基于多目标变梯度技术的产品成熟度分析
2017-06-07常笑霓苏国营
常笑霓++苏国营
基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（SS2012AA040104）
摘 要：为了获得近场超声自悬浮导轨技术成熟度评价体系，以独自研发的近场超声自悬浮导轨为研究对象，基于云模型的多目标变梯度评价方法，构建近场超声自悬浮导轨技术成熟度评价体系框架，计算了功能、设计、工艺等准则的量化值并对准则层的权重进行了确定，并用比较矩阵进行了一致性检验。采用多元线性模型计算近场超声自悬浮导轨技术成熟度，结论表明该近场超声自悬浮导轨技术达到了可以进行利用和推广的发展成熟期。
关键词：技术成熟度；多目标变梯度；近场超声自悬浮；多元线性模型；云模型
一、引言
在产品发展过程中，概念设计是产品特性设计的基础。无论设计的产品多么智能，配套设施多么完善，也难免存在着一些瑕疵，这样以来，概念设计理念就显得尤为重要。应用多目标变梯度技术对近场超声自悬浮导轨成熟度进行对产品完善和设计优化有着重要的指导意义。技术成熟度（TRL），也称做“技术完备等级”、“技术就绪水平”，它是一种标准化尺度，是用来衡量技术对装备产品使用期望目标值的满足程度。早在上世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）就已提出了技术成熟度的概念。之后受美国国防部的委托，美国卡内基·梅隆（Carnegie Mellon）大学软件工程研究所最先在行业从软件过程能力的角度提出了软件过程成熟度模型。通过分析了美国26个装备项目的实际统计数据发现，使用技术成熟的项目，从最初研究到发展以及后期的试验与评估费用平均只增长了2.6%，项目进度推迟不超过1个月；而未采用成熟技术的项目，费用平均增加高达32.3%，进度推迟达20个月，严重增加了项目整体成本，不利于产品的继续推进。
Kerzner早在2001年就提出了项目管理成熟度模型（Project Management Maturity Model，PMMM），他们用项目管理成熟度模型来研究和规划项目型社会项目活动以来达成项目目标，之后在许多国家推广实施的一种软件评估标准，用于评价软件承包能力并帮助其提升软件质量的方法，其主要用于软件开发过程以及软件开发能力的评价和改进，更侧重于开发软件过程的管理及工程能力的提高与评估。现已成为软件业最权威的评估认证体系。项目管理成熟度模型经过多年的蓬勃发展，统计表明，迄今为止出现的项目管理成熟度模型已超过40种，其中最具典型的的有如下几种：项目管理成熟度模型K-P3M（Kerzner-Project Management Maturity Model），该模型是由著名项目管理专家Harold Kerzner博士提出的；PMS-PM3（Project Management Solutions-Project Management Maturity Model），该模型是由美国著名项目管理解决方案公司（Project Management Solutions，Inc.）提出的；伯克利项目管理过程成熟度模型（Berkeley Project Management Process Maturity Model），简称（PM）2模型，该模型是由美国加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）的Young Hoon Kwak博士和C.William tbbs博士共同开发的；OPM3（Organizational Project Management Maturity Model），该模型由美国项目管理协会PMI（Project Management Institute）开发的。如何将成熟度理论和创新方法应用于具体装备产品中，是现代管理学发展的重要课题。如何将成熟度理论和创新方法应用于具体装备产品中，是现代管理学发展的重要课题。
随着半导体技术和超声波技术应用越来越广泛，科研人员逐渐开始重視超声近场悬浮理论现象的研究。Salbu描述了一个平面对象的悬浮系统；与此同时伊利诺伊大学Whymark教授在这方面也做了许多研究。耶鲁大学的Chu和Apfelt两人以圆柱形活塞纵向振动产生的声场为研究对象，计算了理想气体中超声波作用在刚性表面上发生全反射而产生的瑞利辐射压力的计算公式。Romdhance提出了一种使用超声波热学效应进行声场测量的方案。超声波近场悬浮为是指使用具有高功率密度的超声波作用于固态物体，使物体悬浮在超声辐射器辐射表面上方附近的一种悬浮现象。相比于其他悬浮类型，超声近场悬浮具有较强的抗电磁和抗静电干扰的能力，同时更为适合精华与超净化作业要求。本文选取独自研发的近场超声自悬浮导轨，基于云模型的多目标变梯度评价方法，构建近场超声自悬浮导轨，技术成熟度评价体系框架，计算了功能、设计、工艺等准则的量化值并对准则层的权重进行了确定，并用比较矩阵进行了一致性检验，最后对应用该技术的实例进行了技术成熟度评价方法的验证研究，其应用的多目标性。
二、技术成熟度等级划分
技术成熟度等级是将装备系统研制中所使用的关键技术从发现并掌握原理到该技术在系统中的成功应用划分为不同的等级，它可以清晰描述武器系统的开发状态和技术风险，从而对研制项目的科学管理和决策起到重要的参考作用。目前，美国、英国等国家在国防采办中特别强调对技术成熟度的评估。目前，我国技术成熟度普遍采用了9级标准，其中，1级最低，9级最高，逐级递进。具体的等级划分如表1所示：
