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面向概念设计的功能需求获取机制研究

2013-07-25单鸿波于海燕孙志宏

中国机械工程 2013年12期
关键词:知识库产品设计功能

单鸿波 葛 滨 于海燕 孙志宏 徐 方

东华大学,上海,201620

0 引言

随着科学技术的不断发展,用户的需求也在不断发展变化。越来越多的企业为了更好地满足用户的需求,同时又能快速响应瞬息万变的市场要求,都很重视对产品设计早期的需求分析,以便迅速准确地了解用户需求,及时生产出符合用户需求的产品,赢得在激烈市场竞争中的优势。

传统用户需求获取主要有两种方法:一种是用层次分析法获取用户各需求项的权重;另一种是先对用户进行问卷或网上调研获取数据,然后对数据进行处理来获取用户需求项的权重。用户需求转换主要通过质量功能配置(quality function deployment,QFD)实现,质量功能配置是系统思想在产品设计过程中的具体运用,其核心工具为质量屋(house of quality,HOQ)。随着人工智能方法、面向对象编程技术、可重用设计构件库以及相关硬件的发展,获取用户需求的方法准确度有了很大的提高。国内外一些文献就从不同的角度进行了研究。梁樑等[1]提出通过与客户洽谈或在Internet上的交互式对话获取用户需求信息,然后应用QFD和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOSIS)进行产品配置优化分析。张和明等[2]基于产品结构和产品开发过程的需求获取及结构化建模方法,描述了一种通用的需求信息模型。祁国宁等[3]从产品族的主结构出发,描述了从获取需求信息开始到配置结束为止的配置设计全过程,提出了针对配置设计的优化方法。Kreutler等[4]基于模拟领域专家与用户进行智能对话以获取其需求的思想,提出了咨询系统(advisory system)的体系结构,但未能给出具体的实现方法。Hauge等[5]从设计的角度,通过问题测试对用户需求进行分类,开发了产品需求分类方法ELK以支持传统的市场定性研究,但其方法本身过于抽象,针对性较差。Harding等[6]建立了用户需求的产品设计框架,并引入了QFD,将用户的主观想法和需求转换成客观的详细说明书,使得设计人员能够利用它进行产品的设计,尽管QFD提供了设计者定义产品的顾客需求框架,但其缺乏获取用户需求的有效机制,同时不利于信息化建模和管理。现有的方法和技术可以获取一定的用户信息,并获得用户对所设计的产品的需求文档,但这些方法主要是从技术实现的角度引导用户提供一些有效信息,或者只是用户需求重要性排序向产品工程特性重要性排序的映射,主要用于产品的在线配置,找出已有产品中最符合用户需求的产品或者只是产品功能属性间的重新排序组合,并不能用于指导产品的创新设计,原因在于缺乏对用户需求内涵机理的涉及,缺乏对产品工程特性量化方法的具体说明及对产品需求分析整体过程的描述。

鉴于此,本文提供了一种基于用户需求与功能技术特征关系矩阵的需求获取过程,在分析过程中灵活运用热力学中的熵理论和数学分析中的模糊算法,对实验数据进行处理,最后,结合产品设计知识库给出最终所需产品的设计参数。该方法能够有效地找出用户最关心的功能属性,并将模糊的、不确定的和非定量化的主观性用户需求信息转换成最终产品设计所需的参数,使设计出来的产品能够很好地满足用户的需求,生产出来的产品更加富有创新性,研究涵盖了整个需求分析过程。

1 设计知识库系统的建立

1.1 知识库

知识库是知识工程结构化的结果,具有易操作、易利用的优点。采用某种知识表示方式,将某些知识片集合在计算机中进行存储,以备管理和使用之需,是知识库集群的核心。上述知识片包括与领域相关的理论知识、事实数据以及由专家经验得到的启发式知识,如某领域内有关的定义、定理、运算法则和常识性知识等[7]。

知识库的主要作用是使信息和知识有序化。建立知识库,收集和整理与产品有关的性能、参数数据、发明专利以及企业的相关资源储备,如技术能力、制造能力和管理能力;按照一定的方法进行分类保存,并提供相应的检索手段。因此,建立一个基于专家系统的知识库,可使知识库成为企业设计的一个知识专业标准,为部分设计流程提供比较和参考的数据,提高设计产品的可靠性。

