顾客需求模板的动态分类树研究

徐楠，孟宪举，李国斌

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

顾客需求模板的动态分类树研究

徐楠1，2，孟宪举1，2，李国斌1

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101）

顾客需求模板是质量功能配置（QFD）系统对设计实例和规则进行规范化的工具。文章基于质量功能配置中顾客需求动态获取的特点，分析了顾客需求模板实例提取和动态进化过程，规范了设计实例及设计规则的描述，提出了实现模板动态进化的动态分类树的概念，探讨了动态分类树的存储、规则调整方式以及实例归类方法。结果表明:基于数据结构的二叉树定义，将动态分类树的存储设计为三重链接方式，实例规则调整采用自下而上的方式检索规则并存储，实现系统存储的近似最小变量空间；基于最近相邻策略设计实例归类标准及其算法，通过指定归类标准值达到调整顾客需求模板中实例分类的目的，提高推理决策的准确性。

质量功能配置；顾客需求模板；动态分类树；二叉树；最近相邻策略

0 引言

企业对某新产品的设计一般不会是在没有先例情况下的全新设计。通常设计人员要通过对已有某类产品的改型来满足新的用户需求，这要求设计人员依据先前的设计经验和实例来指导完成当前的设计任务。因此机械产品设计是在一定条件约束下的面向设计目标并具有继承属性的智能决策和推理行为［1］。而且这一特征在系列化、规格化产品设计中的表现尤为明显。

质量功能配置QFD（Quality Function Deployment）是一种通过产品规划、工程设计以及生产制造等环节将顾客的要求准确转化到最终产品上的一套设计生产管理思想体系。企业对顾客需求的提取和分析在QFD中需要借助数据库和实例库，即应用基于实例的推理方法通过访问和调整实例库中过去同类问题的求解，推理出当前问题的解决策略或解决方案，这个解决策略或方案可以成为新实例加入实例库中［2-5］。在应用基于实例推理方法来获取和整理顾客需求后，确定顾客需求的重要度，分析顾客对市场上类似产品在满足顾客需求方面的看法［6-8］。文章提出了一种基于实例推理的顾客需求动态模板的动态分类树设计方法，以达到方便分析顾客需求并为企业发展决策提供可靠依据的目标。

1 动态分类树概念的提出

1.1 顾客需求动态模板

在质量功能配置（QFD）应用过程中，由于每个设计人员的设计观念和语言风格有所不同，因此他们归纳出的顾客需求的语言表述就不会完全相同，这给QFD系统推理带来一定的困难，有时甚至系统由此可能推理出错误的结论。为此，质量功能配置系统设计出一种规范的工具—顾客需求模板，对设计实例及规则进行一定程度的规范。然而新产品开发又会带来另一个问题，即旧实例的顾客需求难以覆盖新的产品实例。显然，若采用顾客需求静态模板将有很大局限性，系统须采用动态顾客需求模板对顾客的新需求进行描述。

顾客需求动态模板的设计思想是，建立顾客需求的数据库和实例库，当设计人员需要输入顾客需求时，不必录入每一条顾客需求，而是直接从系统提供的顾客需求数据中提取所需要的需求数据并增加到实例库中。

通常新产品设计时系统的新实例会同步增加，新实例中绝大多数顾客需求可以从原有模板直接选取。若该实例的某些需求不能利用已有的顾客需求模板进行描述时，此时必须通过人机交互由设计人员录入新的顾客需求，这些新需求就被添加到旧的顾客需求模板中，同时后台数据库中的实例数据表也会作出相应修改，这一过程即模板的动态进化。

1.2 动态分类树概念

为了适应顾客需求模板的动态进化，设计了实例存储工具即动态分类树。动态分类树系统的主要功能是定义新的顾客需求数据，实现实例中数据修改；按照系统设定的数据转换方法修改实例模板，实现顾客需求模板的动态进化。动态分类树的概念中，分类树是指系统当前已完成的全部顾客需求的设计空间；动态是指由于在这个分类树中未必能覆盖所有顾客需求的设计空间，当新的需求不属于分类树包含的设计空间时，把该顾客需求归入分类树中任何一类中都是不可能的，在这种情况下应自动插入新类以适应新的设计需求。

