面向客戶需求的機(jī)床產(chǎn)品配置及優(yōu)化決策研究*

王鵬家，鞏亞東，謝華龍，劉永賢

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 先進(jìn)制造與自動化技術(shù)研究所，沈陽　110819)

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面向客戶需求的機(jī)床產(chǎn)品配置及優(yōu)化決策研究*

王鵬家，鞏亞東，謝華龍，劉永賢

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 先進(jìn)制造與自動化技術(shù)研究所，沈陽110819)

為了解決產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中客戶需求的不確定性與模糊性，提出了一種基于灰色粗糙集模型的客戶需求分析方法。在沒有任何人為因素的干擾下，建立了客戶需求與產(chǎn)品技術(shù)特性指標(biāo)間的映射，有效的實(shí)現(xiàn)了從客戶需求到產(chǎn)品配置參數(shù)的轉(zhuǎn)換。同時，為了幫助企業(yè)在成本和時間的約束下能夠快速選擇出關(guān)鍵的技術(shù)特性進(jìn)行配置以最大程度的提高客戶滿意度，建立了產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型，并在此方法的基礎(chǔ)上利用MATLABGUI開發(fā)了產(chǎn)品配置優(yōu)化決策系統(tǒng)。以機(jī)床產(chǎn)品為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證,結(jié)果表明了該方法的有效性和實(shí)用性。

灰色粗糙集；優(yōu)化決策模型；計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，客戶定制化產(chǎn)品在面向市場的制造業(yè)環(huán)境中是一種趨勢[1]。企業(yè)需要在接到訂單后快速的提供個性化的產(chǎn)品[2]。作為先進(jìn)制造技術(shù)的象征，機(jī)床產(chǎn)品也面臨著同樣的問題。目前，很多新的方法和原理像質(zhì)量功能展開(QFD)，公理化設(shè)計(jì)(AD)等已經(jīng)被用來幫助設(shè)計(jì)者識別客戶需求與產(chǎn)品特性之間的關(guān)系[3-4]。但是，從客戶需求到設(shè)計(jì)需求的轉(zhuǎn)化以及設(shè)計(jì)方案的選擇仍大量的依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和知識，這需要浪費(fèi)大量的時間，并會影響到客戶定制化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和效果，甚至影響到設(shè)計(jì)自動化的發(fā)展[5]。

在客戶需求的轉(zhuǎn)化和映射方面，很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了一定的成果。袁等[6]提出了需求單元以及需求單元粒度的概念，并對客戶需求進(jìn)行了合理的分解。李等[7]構(gòu)建了基于語義的客戶需求模型，并用規(guī)則加框架的方式來表達(dá)客戶需求。樓等[8]和郭等[9]主要通過Web對客戶需求進(jìn)行獲取與分析。上述方法主要集中在對客戶需求的定性描述。Hauge等[10]提出了需求分類樹以輔助傳統(tǒng)的定性研究，但此分類樹過于籠統(tǒng)，它很難反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的詳細(xì)特性。還有一些研究人員從客戶的角度出發(fā)，直接建立了客戶化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它既不能反映客戶需求也不能說明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能[11-12]。這幾種方法主要關(guān)注于產(chǎn)品的全新設(shè)計(jì)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，新產(chǎn)品的產(chǎn)生主要是從現(xiàn)有產(chǎn)品中變型產(chǎn)生的。在工程領(lǐng)域，質(zhì)量功能展開(QFD)一直被廣泛的應(yīng)用，其核心是使用質(zhì)量屋(HoQ)在客戶需求與產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但是，質(zhì)量屋中的信息需要大量的人為判斷，預(yù)測以及估計(jì)，在許多情況下會產(chǎn)生模糊性和不確定性，而且QFD本身只是揭示了客戶需求，而同配置設(shè)計(jì)沒有什么關(guān)聯(lián)。

因此，針對客戶需求的不確定性和模糊性，本文提出了一種基于灰色粗糙模型的分析方法，在沒有人為因素的干擾下實(shí)現(xiàn)了客戶需求到產(chǎn)品配置參數(shù)的轉(zhuǎn)化。另外，為了利于企業(yè)在成本和時間的約束下選擇出關(guān)鍵的產(chǎn)品技術(shù)特性進(jìn)行配置并使客戶滿意度達(dá)到最大值，本文建立了產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型，并基于此模型用MATLABGUI開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)以便于設(shè)計(jì)人員決策。

