电子设备多学科优化方案综合评价系统概述

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

根据设计需求和约束条件进行的电子设备多学科多目标综合优化设计，往往会获得由多个方案组成的非劣解集。目前还没有一种有效的技术途径来帮助设计者针对不同的偏好和具体设计要求，完成对多个优化方案进行科学的评价、排序、选择，进而开展进一步详细设计。

本文通过对比各种定性、定量和定性定量评价方法[1]的优劣，根据电子设备多目标优化方案的综合评价需求，确定了以层次分析法、模糊综合评价法和模糊层次评价法组成的评价体系结构，将上述评价系统集成于电子设备多学科设计优化平台中，为设计决策者提供科学方法和技术手段，完成优化方案评价、比较和优选，提高电子设备的总体优化设计能力。

2 电子设备多学科优化方案评价系统的功能

建立电子设备设计方案综合评价系统的目的就是对电子设备设计优化的结果进行评价，揭示电子设备研制任务的提出方(价值主体)与待评价设计方案(价值客体)之间的价值关系，考虑待评设计方案是否符合需求以及需求满足程度，进而实现对多种方案的比较、排序和优选。该系统主要应具备以下功能：

(1)能够根据设计优化平台需求从数据库获取参评方案；

(2)能够根据评价者需求，灵活提供多种评价手段：一方面保证评价人员能够根据具体的评价任务和特点选择最合适的评价方法，另一方面还保证评价人员能够针对同一个评价任务采用多种不同方法进行评价，对评价结果进行比较分析，从而获取更全面、合理的评价结果；

(3)能够灵活支持定性、定量指标的处理，包括指标的选择、指标系统的建立、各个方案的单项指标评价等；

(4)具有良好的人机交互界面，便于用户使用和结果显示；

(5)具有良好的可扩展性，便于集成更多的评价方法，实现综合评价系统不断完善。

3 国内外多学科优化方案评价的方法及选用

综合评价是指对多属性体系结构描述的对象作出全局性、整体性的评价。由于评价过程涉及的因素繁多，而且这些因素一般都具有不同属性并相互冲突，可能既有定量信息又有定性信息，既有精确信息又有模糊信息，针对不同评价目标和不同偏好，要获得客观、公正、准确可信的评价结果并非易事。目前发展与应用的评价方法已经在航天装备体系[1]、机械产品设计质量[2]、空运方案决策[3]、电子行业[4-5]等工业部门得到了广泛应用，主要有：

(1)定性评价方法，如专家评议法、Delphi法、加权评分法等；

(2)定量评价方法，如数学分析法、主成分分析法、多目标线形加权和评价法等；

(3)定性定量综合评价方法，如模糊综合评价法(AHP)、层次分析法(FCE)、模糊层次评价法、灰色系统评价法、人工神经网络评价法等。

电子设备方案的评价属复杂系统评价问题，存在多个评价目标，具有明显的层次性评价指标体系，部分评价指标只能进行定性分析，具有定性和定量评价指标混合的特点。

AHP法是一种定性和定量分析相结合的方法，能够把某些以人的主观判断为主的定性分析指标进行量化，用有效数值来描述各个方案的优劣，排出优先顺序供决策参考。

FCE法在解决难以直接进行比较、无法保证比较结果客观性和准确性，进而影响判断结果的两方案评价问题时比较有用。由于对部分定性指标只能用很好、好、较好、一般或较差等模糊信息表达的定性概念进行划分，无法用准确的分数进行度量。由于专家认识上的差异性也可能导致对同一设计方案，有专家认为可行，有专家认为不甚可行；有专家认为其竞争力强，有专家认为其竞争力弱。因此，对该类问题评价，只有采用模糊综合评判方法才能很好地加以解决。但由于影响因素权重的确定存在主观性和不准确性，模糊综合评判方法也存在一定的局限性。为充分发挥各个方法的长处，将层次分析法和模糊综合评价法相结合形成模糊层次评价法。

基于以上分析，确定了以层次分析法、模糊综合评价法和模糊层次评价法作为电子设备设计优化方案的可选评价方法，以该3种方法为核心，开发电子设备多学科优化方案综合评价系统具有实际意义和现实可行性。

4 评价方法数学模型

4.1 电子设备多学科优化方案评价指标体系

进行电子设备设计方案的评价，首先建立一个能够体现任务提出方需求和待评价方案属性相关联的评价指标体系。以对某电子设备多学科设计优化方案评价为例，优化设计指标包括热、振动和电磁3个学科指标。优化设计问题如下：

