基于TOPSIS的一類復雜產品成熟度評價研究

孫 靜，杜 綱

(天津大學管理與經濟學部，天津 300072)

基于TOPSIS的一類復雜產品成熟度評價研究

孫 靜，杜 綱

(天津大學管理與經濟學部，天津 300072)

復雜產品由于其內部結構、技術、制造過程、項目管理的繁雜性，難以全面、有效地評估其成熟度水平。在借鑒國內外成熟度評價方法的基礎上，以一類面向高可靠性能要求的復雜產品為研究對象，引入模塊的概念對復雜產品的結構進行劃分，提出了復雜產品成熟度評價的三個關鍵維度：技術成熟度、制造成熟度和應用成熟度，建立了復雜產品成熟度評價的模型及指標體系。采用TOPSIS算法與專家打分相結合對復雜產品的成熟度進行評價，為復雜產品的快速成熟提供依據。

復雜產品;成熟度;TOPSIS算法;模塊

0 引言

復雜產品是指客戶需求復雜、產品組成復雜、產品技術復雜、制造過程復雜、項目管理復雜的一類產品。典型的復雜產品有航天器、飛機、復雜機電產品、汽車、武器系統等［1］。大型復雜產品在工業制造中非常廣泛，由于其內部的復雜性，研制過程易發生性能調整、進度延遲、成本增加等問題?；诖?，研究復雜產品的成熟度評價具有非常重要的現實意義［2］。

現有的文獻中，針對技術成熟度和制造成熟度的研究相對較多，研究系統成熟度和產品成熟度的相對較少。技術成熟度方面，Gregory F.Dubos［3］等人提出了技術成熟度的進度風險曲線。Mr.William［4］開發了一種計算器，用來自動計算產品的技術成熟度。朱毅麟［5］研究了技術成熟度對航天器研制進度的影響。關于制造成熟度，高原［6］等闡述了影響制造成熟度風險的因素及評價流程在軍品和民品方面的應用。何益海、常文兵［7］等提出了基于制造成熟度與模糊層析分析方法的制造風險評估方法。系統成熟度方面，丁茹［8］等人得出了系統成熟度等級確定的一般方法。劉靖東等提出了評價復雜產品的系統成熟度評估方法。中國航天企業為了實施產品工程較早地提出了產品成熟度的概念。袁家軍［9］闡述了航天產品成熟度快速提升的途徑和方法。王衛東［10］等人構建了單機產品成熟度模型。

綜上所述，目前針對復雜產品成熟度評價的研究相對較少，且主要存在以下來三點不足。①產品成熟度的評估應該是面向產品從設計到生產、應用的整個成熟周期，僅以技術成熟度與制造成熟度作為產品成熟度的評價技術存在一定的不足［11］。②現有文獻未對復雜產品內部的組成結構進行深入研究。③現存研究對技術成熟度和制造成熟度等級的描述相對籠統，評價專家不能準確地判斷其成熟度的水平。

本文以一類面向高可靠性能要求的復雜產品為研究對象，提出評價復雜產品成熟度的三個關鍵維度，構建復雜產品成熟度評價模型及指標體系對成熟度進行評估。

1 TOPSIS算法確定指標權重

TOPSIS算法確定指標權重的步驟如下:

①對指標值進行標準化處理［12］:

2 復雜產品成熟度評價模型建立

2.1 復雜產品結構劃分

本文研究一類高可靠性復雜產品，這類產品具有高成本、高可靠性要求、高風險的特征。為了對這類復雜產品的內部結構進行分析，引入模塊的概念。模塊可以定義為一個物質產品的子結構，它與產品的功能元素子集具有一一對應的關系。模塊是由零部件聚合而成，它與產品中其他部分的連接通過接口實現［13］。構建出如圖1的復雜產品分解結構圖。

圖1 復雜產品分解結構圖

2.2 復雜產品成熟度等級劃分

通常來講，復雜產品成熟度等級可以劃分成以下8 級，如表1 所示［9］。

表1 產品成熟度等級劃分

2.3 復雜產品成熟度評價的關鍵維度

產品成熟度(Product Maturity Level，簡稱PML)是指對產品在研制設計、生產制造、使用與支持全壽命周期內所有影響要素的可控制程度、實現程度，以及產品固有質量、可靠性的完備程度與可應用程度的綜合度量［9］。本文提出技術成熟度、制造成熟度和應用成熟度三個關鍵維度來衡量產品的成熟水平。

技術成熟度是主要衡量技術在開發過程中所達到的可用程度和完備程度。技術成熟度水平的表征要素有:①設計的完備性——技術設計原理、實施條件分析及驗證的完備情況;②技術應用的完備性——指技術的應用滿足產品功能、性能及可靠性指標的程度;③驗證的充分性——指對技術進行驗證的環境與產品真實使用環境的吻合程度。

