CN106529799A - 一种机床可持续设计指数评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床可持续设计指数评价方法，主要包括以下步骤：(1)、建立机床持续设计指数模型指标体系；(2)、输入机床原始设计数据，判断参考数据是否修正；(3)、计算各项指标数值并进行指标数值标准化；(4)、计算指标熵权值；(5)、根据层次分析法权值输入计算修正系数，进行指标权重修正；(6)、采用加法合成法计算得到可持续设计指数。本发明能够针对各机床设计方案进行可持续性能的定量评价，以此选出最优设计方案。

Description

一种机床可持续设计指数评价方法

技术领域

本发明涉及机床设计领域，尤其涉及一种机床可持续设计指数评价方法。

背景技术

制造业是社会经济发展的支柱产业和技术进步的重要推动力，但也造成了大量的资源消耗和污染物排放。随着可持续发展理念在全世界范围内得到认同，西方国家制定了越来越严格的技术性贸易法规，对机床的可持续性能提出了更高的要求。机床可持续性能的强弱主要由机床的设计阶段所决定，针对各设计方案进行可持续性能定量评价并选出最优方案就显得尤为重要。

发明内容

为了能够系统地评价机床可持续性能的强弱，提供一种可持续性能的定量评价方法，本发明提供以下技术方案：

一种机床可持续设计指数评价方法，包括以下步骤：

(1)、建立机床持续设计指数模型指标体系；所述体系包含五层，依次为目标层、一级指标、二级指标、三级指标及方案层；所述目标层表示可持续性能；所述方案层是指由三级指标所构成的不同机床设计方案；

所述一级指标为4个，分别为环境、经济、社会、技术；

所述二级指标为8个，分别为能耗、污染、成本、模块化、轻量化、人机工程、精度、加工能力，所述能耗、污染对应一级指标中的环境，所述成本、模块化、轻量化对应一级指标中的经济，所述人机工程对应一级指标中的社会，所述精度、加工能力对应一级指标中的技术；

所述三级指标为21个，分别为制造能耗、运行能耗、后处理能耗、制造污染、运行污染、后处理污染、制造成本、运行成本、残余价值、模块的内聚性、模块间耦合性、床身轻量化、立柱轻量化、安全性、工作环境、形位精度、运动轴精度、主轴精度、加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率；所述制造能耗、运行能耗、后处理能耗对应二级指标中的能耗，所述制造污染、运行污染、后处理污染对应二级指标中的污染，所述制造成本、运行成本、残余价值对应二级指标中的成本，所述模块的内聚性、模块间耦合性对应二级指标中的模块化，所述床身轻量化、立柱轻量化对应二级指标中的轻量化，所述安全性、工作环境对应二级指标中的人机工程，所述形位精度、运动轴精度、主轴精度对应二级指标中的精度，所述加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率对应二级指标中的加工能力；

本发明的一级指标针对机床产品的可持续性，从环境、经济、社会和技术四个方面明确机床可持续性能的内涵与组成，并细分为二级指标和三级指标，基本涵盖了机床的各项性能指标，能够较为完善的描述机床设计方案的可持续性能；各指标性能越好则机床的可持续性能越好。同时，根据机床种类和要求的不同，指标体系中的二三级指标可以根据实际情况做出相适应的调整。

(2)、输入机床原始设计数据，判断参考数据是否已修正；若已修正，使用修正后的参考数据；若未修正，使用程序自带的参考数据；

(3)、计算各项指标数值并进行指标数值标准化；定义对机床设计方案的可持续性能产生正面影响的指标为正面指标、对机床设计方案的可持续性能产生负面影响的指标为负面指标；

所述正面指标的标准值计算公式为：

式中——第i个方案的第j个正面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个正面指标的标准值；

n_ds——设计方案的数量；

n_p——正面指标的数量；

所述负面指标的标准值计算公式为：

式中——第i个方案的第j个负面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个负面指标的标准值；

n_n——负面指标的数量；

本发明采用直线型方法对可持续设计指数模型指标体系中的各指标原始设计数据进行标准化处理，去除原始设计数据的量纲。标准化处理后，正面和负面指标的数值将全部失去自身单位，成为一个0到1之间的正面标准值，数值的大小代表了该原始数值在同量纲总值中的对机床可持续性能产生正面影响程度的比例。