1　客戶需求的獲取

客戶需求是客戶從他們的角度以及用他們的表達(dá)方式對產(chǎn)品所進(jìn)行的描述。決定產(chǎn)品功能和性能的客戶需求是產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)。若在不知道客戶需求的前提下進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，將會造成產(chǎn)品庫存的積壓并降低企業(yè)的市場競爭力。在產(chǎn)品的配置設(shè)計(jì)中，獲取客戶需求是首要的?？蛻粜枨蟮墨@取方法主要包括問卷調(diào)查法，直接訪問法和主動分析法等。

2　客戶需求的轉(zhuǎn)換算法

粗糙集理論是由波蘭學(xué)者Pawlak(1981)提出的一種處理模糊性及不確定性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具，它提供了分析目標(biāo)的輸出形式，而且粗糙集分析不需要任何附加的信息，額外的參數(shù)或主觀解釋去決定集的成員，它所需的信息全部由給定的數(shù)據(jù)提供[13]。因此，使用粗糙集理論進(jìn)行客戶需求的轉(zhuǎn)換可以避免人為因素的干擾。另外，灰色系統(tǒng)理論是由鄧聚龍教授于1982年提出的一種研究少數(shù)樣本、貧信息不確定性問題的數(shù)學(xué)方法[13]。因此，本文針對機(jī)床產(chǎn)品客戶需求的特點(diǎn)，將二者結(jié)合提出了一種基于灰色粗糙模型的客戶需求轉(zhuǎn)換方法。運(yùn)用此方法，從給定的信息中提取有價值的信息，來實(shí)現(xiàn)對配置參數(shù)的正確描述?；疑植谀Ｐ蛯⒏鶕?jù)客戶所提出的粗糙集，通過其上、下近似算子和灰色信息的白化方法來進(jìn)行構(gòu)建。

其中，相關(guān)定義如下：

ui(?)=(ui1(?)，ui2(?)，……uim(?))，i=1，2，...n

基于灰色粗糙模型算法的詳細(xì)步驟如下：

(1)建立灰色信息表及每個灰數(shù)的取值范圍。

(2)將灰色信息表中的數(shù)據(jù)歸一化處理：

(1)

(2)

1≤i≤n，j=1,2,……，m

將uij(?)歸一化后得到的評估向量為：

(3)計(jì)算客戶需求的理想產(chǎn)品的評估向量：

(3)

(4)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(4)

其中，λ∈[0,1]，且一般取值為0.5。

(6)求出產(chǎn)品的各技術(shù)特性(屬性)的權(quán)重值。

(5)

(7)計(jì)算產(chǎn)品關(guān)于灰類的綜合聚類系數(shù)及判定產(chǎn)品各技術(shù)特性的所屬類別。

根據(jù)該系數(shù)中最大值的位置，確定產(chǎn)品對象每個屬性的所屬類別，即屬于在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中客戶需求信息所必須考慮的核心技術(shù)特性、候選技術(shù)特性和非因素特性中的哪一類。

關(guān)于灰類的綜合聚類系數(shù)σi計(jì)算公式如下：

(6)

產(chǎn)品每個屬性的所屬類別可根據(jù)下式判定：

(7)

3　產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型

通過客戶需求的轉(zhuǎn)換，模糊的客戶需求被轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的配置技術(shù)特性，并同時得到了各技術(shù)特性的權(quán)重。然而企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)時要受到時間與成本的限制，在約束條件下，并不能保證所有的技術(shù)特性指標(biāo)都在配置設(shè)計(jì)中被考慮。所以有必要構(gòu)建產(chǎn)品配置的優(yōu)化決策模型，便于企業(yè)在一定的時間與成本約束下，選出能使客戶滿意度達(dá)到最大的重要技術(shù)特性進(jìn)行配置設(shè)計(jì)。

(8)

構(gòu)建的產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型如下所示：

(9)

(10)

式中，M為客戶需求滿意度的最大值，nj=1說明在設(shè)計(jì)中實(shí)施第j個技術(shù)特性，nj=0則不實(shí)施。

為方便求解所建立的模型，本文采用決策態(tài)度因子ε將區(qū)間估計(jì)決策變?yōu)辄c(diǎn)決策。以配置設(shè)計(jì)資金Cj為例：

