基于质量屋的产品设计过程1

发布时间：2024-11-12

分析了传统的质量屋设计过程存在的问题,提出了一个基于质量屋的低碳产品设计过程的修正模型,该模型能充分利用质量屋中各部分的信息,权衡并优化质量屋中存在的各种矛盾和冲突,确定各个工程特性的目标值改进率,使所设计的低碳产品在有限的资源约束下能最大限度地满足顾客需求。

基于质量屋的低碳产品设计过程

刘希龙

（上海大学管理学院）

摘要：分析了传统的质量屋设计过程存在的问题，提出了一个基于质量屋的低碳产品设计过程的修正模型，并在充分考虑工程特性相关性对工程特性目标值和开发成本影响的基础上，以工程特性计划改进率变化范围和开发成本为约束函数，建立了一个基于质量屋的优化决策模型。该模型能充分利用质量屋中各部分的信息，权衡并优化质量屋中存在的各种矛盾和冲突，确定各个工程特性的目标值改进率，使所设计的低碳产品在有限的资源约束下能最大限度地满足顾客需求。实例研究表明，该模型是有效的、可行的。

关键词：质量功能配置；质量屋；低碳产品开发过程；决策模型；层次分析法

1 引言

1.1 QFD

作为顾客驱动的产品设计方法，质量功能配置(QualityFunctionDeployment，QFD)代表了从传统设计方式(设计一试制一调整)向现代设计方式(主动、预防)的转变，是系统工程思想在产品设计过程中的具体运用，正在发展成为具有方法论意义的现代设计理论。

QFD是通过质量屋(HouseofQuality，HoQ)这一工具来有效规划产品设计的。在质量屋的决策过程中，工程特性目标值是一个复杂的多变量，它的确定是一个多目标决策过程。目前在QFD实施过程中，工程特性目标值主要依靠产品开发人员的经验，采用主观的、启发式方法，如权重优先法进行确定。但这些方法往往很少考虑工程特性间的相关性对工程特性目标值和开发成本的影响，无法权衡并优化质量屋中的各种矛盾和冲突，只能得到可行解，很难得到全局最优解。因此，如何根据质量屋的各部分信息来科学地确定工程特性的目标值，是QFD规划的重要研究方向。

1.2 低碳

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因不断地为人们所认识，不止是烟雾、光化学烟雾和酸雨等的危害，大气中二氧化碳（CO2）浓度升高带来的全球气候变化也已被确认为不争的事实。在此背景下，“碳足迹”、“低碳经济”、“低碳技术”、“低碳发展”、“低碳生活方式”、“低碳社会”、“低碳城市”、“低碳世界”等一系列新概念、新政策应运而生。而能源与经济以至价值观实行大变革的结果，可能将为逐步迈向生态文明走出一条新路，即：摈弃20世纪的传统增长模式，直接应用新世纪的创新技术与创新机制，通过低碳经济模式与低碳生活方式，实现社会可持续发展。

中国目前已经是世界上第一大碳排放国，在2007年就以72亿吨的碳排放量超过了美国的59亿吨（世界资源研究所WRI数据）。而在1990年到2006年期间，中国一个国家就增加了世界碳排放量的一半。国际社会正在碳排放上问题上给予中国巨大的压力，这种压力，已经在2009年的哥本哈根会议与最近结束的坎昆会议上得到了体现。对于一个目前快速崛起的中国，要想真正成为一个负责任的大国，面对自身巨大的碳排放量，必须采取实际的行动。为此，中国政府主动提出到2020年单位GDP碳排量降低40-45%的目标。在十二五规划中，碳税拟成为独立税种 “十二五”中后期或开征。可以预期，在低碳经济的主战场上，很多“高污染、高消耗、高投入”的中国制造业企业正处于“生死存亡”的紧要关头，必须以低碳为契机，进行优化产品设计，调整产业结构，顺应时代的发展和要求。

本文提出一个基于质量屋和低碳相结合的产品开发优化模型，并在充分考虑了工程特性间的相关性对工程特性取值和开发成本影响的基础上，以组织满意度最大为目标函数，建立

了一个QFD规划优化模型。期望以外部环境要求及公众的消费选择引导和鼓励企业开发低碳产品技术，促进减排技术创新、产业结构调整和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变，从细微处着手，聚点成面，聚沙成塔，最终达到低碳的效果。

