基于绿色QFD的产品设计与模糊综合评判*

韩晓晓，王 玫

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

基于绿色QFD的产品设计与模糊综合评判*

韩晓晓，王 玫

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

为了满足绿色产品设计的需要，对最能反映顾客声音的面向环境的质量功能展开方法进行了研究，提出利用绿色质量功能展开来获取产品的常规需求和环境需求，引入层次分析法求得用户需求的权重，并通过建立用户需求与技术特性的质量屋，从而生成绿色产品设计质量评价的指标体系，评价指标的权重由关系矩阵和用户需求权重系数求得。在此基础上，采取模糊综合评判法对绿色产品设计做出科学、合理的评价。最后以减速箱为例，说明了该方法的实现流程和可行性。

绿色质量功能展开；质量屋；评价指标；模糊综合评判；层次分析法

0 引言

随着全球环境的不断恶化和消费者环境意识的进一步增强，人们对产品的绿色性的要求越来越高。在绿色产品的设计阶段，就必须考虑产品的整个生命周期内的全部问题，因此，在设计阶段就必须进行产品设计质量的评价。而评价的关键之一就是建立一套科学的评价指标体系。

近年来，许多学者在绿色产品评价指标体系的建立方面做了大量的研究工作。刘飞等提出了包含时间、质量、成本、环境影响和资源消耗等5大决策目标变量的评价指标体系［1］；向东等提出从产品的技术先进性、经济性、绿色性等三大属性建立绿色产品综合评价指标体系［2］；刘光复等基于绿色产品的概念，提出了由层次维、时间维、目标维组成的三维矩阵的绿色产品评价框架体系［3］。

综上所述，人们从不同侧面对绿色产品进行了评价，但是目前提出的绿色产品的评价指标体系中，均没有从用户的角度出发考虑用户对绿色产品的需求，使得设计评价难以完全覆盖用户的所有要求。而在绿色产品开发设计的过程中，用户需求的满意度是决定绿色产品质量好坏的最高标准。绿色质量功能展开（quality function deployment for environment，QFDE））是最能体现用户需求、反映用户声音的一种方法［4］，它将质量功能展开（quality function deployment，QFD）与绿色产品设计理论整合［5］，并集成环境需求到QFD方法体系中。

因此，本文应用质量驱动来进行绿色产品设计，利用绿色质量功能展开来获取评价指标体系，通过质量屋（House of Quality）建立用户需求与评价指标的相互关系，即把利用用户需求获取的技术特性作为评价指标，充分考虑了用户的需求，使得设计评价更为全面。评价指标的权重值也是绿色产品评价研究的问题之一，目前主要采用专家打分法，德尔菲法，熵权法等确定指标权重。本文评价指标的权重由关系矩阵和用户需求重要度系数直接求得，从而为评价结果的计算节省了部分时间，提高了评价效率。鉴于绿色产品的设计评价所涉及的指标很多，是一项复杂、无法用定量的方法直接进行分析对比的活动，本文采取模糊综合评判法对绿色产品设计做出科学合理的评价。最后以减速箱为例，说明了该方法的实现流程和可行性。

1 基于绿色QFD建立质量屋和评价指标体系

1.1 介绍QFDE，质量功能展开和质量屋

QFDE是兼顾产品质量、环境和成本的质量功能展开，依据产品全生命周期生产、制造、使用和废弃等各个阶段，将用户需求转换为工程技术特性［6］。运用QFDE方法，用户的环境质量需求（例如，可更新、节能、可回收）可以转化为产品的技术特征（例如，易拆卸、提高回收率、减少零件数量、提高动力系统的能量转化率等）［7］。

QFDE通过质量屋来有效规划绿色产品设计，通过矩阵图表的形式描述用户需求与技术特性之间的关联关系，通过数学方法求得相对权重，进行量化分析，确定出刻画用户需求的关键技术特性，并作为后续设计阶段的产品设计质量模糊综合评判的评价指标。

1.2 基于绿色QFD建立指标体系

1.2.1 用户需求分析

对于绿色产品来说，不但需要满足产品功能、性能方面的要求，还应该最大程度的提高产品的环境性能。因此，结合QFDE和绿色产品设计的特点，本文的用户需求可以分为产品的常规需求和产品的环境需求。产品的环境需求主要表现为产品材料的环境友好性、产品的拆卸与回收性能、产品的能耗等。

用户需求的获取与分析是质量机能展开的关键环节。使用亲和图法（KJ法）进行需求层次化分析，将表达相同含义或近似含义的用户需求归于同一类，形成系统的、有层次的用户需求。经调查整理获得的减速箱的常规需求和环境需求如图1所示。

图1 减速箱的常规需求和环境需求

1.2.2 层次分析法进行用户需求权重的计算

层次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）是由美国运筹学家Saaty提出的一种把定性和定量相结合的决策分析方法［8］。它运用比例标度，采用基于单一准则的两两比较判断矩阵模式，为人们提供了确定因素权重的有效方法［9］。

