CN110135708A - 基于ahp和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法 - Google Patents

基于ahp和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法 Download PDF

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CN110135708A CN201910337645.7A CN201910337645A CN110135708A CN 110135708 A CN110135708 A CN 110135708A CN 201910337645 A CN201910337645 A CN 201910337645A CN 110135708 A CN110135708 A CN 110135708A
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Abstract

本发明公开了基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，涉及阀体装配质量领域，其步骤包括：A、建立球阀产品质量特性分析模型，将各个质量特性划分为目标层、准则层和方案层三个层次；B、运用AHP方法构造球阀产品质量特性的判断矩阵，再求得球阀各个质量特性的权重；C、运用信息熵方法构建球阀产品质量特性规范化矩阵，再求得球阀各个质量特性的权重；D、综合AHP方法和信息熵方法所求得的各个质量特性的权重，再利用模糊综合评价方法求得综合评价权重指标值，对综合评价权重指标值进行排序，并根据排序结果确定球阀产品质量特性重要度。本发明具有提升计算速度，评价结果更加精确的优点。

Description

基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法
技术领域
本发明涉及阀体装配质量领域，具体涉及基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法。
背景技术
球阀是由旋塞阀演变而来。它具有相同的旋转90度提动作，不同的是旋塞体是球体，有圆形通孔或通道通过其轴线球面和通道口的比例应该是这样的，即当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流动。球阀的工作原理是靠旋转阀恋来使阀门畅通或闭塞。球阀开关轻便，体积小，可以做成很大口径，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，在各行业得到广泛的应用。在球阀产品质量评价中，虽然通过简单比较各个因素引发故障的产品数量具有指标简单、明确的特点，但这种评价方法不能真实的反应球阀产品质量的实际情况。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供一种通过对进行定量的计算和定性的分析，提升了计算的速度，使得该方法在时间复杂度和收敛度均优于其它方法的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法。
本发明所采用的技术方案：基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其步骤包括：
A、建立球阀产品质量特性分析模型，将各个质量特性划分为目标层、准则层和方案层三个层次；
B、运用AHP方法构造球阀产品质量特性的判断矩阵，并对所述判断矩阵进行一致性检验，再求得球阀各个质量特性的权重，；
C、运用信息熵方法构建球阀产品质量特性规范化矩阵，计算球阀产品质量特性指标的熵，再求得球阀各个质量特性的权重；
D、综合AHP方法和信息熵方法所求得的各个质量特性的权重，再利用模糊综合评价方法求得综合评价权重指标值，对综合评价权重指标值进行排序，并根据排序结果确定球阀产品质量特性重要度。
所述步骤A中：
目标层包括：球阀产品质量评价体系，
准则层包括：技术特性、可靠性、服务性和社会性；
方案层包括：所属于技术特性的密封性、粗糙度、动作性能和表面处理；所属于可靠性的评价故障间隔时间、安全性和耐久性；所属于服务性的美学性和便利性以及所属于社会性的经济性和环保性。
所述步骤B包括：
B1、构造判断矩阵；分别对准则层和方案层根据“1—9标度方法”和三角模糊数两两比较，其相对重要程度记为aij，判断矩阵记作