本文同时应用该模型对某品牌家用电动洗衣机进行了质量改进。工程实践表明，该模型能充分利用质量屋中各个组成部分的信息，权衡并优化质量屋中存在的各种矛盾和冲突，确定各个工程的特性目标值，使设计的产品在有限的资源约束下能最大限度地满足顾客需求，达到低碳产品的各项要求。

2 基于质量屋的低碳产品设计过程

基于质量屋的产品设计过程，可以分为建立质量屋和质量屋决策两个过程。建立质量屋主要是运用市场调查技术和各种分析工具，确定顾客需求和企业各种资源，并据此确定质量屋的各个部分，主要包括工程特性、顾客需求、工程特性的关系矩阵、工程特性之间的自相关矩阵、顾客需求的计划矩阵，以及工程特性的设计矩阵等。质量屋决策是用已建立的质量屋进行决策，目的就是在有限资源约束下确定一组工程特性目标值，使顾客对所设计的产品满意度最大。这是一个复杂的多目标、多变量决策，需要权衡质量屋中的各种矛盾，因而有必要建立数学规划模型，帮助开发人员进行优化设计。基于质量屋的产品设计过程如图1所示。

图1基于质量屋的低碳产品设计过程

3 优化模型

质量屋方法实际上是多目标优化设计的直观形式，故质量规划可在形式上化为一个多目

标优化设计问题，为此，规定以下符号：

CRi——第i个顾客需求(i 1, ,m)，m为顾客需求数目； ECj——第j个工程特性(j 1, ,n)，n为工程特性数目； S——顾客对产品的满意度； yi——第i个顾客需求的改进率；

W,wi——顾客需求权重向量和第i个顾客需求的相对权重；

min

——第j个工程特性的计划改进率、最大改进率和最小改进率； xj,xmaxj,xj

U,ui——顾客需求与工程特性之间的关联矩阵，CRi与ECj之间的关联系数； P,pij——工程特性自相关矩阵，以及ECi与ECj的自相关系数；

R,rij——规范化后顾客需求与工程特性之间的关联矩阵，以及CRi与ECj的关联系数；

lj,lj,lj,lj——ECj的当前值、改进值、最大值和最小值；

AIj,RIj——ECj的绝对权重和相对权重； Cj,cj——ECj成本函数和成本系数。

o*maxmin

这样，质量优化规划问题可表达为：求x1,x2,...xn，使矢量(y1,y2,...yn)最大化。约束条

max

件为工程特性改进率变化范围(xmin xj)，工程特性改进成本预算。根据具体工程设计问题，j

***

还可以有其他约束。

3.1 目标函数的建立

矢量(y1,y2,...yn)最大化转化为单目标最大化，即maxS maxt（y1,y2,...yn），t为多目标统一化函数，有加权和与加权积两种常用形式。本文采用加权和函数，即顾客对产品的满意度可表示为顾客需求改进率与其相应权重乘积之和:

S wiyi (1)

i 1m

其中，0 wi 1, wi 1，可由层次分析法(AHP)求出。由于顾客需求的改进是通过与

i 1

之相关的工程特性目标值的改进来获得的，即工程特性目标值的改进导致了顾客需求的改进。所以有：

yi fi(x1,x2, xn)（i 1, ,m） (2) 式中：fi yi与各工程特性改进率之间的关联函数。

由于各工程特性之间存在相关性，ECj的改进率，与其他工程特性的改进率的关系为： xj gj(x1,x2, xn)（j 1, ,n） (3) 式中：gj xj与其他工程特性改进率之间的自相关函数。

不失一般性，设fi与gj为线性函数，则式(2)、式(3)可分别写成：

(4) yi uijxj（i 1, ,m）

nj 1

n）xj pkjx（k j 1, , (5)

k 1

其中，uij可分别用诸如1-3-9的数值序列表示弱相关、中等相关和强相关；将自相关矩

阵规范化后可得pjk，pjk ( 1,1]。由于自相关矩阵是对称矩阵，所以pjk pkj。如果ECj与ECk之间相互独立，则pkj 0；如果ECj与ECk之间存在着冲突，则pkj 0。反之，如果ECj与ECk相互协调，则pkj 0。ECj与其本身相关程度最大，所以pjj 1。将式(5)代入式(4)可得：

