基于德尔菲法的转向架技术指标评价系统开发

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  摘要:本文首面向产品的广义质量建立了转向架的技术指标体系,应用基于指数标度的层次分析法构建了转向架技术指标评价模型,运用网上基于德尔菲法的三轮专家问卷调查法,邀请不同领域专家对各项转向架技术指标体系进行打分,对初步确定的技术指标进行筛选及评分,运用评价模型计算各指标权重和一致性指标,并开发相应技术指标评价系统,实现对转向架技术指标筛选与评价,进而得到科学性和合理性的转向架技术指标体系,用于指导转向架设计。
  关键词:德尔菲法;层次分析法;转向架;指标评价
  1引言
  高速铁路具有速度快、运能大、能耗低、污染轻等诸多技术优势,对沿线区域社会经济发展起着较大的推动作用,越来越受到国家的重视。转向架是高速列车的核心部件,其技术指标体系的建立是进行预测和评价研究的前提和基础,它是将抽象的研究对象按照其本质属性和特征的某一方面的标识分解成为具体化行为、可操作化的结构,并对指标体系中每一构成元素(即指标)赋予相应的权重的过程,也是对客观事物认识过程的继续深化和发展。另外,目前评价指标体系建立存在不同程度的问题,如指标体系不够全面、完整,部分指标设计不够科学合理,指标权重获取比较主观且不易测算等;在确立评价指标体系时,大多数学者都认为应该采用专家调查法,但真正实施的比较少;评价指标体系建立后,难以验证构建的评价指标体系的合理性和科学性,各指标的权重获得是非常重要的一环。
  针对上述情况,为方便不同地域的专家进行技术指标问卷调查法及评分数据处理,本文基于Web,采用B/C(Browser/Server)架构,开发了转向架的技术指标评价系统。本系统的评价流程采用三轮的德尔菲法,应用网页调查表的形式,收集各个专家的调查评分表,通过统计各个指标的满分频度,运用层次分析法计算指标的权重,实现对转向架技术指标的评价。
  2德尔菲法的基础理论及实施流程
  德尔菲法(Delphi)是一种专家调查法,是由美国兰德公司与1950年创造的,并于1964年首先用于技术预测[1]。德尔菲法的主要特点表现在:专家成员之间不得互相讨论,不发生横向联系,只能与调查人员发生关系,以反复的填写问卷,以集结问卷填写专家的共识及搜集各方意见。德尔菲法的调查过程总结如图1所示。
  图1 网上德尔菲法实施步骤
  2.1专家的选择
  专家的选择是德尔菲法的关键环节,专家选择的恰当与否,决定了运用德尔菲法测定结果的准确性。选择专家的方法很多,常见的有:由熟悉的专家推荐、从报刊杂志上视研究成果的大小和多少筛选、由上级部门介绍和推荐、查询专家档案数据库等,具体的选择如下:
  (1)选择专家的人数要求。德尔菲法选择专家人数一般要求是10-20人,但涉及重大问题时人数则可以扩大。
  (2)对于专家自身素质的要求。德尔菲法中所说的专家是指对完成所要调查的问题具有充分的知识和经验的人,应具有一定的学术影响,同时具有应答的时间和责任感。选择的专家来自高校和主机厂。与专家取得联系,询问是否有时间完成调查,最终确定专家名单。
  (3)专家样本结构要求。在知识结构上,不仅要选择技术专家,而且应该选择管理专家;不仅选择研究人员,还要有实际工作者。一般可以按照本领域专家、相关领域专家、管理专家各占一定比例来选择。参与整个调查活动的专家组成如表所示。
  2.2调查表设计
  德尔菲法中的调查表与通常的调查表有所不同,它除了有通常调查表向被调查者提出问题并要求回答的内容外,还兼有向被调查者提供信息的责任,它是专家们交流思想的工具,专家们将根据调查表的要求发表自己的意见,作出自己的评价和预测。
  参考现有网站、搜索引擎、网络数据库评价指标体系,在此基础上进行综合分析,为便于专家添加新指标、指标评分、评分结果处理和指标的筛选,调查表拟采用数据表形式,对指标进行分级,评分采用五级制(从5到1重要性依次递减,5表示非常重要,1表示不重要)打分,同時在调查表的每个父级指标后添加一栏“您认为还需要增加哪些子指标?请列出并给评分。”这样开放式一栏,方便专家添加新的指标,第一轮调查如表1所示。第二轮调查表与第一轮调查类似,所不同的是第二轮调查表在非新添加的指标每一项中,从5到1选项后面均加上一个百分数,该百分数表示第一轮中选择该项的专家人数比例,主要是“暗示”评价打分的趋势,加快专家评价意见的统一。第三轮调查表与第二轮调查类似,所不同的是第三轮调查表专家不可以添加新指标。
  2.3问卷调查实施流程
  (1)开放式的首轮问卷调查
  专家根据自己的领域知识和经验,对问卷调查表里面的指标进行评分,如果觉得指标不完善,则在“您认为还需要增加哪些子指标?请列出并给评分。”这样开放式一栏里,添加新的指标,并给出评分。