1.2 技术成熟度判断

设计早期所制定的功能需求的合理性将直接影响整个设计过程。用户的需求总是变化着的,而功能需求也将随之发生长期演变,因此,设计者需要判断是否对现有的功能需求进行技术进化和功能拓展。

技术成熟度一般分为9级,从1级到9级逐渐提升,即表征着技术从原理到方案、到样机、到最终客户使用确认产品这一演进过程。

技术成熟度判断的本质是利用技术成熟度这把尺子对技术研究的最终成果或阶段成果进行衡量,以反映技术研究成果处于何种状态。技术成熟度的评价过程,国内外大体相同,一般包括评价启动、评价实施和评价后续工作三大步骤[8]。

本文根据产品设计知识库提供的信息等数据,可以定性判定产品技术成熟度和市场生命周期阶段。对处于市场成熟期的产品优先考虑进行替代技术的趋势分析;对成长期的产品,在完善核心功能原理的同时,对辅助功能进行演化路线分析。

1.3 演化路线分析

演化路线分析是一种基于技术历史发展线索描绘其发展历程,并从中提炼出未来可能产生重大影响的新兴技术的方法。

孟庆伟等[9]认为企业产品研发是知识共享、转换和学习的复杂过程。研发人员需要寻找有用的格式化的显性知识并使其融入产品,有时还需要通过面对面的交流与沟通获取企业内外专家所掌握的隐性知识并使其融入产品,新知识的出现有赖于企业把融入产品研发过程中的知识加以有效整合。只有经过了有效的知识整合,企业在产品开发中获取的知识才能成为企业特有知识并形成企业的核心能力。

演化路线分析实际上是知识生成的过程,利用演化路线分析对目前的产品功能进行技术进化,将提高整个设计过程的创新性。常用的演化路线有系统动态性增加、宏观到微观的演化、柔性增加路线、场进化路线和理想化路线等。经过演化分析,确定仍具有演化潜力的功能单元,以便对其进行进化设计。

1.4 基于设计知识库系统的功能需求的获取

用户需求是驱动产品设计的动力源。准确快速地获取和分析用户需求是顺利开发产品的前提,并应该将其落实到产品开发过程的每一个环节之中。基于上述分析,本文提出一种功能需求获取方法,其主要机制由三部分组成:

(1)用户需求及其权重的获取。通过问卷调查收集用户需求,在所有的用户需求中,某些用户需求比其他用户需求要重要,如果这些较重要的用户需求被更好地满足,就会对产品竞争力的提高产生很大的影响,所以各个用户需求重要度的确定是非常重要的。在此利用模糊理论建立用户需求模糊矩阵,然后对其进行熵处理,从而得到各个用户需求的重要度。

(2)用户需求向功能需求的映射。因为用户需求通常是定性而不是定量的描述,所以难于直接利用用户需求来进行产品概念设计。因此,在对产品进行概念设计时,必须将各个用户需求转化为可以量化的功能需求。转化过程主要依据功能需求与用户需求之间的定量关系,使用领域专家或资深设计者打分法,再经过模糊处理后得出各值,从而确定哪些是关键的、重要的功能需求。

(3)功能需求的量化。为了在产品开发中更合理地选定关键产品功能特征,以设计知识库为基础,对所设计的产品进行技术成熟度判断,找出合理的产品设计演化路线,结合分析得来的客户需求,给出详细的最终产品设计规格。

该方法涵盖了整个用户需求分析过程,各个过程处理都简单有效,能够为详细设计过程做好充分的准备,缩短公司的产品开发周期,提高企业的市场竞争力。

图1所示为基于产品设计知识库系统的功能需求获取过程的体系结构。

2 基于产品设计知识库系统功能需求获取过程

2.1 用户需求获取

通过网上图形用户交互界面、客户调查表、市场调查分析等多种方法对用户进行调查,收集用户需求信息。调查结果主要采用1~9分值比例标度[10],最不重要的标定值为数值“1”,最重要的标定值为数值“9”。在这两种极端情况中间划分若干不同的等级,便可标定不同用户对需求的不同喜好程度,从而将调查结果数量化。标度分值的划分标准如表1所示。

