继电器产品设计方案的多层次模糊综合评价方法研究

继电器产品设计方案的多层次模糊综合评价方法研究

设计—评价—再设计是产品设计的全过程，因此对设计方案的评价方法进行研究是十分必要的。本文在确定继电器产品评价指标体系的基础上，应用模糊理论，建立了产品设计方案的多目标多层次综合评价模型。该模型可对评价指标体系的各级子目标和总目标予以评价，从而使设计人员能够针对设计方案的不足之处进行修改，也可为用户从多个设计方案中进行选择提供决策支持。
    关键词：继电器产品；设计方案；模糊理论；综合评价

Study on the multi-level fuzzy comprehensive evaluating method of the design scheme of relay

LI Ling-ling, LI Zhi-gang, MENG Yue-jin, MENG Qing-long

(Hebei University of Technology, Institute of Electrical Apparatus, Tianjin 300130, China)

    Abstract: Design—evaluation—design again is the complete course of products design. So it is very necessary to study on the method of evaluating a design scheme. On the basis of determining the evaluated index system of relay, a comprehensive evaluating model with multi-objective and multi-level is set up by applying fuzzy theory in this paper. This model is able to evaluate every sub-objective and the root objective of the evaluated index system comprehensively and to supply users with decision support for selecting the best one from several design schemes, as well as give directions for revising the original design.
    Key words: relay； design scheme； fuzzy theory；comprehensive evaluation

0  引言
    专家系统技术和智能CAD技术的发展，显著提高了设计工作的自动化水平，使得在计算机上完成产品设计的全过程成为现实。就电器领域而言，已有许多文献^[1-3]对产品的概念设计、结构设计、详细设计、图形处理、性能分析等方面进行了研究，但对设计方案的综合评价则较少涉及。然而产品设计过程的实质是设计—评价—再设计，因此，对电器产品设计方案的评价方法进行研究是十分必要的。

1  继电器产品的多层次综合评价指标体系
    产品设计方案的评价指标很多。不同的评价专家根据自己的偏好和习惯从不同的角度对之进行评价，往往导致评价结果的差异。本文旨在建立一个适用于继电器产品的 多目标综合评价模型，并论述对各级子目标进行评价的一般方法。为此，在广泛征求电器设计人员和用户的意见后，确立了一个具有多层次结构的综合评价指标体系，如图1所示。图中，总评价目标(O)由3个一级子目标：性能(O₁)、成本(O₂)、工艺(O₃)组成；性能子目标(O₁)又由继电器产品的动态特性(O₁₁)、静态特性(O₁₂)等5个二级子目标组成；而O₁₁又由如下6个三级子目标组成：①动态过程中的峰值电流i_p与稳态电流I_S的比值(即i_p/I_S)；②吸动时间t_d；③吸动电压U_d与额定电压U_S的比值(即t_d/U_S)；④衔铁的反弹量△f与触头超程归算量△c的比值(即△f/△c)；⑤触头回跳持续时间t_b；⑥接触电阻R_n。这6个三级子目标分别被记为O₁₁₁-O₁₁₆。

    图2为继电器产品设计方案的评价指标体系层次结构示意图。

2  多层次模糊综合评价模型的建立
2.1 各级评价指标集的确定

2.2 各级权重集的建立及权系数的赋值方法


    在本文中，各权重集的权系数均满足非负性及归一性约束，即：a>0并且∑a=1。
    权系数的赋值方法很多，包括直接给出法（DDM）、比较矩阵法（CMM）、层次分析法（AHP）、环比评分法（CCM）、模糊区间法（FIM）、重要性排序法（IOM）、二型模糊子集法（TFM）等。赋值方法应根据评价指标的特点而定。对于各项具体指标来说，能直接确定权系数的，用DDM；能两两比较的，用CMM、APH、CCM；能给出模糊区间的，用FIM；能对其重要性排序的，用IOM；上述方法均不奏效的，可考虑用TFM^[5]。
2.3 模糊评语集的确定及模糊评语的量化
    总目标及各级子目标的模糊评语均设四档，分别为优、良、中、差，模糊评语集记为：

2.4 评价模型的选择和各级子目标的综评
    拥有多层次指标体系的模糊综评过程是由低层向高层渐次进行的。第k级评判指标向量即为第k-1级评判指标的隶属度，如此逐级进行评价，最后得到总评结果。

式中，表示评价目标O_ij对评语“Y”的隶属度，余类推。称为评价矩阵，用于表示指标论域与评语论域{Y，L，Z，C}之间的模糊关系，例如：r_ij1表示O_ij1对于评语“Y”（优）的隶属度。“ 。”是用于对模糊集合进行合成运算的合成算子。
    关于模糊集合的合成算法，现已被提出的有9种^[6]；以之为基础建立的模糊综评合成运算模型，常用的有5种^[5]。本文采用“乘积、有界和”模型，即M(^.,)，以便尽可能地将所有评价指标的影响考虑在内，避免丢失信息。M(^.,)中的广义模糊“与”运算“^.”实际上就是普通的乘法运算；广义模糊“或”运算“”为“有上界1求和”运算^[5]，例如：αβ=min(1,α+β)。由于本文中的各权重集均满足归一性约束，故该模型中的“”运算就成为普通的加法运算，式(6)中的右侧项就成为普通的矩阵乘法。


2.5 综评结果对模糊评语论域的映射
    总目标和各级子目标的综评结果是一个向量。以总目标O为例，假设某设计方案的综评结果=[0.45 0.30 0.20 0.05]，说明该设计方案O对于评语“优、良、中、差”的隶属度分别为0.45、0.30、0.20、0.05，则O的量化分值为：

    对照模糊评语量化集0.45}各元素的值，可知该设计方案的模糊评语为“良”略偏“优”。

3  应用实例
    限于篇幅，本文仅对某继电器产品设计方案的二级子目标O₁₁进行综评。通过ICAD系统的分析计算，首先得到评价指标O₁₁₁-O₁₁₆的特征值；然后按正态型隶属函数计算，得到各特征值相对于模糊评语“优、良、中、差”的隶属度(上述过程从略)，并将之以向量形式表示，其结果为：

    根据式(6)，得到关于动态特性O11的综合评价：

    该设计方案的动态特性子目标的模糊评语为“良”略偏“中”。

4 结语
    本文基于模糊理论，提出了用于对继电器产品设计方案进行综合评价的多层次指标体系多目标、多层次综评方法。综评过程从低层到高层渐次进行，可对各级子目标和总目标予以评价，并量化打分，使设计人员能够在产品的设计阶段即察觉到设计方案的不足之处，从而有针对性地修改原设计。该模型可应用于继电器的ICAD系统或设计型专家系统中，为产品设计人员和用户对某个设计方案的取舍或者从多个设计方案中进行优选提供决策支持。
    本文提出的综评方法也适用于对已经投产的继电器产品进行评价。

[1]Li Zhigang, Li Lingling, Zhou Chunlai, Gao Zhaohui. Study on Technology of realizing Intelligent Design System for Relay Products[A]. Proc. of the 51th Relay Conference. Lake Buena Vista, Florida, USA. pp18-1-18-5, .April, 2003
[2]Li Zhigang, Li Lingling, Jiang Dong, Cui Ruihua. Study on Electrical Apparatus Design Expert System[A]. Proc. of the 50th Relay Conference. Newport Beach, California, USA.pp6-1-6-5. April, 2002
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