基于AHP-TOPSIS方法的智能液壓設備設計評價研究

李澤宏，張玲玉，胡蝶，羅懷林，鄭喬譽，陳新月

基于AHP-TOPSIS方法的智能液壓設備設計評價研究

李澤宏1a，張玲玉1b，胡蝶2，羅懷林1b，鄭喬譽1a，陳新月1a

（1.四川輕化工大學 a.機械工程學院 b. 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 宜賓 644000；2.西華大學 美術與設計學院，成都 610039）

為解決智能液壓設備設計方案評價主觀片面的問題，優選最佳設計方案。根據問卷調研和專家意見初步構建智能液壓設備評價指標，建立智能液壓設備設計方案評價模型。采用AHP層次分析法從外部形象、生產成本、人機工程、安全可靠4個方面建立4個準則層指標，12個子準則層指標，并通過計算得到各級指標的最終權重結果及排序；再利用TOPSIS逼近理想解排序法對3款四柱永磁粉末液壓設備的設計方案進行評價，計算得到貼近度優劣排序，從而確定最優選方案。通過AHP-TOPSIS相結合的定性定量評價方法，評估出最符合企業需求的四柱永磁粉末液壓設備設計方案，為四柱永磁粉末液壓設備及同類智能液壓設備的設計實踐和評價提供參考。

工業設計；智能液壓設備；四柱永磁粉末液壓設備；AHP-TOPSIS；設計評價

在智能液壓設備設計階段，研發人員常會基于企業需求產出不同類型的設計方案。由于受到一些客觀因素的限制，往往僅有一款方案能被實現。在對設計進行評價和決策的過程中，評價指標通常由決策者根據自身的經驗和直覺判定，易受到偏好、年齡、工作職位等影響[1]。這樣粗略的定性分析和評價方式達不到準確客觀地分析評價方案的目的。只有合理的設計評價才能準確地反映產品設計的質量，從而有效地從多種設計方案中確定最優方案，并快速投入后期生產制造，進而提高產品市場競爭力。因此如何客觀、準確地完成四柱永磁粉末液壓設備的設計方案，建立合理的設計評價指標體系，優選出最符合企業需求的設計方案是當前智能液壓設備行業面臨的主要問題。

TOPSIS能有效地對多目標、多影響因素的復雜目標進行評價[2]。該方法能充分利用調研或實驗得到的初始數據信息，對多個設計方案進行評價與優選[3]。其被廣泛地運用在管理決策、風險評估、商業決策等領域，近年來在產品設計方案決策中也被廣泛利用。為了降低人為主觀性，張健等[4]將灰色關聯法和AHP方法相結合引入動態權重對TOPSIS方法進行計算并建立評價模型，對三種汽車覆蓋件進行了由高到低的優選度排名。周凱等[5]在綠色包裝方案決策中運用TOPSIS評價法并引入粗糙集理論，最終得到了優越度最高的包裝方案。陳香等[6]則在錄音筆設計評估中，構建出一種結構熵權與TOPSIS法設計評估模型，并驗證了該模型的可行性。上述文獻綜述表明TOPSIS方法在權重計算部分具有一定的主觀性，常容易受到人為因素的干擾。如需對方案進行全面綜合客觀的評價與決策，應搭配其他客觀權重定量研究方法。本文采用TOPSIS與AHP相結合的定性定量研究方法，利用AHP方法從外部形象、生產成本、人機工程、安全可靠4大影響因素綜合考慮，使其評價指標的權重值更為客觀和完整。TOPSIS方法作為優選設計方案的工具，通過計算各方案與理想解的貼近度，最終得到最優選設計方案。

1 AHP-TOPSIS方法

AHP是STAAY提出的一種多指標的統計方法，能有效地將復雜的定性評價過程量化，通過將高層次的指標層往低層次的指標層逐一分解，歸納形成為有序的層級分析結構。在處理受到多因素影響的復雜目標時非常便捷高效，且實用性強[7]。

