侍紅巖鄭淑賢

(1. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000)

隨著食品深加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，食品灌裝機(jī)械的競爭日趨激烈，設(shè)計(jì)開發(fā)多功能、高效率、低消耗的食品灌裝機(jī)械成為食品機(jī)械行業(yè)競相發(fā)展的目標(biāo)。食品灌裝機(jī)械設(shè)計(jì)方案評價(jià)是優(yōu)選改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、助推企業(yè)提高生產(chǎn)效益的關(guān)鍵。目前，已有一些學(xué)者開展了關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品評價(jià)的研究。張肖等[1-2]提出了基于TRIZ 的印刷機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案評價(jià)體系；田啟華等[3]基于信息公理和模糊數(shù)學(xué)對機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評價(jià)研究；焦玉民等[4]采用模糊層次分析法對工程機(jī)械質(zhì)量評價(jià)問題進(jìn)行了研究；賓光富等[5]利用模糊層次分析法開展了機(jī)械設(shè)備多特征參數(shù)健康狀態(tài)評價(jià)研究；劉靜等[6]分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，綜述其在食源性微生物定量風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用；張建輝等[7]采用概率評估法對白酒中的2種鄰苯二甲酸酯類[鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯]的膳食暴露進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估；黃己立等[8]設(shè)計(jì)了“有導(dǎo)師”型數(shù)據(jù)輸入的基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及“無導(dǎo)師”型數(shù)據(jù)輸入的自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型及算法；楊濤[9]提出來了一種首先基于客戶對各設(shè)計(jì)方案的需求偏好信息，利用圖論工具對無向圖連通子圖的輸出完成需求偏好相似客戶的聚類；其次考慮到產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本與客戶滿意度之間的矛盾，通過建立客戶聚類評價(jià)準(zhǔn)則確定最佳聚類結(jié)果；然后結(jié)合優(yōu)勢數(shù)分析的方案評價(jià)排序方法。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，對于食品機(jī)械設(shè)計(jì)方案評價(jià)的研究較少，僅見任甲舉等[10]采用改進(jìn)的模糊層次分析法對食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]采用層次分析法確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，沒有充分考慮指標(biāo)權(quán)重的不確定性和定性評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間性。在采用主觀方法確定指標(biāo)的權(quán)重過程中，由于專家經(jīng)驗(yàn)閱歷、能力水平和知識結(jié)構(gòu)的差異性，專家給出的指標(biāo)權(quán)重往往不是固定的常數(shù)，而是一個(gè)區(qū)間數(shù)。同理，定性指標(biāo)也很難量化為一個(gè)具體的數(shù)值。通常情況下，用區(qū)間數(shù)來表示指標(biāo)的權(quán)重和定性評價(jià)指標(biāo)將會(huì)更加符合評價(jià)實(shí)踐。本研究擬采用區(qū)間層次分析法和隸屬度對食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)問題進(jìn)行研究，以期為衡量食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣、改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供更加科學(xué)的決策依據(jù)，同時(shí)為其它食品機(jī)械設(shè)計(jì)方案評價(jià)問題提供新的思路和解決方案。

1 構(gòu)建食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系

建立客觀、合理的評價(jià)指標(biāo)體系是成功開展食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)的基礎(chǔ)和前提。在選取評價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)遵循全面性、一致性、獨(dú)立性、協(xié)調(diào)性和可操作性等原則，被選取的指標(biāo)不僅要具有代表性還能夠反映食品灌裝機(jī)某一方面的屬性。影響食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的因素是多方面的，需要構(gòu)建多維多層次的評價(jià)指標(biāo)體系。食品灌裝機(jī)屬于食品機(jī)械，衡量其設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣不僅要從功能維度進(jìn)行考慮(如操作性、精度、調(diào)節(jié)性和維修性等因素)，還要從食品安全角度(如灌裝機(jī)材料無毒性、是否容易清潔、抗異物侵入能力等)、經(jīng)濟(jì)性角度(如運(yùn)行費(fèi)用和材料費(fèi)用等)和環(huán)境污染角度(如油液污染、噪聲污染、廢棄物污染等)進(jìn)行考慮?；谏鲜龇治觯疚膹墓δ軐傩?、安全屬性、經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性4個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建如圖1所示的多層次食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系。