(4)、根据熵权系数法计算指标熵权值；

(5)、根据层次分析法权值输入计算修正系数，进行指标权重修正；

(6)、采用加法合成法计算得到可持续设计指数，表示为：

式中SDI_i——第i个方案的可持续设计指数数值；

W_ij——第i个方案的第j个指标的权重值；

SVI_ij——第i个方案的第j个指标的标准值。

进一步的，步骤(4)包括以下步骤：

第一步：根据信息熵理论，计算指标j熵值：

式中E_j——第j个指标的熵值；

第二步：根据熵权系数法，计算得到指标j熵权值：

式中EW_j——第j个指标的熵权值。

进一步的，步骤(5)包括以下步骤：

第一步：权重值排序，将步骤(4)中计算得到的指标熵权值与层次分析法计算得到的权重值分别按大小排序，得出每个指标的权重排序值；

第二步：计算排序相差值，得到两组指标权重的排序值后，排序相差值可以表示为：

RA_j＝RE_j-RC_j,(j＝1,2,3,…,n)；

式中RA_j——第j个指标的排序相差值；

RE_j——第j个指标的熵权值排序值；

RC_j——第j个指标的层次分析法排序值；

第三步：计算斯皮尔曼等级相关系数，根据指标的数量以及指标间成对的等级数据，斯皮尔曼等级相关系数的计算公式为：

式中ρ——两种权重方法得出的权重数值间的斯皮尔曼等级相关系数；

第四步：权重值修正，一般认为0.8≤ρ≤1时，两者间成显著相关，此时两种方法得出的权重排序关系很接近，需要修正的空间小；0.5≤ρ＜0.8时，两者间较为相关，此时两种方法得出的权重排序关系有一定相关性，需要适度修正；0≤ρ＜0.5时，两者间相关性弱，此时两种方法得出的权重排序关系差异较大，需要做大幅修正，至此修正值小于1，权重值的大小主要由熵权法决定；当-1≤ρ＜0时，两者负相关，此时修正系数大于1，权重值的大小主要由层次分析法决定。本发明将(1-ρ)作为修正系数，基于层次分析法的权重修正可以表示为：

式中W_j——第j个指标修正后的权重值；

CW_j——第j个指标的层次分析法得出的权重值。

权重的确定方法分主观和客观两种。主观赋权法主要基于赋权者的主观判断来得出权重值，由于受到评价者专业水平和思维方式的限制以及操作技术的稳定性等影响，很难确保所得权重值的准确性和合理性。客观赋权方法是主要基于各指标原始数据之间的关系和差异程度来得出权重值，根据各指标包含的信息量的多少来决定相应指标的权重系数，在赋权过程中不受人为因素干预，所得权重值较为客观。同时也存在着对数据变化过于敏感，无法识别数据差异的因果关系等缺陷，得出的权重值可能会与实际情况有差异。

本发明针对机床的实际情况，根据主观赋权法和客观赋权法的特点，基于熵权系数法确定机床可持续设计指标体系中各指标的权重，同时因为熵权系数法无法反映设计和决策人员的主观意愿，所以加入层次分析法对权重加以修正。

附图说明

图1、本发明的可持续设计指数模型指标体系的框图。

图2、本发明的评价方法的流程图。

具体实施方式

一种机床可持续设计指数评价方法，包括以下步骤：

(1)、建立机床持续设计指数模型指标体系；如图1所示，所述体系包含五层，依次为目标层、一级指标、二级指标、三级指标及方案层；所述目标层表示可持续性能；所述方案层是指由三级指标所构成的不同机床设计方案；

所述一级指标为4个，分别为环境、经济、社会、技术；

所述二级指标为8个，分别为能耗、污染、成本、模块化、轻量化、人机工程、精度、加工能力，所述能耗、污染对应一级指标中的环境，所述成本、模块化、轻量化对应一级指标中的经济，所述人机工程对应一级指标中的社会，所述精度、加工能力对应一级指标中的技术；

所述三级指标为21个，分别为制造能耗、运行能耗、后处理能耗、制造污染、运行污染、后处理污染、制造成本、运行成本、残余价值、模块的内聚性、模块间耦合性、床身轻量化、立柱轻量化、安全性、工作环境、形位精度、运动轴精度、主轴精度、加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率；所述制造能耗、运行能耗、后处理能耗对应二级指标中的能耗，所述制造污染、运行污染、后处理污染对应二级指标中的污染，所述制造成本、运行成本、残余价值对应二级指标中的成本，所述模块的内聚性、模块间耦合性对应二级指标中的模块化，所述床身轻量化、立柱轻量化对应二级指标中的轻量化，所述安全性、工作环境对应二级指标中的人机工程，所述形位精度、运动轴精度、主轴精度对应二级指标中的精度，所述加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率对应二级指标中的加工能力；