TOPSIS是HWANG和YOON提出的針對多屬性問題的評價方法，能有效的對多目標進行決策分析。其原理是依據方案與最正、負理想解的距離并排序來優選出最佳方案[8]。建立改進后的AHP-TOPSIS方法的評價步驟如下。

1.1 判斷矩陣的構建與權重確定

建立合理的判斷矩陣是AHP方法中重要的一項環節，通過將屬于相同層級中的各個指標進行兩兩比較，構建判斷矩陣，見式（1）。

表1 評價尺度

Tab.1 Evaluation scale

1.2 確定各指標的權重

3）一致性檢驗。

在進行AHP法時為保證決策者思維的一致需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，見式（2）。

1.3 建立標準化決策矩陣、加權標準化決策矩陣

1）效益型指標，見式（3）。

2）成本型指標，見式（4）。

1.4 貼近度計算

1）確定正、負理想解[10]，見式（5）—（6）。

2）計算設計方案與正、負理想解的距離[11]，見式（7）—（8）。

3）確定設計方案與正理想解的貼近度，見式（9）。

2 基于AHP-TOPSIS方法的評價

2.1 智能液壓設備設計方案評價流程

智能液壓設備設計受多種因素影響，在基礎功能和形態結構滿足此類產品相關要求的前提下，利用美學設計原則，從外觀造型、CMF、人機要素等方面對設備進行創新設計，以達到美觀、經濟、舒適、安全的目的。通過對AHP和TOPSIS有關文獻的分析研究，構建如圖1的設計評價流程。首先，進行問卷調研和咨詢行業專家意見，運用AHP對影響因素篩選歸納，建立智能液壓設備指標體系層級分析評價模型，并構建判斷矩陣。其次，利用TOPSIS法計算各方案與正、負理想解的距離，并根據方案集排序得到最優選設計方案。

圖1 智能液壓設備設計方案評價流程

2.2 智能液壓設備多層次評價模型構建

2.2.1 評價指標確立

智能液壓設備設計涉及到人機工程學、結構設計、美學等方面，由此造成智能液壓設備方案呈現出多樣化的結果。而要優選出最佳設計方案，則必須構建多層次評價模型，對各個方案進行客觀評價[12]，從而提高產品的市場競爭力。由于智能液壓設備使用場景的專業性和復雜性，市場上各產品功能外觀各不相同，對設計方案的決策造成很大阻力。通過對影響產品的各類指標進行篩選整理，能更準確客觀地建立評價指標體系[13]。本研究的前期調研邀請了60位專家（包括液壓設備制造行業專家、相關企業高級管理人員、相關企業高級工程師、工業設計專業教授等）進行問卷調研，調研最終回收到有效問卷57份。在此基礎上，對智能液壓設備有重要影響的評價指標進行合理性評估，見式（10）。

=/57(10)

式中：為公信度值，為該指標選擇人數。移除0.5的指標，并根據指標在評價目標下的含義判斷其指標類型，篩選后的智能液壓設備評價指標，見表2。

2.2.2 層級分析評價模型構建

將智能液壓設備的設計問題分為四個層次的結構模型。分別是目標層（）、準則層（）、子準則層（）、方案（）。并通過KJ親和圖法歸納相同類型的評價指標，將智能液壓設備設計問題的準則層劃分為外部形象、生產成本、人機工程、安全可靠共4個準則指標，再依據4個準則層指標劃分得到外觀造型、品牌涂裝、材質工藝、加工損耗、配件互換、物料成本、人機尺度、操作協調、作業舒適度、承受力、報警提示、保護機制共12個子準則層指標。確定準則層指標及子準則層指標后，最終構造智能液壓設備評價指標體系，見圖2。并對各評價含義進行了指標描述，見表3。