动态分类树的根结点代表的是产品的总称，树上的每个结点上代表一个产品类型以及其中蕴含的规则，简称为“类”；最底层的树叶表达的是该树枝上当前最末端的产品类型及其蕴含的规则；低一级的分支结点代表的规则是由该结点和其祖父结点所蕴含的规则的组合。由此可见，从分类树上的根结点到树叶的每一条路径代表了该树叶代表的产品所蕴含的全部规则，结点之间的连线表示两结点之间关系。

动态分类树的形式非常类似于一个产品目录:在产品类型这个根结点下按照产品属性有若干产品类，每个产品类下又将其分为若干个较细的产品类，依次存储。因为每一个产品类上都包含了其对应的顾客需求，当动态分类树进行存储或调整时，顾客需求模板随之进行动态进化。

2 动态分类树的设计

2.1 动态分类树存储方式设计

研究动态分类树存储方式的目的是提高系统的检索效率，减少存储空间。由于动态分类树的每个结点的子女数没有限制，如果使用在结点内保存该结点子女序号的方法来表示，则每个结点内设置多少个字段不好确定。若以整个树中子女最多的结点为准为各结点设置字段，则大量字段为空，浪费存储空间；若每个结点按其实际的子女树设置字段，在结点内设置size字段并指出该结点包括多少字段，则各结点不等常给管理带来不便。为此，在对动态分类树的存储上借用了数据结构上的二叉树的概念。

二叉树定义为:二叉树由结点的有限集合构成，这个有限集合或者为空集，或者由一个根节点和两棵不相交的二叉树组成，其中二叉树分别称作根节点的左子树和右子树［9］。

任何树都能通过一个简单的转换得到与之对应的二叉树，这就为树的存储及运算提供了方便。

树到二叉树的转换方法:把树林F看作树T的有序集合，F＝（T1，T2，…，Tn），对应于F的二叉树为B（F）。若n＝0，则B（F）为空；若n＞0，则B（F）的根是T1的根W1，B（F）的左子树是B（T11，T12，…，T1m），其中T11，T12，…，T1m是W1的子树；B（F）的右子树是B（T2，T3，…，Tn）。

由于动态分类树具有的非线性结构，本系统采用链式方法对其进行存储。把树转换成二叉树，则相应的二叉树链式存储方式为:在每个结点中除了存储结点本身的数据之外，再新设置两个字段:llink和rlink，其中llink指向结点的左子女，rlink指向结点的右子女。若结点的子女为空，则相应的llink或rlink字段设置为“空”。二叉树存储的结点形式如图1所示。

图1 二叉树存储的结点形式图

最后还需在二叉树的第一个结点上再加一个指向树根的字段t构成此二叉树的llink-rlink法表示。采用上述设置可以把动态分类树转换成相应的动态分类二叉树形式，在用llink-rlink法存储的树里，llink指向结点的第一个子女，rlink指向结点的下一个兄弟。

将该动态分类树转换成二叉树形式后并用llink-rlink法进行存储，称其为动态双链树。在动态双链树中，结点的rlink指向原来的动态分类树中同一层的下一个兄弟结点；llink指向原来的动态分类树的下一层中它的第一个子女结点。特殊地，对应于每个树叶的结点的llink指向“空”，对应于每个没有下一个兄弟结点的rlink指向“空”。

由于在推理过程中有时可能需要系统有“向上”访问的能力，所以除了在树的每个结点中用llink和rlink分别指向子女和兄弟外，再增加一个指向父母的字段u，形成三重链接的树。

事实上，若每个结点中只有结点的数据本身和字段u，也是足以完全确定任何有向树的。除了根以外每个结点恰有一个父母，但是却可能有多个子女，所以给出向上的链接比给出向下的链接更为简单。不过向上的链接在大多数情况下是难以适用的，因为它很难迅速地告知一个结点是否为终端结点，也很难迅速确定某个结点的子女位置。所以，本系统采用的是既可以“向上”访问同时也可以“向下”访问的三重链接方式，并将该三重链接方式称为“动态分类树”。

