基于logistic回归的设计缺陷影响因素的关系网模型*

刘卫东，肖承地

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

基于logistic回归的设计缺陷影响因素的关系网模型*

刘卫东，肖承地

(南昌大学机电工程学院，南昌 330031)

为了在产品设计开发过程中能有效地预防和控制设计缺陷，对设计缺陷因素进行了总结并根据设计缺陷因素的属性和对设计缺陷影响性质和方式的差异对其进行了分类;根据硬件产品设计开发过程，定性地分析了设计缺陷因素对设计过程的影响。以此为基础，构建了硬件产品设计缺陷因素与设计缺陷类型的关系网模型;运用logistic回归理论，建立了硬件产品设计缺陷因素的回归分析模型，实现了设计缺陷因素对设计缺陷影响的定量化分析。研究成果也为进一步深入研究设计缺陷的形成机理做了有益的尝试。

设计缺陷;影响因素;关系网模型;logistic回归

0 引言

产品质量是通过精心设计赋予的，通过精密制造而实现的，通过精细管理来保证的。产品设计工作从源头对产品质量产生极其重要的影响，它赋予产品“先天性优劣”这种直观重要的本质特性［1］。产品设计是一项复杂的系统工程，整个设计过程涉及的人员、资源和信息繁多，任何一个环节处理不当都会影响产品的设计质量，甚至导致产品存在设计缺陷。可能造成产品设计缺陷的设计缺陷因素众多，不同的设计缺陷因素对各种设计缺陷的影响方式和影响程度也不同。因此，根据设计缺陷属性和对设计缺陷的影响性质和方式的差异对设计缺陷进行分类，建立设计缺陷因素与设计过程及设计缺陷类型之间的关系模型，有利于全面掌握设计过程中的缺陷源，对企业预防和控制设计缺陷具有理论和实际指导意义。

产品设计缺陷因素分布于从方案设计、技术设计和工艺设计的整个产品设计过程中。国内外学者的研究不是着眼于设计缺陷的影响因素，而是从不同角度对总体设计质量的影响因素进行分析研究［2-4］。对设计质量影响因素的分析有助于理解设计过程对设计缺陷的影响，但设计缺陷作为设计质量评价的核心内容，其形成过程有自身规律性，需要从其形成的过程全面地分析设计缺陷因素。为数极少的关于设计缺陷影响因素的研究过于笼统，如文献［5］根据质量管理中对造成质量波动原因分类的方法，将设计缺陷因素分为显性设计缺陷因素(突发设计缺陷因素)和隐性设计缺陷因素(固有设计缺陷因素)，但这种分类过于简单，对实际产品设计过程的指导作用不大。

目前学术界对缺陷形成方面的研究成果都集中从技术层面分析探究具体产品的特定缺陷产生机理及其检测与控制手段［6-8］，仅文献［9］和［10］对设计缺陷的数学模型及其在不同设计模式中形成、发展过程和改进的质量成本等问题，应用神经元模型等理论和方法进行了初步的研究探讨。关于设计缺陷影响因素和设计缺陷形成过程研究的缺乏，必然导致设计缺陷预防和控制研究的不足，特别是定量分析研究设计缺陷因素与设计缺陷的相互关系基本上还是空白。

硬件产品在ISO标准中被定义为具有特定形状、可分离的有形产品，如汽车、空调和机床等，是产品所有类型中使用最为广泛、数量最大的一类产品。本文着眼于硬件产品设计缺陷的预防和控制，对设计缺陷因素进行分类，构建设计缺陷因素与设计过程和缺陷类型的关系网模型，并通过回归分析，研究设计缺陷共性设计缺陷因素对设计缺陷的影响方式及影响程度。

1 设计缺陷因素的分类

设计缺陷源于产品设计各阶段对设计任务的构思和实施，即设计缺陷产生于设计过程中对产品概念的构思及其特性参数优化的过程。影响设计过程的因素主要包括与设计过程相关的资源信息、技术、理论、方法、工具等。不同的设计缺陷因素对设计缺陷的影响方式和影响程度也不一样。根据设计缺陷因素的属性及其对设计缺陷的影响方式，对影响设计过程的设计缺陷因素进行归纳和分类。