(2)、输入机床原始设计数据，判断参考数据是否已修正；若已修正，使用修正后的参考数据；若未修正，使用程序自带的参考数据；

(3)、计算各项指标数值并进行指标数值标准化；定义对机床设计方案的可持续性能产生正面影响的指标为正面指标、对机床设计方案的可持续性能产生负面影响的指标为负面指标；

所述正面指标的标准值计算公式为：

式中——第i个方案的第j个正面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个正面指标的标准值；

n_ds——设计方案的数量；

n_p——正面指标的数量；

所述负面指标的标准值计算公式为：

式中——第i个方案的第j个负面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个负面指标的标准值；

n_n——负面指标的数量；

(4)、根据熵权系数法计算指标熵权值；

第一步：根据信息熵理论，计算指标j熵值：

式中E_j——第j个指标的熵值；

第二步：根据熵权系数法，计算得到指标j熵权值：

式中EW_j——第j个指标的熵权值。

(5)、根据层次分析法权值输入计算修正系数，进行指标权重修正；

第一步：权重值排序，将步骤(4)中计算得到的指标熵权值与层次分析法计算得到的权重值分别按大小排序，得出每个指标的权重排序值；

假设有n个指标，将两种方法计算出的权重按大小顺序排列，得出每个指标的权重排序值；

熵权系数法和层次分析法权重值排序(采用虚拟值示例)

第二步：计算排序相差值，得到两组指标权重的排序值后，排序相差值可以表示为：

RA_j＝RE_j-RC_j,(j＝1,2,3,…,n)；

式中RA_j——第j个指标的排序相差值；

RE_j——第j个指标的熵权值排序值；

RC_j——第j个指标的层次分析法排序值；

第三步：计算斯皮尔曼等级相关系数，根据指标的数量以及指标间成对的等级数据，斯皮尔曼等级相关系数的计算公式为：

式中ρ——两种权重方法得出的权重数值间的斯皮尔曼等级相关系数；

第四步：权重值修正，一般认为0.8≤ρ≤1时，两者间成显著相关，此时两种方法得出的权重排序关系很接近，需要修正的空间小；0.5≤ρ＜0.8时，两者间较为相关，此时两种方法得出的权重排序关系有一定相关性，需要适度修正；0≤ρ＜0.5时，两者间相关性弱，此时两种方法得出的权重排序关系差异较大，需要做大幅修正，至此修正值小于1，权重值的大小主要由熵权法决定；当-1≤ρ＜0时，两者负相关，此时修正系数大于1，权重值的大小主要由层次分析法决定。本发明将(1-ρ)作为修正系数，基于层次分析法的权重修正可以表示为：

式中W_j——第j个指标修正后的权重值；

CW_j——第j个指标的层次分析法得出的权重值。

(6)、采用加法合成法计算得到可持续设计指数，表示为：

式中SDI_i——第i个方案的可持续设计指数数值；

W_ij——第i个方案的第j个指标的权重值；

SVI_ij——第i个方案的第j个指标的标准值。

以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种机床可持续设计指数评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立机床持续设计指数模型指标体系；所述体系包含五层，依次为目标层、一级指标、二级指标、三级指标及方案层；所述目标层表示可持续性能；所述方案层是指由三级指标所构成的不同机床设计方案；

所述一级指标为4个，分别为环境、经济、社会、技术；

所述二级指标为8个，分别为能耗、污染、成本、模块化、轻量化、人机工程、精度、加工能力，所述能耗、污染对应一级指标中的环境，所述成本、模块化、轻量化对应一级指标中的经济，所述人机工程对应一级指标中的社会，所述精度、加工能力对应一级指标中的技术；

所述三级指标为21个，分别为制造能耗、运行能耗、后处理能耗、制造污染、运行污染、后处理污染、制造成本、运行成本、残余价值、模块的内聚性、模块间耦合性、床身轻量化、立柱轻量化、安全性、工作环境、形位精度、运动轴精度、主轴精度、加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率；所述制造能耗、运行能耗、后处理能耗对应二级指标中的能耗，所述制造污染、运行污染、后处理污染对应二级指标中的污染，所述制造成本、运行成本、残余价值对应二级指标中的成本，所述模块的内聚性、模块间耦合性对应二级指标中的模块化，所述床身轻量化、立柱轻量化对应二级指标中的轻量化，所述安全性、工作环境对应二级指标中的人机工程，所述形位精度、运动轴精度、主轴精度对应二级指标中的精度，所述加工尺寸范围、联动轴数量、加工效率对应二级指标中的加工能力；