2.2 动态分类树的规则调整方法设计

由于动态分类树上每一个结点代表的不是某条规则，而是产品类型及其蕴含的多条规则，因此系统存储量很大。如果动态分类树的每个结点同时存储产品类型及其蕴含的所有规则，则内容相同的规则将大量重复的存储在树上，这不但会加重系统的存储负担，而且大大降低了系统的推理效率。所以，设计了动态分类树的调整规则为:当插入某类时，假设这个类结点有祖先，有子女，有兄弟。调整的次序是由下向上:第一步，寻找该结点的所有子女，如果这些子女之间有共同的规则，提取出来放入新结点中，然后将这些子女中与新结点重复的规则删除（因为如果该结点中包含了某条规则，其子女也相应的继承了该规则）；第二步，寻找该结点的各个兄弟结点，如果所有的兄弟结点中包含的某条或者某几条规则与该结点包含的某条或者某几条规则相同，提取出这些相同的规则放入该结点的父结点中；第三步，寻找该结点的各个祖先的兄弟结点，与第二步类似，如果查找到某结点与其各兄弟结点中有相同规则，提取出来放入其父结点中，一直进行到动态分类树的第一级。

经过这样的调整之后，动态分类树上存储的规则虽然仍可能有一定的重复，即第n层上某结点所蕴含的规则可能与第n层上该结点之外的某结点的子孙结点所蕴含的某条或某几条规则重复，但它不再可能与该结点的兄弟结点或子孙结点所蕴含的规则重复。动态分类树达到了规则存储的近似最小变量空间，提高了系统推理的效率。动态分类树推理过程如图2所示。

图2 动态分类树推理过程图

3 动态分类树的实例归类研究

3.1 动态分类树上的实例归类设计

已知系统提取到了与新实例最为接近的类，系统停止检索，设计人员被要求对新实例在动态分类树上归类。

设该目标类为Tij，其中i表示类T处于动态分类树的第i层，j表示类T是该层的第j个类。新实例在动态分类树上的归类过程可以分为如下几种情形:

（1）将新实例归入到求得的类Tij中，提示以下三种情况:

①提示设计人员是否用新设计实例中包含的规则替换目标类Tij原来蕴含的规则。如果目标类规则被替换，类下面蕴含的规则相应地被当前实例蕴含的规则所替换；

②提示设计人员是否将新的设计实例中包含的规则和目标类Tij原来蕴含的规则同时保存。这样，推理实例库中该产品类型下就包含了新实例和目标类蕴含的所有规则的并集。这里分为两种情况:当目标类下蕴含的规则和新实例蕴含的规则相同或是包含与被包含的关系，以规则的并集作为目标类下的新规则；当目标类下蕴含的规则和新实例蕴含的规则不相同，这里又可分为:当条件不同，即需求不同时，系统保存新实例蕴含的规则，此时新旧规则同时存在库中；当条件相同而结论不同，即需求相同而工程特性不同或者需求和工程特性都相同而两者之间的相互关系（关系强度）不同时，新旧规则仍然保存在库中，在以后推理显示结论时将该需求对应的工程特性及其对应的关系强度同时全部列出。

③提示设计人员是否不保存新的设计实例中包含的规则。这样，推理实例库中就不会包含当前实例蕴含的规则。

（2）将新实例作为一个新类Tn，提示以下三种情况:

①提示设计人员将新类Tn与目标类Tij并列；

②提示设计人员将新类Tn插入到目标类Tij的上一层，即新类Tn成为目标类Tij的父类，原来与目标类同层的所有类也相应地成为新类Tn的兄弟类；

③提示设计人员将新类Tn插入到目标类Tij的下一层，本来作为目标类的子女类成为新类Tn的兄弟类。

通过以上对新实例在动态分类树上的归类过程，实现了系统的不断学习，实例库将不断被扩充，整个系统的推理决策能力也将不断提高。

3.2 动态分类树的归类标准研究

由于在质量功能配置中的实例推理涉及到的大多是需求特征，而且每一个需求特征都对应有权重因子，以最近相邻策略作为系统检索策略［10］。

为了得到库中与当前设计实例最相似的产品类型，需要将当前设计实例的需求与推理实例库中各产品类型的需求相匹配，找到与当前设计实例最接近的类型，引入了实例相似度的概念和算法。