  (2)评价式的第二轮问卷调查
  在收集完第一轮调查表后,针对专家的打分,按照满分频度筛选原先的指标。按照专家的打分,第一轮中我们制定的指标体系完全保留。后将专家添加的指标集中,添加到第一轮调查表中,形成第二轮调查表中。在第二轮调查表中,第一轮调查新添加的指标用其他颜色显示以示区别,便于专家对原有指标与新添指标进行区分和评价打分,仍然要求专家需要给每一个指标打分。如指标还不完善,还可以继续添加新的指标。
  (3)重审式的第三轮问卷调查
  以同样的方法收集第二轮调查表,对结果进行整理、分析、综合,给出第三轮调查表,第三轮调查表仍有根据第二轮统计分析新加入的指标需要打分,但与第二轮调查表不同的是,本次调查表指标体系已经比较完善和最后确定,不再给专家在加入新指标的空间。这样经过三轮调查,专家的判断意见就比较固定,并趋向一致了。
  2.4基于层次分析法的指标权重计算
  层次分析法(AHP)是美国著名运筹学家萨蒂在20世纪70年代提出的一种定性与定量完美结合的半定量方法,AHP的基本步骤是[2]:①将问题概念化,找出研究对象涉及的主要因素。②分析各因素的关联、隶属关系,构造系统的递阶层次模型。③对同一层次的各因素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较,构造判断矩阵。④由判断矩阵计算被比较因素对上一层次该准则的相对权重,并进行一致性检验。⑤计算各层次因素相对于最高层次,即系统目标的合成权重,进行层次总排序,并进行一致性检验。本文采用的是基于指数标度的层次分析法,权重的具体计算流程如下:   (1)确定比例标度
  ①计算满分频度
  所谓对象的满分频度,就是对某种对象满分的专家人数与该对象作出评价的专家总数之比。在本文中,满分频度即该指标打5分的专家人数比例。
  ②计算指数标度,将其作为判断矩阵中的比例标度。
  由于专家给出的满分频度最大为100%,最小为0%,之间相差100。在指数标度中n取值为0~8,相距9个点,共8段,那么将100%八等分后,则每一等分为12.5%。由于n的取值为0~8,同时我们又把100%八等分,这样相当于建立了一个对应关系,即0~8的体系中的1,相当于0%~100%体系中的12.5%。然后任意两个满分频度的差与12.5%相比较,得出一个数据,就作为判断矩阵在的标度N。比如:能力指标的满分频度为96.43%,安全性指标的满分频度为92.86%,那么能力指标比安全性指标的指数标度N=(96.43%-92.86%)/12.5%=1.0816。
  (2)构造判断矩阵B
  对同级指标两两比较,构造各层次判断矩阵B。判断矩阵B的元素bij表示对于B 而言,bi对bj的相对重要程度。
  式中,bij=aN;N=(bi -bj)/12.5%;a=1.316,这由a的8次方等于9得出;bi、bj——第i、j个指标的满分频度,i、j=1,2,3……n,n为判断矩阵B的阶数(即该级指标的数量)。
  (3)计算权重W
  ①计算判断矩阵B每一行元素的乘积Pi:
  ②计算Pi的n 次方根Di: (3)
  ③一致性检验:
  为避免其他因素对判断矩阵的干扰,在实际中要求判断矩阵满足大体上的一致性,需进行一致性检验。只有通过检验,才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的,才能继续对结果进行分析。对判断矩阵进行一致性检验,计算:
  CR=CI/RI (4)
  式中,CR——随机一致性比率,当CR<0.1时,认为判断矩阵具有满意的一致性,否则应对判断矩阵进行调整;RI——平均随机一致性指标,可查表2得出;CI——判断矩阵B的偏差一致性指标,按下式计算:
  CI=(λmax- n)/(n- 1) (5)
  式中,λmax ——判断矩阵的最大特征根;n——判断矩阵阶数。
  ④计算权重Wi:
  对向量Di归一化,即可得到其权重值,按下式计算:
  (i=1,2,3….n) (6)
  式中,即为所求的指标权重。
  3转向架技术指标评价体系建立实例
  3.1转向架技术指标的建立
  根据车辆能力指标(速度、承载能力、环境适应能力)、安全性指标、平稳性指标、可靠性指标、稳定性指标、可用性、可维修性(RAMS)和全生命周期成本(LCC)的要求,根据技术指标对车辆性能的影响确定转向架技术指标的种类[3],如表3所示。具体内容包括:
  (1)建立车辆顶层性能技术指标体系,对顶层指标进行层次分解;分析转向架对车辆性能的影响,提取整车系统级技术指标中对转向架设计有影响的技术指标。