(1)热设计目标：关键功率元器件工作温度尽量低；

(2)振动设计目标：产品关键部位一阶固有频率最大化；

(3)电磁设计目标函数：屏蔽效能尽量高。

基于以上设计优化问题，初步确定评价的内容为各个学科的优化目标，即温度、固有频率和屏蔽效能。建立指标体系结构如图1所示。

图1 指标体系结构图Fig.1 The system architecture of target

评价内容的确定和指标体系的选取应能充分体现对这3个学科参数及总体性能的综合评价，通过提炼评价指标、指标层次化和系统化，建立总体方案和各分系统全面、合理的评价指标体系。

4.2 AHP法的基本步骤

(1)采用评价指标体系结构建立层次分析结构模型；

(2)构造判断矩阵实现对设计师的思维判断定量化；

(3)层次单排序及一致性检验，确定各因素对于上一层次因素的相对重要性或相对优劣度的权值；

(4)层次总排序及其一致性检验，确定各层次因素相对于最高层的层次总排序权值。

通过上述4个步骤，最终完成多个方案在顶层评价目标下的优劣排序。

4.3 模糊综合评价法的基本步骤

(1)按评价体系写出评价因素的因素集及评价尺度集；

(2)根据专家经验，确定各层评价因素相对其上层某个评价因素UP的权重；

(3)建立隶属度矩阵。

4.4 模糊层次评价法

模糊层次评价法的计算步骤与模糊综合评价法步骤相同，只是在确定各评价因素权重的过程中，权重通过AHP方法计算，即通过构造判断矩阵计算各层评价因素的层次单排序和层次总排序。

5 电子设备多学科优化方案评价系统及流程

5.1 系统组成

如图2所示，根据功能要求，系统组成主要分为评价模型建立模块、评价方法计算模块、用户GUI模块和数据库交互模块四大模块。其中，评价模型建立模块具体包括评价方法选择模块、参评方案选择模块、指标体系建立模块和专家评分模块，评价方法计算模块包括AHP法计算模块、模糊综合评价法计算模块和模糊层次评价法计算模块。

图2 多学科优化方案评价系统组成Fig.2 The composition of scheme evaluation system for MDO

5.2 评价流程

综合评价流程如图3所示。

图3 方案评价流程图Fig.3 The flowchart of scheme evaluation

指标评价值初始化十分关键，包括了定性和定量两类指标，定量指标的值可以从待评价方案中得到，定性指标则难以直接给出具体量值，例如设计方案的技术基础、设计生产经验和工艺水平等，只能通过专家打分等方式间接获取。

图4 评价指标初始化流程Fig.4 The initial flowchart of the evaluation initial index

在电子设备多学科优化方案的综合评价指标体系中，综合了多种评价指标处理方法，并集成于评价工具包中，满足使用人员的各种要求。指标初始化的具体流程如图4所示，利用该系统可以进行电子设备多学科优化方案的评价。图5所示为参评方案选择(方案1、方案2、方案3)及评价指标选择(固有频率、最高温度和屏蔽效能)。参与评价方案的指标如表1所示，其指标值通过仿真分析计算求得。

图5 选择评价方案及评价指标Fig.5 The interface to select evaluationscheme and evaluation indexes

方案名元器件最高温度/℃固有频率/Hz屏蔽效能/dB方案168.178790.1659.313方案269.542782.1360.568方案366.132795.0258.741

通过系统评价方法的选择(如图6)，对各指标进行方案的评价(图7)，实现电子设备多学科优化方案评价系统的评价(如图8)，表明方案3具有较高的综合指标。

图6 选择评价方法Fig.6 The interface to select the evaluation method

图7 方案评价Fig.7 The interface to evaluation scheme

图8 评价结果Fig.8 The evaluated result

6 结 论

进行多学科多目标优化是根据电子设备多学科优化设计的复杂性及学科特点提出的一种需求，是有效提高电子设备设计水平的途径之一。在总结国内外评价方法研究成果的基础上，对电子设备多学科优化方案综合评价系统的系统功能、流程定义、评价方法选择、数学模型建立等进行研究，并将该研究成果集成在电子设备多学科综合优化设计平台之中，能有效实现性能优化和方案评价等功能，对提高设计者决策能力、完成电子设备设计优化方案科学评价工作均具有工程应用价值。但由于电子设备多学科综合优化技术的研究仍处于初期阶段，系统中有关的方案评价依据、评价规则数据库还有待充实完善。

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