(1)设计理念与目标

设计理念是设计者在产品构思过程中所确立的主导思想，它赋予产品品质内涵和风格特点。设计理念和目标对设计缺陷的产生有直接或间接的影响。好的设计理念至关重要，它不仅是设计的精髓所在，而且能令产品具有个性化、专业化和与众不同的效果，反之则可能直接导致设计缺陷的产生。设计目标包括设计的技术目标、设计成本、设计周期、生产周期、售后服务等产品的综合性能要求。设计目标制定的不正确或不可行可能间接地导致设计缺陷的产生。

(2)设计环境

设计环境对设计缺陷的产生有直接或间接的影响。设计环境包括社会环境、自然环境、技术环境、市场环境等的宏观要求。社会环境主要包括政治、经济、法律等方面的内容，所开发的产品必须与当地的社会环境相协调。自然环境主要体现生态环境的对产品的要求，包括环境保护、资源利用等。技术环境包括相关技术的研发现状与发展趋势、国家的技术政策及其发展趋势等。市场环境主要是同行业企业同类产品的研发、生产和销售状况，市场未来发展的预测、国家的产业政策及其发展趋势等。如不能准确理解和把握设计环境，可能导致设计缺陷的产生;而良好的设计环境则有助于预防设计缺陷的产生。

(3)设计信息

设计信息的不准确和不完备可能直接导致设计缺陷的产生。设计信息包括市场调研、设计资源和过程质量等与设计过程相关的信息。市场调研信息主要包括顾客需求、用户反馈、竞争对手和相似产品，以及与该产品相关的政策、法律等方面的信息。设计资源信息主要包括相关的专利、专有技术和同类或相似产品的研发经验积累等技术储备，从事设计开发的各类人员的学历、相关工作经历和年限、专业技术熟练程度等，以及研发资金投入、研发装备等信息。过程质量信息主要指企业相关生产加工工序质量水平、加工设备状态及工艺参数和供应链信息等，这些信息对工艺设计如选择加工方法、确定加工路线、选择加工设备等至关重要。

(4)设计过程

包括设计模式、采用的设计方法和使用的设计工具等方面的内容，它们不仅影响设计效率，而且也直接或间接地影响设计质量。目前常用的有串行和并行两种设计开发模式:串行设计开发模式设计周期长，设计效率低，协同管理和对设计积累的要求低，但设计活动展开充分，有助于设计缺陷在设计过程中得到识别和解决;而并行设计开发模式设计周期短，设计效率高，协同管理和对设计积累的要求也高，受时间限制，设计活动往往不能充分展开，不利于在下一个设计环节或活动中识别和解决先前设计环节或活动产生的设计缺陷。而设计方法和设计工具往往根据具体的设计任务、设计目标及其实现思路来选择，这些内容在产品设计各阶段均有体现。目前，优化设计、动态设计和概念设计等现代设计理念和方法已在工程界得到广泛应用，而计算机在设计领域的应用不仅极大程度地提升了设计效率，而且使得许多先进的设计理念和设计方法的实际应用成为可能。选择好这些方法和工具并加以正确运用，有助于高效、精确地实现设计目标，避免设计缺陷的产生。

(5)设计管理

设计管理是对设计缺陷起间接影响作用的一类基础性和综合性的因素，具体包括设计人员的管理、设计过程的管理和设计装备的管理等多个方面。所有设计活动都是通过具体的设计人员来完成的，人员管理主要是对设计人员岗前培训、职业素养、专业技能、质量意识等方面进行有效管理。所有设计活动都是通过具体的一个、一个设计过程来实现的，设计过程管理包括对设计过程的设计、过程要素的评审、设计缺陷因素的确定及其监测和控制、沟通有效性管理等。而设计过程的顾客需求分析、概念设计、详细设计、工艺设计、制造与试验等环节或活动需要使用设计工具、试制样品样机的设备和检测装备等设计装备，设计装备的管理包括选型、购置、使用、评估及处置等多项内容。做好设计管理，将有助于预防或避免设计缺陷的产生。

2 设计缺陷因素对设计过程的影响

产品设计过程是产品功能和性能特性从抽象到具体、从概念到详细、从模糊到精确、从定性到定量逐步细化直到满足设计目标要求的过程。设计人员在设计理念和思想的指引下，制定出设计规划，以产品的功能和性能需求为出发点，在企业资源、质量成本、技术条件等约束下，做出一系列设计决策。设计各阶段需要不同的设计信息，通过对这些信息的分析、处理，辅助设计人员做出设计决策和设计管理。产品设计各阶段与设计缺陷因素的关系如图1所示。