由表1可以看出，等级1～3为前期的基础预言阶段；等级4为论证阶段；等级5～6为方案验证阶段；7～8为工程应用阶段；当达到9级时，标志着关键技术在实际装备系统中得到成功应用，可进入产品定型和生产阶段，甚至将关键技术推广到其他装备领域中。
在装备项目研究过程中，影响技术成熟度等级的因素有很多，在前期调研阶段中，产品的设计要求以及设计方案；在论证阶段中，制造水平及原材料的储备情况；工程应用阶段中经济成本直接影响着后期批量生产及推广应用；还有参研人员的技术水平对技术成熟度的等级评价的影响也至关重要。因此，技术成熟度的评价是一个多因素综合的评价体系。
三、近场超声自悬浮导轨技术成熟度评价体系框架
依据层次分析法的结构分层思想和WBS的要素分解思想，可以把近场超声自悬浮导轨的技术成熟度评价体系框架依次分成目标层、准则层和关键技术要素层三层。关键技术要素层之后可以根据实际情况继续向下细分一至两层作为评价要素层。第一层为目标层，即近场超声自悬浮导轨的技术成熟度，其技术成熟度评价是一项结构复杂的系统工程；第二层为准则层，包括功能准则、设计准则、工艺准则、材料准则和环境适应性准则，电装准则，长期可靠性准则。准则层从属于目标层，其中，A、B、C、D、E、F、G分别代表功能、设计、工艺、材料和环境适应性，电装，长期可靠性7个准则；第三层为关键技术要素层：关键技术要素层从属于准则层，由准则层的7个准则进一步划分得到。第四层为评价要素层：评价要素层从属于关键技术要素层，由某些关键技术要素进一步细分得到，这一层的存在主要是为了使得技术要素的量化更加清晰、具体且有效。评价要素层的每一评价要素，往往会随着待评价元器件不同而不同。
五、近场超声自悬浮导轨准则层权重确定
1.确定准则层比较尺度
将该近场超声自悬浮导轨技术成熟度评价准则层中的六个准则，按照对目标层的影响程度进行两两比较，A1～A6分别对应功能、设计、工艺、材料、环境适应性、长期可靠性等六个维度。比较结果分九个等级，其中五个明确的表述等级：Ai与Aj相比影响相同；Ai与Aj相比影响稍强；Ai与Aj相比影响强；Ai与Aj相比影响明显强；Ai与Aj相比影响极端强；另外四个等级为介于上述两个相邻等级之间。比较结果如下表2所示：
2.确定准则层成对比较矩阵
构建比较矩阵：以aij表示第i个要素与第j个要素相比影响的强弱程度，将各维度之间影响比较结果的对应关系量化如表3所示，并由此构建成对比较矩阵：
其中，i=1，2，3，4，5，6，7；j=1，2，3，4，5，6，7；i=j时，aij=1；aij×aji=1；
结合准则层比较尺度表和量化原则，可以得到准则层的成对比较矩阵A的值，如下所示：
3.采用算术平均法求取准则层权重向量
令
可得
式中：aij表示第i个要素与第j个要素相比影响的强弱程度；j=1，2，3，4，5，6，7；k=1，2，3，4，5，6，7；
因此，准则层权重向量：
=（0.1026，0.2197，0.1280，0.2497，0.0737，0.1781，0.0483）
4.比较矩阵一致性检验
如果要确定计算出来的权重向量真正可用，必须对其对应的比较矩阵A进行一致性检验。通过MATLAB计算成对比较矩阵A的最大特征值λmax，可得：λmax=7.5767；
由于矩阵A的对角线之和为7，因此n=7，查表可知，RI=1.32
因此计算可得：
CR<0.1，表明成对矩阵A通过了一致性检验。
因此：
可以作为技术成熟度评价体系准则层的权重向量。
六、多元线性模型计算近场超声自悬浮导轨技术成熟度
食品生产线载用的近场超声自悬浮导轨，输出功率为10W，采用单端式晶体管连接方式，输出电压精度<1%，采用单路输出调制，输入电压100V，输出电压1V。
通过对近场超声自悬浮导轨准则层的量化研究，可以得到功能、设计、工艺、材料、环境适应性和长期可靠性等六个准则的量化打分情况，也就是六个准则的技术成熟度量值，如表4所示：
各准则对最终产品技术成熟度的影响因子，可以依据专家评审原则，通过构建各个准则之间的比较尺度表，从而得到准则层的成对比较矩阵。基于成对比较矩阵，由算术平均法公式：
求得准则层的权重向量：
=（0.1026，0.2197，0.2497，0.0737，0.1781，0.0483）
该权重向量通过了一致性验证，可以作为准则层的权重向量。
由多元线性模型，代入准则层权重向量和准则层量化结果，可得近场超声自悬浮导轨技术成熟度的绝对量值：U=2.4639
技术成熟度T：
在TRL应用于装备型号中时，一般技术达到TRL7才可以转入工程研制阶段，在生命周期的模型中，同样是技术发展达到0.7时，技术进入发展的成熟期可以进行应用和推广。因此，该近场超声自悬浮导轨进入了可以进行利用和推广的发展成熟期。
七、结论
基于云模型的标变梯度评价方法，以近场超声自悬浮导轨为研究对象，构建近场超声自悬浮导轨技术成熟度评价体系框架；其次计算了功能、设计、工艺等准则的量化值，并对准则层的权重进行了确定，利用比较矩阵进行了一致性检验；最后，用多元线性模型计算近场超声自悬浮导轨技术成熟度，产品的技术成熟度揭示了产品研究和发展的方向，证明了该近场超声自悬浮导轨进入了可以进行利用和推广的发展成熟期。
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作者简介：常笑霓（1979- ），女，汉族，山东省青岛市，助理研究员，博士研究生，研究方向：管理科学与工程