A＝(aij)m×n；
其中，m，n为判断矩阵A的阶数；
使用三角模糊数表示模糊集合M＝(t,m,r)，则M的隶属度函数
其中，0≤l≤m≤r,l和r分别为M所支撑的上界和下界；
B2、根据判断矩阵A，求各行元素的几何平均值bi，
其中，i＝1,2,3,...；
B3、将步骤B2中求得的bi归一化，即求得指标的权重系数wi'为
B4、计算判断矩阵的最大特征值λmax，
其中，(Awi'T)i为Awi'T的第i个分量。
B5、判断矩阵的一致性，CI越大，那么偏离的一致性越大；反之，偏离的一致性越小，若判断矩阵阶数越大，则判断的主观因素所造成的偏差越大，即偏离的一致性也越大；那么反之，偏离的一致性也就越小，当CR≤0.1时，接收判断矩阵，否则，修正判断矩阵，
其中，m为判断矩阵的阶数，RI是与CI同阶的随机一致性指标，CR为一致性比率。
所述步骤C包括：
C1、计算规范化矩阵，对决策矩阵进行规范化处理，得到规范化矩阵
其中，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；
C2、计算第j项指标的熵Ej，当在其中某一个指标下各方案的贡献度趋于一致时，Ej趋于1，但当完全相等时，此时指标的权重即为0，
K＝1/lnm；
其中，Pij表示第j个指标aij下，第i个设计方案的贡献度，0≤Ej≤1；
C3、定义指标权重w”j为第j项指标的权重系数，则
进而通过规范化处理计算出客观权重向量wi”＝(w”1,w”2,K,w”n)。
所述步骤D包括：
D1、综合AHP和信息熵的结果，对各评价指标进行修正,得到每个一级指标下各个二级指标的综合权重向量w，公式如下：
D2、一级模糊综合评判；随机对球阀质量特性指标进行调研，以很好、较好、一般、较差、很差为准，通过模糊统计方法，求得第i个因素总体的隶属度R，
由步骤D1得到的一级指标下各个二级指标的综合权重向量w，选用加权平均型的M(·,+)算子对R1进行模糊运算，求得第i个因素的综合评价向量Bi，
Bi＝AiοRi；
其中，Ai是各级指标的权重；同理，可得其它评价指标的模糊评价值，那么最后的指标模糊评价值为(B1,B2,B3,B4,B5)；
D3、二级模糊综合评判；在一级模糊综合评价的基础上，由B1,B2,B3,B4,B5，可求得第一层因素集的综合模糊评价矩阵R，
D4、综合评判结果分析将评价结果转化为分值进行分析，设专家的评语集V＝{a，b，c，d，e}，则球阀第一层质量特性指标的分值为ui，通过比较这多个指标的分值，可以对第一层排序，同理，可得第二层的指标分值进而对其进行排序，公式如下，
ui＝R11*a+R12*b+R13*c+R14*d+R15*e；
其中，a为很好，b为较好，c为一般，d为较差，e为很差。
所述步骤D4中，为了计算的方便采用等差数值，设调研的的评语集V＝{很好，较好，一般，较差，很差}＝{a＝100，b＝80，c＝60，d＝40，e＝20}。
所述步骤A中，定量指标包括固有密封性、粗糙度、动作性能、表面处理和平均故障时间间隔，定性指标包括安全性、耐久性、美学性、便利性、经济性和环保性，根据具体的数据对于定量指标进行计算，对于定性指标则就根据优秀为9分，良好为8分，中为7分，差为6分，很差为5分，非常差为1分来进行评分。
本发明的有益效果是：通过运用AHP和信息熵的多级模糊综合评价法对球阀产品质量特性指标进行分析，进行定量的计算和定性的分析，构建了球阀质量特性模型，通过对在现场中采集到数据进行特征参数提取并分类，然后用这些数据对构建模型进行分析计算，对最后的求得的质量特性重要度排序，选择可以作为关键的质量特性，提升了计算的速度，评价结果更加精确，使得该方法在时间复杂度和收敛度均优于其它方法。
附图说明
图1为本发明实施例基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法的流程图。
图2为球阀产品质量特性分析模型。
图3为“1-9标度方法”各级标度的含义。
图4为三角模糊数的隶属度函数图。
图5为随机一致性指标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
针对于球阀质量特性的多层次性、复杂性和多元性，本文首先分析了球阀质量特性排序的不确定性，在AHP和信息熵理论的基础上，应用综合模糊评价方法对不确定性进行综合排序，该排序模型可以综合的描述球阀质量特征的随机性和模糊性，并且可以对球阀质量特征建立排序模型。
AHP和信息熵的多级模糊综合评价算法推导过程：