图1 产品设计各阶段与设计缺陷因素的关系图

(1)产品规划阶段

产品设计规划和顾客需求分析阶段，为了制定产品规划和项目任务书，主要的流程和活动有:市场调研、顾客需求获取与合成、产品构思、确认市场机遇、项目评估和优先级排序、分配资源和安排时间、产品规划评审等。产品构思受限于设计团队对问题的把握、理解、分析和综合处理能力及对市场需求的准备判断，即设计指导思想和设计目标与该阶段过程相关。顾客需求的获取和整合需要全面的掌握顾客对产品功能和性能特性要求。同时，产品规划的评审主要受到市场调研信息的影响，全面准确的信息有助于对设计过程做出准确的评判。

(2)产品概念设计阶段

产品概念设计过程是分析顾客需求到形成产品概念的一系列有序的、有组织的、有目标的设计活动。这个阶段主要的活动有:确定产品的总体系统特性和结构尺寸、完成各种技术的计算、利用优化技术确定工程特性的目标值等。除受上一阶段输出的影响外，产品概念的形成过程还受技术环境、企业的设计资源信息、设计模式、设计方法和设计工具的影响。也就是说，这些设计缺陷因素与概念设计阶段相关。例如:技术环境不同，概念设计过程采用的设计手段也可能不一样，最终确定的产品特性目标也会有不同程度的区别，而诸如结构性能缺陷往往都由这些参数特性不科学或不合理导致的。

(3)产品详细设计阶段

产品详细设计主要是根据概念设计输出的结果，将产品工程特性转化为相应的零部件特性，系统考虑企业竞争及产品开发后续阶段各种因素对设计方案的影响，在企业资源约束下，分别利用优化技术对各零部件的设计方案和形状、尺寸进行选择和计算，并针对所选定的一组设计法，确定各零部件的特性目标值，最后确定下一阶段的零部件特性。这一阶段主要活动有:产品方案确定、详细的质量设计、详细的技术计算、零部件和连接件的核对、成本核算等。详细设计过程是一个复杂的多目标循环设计过程。除设计输入外，该过程主要影响因素有设计资源、过程质量信息、设计模式、设计方法、设计工具等，其中设计资源信息和设计过程质量信息是过程的约束，设计工具和设计方法是影响到设计效率和效果，也是设计质量的保障因素。

(4)产品工艺设计阶段

产品工艺设计阶段主要任务包括零部件工艺的制定和工装的设计。具体来讲，工艺设计是将零部件特性转化为相应的工艺参数，综合考虑企业竞争及产品开发后续阶段各种因素对工艺方案的影响，在生产设备、生产能力和生产成本等约束下，利用优化技术对各种工艺方案进行评价，确定工艺路线，并针对所选定的一组工艺方案，确定各工序的目标值，完成工装的设计，最后确定下一阶段的工艺特性。因此，企业的过程质量信息直接影响到工艺路线的制定和工艺设计的合理性。同时，设计方法和设计工具将影响设计效率和效果，直接决定着产品的制造质量、制造成本和交货期。

3 设计缺陷因素与设计缺陷的关系网模型

一般而言，硬件产品设计开发过程是以顾客需求为驱动，以基型产品功能和性能优化为基本内容。因此，从设计开发过程实现的功能任务角度，可将其划分为产品功能规划、结构性能优化、工作性能优化和工艺优化四个功能任务模块。相应地可将硬件产品设计缺陷划分为四类，即功能缺陷、结构缺陷、性能缺陷和工艺缺陷，分别与产品设计的各功能任务模块相对应。因此，结合设计缺陷因素与设计过程的关系，可以得到硬件产品设计缺陷因素与设计缺陷类型之间的关系网模型，如图2所示。

图2 设计缺陷因素与设计缺陷的关系网模型

4 设计缺陷因素对设计缺陷影响分析

在表达出设计缺陷因素与设计缺陷类型的关系网模型后，需要进一步对模型进行验证和分析各设计缺陷因素对设计缺陷的影响方式或影响程度，这也是设计者或设计管理者最为关心的问题。设计缺陷因素是否对设计缺陷有影响是二分类变量。对于二分类变量，线性回归模型已不适用，预测值会超出0和1的范围，在此应用Logistic回归模型［11］进行分析。

4.1 设计缺陷因素影响的logistic回归模型

从设计结果来看，设计缺陷因素对产品设计的影响有两种:导致所设计的产品存在缺陷和不会导致产品存在设计缺陷。设计缺陷因素对产品设计的影响是一个二分类变量:导致设计缺陷的产生，用y=1表示;不会导致设计缺陷产生，用y=0表示。

