机械设备选型方案的模糊综合评价

作者：广东能达高等级公路维护有限公司 邹志勇 陈链冰等

摘要：本文分析了机械设备选型中需考虑的各项因素，并在此基础上建立了机械设备选型评价指标体系，提出了机械设备选型方案的模糊综合评价模型，最后举例说明了具体评价过程。

关键词：设备选型 模糊综合评价 AHP

在市场经济高度发展的今天，由于机械生产厂家繁多、产品种类复杂、技术质量和性能不一，作业对象模糊多样，如何能够准确及时的为工程施工选择配套符合生产要求的、技术性能先进的机械设备是企业设备管理人员的新课题，也是施工企业水平的标志。可见，做好机械设备的选型配套工作，是设备管理的重要工作。 设备的选型属于多目标决策问题，它的方案评价涉及到许许多多的因素，其中既有定量的因素（如价格等），又有定性的因素（如使用可靠性等）。因素的多样性和不确定性，都使得设备的选型变得复杂和重要。传统的经验选型，缺乏完善的定性分析、比较的理论与方法，不能综合阐述多人意愿，这样势必造成方案评价的不完善，甚至有些时候反而摒弃了最优方案。因而，建立一套行之有效的设备选型方案综合评价办法，实现从传统的经验选型向科学选型的过渡，是很有必要的。 1机械设备选型涉及的指标体系 评价一个选型方案的优劣，首先需有一个正确而全面的评价系统与评价指标。机械设备选型要充分考虑各方面的因素，本文经比较拟从经济指标、技术性能、社会关系、人机关系以及配套性等五个方面进行综合评价，从而对多个选型方案进行综合比较分析，找出最佳的选型方案。评价指标体系如图1所示。 1.1影响经济指标的因素 投入前支出的费用：除设备安装搬迁费用外，为了设备的运行而进行的设备早期投入，如相关人员的聘请和培训，设备的报装、标定、认证等等。 设备台班费用：工作台班费用和停机台班费用。 运行附加费用：设备正常运转期间，除台班费外发生的与该台设备有关的费用，比如设备保养和小修费用等。 安装搬迁费用：设备入场搬迁和安装的费用加上撤场搬迁和清场费用的总和。 售价及付款方式：设备的售价及付款方式往往是资金紧张的中、小企业重点考虑的因素，它直接关系到工程的延续性。 1.2影响技术指标的因素 使用可靠性：这是评价设备技术性能最重要的因素之一。我国目前对筑养路机械的使用可靠性无统一的要求。国外筑机产品一般要求出厂后能够连续使用1500h～2000h而不应出现机械故障。根据大多数厂家对机械设备可靠性的要求，我国此类机械的连续使用期应保证在1000h～1500h不出故障为宜。由于筑养路机械的恶劣的作业环境，其工作的可靠性较之机械本身的技术先进性更为重要。 制造工艺：制造工艺是保证设备使用可靠性的重要前提，它反映和衡量了生产厂家的技术和管理水平。 生产率：生产率充分反映了设备的机群配套能力，反映了设备的使用性能。 自控程度：自控程度的高低是反映设备自身技术水平的基本指标，它是指设备在人工无法完成的操作和工作质量控制中采用自控技术程度的高低。机械设备的自控水平是整个制造企业技术发展水平的集中体现。 维修性：维修性这里指的是维修保养的可达性、零配件的互换性以及针对维修的防差错设计等，它是依靠科学合理的设计及良好的加工工艺来实现。在项目工程进行中，为了提高机械的利用率，常要求机械的故障能够在现场处理，这就要求机械必须拆装方便，零配件供应必须可靠且互换性较好，同时应有为特殊部位设计专修工具等。设备的维修性好坏直接反映了一个制造企业设计水平和制造工艺水平的高低。 １.3涉及社会关系的因素 货源及供货渠道：如果是租赁，指的是设备经租渠道，如果是购置，则指的是设备代理商或制造厂家。货源及供货渠道的不同直接影响设备的售价（租赁费用）以及售后服务等。 供货或到货周期：原理上周期越短越好，但是对于选配或定购的设备，在不影响整个工程进度的前提下必须保证厂家有足够的时间生产，以免出现赶工现象，影响设备制造质量。 运输方式及要求：运输方式的不同，为此需承担的费用也不同，运输造成的风险也不同。而运输有无特殊要求这项指标同时也反应了制造企业的设计水平。 售后服务：这里的售后服务是泛指，它包括专业技术培训、零配件的供应、技术检测以及设备维修保养等。 维修配件的供应：这一项本来属于售后服务的范畴，但是由于其重要性而将其单独列出。