  (2)根据技术指标对车辆性能的影响及转向架技术条件特性确定转向架技术指标的种类,对转向架技术指标进行层次分解,通过功能需求与物理结构的反复迭代生成转向架的设计的层次,建立转向架技术指标体系。在实施过程中,充分考虑到各功能要求之间的相互关系,以功能层次分解的方式,使得概念设计中的功能要求都能由具体的结构形式来实现,并且设计层次分明。
  3.2专家的选择
  根据德尔菲法专家的选择原则,综合考虑实际情况,参与高速列车技术指标评价专家组组成及人数分布如表4所示。
  3.3指标权重计算
  如表3,由于转向架技术指标体系较庞大,本文以转向架技术指标体系的一级指标为例说明指标权重的计算流程:
  (1)邀请专家对转向架技术指标体系进行评价(共三轮),获取一级指标的满分频度如表5所示。
  (2)计算指数标度并构造判断矩阵B
  (3)计算判断矩阵B每一行元素的乘积Pi及Pi的n 次方根Di,具体如表6所示。
  (4)计算判断矩阵B的最大特征根λmax及随机一致性比率CR。λmax=5.0;根据n=5,查表2得RI=1.12,根据公式(5)得,CI=(5.0-5)/(5-1)=0.0,进而根据公式(4)的,CR=0.0/1.12=0.0<0.1,具有较好的一致性,不需要对判断矩阵进行调整。
  (5)对向量Di归一化,计算权重Wi,具体如表7所示。
  3.3结果分析
  如表3,一级指标中,能力指标权重为0.156、安全性指标权重为0.200、舒适性指标权重为0.091、可靠性指标权重为0.156、节能环保指标权重为0.058;安全性指标权重为0.200最大,说明在一级指标中安全性指标最重要,其次是能力指标和可靠性指标权重均为0.156,更次之为舒适性指标权重为0.091,节能环保指标权重为0.058,重要性在一级指标中最差。同理可分析能力指标、安全性指标、舒适性指标、可靠性指标、节能环保指标子一级指标的重要性,比如安全性指标的子一级指标为结构安全权重为0.2595、运行安全权重为0.3608、防火安全权重为0.2595,通过比较者三个指标可知,运行安全指标最重要,结构安全指标与防火安全指标重要性次之,它们的重要性相同。
  由上述分析可知,转向架的安全性是最重要的,其次是可靠性和能力。
  4系统总体框架
  本系统采用B/S架构,最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用,客户端零维护。系统的扩展性非常容易,只要能上网,再由系统管理员分配一个用户名和密码,就可以使用了。系统结构如图2所示,各个模块具体如下:
  (1)指标体系管理模块:系统管理员通过该模块对指标体系进行管理,可根据需要添加新的指标体系,或对现有的指标体系进行修改、删除和添加等操作。
  (2)调查问卷操作模块:系统管理员通过该模块启动或关闭调查问卷,其中指标体系问卷调查流程分三轮进行,分别第一轮调查问卷、第二轮调查问卷和第三轮调查问卷,这样可以保证指标体系的完整性和科学性,保证指标评价结果的准确。
  (3)调查问卷模块:系统管理员通过该模块根据问卷调查需要,选定问卷模板生成问卷并分发问卷,专家通过该模块对指标进行评分。此外该模块还具有查看问卷功能,方便用户了解问卷调查详细情况。
  (4)指标统计模块:指标体系经过三轮问卷调查后,用户通过该模块可统计查看指标体系的各级指标的权重Wi、特征根λmax、随机一致性比率CR和新增加指标等信息,查看专家的问卷调查情况,及时通知专家参加问卷调查。
  (5)账号信息模块:系统管理员通过该模块对账号进行管理,可对账号进行添加、删除、权限设置和修改等操作;非管理员通过该模块修改自己账户的密码、地址等信息。
  (6)数据库模块:该模块为系统访问数据库提供接口,主要用于保存指标体系的各个指标、专家评价结果和账号信息等等,为系统的运行提供数据支持。
  5总结
  本文通面向产品的广义质量建立了转向架的技术指标体系,应用基于指数标度的层次分析法构建了转向架技术指标评价模型,运用网上基于德尔菲法的三轮专家问卷调查法,开发相应的技术指标评价系统,邀请不同领域专家对各项转向架技术指标体系进行打分,对初步确定的技术指标进行筛选及评分,运用评价模型计算各指标权重和一致性指标,实现对转向架技术指标筛选与评价,进而得到科学性和合理性的转向架技术指标体系,用于指导转向架设计。
  参考文献:
  [1]靳雨菲. 基于层次分析法和德尔菲法的炼钢用真空设备选型问题研究[D]. 上海交通大学,2007.
  [2]郭金玉,张忠彬,孙庆云. 层次分析法的研究与应用[J]. 中国安全科学學报,2008,18(5):148-153.
  [3] 张卫华. 高速列车顶层设计指标研究[J]. 铁道学报,2012,34(9):15-19.
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