表2 智能液壓設備評價指標

Tab.2 Evaluation indicator of intelligent hydraulic equipment

表3 評價指標含義說明

Tab.3 Description of evaluation indicators

3 AHP-TOPSIS評價法在四柱永磁粉末液壓設備設計評價中的應用

3.1 四柱永磁粉末液壓設備概述

四柱永磁粉末液壓設備是用于制造磁性材料的重要設備，主要構成部分為油泵、輸油管、液壓裝置、控制臺、機身等[14]，如圖3所示。中間部分為永磁液壓機活動工作部分，通過上油缸壓迫模具型腔向下浮動，下模固定不動，生成磁性材料。頂部為油泵，需要定期清理維修。目前，國外四柱永磁粉末液壓設備如日本小松、德國力士樂在性能、外觀、品牌知名度上都達到了較高國際水準。近年來，我國智能液壓設備制造企業飛速發展，但是在產品外觀、人機工程、安全可靠性等方面還未引起足夠重視，對比發達國家同款裝備還有較大差距。

圖3 四柱永磁粉末液壓設備

3.2 AHP確定各指標權重

根據圖2的四柱永磁粉末液壓設備評價指標體系，組織20位專家（包括行業專家7人、相關企業高層管理4人、相關企業高級工程師3人、潛在設備購買方3人、工業設計教授3人）組成方案評估專家團隊，采用標度法對四柱永磁粉末液壓設備依次在4個準則層、12個子準則層進行相互比較，并構建出判斷矩陣，見表4-—8。

完成一致性檢驗后，得到各指標總權重及排序，見表9。根據表9可知，用戶對于四柱永磁粉末液壓設備的安全可靠最為重視，其次是人機工程、生產成本，外部形象。在安全可靠方面承受力的比重最大，人機工程方面對人機尺寸最為看重，生產成本方面物料成本的占比最大，而外部形象方面則是外觀造型最重要。

表4 目標層的判斷矩陣

Tab.4 Judgment matrix of target layer E

表5 外部形象下的子準則判斷矩陣

Tab.5 Sub-criterion judgment matrix under external image

表6 生產成本下的子準則判斷矩陣

Tab.6 Sub-criterion judgment matrix under production cost

表7 人機工程下的子準則判斷矩陣

Tab.7 Sub-criterion judgement matrix in ergonomics

表8 安全可靠下的子準則判斷矩陣

Tab.8 Sub-criterion judgement matrix under safety and reliability

綜上可見，用戶所希望的四柱永磁粉末液壓設備設計應具有更高的安全可靠性，應合理設置報警提示和保護機制從而保證用戶操作安全，避免產生安全事故；在人機工程方面，用戶希望在控制面板、儲物箱與把手設計、控制面板按鈕布局等部位要符合使用邏輯并充分考慮人體尺寸、最佳觀察范圍、作業區域、高度人手操作范圍；在生產成本方面，應避免造型過于復雜，增加生產成本，影響后期生產制造。

3.3 四柱永磁粉末液壓設備設計方案實踐

某智能液壓設備制造企業對其現有的四柱永磁粉末液壓設備進行了迭代升級。提取四柱永磁粉末液壓設備產品基礎元素特征，運用轉折、倒角等形態設計方法，并結合上述各級指標權重分析結果進行方案設計，使四柱永磁粉末液壓設備的設計在保證基本產品功能屬性的前提下提高了產品競爭力。使用Rhino三維設計軟件及Keyshot軟件進行效果圖制作，最后得到備選方案D1、方案D2、方案D3，組成方案層（），方案整體符合機械裝備設計的屬性和要求[15]，見圖4。

表9 各級子指標最終權重結果及排序

1）方案D1整體以長方體為造型基礎形態，多斜切轉折，彰顯直線條的設計語言。整體風格方正硬朗，簡潔有力。配色上采用淺灰色的主機身搭配少量的黑色。整體造型采用傳統的三段式分割。操作面板呈垂直設計，未進行按鍵功能分區?；顒幼鳂I區域設置有警示標志。

2）方案D2整體以直面、斜角、微圓角為設計元素。整體風格板正統一，塑造一種硬朗中略帶圓潤的設計風格。頂部采用圍欄設計。工作活動部位設置警示條，顯眼部位增加警示燈光。涂裝上采用簡潔的白色搭配品牌標準色藍色線型涂裝。操作面板具有一定的傾斜角度，對按鈕進行功能分區，將常用按鈕放大并放置在顯眼區域。

