基于层次分析法的电子设备结构方案评价研究

邢焰

摘 要：為了更好地评价电子设备结构设计过程中方案的优劣，文章以某一电子设备需求目标为例，提出了一种电子设备结构方案评价方法的框架，采用层次分析法（AHP）建立一个多层次的结构模型及方案比选指标体系，综合多方面因素对备选方案进行定量评价。

关键词：层次分析法；层次结构；判断矩阵；电子设备

电子设备结构设计是一项复杂的综合多学科的系统工程，范围涉及力学、机械学、材料学、热学、化学、人机工程学、电子学、环境科学、美学等多门学科，包含着相当广泛的技术内容，是多门基础学科的综合应用。随着时代的发展和科学技术的进步，结构设计面临着越来越多的要求和挑战，如何得到综合因素影响下的优化方案，是追求的目标。这里提出运用层次分析法（AHP）对结构设计方案进行评价，寻求将定性问题量化，从而得到更为直观全面的评价结果。

1 方法基本思路

AHP（The Analytic Hierarchy Process），即层次分析法，是一种系统分析方法。它充分体现定性与定量相结合，把复杂问题分解为若干有序层次，并根据对一定客观事实的判断，就每一层次的相对重要性给予定量表示，利用数学方法确定出表达每一层次的全部元素相对重要性次序的数值，并通过各层次的分析导出对整个问题的分析[2]。

用层次分析法作系统分析， 首先要把问题层次化。根据问题的性质及需要达到的总目标， 将问题分解成不同的组成因素， 并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合， 形成一个多层次的分析结构模型。并最终把系统分析归结为最低层（供选择的方案）， 相对于最高层（总目标）的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题[1]。

本应用的AHP模型由上至下共分四层次：目标层（A）、准则层（B）、基础指标层（C）和方案层（D）。

基本思路是：首先根据具体的用户需求目标，提炼结构方案需要考虑的指标因素，进行两两比较评价，得到判断矩阵A-B、B-C、C-D，并计算出它们的权重，然后根据得出的权重，对结构方案进行打分量化，实现对多个方案量化评价和比较，最终得到满意的结果。

2 目标分析

某电子设备的用户需求目标如表1所示。

表1明确了电子设备的基本尺寸和组成，并对环境适应性提出了具体要求。明确的用户要求与潜在的研制需要，构成了目标层。而满足目标或需要优化的指标、因素就构成了准则层。

3 层次结构

通过对目标层的分析，提取出包括结构形式、可靠性、工艺性、人机工程以及经济性等五个主要因素构成准则层，并且针对准则层的每一个特征进一步细化分解，尽量涵盖影响设计目标的主要因素，并且避免交叉和概念歧义。形成的层次结构见图1。

4 评价过程和步骤

依照层次分析法，评价过程分为：建立判断矩阵、计算关键特征的权重、检验一致性、层次排序等几个步骤。

4.1 建立判断矩阵

首先，组织包括设备总师、结构师、工艺师等相关人员， 依据表2的比例标度，对准则层各因素在目标层中的重要性以及指标层各因素在其对应准则层的因素中的重要程度进行两两比较打分，从而构建判断矩阵。

在层次分析法中，定量化是通过Saaty提出的1-9 比例标度法实现的[3]，取1-9 之间的整数以及它们的倒数作为衡量bj对bk的相对重要程度的数值，用这些标度来量化自然语言，各个数值标度的含义如表2 所示。

建立准则层相对于目标层的判断矩阵，见表3；建立指标层相对于准则层的判断矩阵，见表4。

4.4 层次排序

经过以上的评价计算过程，并对层次结构进行总排序，可以得到方案评价体系。见表6。

对层次分析法获得的数据信息进行评价和研究，可获得以下成果：

（1）通过对权重排序，可找出结构方案中较为重要的设计因素，主要包括：外形要素、散热性能、PCB安装方式、加工工艺性、电磁兼容性等；

（2）针对分析出的重要设计因素，着重进行方案设计和计算机仿真分析，可提高方案的整体水平；

（3）针对备选方案的各指标进行评价和打分，分别与权重值相乘并相加获得综合得分，通过各方案的分数比较，可直观地得到较优方案。

5 结束语

在多因素多方面影响的方案筛选中，层次分析法有着较为清晰的方法脉络，可将复杂问题量化，将意见和建议用数字来表达。特别是对电子设备结构这类涉及学科较广、需要大量经验积累的工程实践活动，可应用层次分析法，采用头脑风暴法广纳众人之力，收集相关信息和资料，完善目标相关因素，建立准确的数学模型，并利用科学的计算方法，可获得较佳的决策。

参考文献

[1]赵焕臣，许树柏，和金生，等.层次分析法[M].北京：科学出版社，1986.

[2]刘新宪，朱道立.选择与判断-AHP（层次分析法）决策[M].上海：上海科学普及出版社，1990.