维修配件的供应在这里不光是售后服务里的零配件供应，它还包括除售后服务机构外获得维修配件的难易程度。 环境污染程度：这里的环境污染程度也是泛指，指的是设备安装及运行对周边环境的影响程度。 １.4涉及人机关系的因素 操作安全性：操作安全性指的是设备安全防护装置的完善程度。 操作舒适性：舒适性指的是机手的操作驾驶条件，良好的操作驾驶条件主要指机械要有舒适的乘坐条件、广阔的视野和空调通风设备。对于筑养路机械，由于它的作业环境恶劣，流动性大，操作极度频繁，因而驾驶者容易疲劳，也容易出现操作失误并导致事故，因此，具有良好的操纵条件应视为提高工作效率和减少事故的重要因素。 相关配套人数：这项指标同时也反映了设备的操作性和自动化程度。 1.5影响设备配套性的因素 项目配套性：指的是引入的设备对本项目的适用性。 机群配套性：指的是引入的设备与项目现有设备的配套程度，对现有设备配套的影响。 2评价方法的选择 从上面分析的机械设备选型评价指标体系可以看出，设备选型方案的评价，涉及到多项指标，需要综合考虑技术性能、经济指标、社会关系、人机关系以及配套性等诸多因素，进行综合分析与比较，以寻求整体最优的方案。方案评选时，由于多目标的存在，要考虑的影响因素繁多，这些因素有些是可量化因素，有些是不可量化的，对这些不可量化因素的评价又带有一定的模糊性，无法做出定性的评价，给评价带来了很大的难度，采用常规评价方法即经典数学方法显然是无能为力的。基于上述原因，本文参照有关文献[1][2][3]，在实际工作中，结合传统经验选型方法，运用模糊数学、AHP法（层次分析法）、数理统计等现代数学理论，采用了一种多层次、多因素模糊综合评价方法，对选型方案进行了综合分析评价和优化选择。这种方法是在T.L.Sauty教授的AHP法的基础上，用改进后的AHP法确定各因素的隶属度，解决了许多定性因素无法量化的问题，对那些不确定因素的不同描述由专家给出然后加以综合评价，以避免绝对地评价。 3模糊综合评价法概述 根据模糊数学的理论，模糊综合评价的数学模型是由因素集U，评判集V和评判矩阵R三要素组成的。先确定因素集U=(u1,u2,…,ui,un)，ui表示对评价对象有影响的第i个因素；再确定评判集V=(v1,v2,vk,vp)，vk表示对因素评价第k个等级的分数值。若对第i个因素的单因素评判为U到V上的模糊关系：R(ri1,ri2,rip)，于是，n个因素的评判矩阵为R=(rik)n×p。 通过确定权重A=(a1,a2,ai,an)，ai为第i个因素所对应的权重，且。 最后得到综合评判的结果B=A·R=(b1,b2,bp)，根据B和评判集V计算出各方案所得的分数，分数最高者即为最优方案。 3.1因素集、评语集和评价对象集的确定 因素集U=(u1,un)，其中ui表示对评价对象有影响的第i个因素，ui 又可分为多个因素uij，依次类推，可建立多层次、多因素集。 评语集V=(v1,vp)，其中vk表示对因素评价的第k个等级。 U和V都是给定的有限论域。 3.2构造因素间的比较判断矩阵 根据层次分析法（AHP法）原理，需要对各层因素进行两两比较，确定彼此之间的重要度，每位专家需从第一层到最底层对有关因素的相对重要程度进行两两比较判断（两两比较判断的因素必须是同一层的，而且必须是属于上一层的同一指标），从而获得一系列的比较判断矩阵。 因素间的相对重要程度可以用标度法来量化，参照文献[2][3]，本文选用如表1所示的指数标度法。 设有专家组S=(s1,s2,ss)(s≥1)，专家组S中任一个专家Sk 对因素ui和uj 进行比较，按表1进行量化，得比较判断矩阵：， 其中i,j=1,2,∧,n,且有，， 显然A(k)为互反阵，从而为反对称阵。 根据文献[4]，当专家评价的总体标准差均小于1时， 可以认为专家组的意见较为统一，这时可以用各专家判断值的算术平均值来作为群组判断的结果，从而，它不一定具有一致性，进而构造群组判断矩阵，其中。由文献[4]知矩阵A* 是A（Ak 的算术平均阵）的拟优传递阵，并且它是一致的。 当存在时，则说明专家组的意见分歧较大，此时不能简单的利用各专家判断值的数学平均值来构造群组判断矩阵，根据文献[4]，可用最优传递矩阵法计算，即求得使最小的最优传递矩阵， 其中，令,其中α为相邻两级评语的客观重要比率，在这里可取1.3161或1.7321，矩阵A*就是所需的群组比较判断矩阵，它是一致性的。 