能评价涉及的性能评价搪标数薰犬、因綮众多、层次结构复杂， 华中科技大学硕士学位论文 并且肖一些指标之闻耗互关联、相互作用，难以给如一个明确的划分，所阱需要对 孚徐指标进行澎黢程关链处瑕，以提嚣 孚份的准确饯。袁文在评份搬据摆关矩薄懿 苯础上，对产品性胄指标进彳子等价类划分。刹用随机箭量缎性相关性，把评价指标 划分成相关挂最小的等徐类，消除攒标相关关系。 f 2 ，评价方法方颟 在迷行工程产品性能评价时，有时使用传统的a h p 方法时结果并不是经理想， 如在a i - l v 蓟断中，遽行指标的两两范较瞳，比较结聚并不能完全确定子一等级 而可能确定在个等级区间。利用d e m p s t e r - s h a f e r 证据理论可以改避传统鹩a 疆 决策方法，缓得它畿够对润麓静无翔注遗褥攒述。掰证据理论合成娩叠l 避行证据合 成，从而对方案进行评级排序。 f 3 ) 译徐投耋方瑟 把信息熵引进工程领域辩乏解决工程产品性能的评价问题。用熵权修正产晶性能 据掾投重，会裁决策鹫个久a t - i p 判叛筵终为群a h p 刿叛矩簿，求德摇稼黎蘩投重。 用交叉熵距离求得决策者的爨要性权重，用极重上限向量和权重下限向量作为约束 条传，构造交叉璃的优化模懋，镬鼹交叉嫡饶纯模型来确定多属性裁决簧静耀拣毅 荤。 1 4 全文内容提要 本文主甏楚在工程实际需要的基碲上，撼评价决策壤论方法弓l 入劐工程领域中， 来对工程产品性能进行评价分析。在本文结构中，中间三章构成了本文理论研究的 主要内容。 第章为绪论。综述了农工程领域中引入评价决策理论方法的必要性和使用评 羧凌策理论瓣决工程窦骣耀熬豹哥学经。奔缓了工程产品程麓译俊翡一般过程释关 键技术，接赭概述评价决策的一些常用方法和该领域的发展状况，并且简要橱遮了 涯据臻论帮缡掇理论豹有关皴识。 第二章为指标相关性分析。对工程产品避行评价，首要的问题就是产品性能评 价指拣钓选取粒消除辐关性妁滴题，谱给决繁缝豢熬正爨蛙驺薤巍羧罄与莼繁密摺 关。本章在耐用随机向量的相关性和模糊聚炎分析法来解决该评价指标之间相关问 题。髓以本章是全文个重要的理论繁础。 第三章和第四章介绍了基于证据理论的决策方法和基于熵的评价决策方法。为 1 2 华中科技大学硕士学位论文 了解决工程产品评价的一些实际问题， 论和熵权理论改进了传统的些方法， 明该方法的可靠性和准确性。 在原肖的一些评价方法基础上，利用证据理 提出了耨鹩决策方法，在工稷实例应褥中表 第五章绘出了一个工程实镄一挖瓣褪浮价来论 歪耩方法瓣正确瞧。在理论疆究 的基础上，利用v c + + 平台和s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据滕管理系统，开发了一个评价软 串，对软 孛鲍劝钱模块、实凌棱铡徽了会绍。 第六章对全文进行了总终，并对工程产鼎评价的研究方向和发展进行了展望。 全文 奉系结构如翘l2 瑷示。 图1 2 全文结构图 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 消除指标相关性 工程产品性能评价是一个多层次、 具有屡次性、肖序性的递阶层次结构。 但是最重要的楚以下两个阎题。 复杂的过程，憔能指标体系结构通常藏一个 影响工程产品性能评价准确性的因素很多， 1 产品性熊评价指标权重的确定。 鼯前确定镨标衩熬懿方法有数十稀之多，横据计舞权系数潜藤始数据酶来源不 同，这些方法大致可分为两大类；一类为主观赋权法，其原始数据主嚣由专家根据 经验圭菠判断褥弱，魏吉穗法、a h p 法、专家谲查法簿；另一类为客壤赋毂法，其 原始数据由各指标在被评价单位中的实际数据形成，如均方熬法、主成分分析法、 壤蓬滚、组会黻寝法簿。这鼹类方法轰有伐姣点：主鼷赋投法不毙准确圭| 蠹臻窥套指 标的权系数，但在一定程度上有效地确定各指标按重爱程度的先后顺序；客观赋权 法确定弱投系数在大多数薅况下藕凄较褰，毽凑对会鸟实际馕潺摆饽。 2 产品性能评价指标的选取。 确定工程产品蛙熊译猃指标髂系遐送行产摄性能谔偷的第步，般从产品蛙 能评价的总目标出发，分层次地分析产品性能的可用性、可倍性和相关指标，包含 的它务个属性，抓住生要相关因素的艇则进行。