(11)

ε為產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)人員針對決策問題的態(tài)度，一般包括樂觀、折中與悲觀三種類型，它們對應(yīng)的取值范圍分別為：0<ε≤0.5，ε=0，-0.5≤ε<0。

與此類似，配置設(shè)計(jì)的周期tj也可求出。

4　實(shí)例驗(yàn)證

本文以重要的基礎(chǔ)裝備制造產(chǎn)品—機(jī)床為例對所提出方法在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中的實(shí)用性及有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1機(jī)床產(chǎn)品客戶需求的處理及轉(zhuǎn)換

本文以ETC系列數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品為例，通過灰色粗糙集模型客觀地將模糊的需求信息向機(jī)床產(chǎn)品配置參數(shù)表映射，同時確定了配置機(jī)床產(chǎn)品時所要考慮的技術(shù)特性。

表1　某數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品特性指標(biāo)結(jié)構(gòu)

對于ETC系列車床，客戶一般要求配置的機(jī)床具有加工范圍廣、加工精度高、效率高和數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。本文假定客戶需求主要集中在機(jī)床的功能和性能需求之上。ETC系列某型號數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品性能指標(biāo)參數(shù)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

對客戶需求整理分類后可知，客戶對機(jī)床產(chǎn)品最為關(guān)心的指標(biāo)為：性能、功能和壽命。本文以需求的機(jī)床產(chǎn)品特性指標(biāo)為例，在已有產(chǎn)品實(shí)例的特性指標(biāo)中選出八個指標(biāo)作為待分析因素：A1：機(jī)床最大切削長度(mm)，A2：最大切削直徑(mm)，A3：X軸行程(mm)，A4：Z軸行程(mm)，A5：主軸最大轉(zhuǎn)速(r/min)，A6：X軸定位精度(mm)，A7：Z軸定位精度(mm)，A8：工件表面粗糙度(μm)。將現(xiàn)有六種不同型號的ETC系列機(jī)床作為待評估產(chǎn)品，則U={1,2,3,4,5,6}。具體分析步驟如下。

由已有產(chǎn)品實(shí)例的技術(shù)特性指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，建立待評估機(jī)床指標(biāo)的灰色信息表，如表2所示。

表2　待評估機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)特性指標(biāo)灰色信息表

通過公式(1)、(2),歸一化后的待評估機(jī)床技術(shù)特性指標(biāo)灰色信息表，如表3所示。

表3　歸一化后待評估機(jī)床特性指標(biāo)灰色信息表

通過公式(3),計(jì)算出客戶需求的理想產(chǎn)品的評估向量為：

由公式(4)計(jì)算出每個產(chǎn)品關(guān)于客戶需求產(chǎn)品的灰色區(qū)間關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

基于客戶需求，本文把產(chǎn)品技術(shù)特性指標(biāo)設(shè)為三個灰類，由關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，根據(jù)每個特性指標(biāo)中的取值，找出分段函數(shù)中間點(diǎn)，構(gòu)造出的白化權(quán)函數(shù)分別為：

由于機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)特性指標(biāo)A6、A7在每個待評估產(chǎn)品中均一致，在分析產(chǎn)品技術(shù)特性指標(biāo)權(quán)重時可不予考慮。

由公式(5)計(jì)算得出各特性指標(biāo)的權(quán)重：

ω1=0.173,ω2=0.182,ω3=0.162,ω4=0.164,ω5=0.193,ω8=0.126。

由公式(6)可以計(jì)算出各產(chǎn)品關(guān)于灰類的綜合聚類系數(shù)為：

σ1=(0.481,0.206,0.103)σ2=(0.653,0.254,0.120)

σ3=(0.301,0.206,0.176)σ4=(0.382,0.306,0.160)

σ5=(0.702,0.382,0.143)σ8=(0.176,0.333,0.156)

按照設(shè)定的三個灰類，由所求的聚類系數(shù)，根據(jù)公式(7)，可得特性指標(biāo)A1、A2、A3、A4、A5屬于第一類灰類，指標(biāo)A8屬于第二類灰類。

