面向客户需求的机床产品配置及优化决策研究*

王鹏家，巩亚东，谢华龙，刘永贤

(东北大学 机械工程与自动化学院 先进制造与自动化技术研究所，沈阳　110819)



面向客户需求的机床产品配置及优化决策研究*

王鹏家，巩亚东，谢华龙，刘永贤

(东北大学 机械工程与自动化学院 先进制造与自动化技术研究所，沈阳110819)

为了解决产品配置设计中客户需求的不确定性与模糊性，提出了一种基于灰色粗糙集模型的客户需求分析方法。在没有任何人为因素的干扰下，建立了客户需求与产品技术特性指标间的映射，有效的实现了从客户需求到产品配置参数的转换。同时，为了帮助企业在成本和时间的约束下能够快速选择出关键的技术特性进行配置以最大程度的提高客户满意度，建立了产品配置优化决策模型，并在此方法的基础上利用MATLABGUI开发了产品配置优化决策系统。以机床产品为例进行实例验证,结果表明了该方法的有效性和实用性。

灰色粗糙集；优化决策模型；计算机辅助系统

0　引言

随着经济的全球化，客户定制化产品在面向市场的制造业环境中是一种趋势[1]。企业需要在接到订单后快速的提供个性化的产品[2]。作为先进制造技术的象征，机床产品也面临着同样的问题。目前，很多新的方法和原理像质量功能展开(QFD)，公理化设计(AD)等已经被用来帮助设计者识别客户需求与产品特性之间的关系[3-4]。但是，从客户需求到设计需求的转化以及设计方案的选择仍大量的依赖设计者的经验和知识，这需要浪费大量的时间，并会影响到客户定制化产品设计的效率和效果，甚至影响到设计自动化的发展[5]。

在客户需求的转化和映射方面，很多学者进行了大量的研究并取得了一定的成果。袁等[6]提出了需求单元以及需求单元粒度的概念，并对客户需求进行了合理的分解。李等[7]构建了基于语义的客户需求模型，并用规则加框架的方式来表达客户需求。楼等[8]和郭等[9]主要通过Web对客户需求进行获取与分析。上述方法主要集中在对客户需求的定性描述。Hauge等[10]提出了需求分类树以辅助传统的定性研究，但此分类树过于笼统，它很难反映产品设计中的详细特性。还有一些研究人员从客户的角度出发，直接建立了客户化产品的数据结构，但它既不能反映客户需求也不能说明产品的结构和性能[11-12]。这几种方法主要关注于产品的全新设计，但在实际工程应用中，新产品的产生主要是从现有产品中变型产生的。在工程领域，质量功能展开(QFD)一直被广泛的应用，其核心是使用质量屋(HoQ)在客户需求与产品设计特性之间进行转换。但是，质量屋中的信息需要大量的人为判断，预测以及估计，在许多情况下会产生模糊性和不确定性，而且QFD本身只是揭示了客户需求，而同配置设计没有什么关联。

因此，针对客户需求的不确定性和模糊性，本文提出了一种基于灰色粗糙模型的分析方法，在没有人为因素的干扰下实现了客户需求到产品配置参数的转化。另外，为了利于企业在成本和时间的约束下选择出关键的产品技术特性进行配置并使客户满意度达到最大值，本文建立了产品配置优化决策模型，并基于此模型用MATLABGUI开发了计算机辅助系统以便于设计人员决策。

1　客户需求的获取

客户需求是客户从他们的角度以及用他们的表达方式对产品所进行的描述。决定产品功能和性能的客户需求是产品进行设计和制造的基础。若在不知道客户需求的前提下进行产品的设计和制造，将会造成产品库存的积压并降低企业的市场竞争力。在产品的配置设计中，获取客户需求是首要的。客户需求的获取方法主要包括问卷调查法，直接访问法和主动分析法等。

2　客户需求的转换算法

粗糙集理论是由波兰学者Pawlak(1981)提出的一种处理模糊性及不确定性系统的数学工具，它提供了分析目标的输出形式，而且粗糙集分析不需要任何附加的信息，额外的参数或主观解释去决定集的成员，它所需的信息全部由给定的数据提供[13]。因此，使用粗糙集理论进行客户需求的转换可以避免人为因素的干扰。另外，灰色系统理论是由邓聚龙教授于1982年提出的一种研究少数样本、贫信息不确定性问题的数学方法[13]。因此，本文针对机床产品客户需求的特点，将二者结合提出了一种基于灰色粗糙模型的客户需求转换方法。运用此方法，从给定的信息中提取有价值的信息，来实现对配置参数的正确描述。灰色粗糙模型将根据客户所提出的粗糙集，通过其上、下近似算子和灰色信息的白化方法来进行构建。

其中，相关定义如下：

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

基于灰色粗糙模型算法的详细步骤如下：

(1)建立灰色信息表及每个灰数的取值范围。

(2)将灰色信息表中的数据归一化处理：

(1)

(2)

1≤i≤n，j=1,2,……，m

将uij(⊗)归一化后得到的评估向量为：

(3)计算客户需求的理想产品的评估向量：

(3)

(4)计算灰色关联系数。

(4)

其中，λ∈[0,1]，且一般取值为0.5。

(6)求出产品的各技术特性(属性)的权重值。

(5)

(7)计算产品关于灰类的综合聚类系数及判定产品各技术特性的所属类别。

根据该系数中最大值的位置，确定产品对象每个属性的所属类别，即属于在产品配置设计中客户需求信息所必须考虑的核心技术特性、候选技术特性和非因素特性中的哪一类。

关于灰类的综合聚类系数σi计算公式如下：

(6)

产品每个属性的所属类别可根据下式判定：

(7)