（i 1, ,m） (6) yi uij pkjxk

i 1

k 1

也可改写成：

（7） yi ( uikpjk)x（ji 1, ,m）

j 1

k 1n

为了减少由质量屋中的计算而引起的偏差，将式(6)中的系数进行归一化处理，得：

rij

|up

k 1n

j 1

k 1

ikjk

| |

|up

k 1

j 1

k 1

ikkj

| |

|(UP)ij|

（8）

|up

ikjk

|up

ikkj

j 1

|(UP)ij|

进而可求出归一化后顾客需求与工程特性间的相关矩阵R。式(6)可写成：

yi rijxj （9）

j 1

将式(9)代人式(1)得：

S(xj) wi rijxj AIjxj （10）

i 1

j 1

其中，

AIj wirij （11）

i 1m

将AIj归一化可得：

RIj

AIj

j 1

,0 RIj 1, RIj 1

j 1

(12)

用工程特性相对权重RIj代替绝对权重AIj，最终可得顾客对产品满意度最大的目标函数表达式：

maxS(x) RIjxj (13)

j 1

3.2 约束条件

工程特性目标值的改进是在一定的资金约束下完成的。如果不考虑工程特性之间的相互影响，则有：

Cj(xj) cjxj (14) 式中：cj——ECj单位改进率所需费用。

工程特性之间存在相关性，所以ECj的改进率xj包括两部分：一部分是其他相关工程特性改进引起ECj的改进，大小为 pjkxk；另一部分则是由于改进ECj所引起的，大小为

k 1k jn

xj pjkxk。因此，由于单纯改进ECj而发生的费用，可通过修正式(14)求得：

k 1k j

Cj(xj) cj(xj pjkxk) (15)

k 1k j

根据式(15)可写出开发成本约束函数：

j 1

cj(xj pjkxk) B (16)

k 1k j

工程特性目标值的取值范围是综合工程特性的物理极限，以及与竞争者产品进行技术基

准评价结果两种情况进行确定。工程特性分为两种情况：①目标值越小越好；②目标值越大越好。对于这两种情况，工程特性目标值改进率分别由式(17)、式(18)求出：

lllx l

oj*j

(17)

*joj

max

(18)

对于第一种情况，工程特性目标值改进率为最大率xj 二种情况，工程特性目标值改进率最大为xj 性都有：

max

jminjmin

，最小为xj 1；对于第

min

max

maxjoj

，最小为xj 1。因此，对所有工程特

1 xj xj(j 1,2, n) （19）综合式(13)、(16)、(19)，就可得到一个基于QFD的产品规划模型。该模型可用软件matlab

求解。

4 实证研究与仿真结果

某家用电动洗衣机公司在改进某波轮式家用电动洗衣机优化设计时，应用QFD方法进行符合低碳要求的低碳产品规划。在收集用户反馈意见并参考《中国环境标志低碳产品要求》和《中国环境标志产品要求》的基础上，在产品规划质量屋中确定了以下5个顾客需求：①噪声小(CR1)；②能耗低 (CR2)；③用水量少 (CR3)；④洗净比高(CR4)；⑤无故障运行次数高(CR5)。根据以上顾客需求确定了5个工程特性：①采用空气阻尼吊杆，减少震动、降低噪声(EC1)；②使用直流无刷DD电机变磁阻技术，降低能耗 (EC2)；③提高脱水转速，减少用水量；④采用超音波技术，提高洗净能力 (EC4)；⑤采用人工智能、提高模糊控制技术 (EC5)。根据市场竞争情况，确定以主要竞争对手A公司的产品为比较标准，进行技术基准评价。根据工程特性取值物理极限和A公司产品情况，确定工程特性的最大值和最小值。成本系数c，取值由设计人员根据试验和经验确定。根据以上顾客需求、工程特性及有关信息建立了家用电动洗衣机质量屋的有关部分，主要包括：顾客需求层次分析法比较矩阵(图2的左部)、顾客需求和工程特性相互关系矩阵(图2的中部)、工程特性相关矩阵 (图2的上部)和工程特性设计矩阵(图2的下部)。为了便于对工程特性自相关矩阵进行描述，本文对传统的质量屋中的三角形“屋顶”结构进行了改进，使其对相关矩阵的描述更加清晰、方便。工程特性上部的“—”号表示目标值越小越好，“+”号表示目标值越大越好。