设第i个设计缺陷因素诱发设计缺陷产生的条件概率为Pi=P(yi=1|xi)。在硬件产品设计开发过程中，若有n个设计缺陷因素影响设计缺陷的发生，可建立硬件产品设计缺陷发生的logistic回归模型如式(1)所示:

式(1)中，α 和 β1，…，βn分别为回归截距和回归系数。

相反，设计缺陷未发生的条件概率为:

因此，在一定设计缺陷因素影响下，设计缺陷产生与否概率的比值为:

所以，设计缺陷发生的logistic回归模型的logit形式表达式为:

在运用(1)式进行设计缺陷因素对设计缺陷的影响分析时，需要首先确定反应变量和自变量;再根据确定的变量，收集整理相关数据;然后，确定进入logistic回归模型的方法，对模型的拟合程度和预测效果及模型系数进行全局性检验;最后进行回归分析并对分析结果做出判断。

4.2 设计缺陷因素影响的定量分析

由于设计缺陷因素在产品设计过程中都是定性的描述，为了便于度量和统计，将设计缺陷因素视为二分类变量，分别用1或0的编码值进行表示。因此，在控制其他设计缺陷因素的条件下，设计缺陷因素xi=1对比xi=0的发生比率，其估计值为:

从式(5)可以看出，调整发生比率就是变量xi的logistic回归系数的指数幂。

AOR表示设计缺陷因素对设计缺陷发生的影响方式和影响能力大小，即设计缺陷因素在编码值的两个不同水平下，设计缺陷产生的危险性或可能性之比:

AOR＞1，说明该设计缺陷因素编码值为1时，设计缺陷产生的可能性增加，且AOR取值越大，表明该设计缺陷因素编码值为1时比该设计缺陷因素编码值为0时诱发设计缺陷产生的可能性越大，即影响能力越大;

AOR＜1，说明该设计缺陷因素编码值为1时，设计缺陷产生的可能性降低，且AOR取值越小，表明该设计缺陷因素编码值为1比该设计缺陷因素编码值为0对设计缺陷的控制或抑制作用越明显，影响能力越大;

AOR=1表示该因素与设计缺陷的发生无关。

5 结论

设计过程中可能导致设计缺陷产生的因素众多，不同性质的设计缺陷因素可能造成设计缺陷的方式和程度也不同。准确把握设计缺陷因素对设计缺陷的影响关系，以预先采取有效的预防和控制措施来避免设计缺陷的产生，是设计管理的重要内容。本文对设计缺陷影响因素进行了分类，并按设计过程定性地分析了设计缺陷因素对设计过程的支持，有利于设计者对设计过程中的缺陷源进行全面的把握;以此为基础，构建设计缺陷因素与设计缺陷的关系网模型，来直观地表达设计缺陷因素与设计过程和设计缺陷类型之间影响关系;提出了基于logistic回归的设计缺陷因素定量分析方法，达到从定性和定量两个方面把握设计缺陷因素对设计缺陷的影响性质和程度的目的。但在定量分析各设计缺陷因素对设计缺陷的影响方面本文仅给出了研究思路和方法，还需结合企业产品设计开发过程，运用上述方法分析不同类别产品的各类设计缺陷的主要影响因素及其对设计缺陷的影响方式和影响程度。

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Relationships Network Model of Factors Influencing Design Defect Based on Logistic Regression

LIU Wei-dong，XIAO Cheng-di
(The College of Mechanical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

In order to prevent and control the defects of design effectively in the product design process，the factors affected the defect in design were classified according to the differences in the nature and manner of design defects.According to the hardware product design process，the effect of design factors on the design process has been analyzed qualitatively.Meanwhile，the relation web model that the types of hardware design defects as a function of the factors affecting design defects was established.The method of logistic regression was used to build the regression analysis of the factors affecting design defects.On this way，it Makes the quantitative analysis of defect factors of design flaws become possible.Those conclusions are also useful for the further studying on the formation mechanism of the hardware design defects.

design defect;influencing factors;connection network model;logistic regression

TP391;TH122

A

1001-2265(2012)12-0015-04

2012-04-17

国家自然科学基金资助项目(71161018)

刘卫东(1962—)，男，江西新干人，南昌大学机电工程学院教授，博士，从事质量管理与可靠性研究，(E-mail)liuwd@ncu.edu.cn。

(编辑 赵蓉)