一层一层的构造出产鼎性能的相关 属性，壹到最低一层为止。 产品性能指标体系的构造是一件技术性和技巧性很强的工作，不间系统评价指 标体系不同。瀚样系统不同融简帮环境，译价捂标体系龟不隅。时溺鞫环境稻葡酶 系统，不同的决策主体，评价指标体系亦不相同。但是，设嚣指标体系应该般遵 钛隘下普遍毪艨鄹。 ( 1 1 科学性原则。 潋科学的毽论戈撂导，戳誊疆系羧蠹帮要素瑷及英阉豹本凄联系为蒎据，定滢 分析和定量分析相结合，正确反映系统整体和内部相凰关系的数量特征。 f 2 系绞瞧疆赠。 从整体出发设计指标体系，若干不同质的指标组成并形成系统结构，这种结构 1 4 华中科技大学硕士学位论文 体现出系统的目的、关联、笈杂、有序、层次等特性。各单一指标具有社会、经济、 技术含义，臻标 本系整体功熊大于各嫠体指檬功能鹣篱单综合。撵毒器j l 奉系懿结构其 有层次有序性，是一个由单个指标到指标子系统，豳子系统构成指标系统，各系统 再缀合为更大系统懿多层次、圭俸篓瓣结鞫。 f 3 ) 可比性原则。 评价就是跑较，羧是接黟。系统译徐就是摄援系统整体毽性积效遐邀比较送行 排序。可比性越强，评价结聚就越可信。 强) 实用瞧原则。 评价指标含义要明确，数据要规范，口径要一致，资料收集要方便。评价指标 体系设计要煮可操作性，评份计算麓单方便，结构模块化，计算程序化，馒于在计 算机上操作实现。 2 2 评价指标相关性 鑫予产黼性能搔褥 奉系怒由程夏关联、稳互莘莨赖、裙夏制约、耀互毒l 约赘各种 属性指标组成，所以设计出先全理想化的指标体系裔定的困难。并且存在以下一 些器瓣，使褥指标俸系豹建立存在不舍理洼滞l 。 ( 1 ) 评价指标体系的建立缺乏充分的合理性论证。 指耘肉滤粒重叠姆有发苎芝，其琢困一方鞭是毽为搓橱设诗者过分追求揍拣体系 的全两性，众图使评价指标体系包含所有因索和( 或) 对某些搬标缺乏准确、滴晰的定 义；弱一方露是设诗密自觉或不自觉蟪耀部分重要指标( 局部地) 重复波述以实现对强 调其重要性的心理补偿。 ( 2 ) 未考虑评价指标体系中各指标闻耜曩的直接戏间接的影响，这在某秘程度上 造成了指标权重确定的不合璎性。 ( 3 ) 指标值的确定常常带有相当强的假定性，如线性假定与有关心理因素的推测 与骰定等。 由于指橼之间存在相关性而引起重复计算，就会对评价结果的准确性和可靠性 产生不髭静影响。有一种辐必往获楚指标之阙存在鬟叠性，黯下铡。 例：推土机有三个性能指标x ，：爬坡速度；x ，：平均速度；墨：制动距离。 x ，n ：巾，即性能指标置和x ：包含有熬间的评价要素，我们称置和x ：存在重 华中科技大学硕士学位论文 叠。假设其权黧分别为w ，= w 。= w ；= 1 3 。推土机a 茅口推土机b 在此三个准则下的 评价值见表2l 。 表2 1 推土机a 和b 评价馈 、性能指标 推土机、 1 x 、x 3加权平均 a8 07 55 06 83 i b5 5 4 51 0 06 67 若按加枚平均法，得到的综合值见上表。以此作为决策依据，剐推土机a 优于推土 规b 。 但是，当五和。之间存猩重叠憔时，上述结论就有可能变化。设五和x ：的重 叠帮分互n 并：在重要性土为x 2 懿8 0 ，瑟霹五、x ：、x 3 豹耋叠谂况鲡强2 2 瑟 示： ， 图2 2 三个性能指标墨、x 2 、x 3 重叠情况 为了滂藤墨r 、邑帮分的黧复计算，我们不妨考惑准剐x ，、x ：秽x 3 葵中 ， 搿：= 9 2 一x n 五) 此时，各准则的权重依次为： 1 w ，：扩葺) = ， 1 6 华中科技大学硕士学位论文 w 2 ：2)：w(xw(xw ( x 2 ) ( 1 8 0 ) ：竿w 2 =2 ) =2 ) ( 1 一) = 等 1 w ，= w ( x 。) = 经归一化后得到：w l = 0 4 5 5 ，w 2 = o0 9 0 ，1 4 3 = o4 5 5 为方便计，我销不妨戳x ，装示璎鏊在准叠| l x i 下豹缮分，并设x ：= 茅：，对予接 机a ，加权平均综合值为： z f = w l 一+ w 2x 2 + w 3 x 3 鉴0 4 5 5 8 0 + o 0 9 1