(2)、输入机床原始设计数据，判断参考数据是否已修正；若已修正，使用修正后的参考数据；若未修正，使用程序自带的参考数据；

(3)、计算各项指标数值并进行指标数值标准化；定义对机床设计方案的可持续性能产生正面影响的指标为正面指标、对机床设计方案的可持续性能产生负面影响的指标为负面指标；

所述正面指标的标准值计算公式为：

${\mathrm{SV}}_{ij}^{\left(p\right)}=V_{ij}^{\left(p\right)}/\underset{i=1}{\overset{n_{ds}}{\Σ}}{V}_{ij}^{\left(p\right)},(j=1,2,3...n_p);$

式中——第i个方案的第j个正面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个正面指标的标准值；

n_ds——设计方案的数量；

n_p——正面指标的数量；

所述负面指标的标准值计算公式为：

${\mathrm{SV}}_{ij}^{\left(n\right)}=(1/V_{ij}^{\left(n\right)})/(1/\underset{i=1}{\overset{n_{ds}}{\Σ}}{V}_{ij}^{\left(n\right)}),(j=1,2,3...n_n);$

式中——第i个方案的第j个负面指标的原始设计数据；

——第i个方案的第j个负面指标的标准值；

n_n——负面指标的数量；

(4)、根据熵权系数法计算指标熵权值；

(5)、根据层次分析法权值输入计算修正系数，进行指标权重修正；

(6)、采用加法合成法计算得到可持续设计指数，表示为：

${\mathrm{SDI}}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{W}_{ij}\×{\mathrm{SVI}}_{ij},(i=1,2,3,...,m;j=1,2,3,...,n)$

式中SDI_i——第i个方案的可持续设计指数数值；

W_ij——第i个方案的第j个指标的权重值；

SVI_ij——第i个方案的第j个指标的标准值。

2.如权利要求1所述的一种机床可持续设计指数评价方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：

第一步：根据信息熵理论，计算指标j熵值：

$E_j=-\frac{1}{ln\left(m\right)}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{d}_{ij}ln\left(d_{ij}\right),(j=1,2,3,...,n);$

式中E_j——第j个指标的熵值；

第二步：根据熵权系数法，计算得到指标j熵权值：

${\mathrm{EW}}_j=\frac{(1-E_j)}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}(1-E_k)},(j=1,2,3,...,n);$

式中EW_j——第j个指标的熵权值。

3.如权利要求1所述的一种机床可持续设计指数评价方法，其特征在于：步骤(5)包括以下步骤：

第一步：权重值排序，将步骤(4)中计算得到的指标熵权值与层次分析法计算得到的权重值分别按大小排序，得出每个指标的权重排序值；

第二步：计算排序相差值，得到两组指标权重的排序值后，排序相差值可以表示为：

RA_j＝RE_j-RC_j,(j＝1,2,3,…,n)；

式中RA_j——第j个指标的排序相差值；

RE_j——第j个指标的熵权值排序值；

RC_j——第j个指标的层次分析法排序值；

第三步：计算斯皮尔曼等级相关系数，根据指标的数量以及指标间成对的等级数据，斯皮尔曼等级相关系数的计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=1-\frac{6\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{RA}}_j\right)}^2}{n^3-n},(j=1,2,3,...,n);$

式中ρ——两种权重方法得出的权重数值间的斯皮尔曼等级相关系数；

第四步：权重值修正，当0.8≤ρ≤1时，需要修正的空间小；0.5≤ρ＜0.8时，需要适度修正；0≤ρ＜0.5时，需要做大幅修正，至此修正值小于1，权重值的大小主要由熵权法决定；当-1≤ρ＜0时，两者负相关，此时修正系数大于1，权重值的大小由层次分析法决定，基于层次分析法的权重修正可以表示为：

$W_j=\frac{{\mathrm{EW}}_j+(1-\mathrm{\ρ})\×{\mathrm{CW}}_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\[{\mathrm{EW}}_j+(1-\mathrm{\ρ})\×{\mathrm{CW}}_j\]},(j=1,2,3...,n);$

式中W_j——第j个指标修正后的权重值；

CW_j——第j个指标的层次分析法得出的权重值。