用户需求重要度是QFDE中极其重要的数量指标。本文采用专家评分法和层次分析法相结合的方式来确定各级需求的权重。在此使用Saaty的1-9标度法，并参考相对重要性等级表，见表1。

表1 相对重要性等级表

（1）构造判断矩阵。

建立判断矩阵是层次分析法的关键步骤。针对同一层次的用户需求，组织专家进行讨论评分。参照重要性判断标度表（表1）对用户需求进行两两比较，构造这一等级的用户需求的判断矩阵C=（cij），其判断矩阵如下；

（2）求解判断矩阵的特征向量ω。

（3）计算判断矩阵的最大特征值λmax，进行一致性判断。

经分析计算得出减速箱的各级比较判断矩阵和判断结果如表2～表8所示。

表2 A-B判断矩阵

表3 B1-C判断矩阵

表4 B2-C判断矩阵

表5 B3-C判断矩阵

表6 B4-C判断矩阵

表7 B5-C判断矩阵

表8 二级需求权重

1.2.3 技术特性（评价指标）与用户需求关系的确定

用户需求与技术特性之间的关系相当于目标与手段，利用质量屋将用户需求转化为技术特性（评价指标）。根据用户的需求，以及绿色产品设计开发的实际情况，通过比较和研究，逐一推导得出可测量或测试的技术特性，提炼出一组可以实际操作的评价指标。

需要注意的是，顾客对产品的每一项用户需求可能与一项技术特性有关，也可能与多项技术特性有关。如影响减速箱可拆卸性能的技术特性既有零件间的连接方式，又有零部件的数量等。经整理减速箱的技术特性如图2所示。

在确定产品技术特性后，明确用户需求与技术特性之间的相关影响程度，并建立关系矩阵［10］。通常用下列符号来表示用户需求与产品技术特性之间关系的强弱程度；◎表示强关系；○表示中等关系；△表示弱关系；空白表示无关系。

QFDE方法通过加权评分把用户需求的重要度予以量化，进一步确定用户需求的重要程度。其方法为给关系符号赋分，如；◎表示9分；○表示3分；△表示1分；空白表示0分。这样关系矩阵就化为配分矩阵［rij］，rij是第i项用户需求与第j项技术特性的关系配分。

图2 减速箱的技术特性

1.2.4 确定技术特性（评价指标）的权重

使用定量计算的方法，以用户需求重要度、用户需求与技术特性相互关系量化值为基础，计算得到技术特性的权重系数。于是第j项技术特性的重要度ωj为Rij的加权mi之和，即；

式中；mi—第i个用户需求重要度；

Rij—第i个用户需求和第j个技术特性之间关系符号量化值；

ωj—第j个技术特性的重要度。

然后将它们规范化为技术特性的权重系数，第j项技术特性的权数Aj为；

2 模糊综合评判

模糊综合评判是以模糊数学为基础，综合定性和定量方法的特点，对具有模糊性和不确定性的问题做出评判的方法［11］。鉴于绿色产品的设计评价所涉及的指标很多，是一项复杂、无法用定量的方法直接进行分析对比的活动，因此适合采用模糊综合评判方法来进行评价和决策。具体过程如下；

（1）建立评判集 根据评价对象可能做出的评判结果确定评判集V=｛v1，v2，…，vn｝

（2）建立评价指标集 根据采用QFDE的质量屋方法得出的技术特性集合作为评价指标集合，即U=｛u1，u2，…，un｝。

（3）建立权重集 评价指标的权重在基于QFDE建立评价指标体系的过程中获取，权重集A=｛A1，A2，…An｝，对各评价指标ui赋予的相应权数Ai由质量屋给出。

（4）建立模糊评判矩阵 首先由专家凭借其丰富的知识和经验给出隶属函数，算出隶属度，从而生成模糊评判矩阵Rn×n。

（5）一级模糊综合评判

一级模糊综合评判的数学模型为；

式中，⊕为某种合成算子，对此算子的定义不同，则对应的综合评判模型不同，在产品设计方案评价中应用最为广泛的是；按乘加运算合成M（*，+）。即；Bj=D同时也是二级模糊综合评判的评判矩阵。

（6）二级模糊综合评判

在一级模糊综合评判的基础上，可以进行二级模糊综合评判，二级模糊综合评判模型为；

式中；A为二级评级指标集中各评价指标的相对权重，R为一级模糊综合评判的结果。

3 应用实例

本文将此种评价方法运用到绿色减速箱设计的模糊综合评判中。利用绿色QFD将市场调查得到的用户需求转化为减速箱的评价指标体系，并且得到各评价指标相应的权重，最后运用模糊综合评判求得绿色减速箱的评价结果。

3.1 基于绿色QFD建立评价指标体系，得出权重

经过调查整理获得减速箱的常规需求和环境需求，采用层次分析法获得用户需求的权重，基于绿色QFD建立评价指标体系，并求出评价指标的权重。最终得到的减速箱产品质量屋如表9所示。