3　产品配置优化决策模型

通过客户需求的转换，模糊的客户需求被转化为对应的配置技术特性，并同时得到了各技术特性的权重。然而企业在进行产品配置设计时要受到时间与成本的限制，在约束条件下，并不能保证所有的技术特性指标都在配置设计中被考虑。所以有必要构建产品配置的优化决策模型，便于企业在一定的时间与成本约束下，选出能使客户满意度达到最大的重要技术特性进行配置设计。

(8)

构建的产品配置优化决策模型如下所示：

(9)

(10)

式中，M为客户需求满意度的最大值，nj=1说明在设计中实施第j个技术特性，nj=0则不实施。

为方便求解所建立的模型，本文采用决策态度因子ε将区间估计决策变为点决策。以配置设计资金Cj为例：

(11)

ε为产品配置设计人员针对决策问题的态度，一般包括乐观、折中与悲观三种类型，它们对应的取值范围分别为：0<ε≤0.5，ε=0，-0.5≤ε<0。

与此类似，配置设计的周期tj也可求出。

4　实例验证

本文以重要的基础装备制造产品—机床为例对所提出方法在产品配置设计中的实用性及有效性进行验证。

4.1机床产品客户需求的处理及转换

本文以ETC系列数控机床产品为例，通过灰色粗糙集模型客观地将模糊的需求信息向机床产品配置参数表映射，同时确定了配置机床产品时所要考虑的技术特性。

表1　某数控机床产品特性指标结构

对于ETC系列车床，客户一般要求配置的机床具有加工范围广、加工精度高、效率高和数控系统稳定等特点。本文假定客户需求主要集中在机床的功能和性能需求之上。ETC系列某型号数控机床产品性能指标参数表结构如表1所示。

对客户需求整理分类后可知，客户对机床产品最为关心的指标为：性能、功能和寿命。本文以需求的机床产品特性指标为例，在已有产品实例的特性指标中选出八个指标作为待分析因素：A1：机床最大切削长度(mm)，A2：最大切削直径(mm)，A3：X轴行程(mm)，A4：Z轴行程(mm)，A5：主轴最大转速(r/min)，A6：X轴定位精度(mm)，A7：Z轴定位精度(mm)，A8：工件表面粗糙度(μm)。将现有六种不同型号的ETC系列机床作为待评估产品，则U={1,2,3,4,5,6}。具体分析步骤如下。

由已有产品实例的技术特性指标参数数据，建立待评估机床指标的灰色信息表，如表2所示。

表2　待评估机床产品的技术特性指标灰色信息表

通过公式(1)、(2),归一化后的待评估机床技术特性指标灰色信息表，如表3所示。

表3　归一化后待评估机床特性指标灰色信息表

通过公式(3),计算出客户需求的理想产品的评估向量为：

由公式(4)计算出每个产品关于客户需求产品的灰色区间关联系数矩阵为：

基于客户需求，本文把产品技术特性指标设为三个灰类，由关联系数矩阵，根据每个特性指标中的取值，找出分段函数中间点，构造出的白化权函数分别为：

由于机床产品的技术特性指标A6、A7在每个待评估产品中均一致，在分析产品技术特性指标权重时可不予考虑。

由公式(5)计算得出各特性指标的权重：

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

由公式(6)可以计算出各产品关于灰类的综合聚类系数为：

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)

按照设定的三个灰类，由所求的聚类系数，根据公式(7)，可得特性指标A1、A2、A3、A4、A5属于第一类灰类，指标A8属于第二类灰类。

4.2机床产品配置优化决策模型求解

假设机床企业对机床产品进行配置设计的投入成本为25万元，设计周期为10天，并且使配置出的机床产品尽可能的满足客户需求。根据客户需求的转化，进行配置设计的技术特性为A1：最大切削直径，A2：最大回转直径，A3：X轴行程，A4：Z轴行程，A5：主轴最大转速，A8：工件表面粗糙度。设计员在对每个技术特性实施配置设计中的成本及周期的区间估计分别如表4和表5所示。

表4　设计成本的区间估计

表5　设计周期的区间估计

基于本文所提出的理论，运用MATLABGUI开发了产品配置规划阶段优化决策系统，如图1所示。将相应系数输入系统，可快捷准确的求得n1=1, n2=1, n3=1, n4=1, n5=1, n8=0。

图1　产品配置优化决策系统

可见，企业在25万元资金和10天时间约束条件下，为使客户满意度达到最大值，在配置设计中需首先考虑A1,A2,A3,A4和A5这几个技术特性。另外，如果追加资金和时间的投入可提高客户的满意度，在本实例中如果将资金投入追加到30万则可满足客户所有的技术要求。

5　结论

(1)提出的基于灰色粗糙模型的方法可以有效的解决客户需求的不确定性和模糊性，在没有人为因素干预的前提下实现了从客户需求到产品配置参数的转换。

(2)建立的产品配置优化决策模型可有效的帮助企业选择出在固定时间和成本约束下达到最大客户满意度的最佳配置设计方案，同时企业也可根据实际情况追加资金或时间以提高客户满意度。

(3)充分利用MATLABGUI界面友好的特点以及MATLAB科学计算功能强大的优势，开发了产品配置优化决策系统，解决了很多学者的研究理论无法实际应用到企业的现状。在产品配置设计中，该系统可以准确、快捷的得出合理的配置方案且对其它装备制造业产品的设计具有通用性。

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(编辑李秀敏)

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

国家科技支撑计划项目(2012BAF12B08)；辽宁省科技重大专项和科技攻关项目(2010020076-301, 2011216010)

王鹏家(1985—)，男，山东龙口人，东北大学博士研究生，研究方向为模块化设计、CAD/CAM、制造业信息化，(E-mail)pjwneu@163.com。

TH164;TG659

A