4.2機(jī)床產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型求解

假設(shè)機(jī)床企業(yè)對機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行配置設(shè)計(jì)的投入成本為25萬元，設(shè)計(jì)周期為10天，并且使配置出的機(jī)床產(chǎn)品盡可能的滿足客戶需求。根據(jù)客戶需求的轉(zhuǎn)化，進(jìn)行配置設(shè)計(jì)的技術(shù)特性為A1：最大切削直徑，A2：最大回轉(zhuǎn)直徑，A3：X軸行程，A4：Z軸行程，A5：主軸最大轉(zhuǎn)速，A8：工件表面粗糙度。設(shè)計(jì)員在對每個技術(shù)特性實(shí)施配置設(shè)計(jì)中的成本及周期的區(qū)間估計(jì)分別如表4和表5所示。

表4　設(shè)計(jì)成本的區(qū)間估計(jì)

表5　設(shè)計(jì)周期的區(qū)間估計(jì)

基于本文所提出的理論，運(yùn)用MATLABGUI開發(fā)了產(chǎn)品配置規(guī)劃階段優(yōu)化決策系統(tǒng)，如圖1所示。將相應(yīng)系數(shù)輸入系統(tǒng)，可快捷準(zhǔn)確的求得n1=1, n2=1, n3=1, n4=1, n5=1, n8=0。

圖1　產(chǎn)品配置優(yōu)化決策系統(tǒng)

可見，企業(yè)在25萬元資金和10天時間約束條件下，為使客戶滿意度達(dá)到最大值，在配置設(shè)計(jì)中需首先考慮A1,A2,A3,A4和A5這幾個技術(shù)特性。另外，如果追加資金和時間的投入可提高客戶的滿意度，在本實(shí)例中如果將資金投入追加到30萬則可滿足客戶所有的技術(shù)要求。

5　結(jié)論

(1)提出的基于灰色粗糙模型的方法可以有效的解決客戶需求的不確定性和模糊性，在沒有人為因素干預(yù)的前提下實(shí)現(xiàn)了從客戶需求到產(chǎn)品配置參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

(2)建立的產(chǎn)品配置優(yōu)化決策模型可有效的幫助企業(yè)選擇出在固定時間和成本約束下達(dá)到最大客戶滿意度的最佳配置設(shè)計(jì)方案，同時企業(yè)也可根據(jù)實(shí)際情況追加資金或時間以提高客戶滿意度。

(3)充分利用MATLABGUI界面友好的特點(diǎn)以及MATLAB科學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大的優(yōu)勢，開發(fā)了產(chǎn)品配置優(yōu)化決策系統(tǒng)，解決了很多學(xué)者的研究理論無法實(shí)際應(yīng)用到企業(yè)的現(xiàn)狀。在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快捷的得出合理的配置方案且對其它裝備制造業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有通用性。

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(編輯李秀敏)

ResearchonMachineToolProductConfigurationandOptimizationDecisionOrientedtoCustomerRequirements

WANGPeng-jia,GONGYa-dong,XIEHua-long,LIUYong-xian

(InstituteofAdvancedManufacturingandAutomationTechnology,SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

Tosolvetheproblemoffuzzinessanduncertaintyofcustomerrequirementsinproductconfigurationdesign,ananalysismethodbasedongreyroughmodelwaspresented.Basedonthismethod,thecustomerrequirementscanbeconvertedtotechnicalcharacteristicseffectively.Moreimportantly,theinfluenceofhumanfactorscanbeavoidedintheconversionprocess.Inaddition,anoptimizationdecisionmodelforproductplanningwasestablishedtohelptheenterprisestoselectthekeytechnicalcharacteristicsundertheconstraintofcostandtimetoservethecustomertomaximumsatisfaction.Furthermore,basedontheproposedmethods,acomputer-aidedsystemisdevelopedbyusingMATLABGUItoassistthemachinetoolproductplanning.Theactualexampleandtheresultshowthattheproposedmethodologyiseffective,rapidandaccurateintheprocessofproductconfiguration.

greyroughmodel;optimizationdecisionmodel;computeraidedsystem

1001-2265(2016)08-0148-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.040

2015-09-03

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAF12B08)；遼寧省科技重大專項(xiàng)和科技攻關(guān)項(xiàng)目(2010020076-301, 2011216010)

王鵬家(1985—)，男，山東龍口人，東北大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)槟K化設(shè)計(jì)、CAD/CAM、制造業(yè)信息化，(E-mail)pjwneu@163.com。

TH164;TG659

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