对用户进行调查时,要尽可能地保证被调查的用户群体包含使用产品的各个领域的顾客,并且根据顾客对产品知识掌握能力的不同调整调查表的形式内容,保证调查结果能够满足各个阶层顾客的使用需求。

2.2 用户需求评价

熵的概念来源于热力学,后被Shannon教授引入信息论,是用来反映信息系统无序程度的一个度量。作为一种多目标决策的有效方法,熵可以根据各指标值的差异程度,计算出各指标的权重,为多指标综合评价提供依据[11]。可以用熵的方法来对不同功能需求指标的重要度加以标定。

利用模糊集理论将所获得的用户需求信息进行处理,从而得到用户需求模糊集矩阵(customer fuzzy set-matrix,CFS):

式中,Cij为第i(i=1,2,…,m)个用户对第j(j=1,2,…,n)项需求的评分。

当被调查的用户数量很大时,对上面的用户需求模糊集进行计算时将非常困难,因此本文进行了客户群的分类,从而简化用户模糊值矩阵,进而利用熵权来确定CFS中各个客户群的权重系数。假设现在有m个用户,分成s个客户群,每个客户群有Lk(k=1,2,…,s)个用户,相应的权重为φk(k=1,2,…,s),对n项需求进行调查,则得到简化的CFS矩阵CFSa:

对CFSa矩阵进行转置操作得到矩阵,转置后的矩阵中的每一行表示不同的客户群对同一需求进行评价的向量,也就是同一需求对不同的客户群的影响。根据熵理论[12]对矩阵进行熵处理,可以得到各种需求作用于不同用户群的状态概率:

进一步可求得第j个客户群输出的熵:

其中,规定当Pji=0时(j=1,2,…,n),有

式中,d j为用户需求的偏差度;ωj为各个用户需求的重要度;ω为所有用户需求的权重系数向量。

权重系数在决策中起到的作用大小可以用其自身所传递的信息来表示,而信息又可以用熵来进行度量表达,即通过引入熵来反映该指标在整个指标体系中的重要程度。因此用熵处理得到的权重系数具有科学合理性[13],是正确的综合评价结果,对后续的需求处理过程具有重要的指导作用。

2.3 用户需求与功能需求关联矩阵

用户需求都是定性不定量的模糊量,不能够直接被设计者利用来进行产品设计,必须进行转换形成功能需求,才能为后面的详细设计过程提供便利。本文将领域专家利用三角模糊数法[14]对用户需求与功能需求进行的打分评价做相应的处理[10],从而形成用户需求与功能需求关联矩阵。功能需求与用户需求的对应关系及其关系的强度如表2所示。

表2 功能需求与用户需求对应关系

通过上述对应关系的打分找到满足性最差的那些用户需求,分析这些需求之间的独立性和相互关系,以便确定合理的设计优先级,使产品不但满足设计目标,而且尽可能地好。

2.4 功能需求参数化

在用户需求与功能需求关联矩阵模块中得到的用户需要功能,并非每一个功能都能够得以实现,所以在进行参数化前,还必须对产品进行技术成熟度判定,并根据结果选择正确的演化路线,确定最终的功能需求。根据“之”字形映射法则[15],对功能需求和设计参数相互交叉映射,直到将设计参数分解到不可分解为止,最终得到设计参数。

图2所示为面向概念设计的功能需求获取流程。整个过程由用户需求获取开始,通过熵处理进行用户评价,得到用户需求的权重,进而通过专家打分将用户需求权重映射到功能需求,再通过定义重要功能需求和进行技术成熟度判断,确认是否需要功能扩展,最终确定需要改进的功能需求,利用功能需求与设计参数之间的“之”字形映射得到最终的设计参数,从而获得设计者能够看得懂的语言,方便后面的产品详细设计。

3 应用案例

图2 基于设计知识库系统的功能需求获取流程

为了论证上述方法的有效性,下面以山地自行车前悬架的功能需求获取过程为例进行说明。

3.1 用户需求获取

通过用户调查和市场调查来获得用户需求,调查形式可以是访问、问卷或中心小组,例如企业人员制作关于山地自行车前悬架的问卷,问卷的主要内容是围绕用户对山地自行车前悬架的具体要求和想法进行调查,问卷的形式可以是选择、判断以及问答等方式;然后将问卷投入市场让用户进行回答;最后对问卷进行回收处理。采用近似图表法或最小偏差法对收集的用户需求进行处理,将对同一事物不同主体陈述差别较小的归纳在一起。用户对山地自行车的要求很多,但使用舒适、方便是最主要的要求,为了方便叙述,本文的主要6个用户需求如表3所示,其他功能需求暂不讨论。