進(jìn)行食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)，將方案優(yōu)劣等級劃分為5個(gè)：1級(好)、2級(較好)、3級(一般)、4級(較差)、5級(差)，為了適于區(qū)間層次分析法評價(jià)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案，需要對方案優(yōu)劣等級進(jìn)行量化，這里采用區(qū)間數(shù)方法進(jìn)行量化，好、較好、一般、較差和差5個(gè)優(yōu)劣等級對應(yīng)的區(qū)間數(shù)分別設(shè)定為：(0.8，1.0]、(0.6，0.8]、(0.4，0.6]、(0.2，0.4]和[0.0，0.2]。

圖1 食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系Figure 1 Food filling machine design scheme evaluation index system

2 基于IAHP確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

確定科學(xué)的指標(biāo)權(quán)重是進(jìn)行評價(jià)、評估或決策的關(guān)鍵，目前客觀賦權(quán)法、主觀賦權(quán)法和主客觀綜合賦權(quán)法是確定指標(biāo)權(quán)重的主要方法。主觀賦權(quán)法能夠有效地結(jié)合專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，得出的指標(biāo)權(quán)重會(huì)更加符合客觀實(shí)際，因而在確定指標(biāo)權(quán)重方面得到了廣泛的應(yīng)用。食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系復(fù)雜，并且評價(jià)指標(biāo)多是難以量化的定性指標(biāo)，不宜采用客觀賦權(quán)法，而采用主觀賦權(quán)法獲取的指標(biāo)權(quán)重更加符合安全評價(jià)實(shí)踐。本文擬采用區(qū)間層次分析法計(jì)算食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)的區(qū)間數(shù)權(quán)重。

2.1 區(qū)間數(shù)和IAHP的基本原理

為了克服層次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重過程中存在的不足，在AHP的基礎(chǔ)上逐步研究發(fā)展產(chǎn)生了區(qū)間層次分析法(Interval-based AHP，IAHP)。與AHP法相比，IAHP用區(qū)間數(shù)代替點(diǎn)值來構(gòu)造區(qū)間數(shù)判斷矩陣，有效地計(jì)算多目標(biāo)決策中的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)都以區(qū)間數(shù)的形式表達(dá)。

Step 1：利用特征向量法分別求AL、AU的最大特征值所對應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量xL和xU。

(1)

(2)

2.2 確定評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重

表1 一級評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣Table 1 Interval number judgment matrix of primary evaluation index

表2 二級評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重Table 2 Interval weights for secondary evaluation indicators

3 基于IAHP和隸屬度的灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型

前面構(gòu)建了食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)的指標(biāo)體系，設(shè)定了方案優(yōu)劣評價(jià)等級，確定了一級和二級評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重，下面根據(jù)區(qū)間數(shù)和IAHP的基本原理以及隸屬度理論，構(gòu)建基于IAHP和隸屬度的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型，具體的步驟：

Step 1：廣泛征求食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)專家的意見建議，構(gòu)建食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系。

Step 2：按照IAHP基本原理構(gòu)建區(qū)間數(shù)判斷矩陣，然后計(jì)算設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重。

Step 3：邀請專家給出食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案二級評價(jià)指標(biāo)相對于方案優(yōu)劣評價(jià)等級的隸屬度。