(1)AHP法
AHP方法是一种定性与定量相结合的决策分析方法，将决策者对复杂问题的决策思维过程模型化、数量化的过程。通过这种方法可以将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，可以得出不同方案重要性程度的权重，从而为决策方案的选择提供依据。主要包括以下几个步骤：
步骤a：建立层次分析模型，根据“1-9标度方法”,三角模糊数构建判断矩阵A＝(aij)m×n；“1-9标度方法”各级标度的含义如附图3所示。
使用三角模糊数表示模糊集合M＝(t,m,r),则M的隶属度函数
式中，0≤l≤m≤r,l和r分别为M所支撑的上界和下界，三角模糊数的隶属度函数如附图4所示。
步骤b：根据判断矩阵A，先将各行元素相乘并开m次方，即求各行元素的几何平均值bi为
步骤c：将公式(2)求得的bi(i＝1,2,3,...)归一化，即求得指标的权重系数wi'为
步骤d：计算判断矩阵的最大特征值λmax
式中，(Awi'T)i为Awi'T的第i个分量。
步骤e：判断矩阵的一致性
式中，m为判断矩阵的阶数，一般来说，CI越大，那么偏离的一致性越大；反之，偏离的一致性越小。此外，若判断矩阵阶数越大，则判断的主观因素所造成的偏差越大，即偏离的一致性也越大；那么反之，偏离的一致性也就越小。
式中，RI是与CI同阶的随机一致性指标见附图5,CR为一致性比率。当CR≤0.1时,接收判断矩阵,否则,修正判断矩阵。
(2)信息熵法
信息熵法是一种非常客观赋权的方法。首先根据定义的每个指标的变异程度来计算信息熵(熵值)，然后根据信息熵计算熵权，接着通过熵权修改每个指标的权重，最后得到客观权重的方法。基于信息熵的球阀质量特性方法主要包括以下步骤。
步骤a：计算规范化矩阵。
对决策矩阵进行规范化处理，得到规范化矩阵
步骤b：计算第j项指标的熵Ej
表示第j个指标aij下，第i个设计方案的贡献度。
式中，K＝1/lnm，0≤Ej≤1。
当在其中某一个指标下各方案的贡献度趋于一致时，Ej趋于1，但当完全相等时，此时指标的权重即为0。
步骤c：定义指标权重w”j为第j项指标的权重系数，则
进而通过规范化处理计算出客观权重向量wi”＝(w”1,w”2,K,w”n)。
(3)多级模糊综合评价法
模糊综合评价就是以模糊数学为基础的，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对球阀质量特性进行综合评价。本文先利用公式(11)综合AHP和信息熵的结果
对各评价指标进行修正,得到每个一级指标下各个二级指标的综合权重向量w：
多级模糊综合评价方法主要包括以下步骤：
步骤a：一级模糊综合评判
随机对球阀质量特性指标进行调研，以很好、较好、一般、较差、很差为准。通过模糊统计方法，求得第i个因素总体的隶属度R为
由AHP和信息熵综合得到的一级指标下各个二级指标的综合权重向量w，选用加权平均型的M(·,+)算子对R1进行模糊运算，求得第i个因素的综合评价向量Bi
Bi＝AiοRi (15)
其中，A是各级指标的权重。同理，可得其他评价指标的模糊评价值。那么最后的指标模糊评价值为(B1,B2,B3,B4,B5)。
步骤b：二级模糊综合评判
在一级模糊综合评价的基础上，由B1,B2,B3,B4,B5，可求得第一层因素集的综合模糊评价矩阵R
步骤c：综合评判结果分析
将评价结果转化为分值进行分析。设专家的评语集V＝{很好，较好，一般，较差，很差}＝{a，b，c，d，e}，则球阀第一层质量特性指标的分值为
ui＝R11*a+R12*b+R13*c+R14*d+R15*e (17)
通过比较这i个指标的分值，可以对第一层排序，同理，可得第二层的指标分值进而对其进行排序。
球阀在制造和装配的过程中会出现各种各样的故障，为了提高球阀的工作效率，对装配好的球阀产品质量特性进行分析。
根据设计的需要，通过对球阀产品质量特性要求进行研究，构造出质量特性模型如附图2所示。模型把球阀的整体质量特性按照技术特性、可靠性、服务性和社会性进行划分为11个质量特性。其中定量指标包括固有密封性C1(按优良等级)、粗糙度C2(按0—14级)、动作性能C3(％)、表面处理C4(％)、平均故障时间间隔C5(h)、共计5个质量特性。定性指标包括安全性C6、耐久性C7、美学性C8、便利性C9、经济性C10、环保性C11共计6个质量特性。
分别对对可靠性、结构性、使用性和经济性(用B1—B4表示)采用“1-9标度方法”和三角模糊数，得到表1一级指标判断矩阵。