3）方案D3整體以大圓角、包裹性切割為設計元素，塑造了一種現代簡潔的設計風格。頂部油泵部分被整體包裹。配色上主色為黑、白色，藍色線型涂裝作為裝飾線條。操作面板有一定傾斜角度，操作按鈕進行顏色分區。在活動作業部分未設置提示標志。

3.4 TOPSIS方案評價結果的計算

為了保證優選方案的準確性，邀請10位行業專家（包括相關企業高層管理3人、工業設計專業教授3人、潛在購買方2人、相關企業高級工程師2人）對3個設計方案的12項子指標采用1～10標度法進行評分（其中效益型指標1～3分表示為很不合格、3～5分表示不合格、5～6分表示為良好、6～8分表示為優秀、8～10表示為非常優秀。成本型指標1～3分表示為非常優秀、3～5分表示為優秀、5～6分表示為良好、6～8分表示為不合格、8～10分表示為很不合格）將打分結果計算出的算術平均數作為最終方案綜合評價表，見表10。

圖4 四柱永磁粉末液壓設備設計方案層D

表10 各子指標專家方案綜合評價表

Tab.10 Comprehensive evaluation form of each sub-indicator expert solution

1）根據上表構建判斷矩陣并標準化后得

2）計算加權標準化決策矩陣

3）方案排序

由于評價指標中既有效益型指標又有成本型指標，所以先確定指標的屬性，然后通過式（5）—（6）計算得到所有指標的理想解。

最終各方案標準化后的得分，見表11。

表11 方案綜合得分

Tab.11 Comprehensive score of solutions

由表11可知，最終方案排序為D2>D1>D3。因此可以確定方案D2為四柱永磁粉末液壓設備最優選設計方案。

4 結論

本次研究首先通過問卷調研、行業專家意見指導建立了智能液壓設備設計評價指標體系，提出了基于AHP-TOPSIS方法的設計方案評價流程。通過實際案例的應用可知，兩種定性定量的研究方法能有效降低了四柱永磁粉末液壓設備設計評價中要素復雜、要素關系難以判斷、難以量化分析帶來的不利影響，降低了方案選擇過程中人為的主觀性影響，提高了智能液壓設備設計評價的客觀性和有效性。文中在確定各指標權重過程中，以及人為主觀性問題上的研究仍然不足，在后續的研究中還需擴大樣本數量，在四柱永磁粉末液壓設備實際轉化應用中，展開進一步的優化與研究。

[1] 李芳, 何思俊, 支錦亦, 等. 基于AHP-熵權法的高速列車乘客車廂設計滿意度評價[J]. 機械設計, 2020, 37(2): 121-125.LI Fang, HE Si-jun, ZHI Jin-yi, et al. Evaluation of High Speed Train Passenger Compartment Design Satisfaction Based on AHP Entropy Weight Method[J]. Mechanical Design, 2020, 37(2):121-125.

[2] 王媚雪, 翟洪磊. 基于AHP與TOPSIS法的自閉癥兒童康復訓練產品設計評價方法及應用[J]. 圖學學報, 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 TOPSIS[J]. Journal of Graphics, 2020, 41(3): 453-460.

[3] 李娜, 李小東, 唐東芳. 基于AHP-TOPSIS的可持續包裝設計最優方案的篩選[J]. 包裝工程, 2020, 41(23): 242-248. LI Na, LI Xiao-dong, TANG Dong-fang. Selection of the Best Sustainable Packaging Design Scheme Based on AHP-TOPSIS[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(23): 242-248.

[4] 張健, 賈浩林, 王麗萍, 等. 基于TOPSIS的汽車零部件設計方案評價[J]. 機械設計, 2020, 37(S1): 107-111. 你好, ZHANG Jian, JIA Hao-lin, WANG Li-ping, et al. Evaluation of Automobile Parts Design Scheme Based on TOPSIS[J]. Machine Design, 2020, 37(S1): 107-111.