表3 用户需求

3.2 用户需求评价

用户需求采集阶段不仅获得了用户需求的文字表达,同时还将得到用户使用标度法对各个需求重视度的打分,对这些打分进行模糊处理最终将获得需求权重。根据个人喜好、使用程度等不同将被调查人员分成5组,并根据每组人员所表达的需求能力,依据从低到高的顺序分配需求表达能力系数φ= (0.3,0.5,0.6,0.8,0.9)。将所有的数据代入式(2)中,可得

将式(8)进行转置后将数据代入式(3)~ 式(6)就可得到各个需求项的权重W=[0.189 0.178 0.166 0.155 0.155 0.169]。从权重可以看出,1、2和6是用户比较重视的需求,所以在设计产品时要优先满足。

3.3 用户需求与功能需求的映射

获得用户需求重要度排序后,将用户需求转换为功能需求,功能需求可以帮助设计人员更好地理解用户需求,方便产品的设计。从山地车制造商那里可得到前悬架主要有8个功能需求,如表4所示。

表4 山地车前悬架主要功能需求

为了将用户的需求反映到山地车前悬架功能需求上,可以请专家或者设计者使用表2中评分标准直接对其打分得出各值。具体实施时,可以请多个专家或者设计者等采用三角模糊数法打分,然后采用文献[10]中提到的模糊处理法处理数据。专家打分结果如表5所示。

表5 用户需求与功能需求关系度打分

如果两者之间的关系非常小(<1/12)时,则认为该功能需求对该项用户需求没有影响,在表格中将用缺省表示两者的关系。山地车前悬架功能用户需求到功能需求的映射如表6所示。

表6 山地车前悬架功能用户需求到功能需求的映射

由表6很容易看出哪些功能需求是设计时需要重点考虑的,结合上面已经获得的重要需求,对产品进行技术成熟度判定,并根据结果选择正确的演化路线,确定最终的功能需求。

3.4 功能需求参数化

根据“之”字形映射法则,对功能需求和设计参数相互交叉映射,直到将设计参数分解到不可分解为止,最后根据设计知识库所记录的以往产品的设计参数以及设计参数之间的相互影响,得到能够满足顾客需求的产品设计参数范围。本文依据上述体系结构和设计流程,开发了相应的原型系统 CFRAS(customer functional requirement acquisition system),该系统应用 MATLAB/GUI模块开发,系统建立了功能需求到工程技术参数的映射关系,针对山地车的6个顾客需求,获得了图3所示的性能指标,为用户提供了友好的交互界面,实现了需求设计的可视化。

图3 山地车前悬架性能指标

得到产品性能指标后结合考虑公司生产能力、成本以及市场竞争对手产品特征,最后确定最接近用户需求并便于生产的产品特性指标。

4 结语

本文以用户需求为导向,利用热力学熵处理法得到用户需求权重;通过领域专家对用户需求与功能需求的映射关系打分,建立用户需求与功能技术特征关联矩阵;最后结合产品设计知识库的辅助,对所设计的产品进行技术成熟度判断和演化路线分析,从而得到快速将用户需求信息转换成产品设计制造信息的转换机制,以保证产品的设计生产能更好地满足不同类别的用户需求,提高用户满意度,为概念设计早期阶段的用户需求获取过程提供了有效的方法。

需要指出的是,该方法一般只适用于大型公司。大型公司具备比较完整的产品设计知识库,在最终确定产品设计参数时能够提供准确、有效的参考,而中小型企业不具备这样的资源,通过该方法获得的结果具有一定的局限性;另外,工程特性参数化阶段仍然缺少一个具有可操作性、量化的具体方法,设计人员的主观性对分析结果仍然存在一定的干扰性;运用该方法的分析思想设计出一套更加成熟、可靠性高、鲁棒性强和便于企业操作的需求分析软件,是笔者今后的主要研究方向。

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