制造成熟度保證了制造出規范產品的能力及產品的批量生產能力。制造成熟度水平的表征要素有:①生產環節規范化程度——產品關鍵生產環節的識別及過程控制的規范化程度;②批量生產能力——產品能耐穩定地連續生產，滿足規模效益。

應用成熟度是衡量批量生產出的產品各模塊所發揮的集成效應、用戶正確使用產品的能力以及產品滿足用戶需求的能力。應用成熟度水平的表征要素有:①產品集成效應——在真實作業狀態下模塊間的協同性能;②應用方法識別與掌握的熟練程度及普及度——用戶能夠熟練掌握如何使用產品;③產品升級能力——產品滿足用戶使用要求，技術改革的創新能力。

2.4 復雜產品成熟度評價的指標體系

基于復雜產品成熟度評價的三個關鍵維度，考慮復雜產品分解結構，構建出如圖2的復雜產品成熟度綜合評價指標體系模型。

圖2 復雜產品成熟度綜合評價的指標體系模型

2.5 復雜產品成熟度的評語集

在評價成熟度之前，要對指標情況賦予一個評語集［14］。給出如表2的評語集作為示例，其他評語集的構建方法與此相同。

表2 技術成熟度水平中設計完備性的評語集

3 復雜產品成熟度評價方法

專家打分受評估專家的主觀因素影響較大，為此采用TOPSIS算法與專家打分法相結合確定權重，使得評價結果更加符合實際情況，由圖2可以看出，需要引入三層權重，迭代三次，具體步驟如下。

①根據圖2，建立第一層初始樣本矩陣Yij。以技術成熟度水平為例，表3依次為設計的完備性、技術應用的完備性、驗證充分性構成的初始樣本矩陣。讓專家對y11到yN3進行打分，其中y11代表模塊1設計的完備性程度，yN3代表模塊N驗證的充分性程度，打分可依據如示例表2給出的評語集。由于該矩陣的打分量綱相同，所以矩陣不用進行無量綱處理。

表3 技術成熟度水平的初始樣本矩陣(第一層)

②采用專家打分法，依據各指標的重要程度，對技術成熟度水平的三個指標權重進行打分，分別賦予權重 α1，α2Kαn。

③利用TOPSIS算法對專家打分給出的權重進行修正，可以得到修正后的權重向量，記為ωj。

④ωj與Yij矩陣的加和即為各模塊的技術成熟度水平，同理可求出各模塊的制造成熟度和應用成熟度，即可得到第二層初始樣本矩陣Y'ij，如表4所示。

表4 模塊成熟度的初始樣本矩陣(第二層)

⑤讓專家對模塊的技術成熟度、制造成熟度、應用成熟度在產品整個生命周期的重要程度進行打分，利用TOPSIS對權重進行修正，得出修正后的權重向量，記為。

表5 產品成熟度初始樣本矩陣(第三層)

⑦依據各模塊在產品中的重要程度，讓專家對其權重進行打分，記為ω＊＊j，ω＊＊j與Yij”的加和為復雜產品成熟度的水平，記為Z，最終的成熟度值Z*=?Z」。求出Z*后，參照上表1，即可確定該復雜產品的成熟度等級水平及其外在表征，為改進復雜產品以促進產品的快速成熟提供建議。

4 實例分析

為了驗證文中提出的方法，選用某家用分體式空調室內機實例，某家用分體式空調的室內機根據功能可分成7個模塊，分別是供電模塊、控制模塊、通風模塊、熱交換模塊、排水模塊、顯示模塊、殼體模塊［13］。

采用本文提出的復雜產品成熟度評價方法對某家用分體式空調室內機的成熟度進行評價，評價步驟如下:

①根據圖2，建立家用分體式空調室內機的成熟度綜合評價指標體系模型，如圖3所示。

建立第一層初始樣本矩陣Yij。針對技術成熟度，讓專家對各模塊的設計完備性、技術應用完備性、驗證充分性進行打分，得到樣本矩陣，如表6所示。同理，讓專家對制造成熟度和應用成熟度的各指標進行打分，得到的樣本矩陣分別為:

⑤讓專家對各模塊的技術成熟度、制造成熟度、應用成熟度在產品整個生命周期的重要程度進行打分，得到的權重系數矩陣為[ 0 .4 0.3 0.3]，用TOPSIS修正后的權重矩陣為:

圖3 空調室內機成熟度綜合評價的指標體系模型

表6 空調室內機的初始樣本矩陣(第一層)

②采用專家打分法，依據各指標的重要程度，對模塊的技術成熟度、制造成熟度和應用成熟度各指標的權重進行打分，得到權重向量分別為:

③采用TOPSIS算法對專家打分給出的權重向量進行修正，得出修正后的權重向量ωj分別為:

④ωj與Yij矩陣的加和即為各模塊的技術成熟度、制造成熟度及應用成熟度水平。第二層的初始樣本矩陣Y'ij為:

⑦讓專家對七個模塊在某家用分體式空調室內機中的重要性進行打分，得到權重向量為[0.1 0.2 0.2 0.15 0.2 0.1 0.05]，最后得到的空調室內機的產品成熟度水平矩陣為:

可以得出某家用分體式空調室內機的成熟度水平Z為4.8657，最終的成熟度值z*為4。參照表1，即可知道該產品屬于高級工程產品，其外在表征為產品原型在真實使用環境下功能性能滿足用戶使用要求，完成設計定型，具備生產準入條件。

通過計算，我們可以發現該家用分體式空調室內機的殼體模塊最不成熟，影響了室內機的整體成熟度水平，而在殼體模塊中技術成熟度的水平相對比較薄弱，建議對殼體模塊的技術成熟度水平加以改進，以提高產品整體的成熟度水平。

5 結束語

在技術成熟度和制造成熟度不能全面準確評價復雜產品成熟度水平的基礎上，引入應用成熟度作為第三個評價指標，對一類面向高可靠性應用要求的復雜產品進行研究。從模塊的角度對復雜產品的內部結構進行分解，建立了復雜產品成熟度的評價模型及指標體系，采用TOPSIS算法與專家打分法相結合，有效地避免了專家打分的主觀性，使結果更加科學合理。以某家用分體式空調的室內機為例，進一步驗證了本文提出的方法，并給出了使復雜產品快速成熟的合理化建議。

［1］吳延勛，秦現生.一種復雜產品研發決策支持系統的結構與流程設計［J］.制造業自動化，2011，33(1):52-53.

［2］劉靖東，張化照，高鎖文，梁璽.復雜產品系統成熟度評估方法與應用［J］.科技管理研究，2010(12):44-45.

［3］ Gregory F.Dubos，Joseph H.Salehand Robert Braun.Technology Readiness Level，Schedule Risk，and Slippage in Spacecraft Design［J］.JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS，2008，4(45):836-842.

［4］王立群.美國的技術成熟度等級［J］.國外管理，2009(2):55-57.

［5］朱毅麟.技術成熟度對航天器研制進度的影響［J］.航天器工程，2009，18(2):8-13.

［6］高原，高彬彬，董雅萍.制造成熟度管理方法研究［J］.制造技術與機床，2012(3):30-34.

［7］何益海，常文兵.基于制造成熟度的武器裝備研制項目制造風險評估［J］.項目管理技術，2009，7(7):54-55.

［8］丁茹，何劍彬，彭灝.大型武器系統的技術成熟度評估方法［J］. 裝甲兵工程學院學報，2011，25(4):19-21.

［9］袁家軍.航天產品成熟度研究［J］.航天器工程，2011，20(1):1-7.

［10］王衛東，朱杏生，李宇峰.空間產品成熟度模型的建立與應用研究［J］.航天工業管理，2007(7):26-31.

［11］Huang Jie，Gao Zhaofeng，Zhang Kui.Research on Evaluation Method of Electronic Product Maturity［J］.Computing，Control and Industrial Engineering，2011:118-121.

［12］穆濤.多指標綜合評價中確定指標權重的一種方法［J］. 科技經濟市場，2007(11):37-38.

［13］呂利勇，喬立紅，王田苗.面向產品生命周期的產品模塊化分解方法研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12(4):546-547.

［14］張迪.基于生命周期的產品成熟度研究［D］.天津:天津大學，2012.

(編輯 李秀敏)

Research on Maturity Evaluation of a Kind of Complex Product Based on TOPSISMethod

SUN Jing，DU Gang
(Department of Management and Eeonomics，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Because of the complex of internal structure，the technology，manufacturing process，the projectmanagement，it is difficult to evaluate thematurity level of complex products comprehensively and effectively.Based on the thought ofmaturity model from home and abroad，this paper studies on a kind of complex productwhich meet high reliability requirements and brings in the concept ofmodule for the structure division of complex product.Three key dimensions are put forward to evaluate thematurity of product，these are Technology Readiness Level，Manufacturing Readiness Level and Application Readiness Level.This paper establishes the evaluationmodel and index system of complex product’smaturity，uses TOPSIS algorithm combined w ith expert scoringmethod to evaluate thematurity of the products and provides the basis for the rapid mature of complex products.

complex product;maturity;TOPSIS algorithm;module

TH16;TG65

A

1001-2265(2013)03-0122-05

2012-08-24;

2012-09-16

孫靜(1988—)，女，遼寧葫蘆島人，天津大學管理與經濟學部碩士研究生，研究方向為產品成熟度，(E-mail)sssunjing_0808@163.com;杜綱(1954—)，女，湖北秭歸人，天津大學管理與經濟學部教授，博士，博士生導師，研究方向為管理系統分析與決策。