[5] 周凱, 孫宏悅, 姜輝, 等. 基于粗糙集理論和TOPSIS的綠色包裝評價方法[J]. 包裝工程, 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 TOPSIS[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(17): 142-146.

[6] 陳香, 衛華. 基于結構熵權TOPSIS法的產品設計方案評估研究[J]. 圖學學報, 2020, 41(3): 446-452. CHEN Xiang, WEI Hua. Research on Product Design Scheme Evaluation Based on TOPSIS Method of Structure Entropy Weight[J]. Journal of Graphics, 2020, 41(3): 446-452.

[7] 陳明, 郭立新. 基于AHP-熵權-TOPSIS的電動汽車動力性經濟性綜合評價方法[J]. 機械設計, 2013, 30(4): 15-19. CHEN Ming, GUO Li-xin. Comprehensive Evaluation of Power Performance and Energy Consumption Economy of Battery Electric Vehicle Based on AHP-Entropy- TOPSIS[J]. Journal of Machine Design, 2013, 30(4): 15-19.

[8] 呂欣, 劉玉云. 基于AHP-TOPSIS方法的兒童安全座椅設計方案評價研究[J]. 包裝工程, 2019, 40(14): 150-155. LYU Xin, LIU Yu-yun. Evaluation of Design Alternatives for Child Safety Seat Based on AHP-TOPSIS[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(14): 150-155.

[9] 呂躍進. 指數標度判斷矩陣的一致性檢驗方法[J]. 統計與決策, 2006(18): 31-32. LYU Yue-jin. Consistency Test Method of Exponential Scale Judgment Matrix[J]. Statistics and Decision, 2006(18): 31-32.

[10] WANG Xin-min. Mining Method Choice Based on AHP and Fuzzy Mathematics[J]. Science and Technology, 2008, 39(5): 875-880.

[11] JOVANA. AHP-based Group Decision Making Approach to Supplier Selection of Irrigation Equipment[J]. Water Resources, 2014, 41(6): 782-791.

[12] 徐驍琪, 程永勝, 陳國強. 基于AHP法的房車造型評價方法及應用研究[J]. 機械設計, 2020, 37(6): 140- 144. XU Xiao-qi, CHENG Yong-sheng, CHEN Guo-qiang. Evaluation Method and Application of RV Modeling Based on AHP Method[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37(6): 140-144.

[13] 彭鵬, 胡昌格, 柴敏. 基于模糊綜合評價法的除雪機設計評價應用[J]. 包裝工程, 2022, 43(14): 59-65. PENG Peng, HU Chang-ge, CHAI Min. Application of Snow Thrower Design Evaluation Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(14): 59-65.

[14] 賈銘新. 液壓傳動與控制[M]. 第4版. 北京: 電子工業出版社, 2017. JIA Ming-xin. Hydraulic Transmission and Control[M]. 4th ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2017.

[15] 吳儉濤, 孫利, 鄭艷艷, 等. 一體化新型液壓機造型設計[J]. 機械設計, 2021, 38(5): 434-441. WU Jian-tao, SUN Li, ZHENG Yan-yan, et al. 一體化新型液壓機造型設計[J]. Journal of Machine Design, 2021, 38(5): 434-441.

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)

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' opinions, evaluation indicators of intelligent hydraulic equipment were initially constructed and the evaluation model of intelligent hydraulic equipment design scheme was established. 4 criterion layer indicators and 12 sub-criterion layer indicators were constructed through Analytic Hierarchy Process (AHP). The final weight result and ranking of different indicators 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.

industrial design; intelligent hydraulic equipment; four-column permanent magnet powder hydraulic equipment; AHP-TOPSIS; design evaluation

TB472

A

1001-3563(2023)14-0083-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.008

2023–02–01

過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金項目（GK201913）；產學研基金項目（E10204788）

李澤宏（1997—），男，碩士，主要研究方向為產品創新設計、設計工具。

張玲玉（1972—），女，碩士，教授，主要研究方向為用戶體驗、產品創新設計。

責任編輯：藍英僑