表1一级指标判断矩阵
由公式(2)和(3)计算一级指标权重，计算结果如表2所示；
表2一级指标权重表
使用同样的方法对第二层次指标进行计算，可以得到相应的权重排序如下：
根据公式(3)对第二层的指标进行计算，可以得到最后的计算结果：w'＝(0.1050，0.1020，0.0933，0.0816，0.1050，0.0933，0.1050，0.0583，0.0846，0.1050，0.0700)。
通过调研的基础和结合有关专家建议对球阀质量评价指标进行初始化。根据具体的数据对于定量指标进行计算，对于定性指标则就根据优秀(9分)，良好(8分)，中(7分)，差(6分)，很差(5分)，非常差(1分)进行评分。11个质量特性参数如表3所示。
表3球阀质量特性参数
应用公式(6)对表5进行规范化处理，建立规范化矩阵
然后根据公式(7)和(8)求得各质量特性的权重系数：
w”＝(0.0809，0.0823，0.0808，0.0810，0.0819，0.0860，0.0823，0.0813，0.0813，0.1264，0.1357)。
同理，可算得二级指标的权重：
由式(10)、(11)和(12)，根据AHP和信息熵的结果，综合得到的各个二级指标的权重：
根据公式(13)求得综合权重向量：
w＝(0.0723，0.0572，0.0642，0.0562，0.0851，0.0794，0.0855，0.1094，0.1406，0.1279,0.1221)。
根据模糊综合评价方法，本实施例采取随机调研的方法，调研时有160人，最终有效人数为150人，针对这150人对球阀质量指标进行评价的结果分析B1指标的各项因素评价结果如表4所示：
表4 B1指标的各项因素评价结果
通过公式(14)，求得Bi的模糊评级矩阵
选用加权平均型的M(·,+)算子对R1进行模糊运算，由 和公式(15)，求得B1的综合评价向量D1：
同理，可以计算出其他评价指标的模糊评价值：
D2＝(0.3657，0.2725，0.2142，0.1164，0.0313)
D3＝(0.3451，0.2882，0.2509，0.0964，0.0195)
D4＝(0.3361，0.3000，0.2634，0.0770，0.0235)
在模糊评判的基础上，由式(16)可求得第一层因素的模糊综合评价矩阵
同理，可得二级指标的模糊综合矩阵
最后将评价结果转化为分值进行比较，为了计算的方便采用等差数值，设调研的的评语集V＝{很好，较好，一般，较差，很差}＝{a＝100，b＝80，c＝60，d＝40，e＝20}，根据公式(17)则对第一层指标的分值分别为
B1＝0.3914*100+0.3024*80+0.1970*60+0.0910*40+0.0810*20＝79.1500
B2＝0.3657*100+0.2725*80+0.2142*60+0.1164*40+0.0313*20＝76.5081
B3＝0.3451*100+0.2882*80+0.2509*60+0.0964*40+0.0195*20＝76.8628
B4＝0.3361*100+0.3000*80+0.2634*60+0.0770*40+0.0235*20＝76.9620
同理，第二层指标分值分别为：
第二层质量评价结果由大到小的排序为：
C3>C6>C1>C11>C9>C2>C4>C8>C10>C7>C5
该实例中质量特性共有11个，根据排序可知，为了较准确地装配球阀体和服务于社会，可以选择2个作为关键质量特性，即平均故障间隔时间C5、耐久性C7。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (7)

1.基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于，其步骤包括：
A、建立球阀产品质量特性分析模型，将各个质量特性划分为目标层、准则层和方案层三个层次；
B、运用AHP方法构造球阀产品质量特性的判断矩阵，并对所述判断矩阵进行一致性检验，再求得球阀各个质量特性的权重；
C、运用信息熵方法构建球阀产品质量特性规范化矩阵，计算球阀产品质量特性指标的熵，再求得球阀各个质量特性的权重；
D、综合AHP方法和信息熵方法所求得的各个质量特性的权重，再利用模糊综合评价方法求得综合评价权重指标值，对综合评价权重指标值进行排序，并根据排序结果确定球阀产品质量特性重要度。
2.根据权利要求1所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于，所述步骤A中：