表9 减速箱质量屋

续表

3.2 绿色减速箱的模糊综合评判

（1）评判集；确定评判集V=｛很好，较好，一般，较差，很差｝

（2）评价指标集合；根据采用QFDE方法得出的技术特性作为评价指标，即一级指标=｛材料，经济性，可靠性，功能性，设计制造｝，二级指标；材料=｛材料种类，废旧材料回收率｝，经济性=｛成本价格｝，可靠性=｛工作寿命，耐久维修性｝，功能性=｛承载能力，润滑设计，传动平稳，密封性｝，设计制造=｛外形尺寸，传动结构，零部件数量，零部件连接方式｝

（3）建立模糊评判矩阵；由专家确定法生成的模糊评判矩阵见表10。

表10 减速箱模糊评判矩阵

3.2.1 绿色减速箱的一级模糊综合评判

根据所得的二级评价指标的权重系数Ai和对应的模糊评判矩阵Ri，可得到一级评价指标的评价结果矩阵Bi=Ai·Ri=A′i·Ri，A′i为权重系数Ai做归一化处理。

1）B1=A1·R1=A′1·R1

2）同理可得；

3.2.2 绿色减速箱的二级模糊综合评判

根据一级评价指标的权重系数；

该绿色减速箱的模糊综合性能评判结果为；

按照最大隶属度原则，评判结果表明该绿色减速箱在设计质量上属于较好（其隶属度为39.6%）。若按照5级李克特量表5分制计分的话，则整体设计质量得分为B=0.321×5+0.396×4+0.197×3+ 0.076×2+0.019×1=3.951接近较好。

4 结束语

在绿色产品设计的初期阶段，通过应用面向环境的质量功能展开（QFDE）方法，将获取的产品的常规需求和环境需求转换为产品设计的评价指标，使得设计评价不仅考虑了专家和参与产品全生命周期的相关人员的意见，更特别强调了用户对产品的绿色需求，提高了产品的环境性能，能够全面地体现出影响绿色产品设计质量的所有因素。此外，本文还采用了层次分析法确定用户需求的权重，以此获得科学合理的用户需求信息，并采用质量屋方法来有效地获取评价指标的权重。最后，以减速箱为例，运用模糊综合评判方法进行评价。算例表明，基于绿色QFD的产品设计及模糊综合评判方法理论体系严密，计算步骤明确，是一种可行的绿色产品设计质量综合评价方法。

［1］刘飞，张华，陈晓慧.绿色制造的决策框架模型及其应用［J］.机械工程学报，1999，35（5）；11-15.

［2］向东，张根保，汪永超，等.绿色产品及其评价指标体系研究［J］.计算机集成制造系统，1999（4）；14-19.

［3］刘光复，刘志峰.绿色产品及其评价系统框架［J］.机械设计与研究，1997（4）；12-15.

［4］BAHILLAT.A Tutorialon Quality Function Deployment.［J］.Engineering Management Journal，1993（9）；24-35.

［5］王家青，高全杰，吴小珍.绿色QFD在静电涂油机设计开发中的应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2006（11）；24-26.

［6］耿凯阳，于随然.基于QFDE的产品平台设计方法［J］.机械设计与研究，2013，29（4）；1-5.

［7］王云霞，鲁泳，胡月，等.环境质量功能配置在汽车产品设计中的研究与应用［J］.机械设计与制造，2012（7）；87-89.

［8］SAATYTL.The Analytic Hierarchy Process［M］.NewYork；McGraw-Hill，1980.

［9］许树柏.层次分析法原理［M］.天津；天津大学出版社，1986.

［10］时君丽，王德权，曲洪伟.模糊QFD模型在制冷压缩机设计中的应用研究［J］.组合机床及其自动化技术，2011（4）；33-36.

［11］李鸿吉.模糊数学基础及实用算法［M］.北京；科学出版社，2005.

（编辑 李秀敏）（编辑 李秀敏）

Fuzzy Comprehensive Evaluation and Product Design Based on QFDE

HAN Xiao-xiao，WANG Mei
（School of Manufacturer Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

；In order to meet the needs of green product design，quality function deployment for environment（QFDE）which mostly reflects the voice of customers has been studied.A method getting regular requirements and environmental requirements of products on the basis of QFDE is presented.The weight of user requirements is calculated by analytic hierarchy process（AHP）.By establishing the modelof House of Quality（HOQ）for user needs and technical characteristics，green product design quality evaluation index system is generated.The weight of evaluation index is calculated through mathematical operation of relationship matrix and the weight coefficients of user needs.On this basis，the fuzzy comprehensive judgment theory is applied to give a scientific and reasonable judgment of green product design.A reducer casing example is given to demonstrate the feasibility and practicability of the proposed method.

；QFDE；house of quality；evaluation index；fuzzy comprehensive judgment；analytic hierarchy process

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）05-0156-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.044

2014-08-01；

2014-09-19

四川大学校市合作重点科技计划项目（2012GH001）；四川省教育厅人文社会科学重点研究基地西华大学工业设计产业研究中心资助科研项目（GY-13YB-14）

韩晓晓（1990—），女，山西晋城人，四川大学硕士研究生，研究方向为计算机辅助工业设计，（E-mail）hanxx0628@163.com。