定义一:对于一给定的设计问题的描述，设当前设计实例的需求特征描述的有限集合由式（1）表示为

式中:C*为实例的需求特征；n为包含在当前实例中的需求特征的个数。

定义二:对于推理实例库中的候选产品类型Cj，设该候选类的需求特征由式（2）描述为

式中:Cjn为推理实例库中第j个候选产品类型的第n个需求特征。

定义三:设权重集合W＝（W1，W2，W3，…，Wn）满足式（3）为

式中:Wi表示与实例库中第i个需求特征相对应的权重因子。

定义四:将当前设计实例C*与候选类Cj匹配，则设计实例与候选类的相似度由式（4）表示为

式中:当第j个候选类中没有与Cji匹配的需求特征时-Cji＝1，否则-Cji＝0。

3.3 顾客需求动态模板实例开发

根据对QFD中顾客需求模板和动态分类树的研究，建立了顾客需求动态模板系统（Case_based System of Dynamic Customer Demand Model）。将系统中的实例库分为推理实例库（QFD_Reasoning）和查询实例库（QFD_Inquiry）。查询实例库是设计人员完成实例，可根据查询条件从产品类型、顾客信息等查询到某实例QFD分析的整个过程。推理实例库是成功实例规则库，同时又是实例推理的参考库，需要不断增加库中的实例规则以积累经验。在推理实例库中对实例入库的规定按照动态分类树的规定进行，这就避免了由于新实例的加入使系统推理的速度变慢而影响推理效果的问题，从而提高了推理的效率。

系统以汽车变速器为顾客需求背景，后台采用SQL Server数据库系统，前台采用Visual Basic工具开发。顾客需求界面图如图3所示，它是在市场调查后设计人员根据顾客需求调查报告的内容完成顾客需求及其重要度输入的界面。产品类型归类界面图如图4所示，可实现在动态分类树上建立新类（新结点）并指定新类（新结点）的位置，还可将新实例归入已有的相似类（旧结点）中，并可规定新实例蕴含的规则的保存方式。

图3 顾客需求界面图

图4 产品类型归类界面图

4 结论

顾客需求模板是QFD系统对设计实例和规则进行规范化的工具，新产品实例开发要求模板具有动态进化功能，规范实例的描述规则可以保证质量功能配置中准确、合理地传递质量信息。通过本研究可知:（1）基于数据结构的二叉树定义，将动态分类树的存储设计为三重链接方式。动态分类树或者将新实例作为新类存储，或者将新实例全部或部分地归入到旧类中。为减小系统存储信息量，设计了动态分类树的调整方法，即以自下而上的方式检索实例规则并存储。

（2）以最近相邻策略作为系统检索策略，系统通过指定归类标准值达到调整实例在顾客需求模板中分类的目的，提高了推理决策的准确性。

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（责任编辑：吴芹）

Research on dynam ic classified trees for customer demand model

Xu Nan1，2，Meng Xianju1，2，Li Guobin1

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

Customer demand model is a kind of tool to standardize design cases and rules of quality function deployment（QFD）.Based on the characteristics of obtaining customer demands in quality function deployment，the case collection and dynamic evolution processwere analyzed and design case rulers were specified.The concept of dynamic classified trees was proposed to realize dynamic evolution ofmodels.The storagemodel，rule adjustment and cases classification methods of dynamic classified treeswere discussed.The results show that the storagemodel of dynamic classified treeswas designed to triply links based on binary tree of data structure.To retrieve and store case rules bottomup approach of adjustment rules were applied and the approximate minimum variable space were achieved.The cases classification standards and algorithm were established according to nearest neighbor algorithm.By specifying the classification standards value to adjust the samples classification in customer demand model，the accuracy of inference and decision-making were improved.

quality function deployment；customer demand model；dynamic classified trees；binary tree；nearest neighbor strategy

TP391

A

1673-7644（2014）06-0520-05

2014-06-18

徐楠（1976-），女，副教授，博士，主要从事机械设计及理论等方面的研究，E-mail:xunan06＠sdjzu.edu.cn