4 方案評價(jià)實(shí)例

為了驗(yàn)證本研究所構(gòu)建的設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型的合理性、有效性，現(xiàn)以一款多用途辣椒料自動(dòng)灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行評價(jià)分析。為了提升油辣椒產(chǎn)業(yè)加工自動(dòng)化水平，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，貴州省某大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在對灌裝設(shè)備需求進(jìn)行市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了2種灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)方案，方案A：物料的攪拌采用螺旋攪拌器，送料、吸料功能通過氣壓式驅(qū)動(dòng)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，定量灌裝以定量杯完成；方案B：活塞動(dòng)作依靠液壓傳動(dòng)完成，采用框式結(jié)構(gòu)的攪拌器，定量灌裝以控制容器的液位來實(shí)現(xiàn)。邀請10位專家對方案A的15個(gè)二級指標(biāo)進(jìn)行定性評價(jià)，對各個(gè)二級指標(biāo)優(yōu)劣等級給出了隸屬度，如表3所示。按照食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型的步驟4，將優(yōu)劣等級隸屬度轉(zhuǎn)換為規(guī)范化的區(qū)間數(shù)評價(jià)值，如表4所示，其中Iij表示第i個(gè)一級指標(biāo)下的第j個(gè)二級指標(biāo)。

根據(jù)食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型中給出的指標(biāo)聚合方法，采用MATLAB 6.5軟件編寫簡易計(jì)算程序，經(jīng)運(yùn)算可以得到功能屬性、安全屬性、經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性4個(gè)一級評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值分別為(0.66，0.98]，(0.58，0.92]，(0.64，0.94]，(0.59，0.88]，將4個(gè)一級指標(biāo)繼續(xù)向上聚合，便可得到設(shè)計(jì)方案A的區(qū)間數(shù)評價(jià)值為(0.61，0.97]。為了便于分析，取設(shè)計(jì)方案A區(qū)間數(shù)評價(jià)值的中間值0.79，與優(yōu)劣等級對比可知，設(shè)計(jì)方案A的評價(jià)結(jié)果為“較好”，即優(yōu)劣等級為2級，但處于2級的上限接近于1級。同理可算得，4個(gè)一級評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值中間值分別為0.820，0.750，0.790，0.735，相對應(yīng)的優(yōu)劣評價(jià)等級分別為“好”“較好”“較好”“較好”。相比較而言，方案A的功能屬性要好一些。采用同樣的方法對設(shè)計(jì)方案B進(jìn)行評價(jià)，可得方案B的評價(jià)值為(0.54，0.82]，中間值為0.68，雖然也為“較好”，但不如方案A。此評價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]得出的定性評價(jià)結(jié)論相一致，文獻(xiàn)[10]的評價(jià)方法僅得出了設(shè)計(jì)方案的總體優(yōu)劣等級，未能給出一級評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣程度，從而驗(yàn)證了本文所提出的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型是合理有效的。

表3 二級評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣等級隸屬度Table 3 The degree of membership of the second-level evaluation index

表4 二級評價(jià)指標(biāo)的規(guī)范化區(qū)間數(shù)評價(jià)值Table 4 Normalized interval number evaluation value of secondary evaluation index

5 結(jié)論

食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)是衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的重要手段。針對食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)具有的區(qū)間性、不確定性這一特點(diǎn)，將區(qū)間數(shù)理論和區(qū)間層次分析法相結(jié)合計(jì)算出了食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重，克服了其它方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的不足。構(gòu)建了基于區(qū)間層次分析法和隸屬度的食品灌裝機(jī)設(shè)計(jì)方案評價(jià)模型，提出采用區(qū)間數(shù)優(yōu)劣等級和隸屬度相融合的方法對定性評價(jià)值進(jìn)行區(qū)間量化處理的方法。實(shí)例評價(jià)結(jié)果表明，本研究所用評價(jià)方案有效可行。本研究不足之處在于評價(jià)實(shí)例中用區(qū)間數(shù)評價(jià)值的中間值對比方案優(yōu)劣，雖然結(jié)論正確，但沒有體現(xiàn)出區(qū)間數(shù)的特殊性，在今后的研究中將采用區(qū)間數(shù)的排序算法來衡量各方案的優(yōu)劣。