通过层次分析法的相对权重比率度及一致性检验法则，开发人员确定了如下4个顾客需求间的相对重要性判断矩阵M，以及重要性权值矢量W：

2223 1

0.5 1232 M 0.50.5122 λmax=5.126,

0.50.330.512 0.330.50.330.51

CR 0.028,W (0.30,0.26,0.21,0.13,0.09)T。

以0—1—9数值序列分别表示顾客需求与工程特性间不相关、弱相关和强相关，得关系矩阵U；

90010 09000

U 009 00

00090

00009

以-3—0—1—9数值序列分别表示工程特性之间的负相关、不相关、正相关和自相关，规范化后得自相关矩阵P，如下所示：

90000 99001

P 3 3910 ，归一化可得：

00990 11119

0000 1

1 1101/9 P 1/3 1/311/90

00110 1/91/91/91/91

由式(8)计算出，可得归一化后顾客需求与工程特性之间相关矩阵R，并由式(11)计算出AI，式(12)计算出RI，进而求出工程特性相对重要性权值矢量V，如下所示：

00.090.090 0.82

0.320.320.32 00.04 R 0.19 0.190.560.060

000.500.500 0.080.080.080.080.69 AI 0.300.050.300.110.07

RI 0.360.060.360.130.09

产品改进总预算B为115万元。根据质量屋中的信息，应用本文提出的方法得到了以下目标规划模型：

maxS(x) 0.36x1 0.06x2 0.36x3 0.13x4 0.09x5 约束于：25x1 20.6x2 24.62x3 10x4 6x5 115

1 x1 1.3，1 x2 2，1 x3 1.5，1 x4 1.25，1 x5 2

在PC机上用单纯形法解此目标规划方程，得到规划的目标值和工程特性改进率的优化结果，如表1所示。

表1目标规划目标值和工程特性最优改进率

性所需的相对改进程度。对工程特性EC1,EC2,EC3改进后的目标值，由公式lj

计算。工

程特性EC4,EC5的目标值，由公式lj lj*xj计算。由此，可得工程特性目标值最优解矢量

L* (50,0.19,20,1,6000)，记入质量屋的底部。

由表1可以看出：①工程特性EC1,EC3,EC4的最优改进率分别为1.30,1.50,1.25，而它们的相对权重RI分别为0.36, 0.36,0.13 (如图2)。显然，尽管EC1,EC3,EC4的权重大于EC5，而其最优改进率却小于EC5。这主要是因为改进工程特性EC1,EC3,EC4所需费用要高于改进EC5所需费用(如图2)，所以权衡并优化的结果，使EC5最优改进率达到最大；②该目标规划的目标值maxS(x) 1.41，即改进后本公司产品的顾客满意度可达到1.41，比改进前提高了41。将竞争者A公司产品的各工程特性目标值(如图2)分别代替式(17)、(18)中的lj，则可计算出A公司相对于本公司的各工程特性目标值的改进率，再由式(13)可计算出A公司产品的

顾客满意度为1.16。所以，改进后本公司产品的顾客满意度已大大超过竞争者A公司。通过以上分析可以看出，该模型是有效的、可行的。参考文献：

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ProductDevelopmentProcessBasedonHouseofQuality

CHENYi—zeng，TANGJia—fu，HOURong—tao，RENLi—yi(1．SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，NortheasternUniv．，Shenyang110004，China；2．SchoolofInformationScience&Engineering，NortheasternUniv．，Shenyang110004。China)Abstract：QualityFunctionDeployment(QFD)isbecomingawidelyusedcustomer-orientedapproachinproductdevelopment．Somemethodo1ogica1issuesoccurringintheconventionalHouseofQuality(HoQ)arediscussed，andthenanewintegrativedecisionmodelforselectinganoptimalsetofengineeringcharac—teristicsispresentedusingamodifiedHoQmode1．ThemodifiedHoQprioritizationprocedureemploysamu1ti—attributedecisionmethodforassigningrelationshipratingsbetweencustomerrequirementsanden—gineeringcharacteristicsinsteadofaconventionalrelationshipratingscale。suchas1～3—9．TheproposeddecisionmodelcanmakefulluseoftheinformationofeverypartinHoQandofferoptimizedsolutiontotheconflicts．Ithasbeenappliedtothequalityimprovementproblemofamotorcarasanillustrativeexample，anditisprovedtobemorereasonableandeffectivethantheconventionalmethods．Keywords：QFD；HoQ；productdevelopment；mathematicalprogrammingmodel；analytichierarchyprocess

5 参考文献

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