目标层包括：球阀产品质量评价体系，
准则层包括：技术特性、可靠性、服务性和社会性；
方案层包括：所属于技术特性的密封性、粗糙度、动作性能和表面处理；所属于可靠性的评价故障间隔时间、安全性和耐久性；所属于服务性的美学性和便利性以及所属于社会性的经济性和环保性。
3.根据权利要求2所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1、构造判断矩阵；分别对准则层和方案层根据“1—9标度方法”和三角模糊数两两比较，其相对重要程度记为aij，判断矩阵记作
A＝(aij)m×n；
其中，m，n为判断矩阵A的阶数；
使用三角模糊数表示模糊集合M＝(t,m,r)，则M的隶属度函数
其中，0≤l≤m≤r,l和r分别为M所支撑的上界和下界；
B2、根据判断矩阵A，求各行元素的几何平均值bi，
其中，i＝1,2,3,...；
B3、将步骤B2中求得的bi归一化，即求得指标的权重系数wi'为
B4、计算判断矩阵的最大特征值λmax，
其中，为的第i个分量。
B5、判断矩阵的一致性，CI越大，那么偏离的一致性越大；反之，偏离的一致性越小，若判断矩阵阶数越大，则判断的主观因素所造成的偏差越大，即偏离的一致性也越大；那么反之，偏离的一致性也就越小，当CR≤0.1时，接收判断矩阵，否则，修正判断矩阵，
其中，m为判断矩阵的阶数，RI是与CI同阶的随机一致性指标，CR为一致性比率。
4.根据权利要求3所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于，所述步骤C包括：
C1、计算规范化矩阵，对决策矩阵进行规范化处理，得到规范化矩阵
其中，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；
C2、计算第j项指标的熵Ej，当在其中某一个指标下各方案的贡献度趋于一致时，Ej趋于1，但当完全相等时，此时指标的权重即为0，
K＝1/lnm；
其中，Pij表示第j个指标aij下，第i个设计方案的贡献度，0≤Ej≤1；
C3、定义指标权重w”j为第j项指标的权重系数，则
进而通过规范化处理计算出客观权重向量wi”＝(w”1,w”2,K,w”n)。
5.根据权利要求4所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于，所述步骤D包括：
D1、综合AHP和信息熵的结果，对各评价指标进行修正,得到每个一级指标下各个二级指标的综合权重向量w，公式如下：
D2、一级模糊综合评判；随机对球阀质量特性指标进行调研，以很好、较好、一般、较差、很差为准，通过模糊统计方法，求得第i个因素总体的隶属度Ri，
由步骤D1得到的一级指标下各个二级指标的综合权重向量w，选用加权平均型的M(·,+)算子对R1进行模糊运算，求得第i个因素的综合评价向量Bi，
Bi＝Ai ο Ri；
其中，Ai是各级指标的权重；同理，可得其它评价指标的模糊评价值，那么最后的指标模糊评价值为(B1,B2,B3,B4,B5)；
D3、二级模糊综合评判；在一级模糊综合评价的基础上，由B1,B2,B3,B4,B5，可求得第一层因素集的综合模糊评价矩阵R，
D4、综合评判结果分析将评价结果转化为分值进行分析，设专家的评语集V＝{a，b，c，d，e}，则球阀第一层质量特性指标的分值为ui，通过比较这多个指标的分值，可以对第一层排序，同理，可得第二层的指标分值进而对其进行排序，公式如下，
ui＝R11 *a+R12 *b+R13 *c+R14 *d+R15 *e；
其中，a为很好，b为较好，c为一般，d为较差，e为很差。
6.根据权利要求5所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于：所述步骤D4中，为了计算的方便采用等差数值，设调研的的评语集V＝{很好，较好，一般，较差，很差}＝{a＝100，b＝80，c＝60，d＝40，e＝20}。
7.根据权利要求2所述的基于AHP和信息熵的球阀质量多级模糊综合评价方法，其特征在于：所述步骤A中，定量指标包括固有密封性、粗糙度、动作性能、表面处理和平均故障时间间隔，定性指标包括安全性、耐久性、美学性、便利性、经济性和环保性，根据具体的数据对于定量指标进行计算，对于定性指标则就根据优秀为9分，良好为8分，中为7分，差为6分，很差为5分，非常差为1分来进行评分。
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