根据所获得的群组判断矩阵，我们可以利用方根法求得各指标的权重，归一化后可得各指标相对于上一级目标层的标准权重，再由层次总排序即可求得最低层对总目标层的标准权重。 3.3综合评判 制作评判表并组织“专家组”调研，并对现有设备选型方案进行独自评测，将评判结果填入评判表内。评判表的形式如表2所示： 根据调查表可得二级因素集相对于一级因素的评价矩阵，其中i=1,m,k=1,p,rijk为因素Uij相对于上述评语集V第k个评价等级的隶属度。 从而有一级因素集相对于总目标（设备选型方案）的综合评价矩阵R: 最后得到综合评判的结果B=A·R=(b1,bp)。 取百分制，令评判集V＝{好，较好，一般，差}＝{100～85,85～75,75～60,<60 }，显然各等级分数重心依次为：92.5，80，67.5，30，于是可用Pi=B·VT=92.5b1+80b2+67.5b3+30b4计算出各方案所得的分数，分数最高者即为最优方案。 4机械设备选型评价指标体系各评价因素权重的确定 根据3.2，组织我公司6名相关人员（机电高级工程师一人，工程师三人，助理工程师两人，其中技术岗位的三人，管理岗位的三人）对评价体系各一级因素两两进行重要程度比较，按表1量化后有： 两边取对数得反对称阵，从而有群体判断总体标准差： 由总体标准差σij均小于1判定专家组的意见较为统一，于是可计算出反对称阵B(k)的平均阵为： 从而最终的群组判断矩阵为： 根据方根法求得A*的特征向量，归一化后即得一级因素集各因素的权重： A=(0.2219 0.3475 0.1470 0.1087 0.1749) 同理可得二级因素集各因素的权重： A(1)=(0.1724 0.1925 0.1298 0.1298 0.3755) A(2)=(0.2555 0.1383 0.3097 0.1530 0.1435) A(3)=(0.1395 0.2027 0.1144 0.2454 0.2027 0.0953) A(4)=(0.4134 0.3000 0.2866) A(5)=(0.5229 0.4771) 5机械设备选型方案评价实例 某单位因工程需要需添置沥青混凝土拌和楼一台，要求生产率在80～100T/h，价格在300万元左右，由于资金紧张，最好能采用分期付款方式，延长付款周期。现可供选择的方案有A、B、C、D四种，试比较选型方案。 首先组织“专家组”分别对A、B、C、D四种产品及其生产厂家、用户进行充分调研，将调研结果汇总如表3所示。 然后各“专家” 根据调查结果独自对各方案的评价指标进行评价，将其填入表2内，经整理后有： A方案： 从而有： 方案A的总得分为： 同理可求得方案B的总得分为64.59分，方案C的总得分为69.66分，方案C的总得分为57.63分，显然方案A为最优方案。 6结束语 （1）采用上述的机械设备选型方案综合评价办法在实际应用中是可行的，它能够综合考虑“专家组”所有人的意愿，同时又能体现“专家组”意见的集中性和判断的一致性。 （2）在实际应用中，评价指标体系建立得越细致，调研越详尽，选型结果将越能反应“专家组”的集体意见。 （3）机械设备选型方案综合评价是一个复杂的过程，其评价指标体系的建立以及指标权重的确定不是一朝一夕的，也并不是一成不变的，它是长期经验积累和复杂运算的结果，需要在实际使用中不断完善。 （4）选型评价过程中牵涉到了大量的矩阵运算，为了减轻人工计算量，可编制相应的计算机程序来完成。本文的计算过程是由笔者自行编制的“设备选型方案评价系统”来完成的。 参考文献 [1] 王莲芬，许树柏，层次分析法引论，中国人民大学出版社，1990 [2] 杨永清，许先云，改进的层次分析法用于矿井安全管理的综合评价，系统工程理论与实践，1999，19（6） [3] 候岳衡，沈德家，指数标度及其几种标度的比较，系统工程理论与实践，1995，15（10）：43～46 [4] 马云东，胡明东，改进的AHP法及其在多目标决策中的应用，系统工程理论与实践，1997，6：40～44 [5] 黄德中，工程机械的选型配套，建筑机械，1996，11