面向綠色設(shè)計(jì)的客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化方法

高 洋 劉志峰 胡 迪 張 雷

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

面向綠色設(shè)計(jì)的客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化方法

高 洋 劉志峰 胡 迪 張 雷

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

為了開發(fā)具有良好綠色性能和經(jīng)濟(jì)性能的綠色產(chǎn)品,使客戶需求在向工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的過程中能夠綜合考慮綠色性能的改進(jìn)和功能技術(shù)需求約束的影響,提出了基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析方法的綠色客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化方法。對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量屋進(jìn)行改造,以綠色性能和功能技術(shù)需求關(guān)系矩陣代替技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性矩陣,以功能技術(shù)需求約束和功能技術(shù)需求關(guān)系矩陣代替自相關(guān)矩陣。針對(duì)質(zhì)量屋中信息模糊性的特點(diǎn),采用模糊數(shù)學(xué)方法處理質(zhì)量屋中的信息。利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法,以功能技術(shù)需求為決策單元建立了改進(jìn)質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型,以分析決策單元的相對(duì)有效性。在此基礎(chǔ)上,通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)影響功能技術(shù)需求決策單元技術(shù)效率的因素進(jìn)行敏感性分析,確定功能技術(shù)需求的改進(jìn)方向。通過在某洗碗機(jī)制造企業(yè)的實(shí)踐,驗(yàn)證了該方法的合理性。

綠色設(shè)計(jì);客戶需求;質(zhì)量功能配置;數(shù)據(jù)包絡(luò)分析;敏感性分析

0 引言

隨著能源、資源和環(huán)境問題的凸顯,各國(guó)政府頒布了嚴(yán)格的環(huán)保法律法規(guī),如歐盟的 RoHS[1]指令、WEEE[1]指令和EuP[2]指令等,同時(shí)政府開始鼓勵(lì)消費(fèi)者購(gòu)買綠色產(chǎn)品,從而越來越多的企業(yè)開始關(guān)注綠色產(chǎn)品的開發(fā),所以有必要尋求一種方法幫助企業(yè)開發(fā)綠色產(chǎn)品。客戶對(duì)產(chǎn)品的需求將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與產(chǎn)品市場(chǎng)緊密地連接在一起,質(zhì)量功能配置(quality function dep loyment,QFD)是在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用的、以客戶需求為驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法,它的主要功能是以客戶需求為驅(qū)動(dòng)來確定產(chǎn)品最主要的問題和參數(shù),明確優(yōu)先權(quán)及各參數(shù)與最終目標(biāo)值的關(guān)系,并將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)和制造信息[3]。但是傳統(tǒng)的QFD方法不能有效地支持產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì),針對(duì)這個(gè)問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了進(jìn)一步的研究。Sakao等[4]提出了面向環(huán)境的質(zhì)量功能配置(quality function dep loyment for environment,QFDE)方法,它是將QFD與產(chǎn)品生命周期中各個(gè)階段的綠色性能相結(jié)合,利用質(zhì)量功能配置的方法將客戶綠色需求轉(zhuǎn)換為功能技術(shù)需求的一種方法。Kuo等[5-6]將客戶需求分為功能、外觀、環(huán)境等幾大類,并利用QFD將分類整理后的客戶需求轉(zhuǎn)換為功能技術(shù)需求。Kaebernick等[7]根據(jù)生命周期觀點(diǎn)建立了環(huán)境矩陣,該矩陣主要分為能量使用、水使用、材料回收、再生利用和廢物排放五大部分,并與客戶需求相關(guān)聯(lián),通過QFD矩陣將客戶需求轉(zhuǎn)化為功能技術(shù)需求。

雖然通過上述方法可以開發(fā)滿足客戶需求的綠色產(chǎn)品,但是在客戶需求向功能技術(shù)需求轉(zhuǎn)化過程中存在3個(gè)不足:①僅以客戶需求為參照,沒有綜合考慮功能技術(shù)需求的約束。在產(chǎn)品實(shí)際開發(fā)過程中,實(shí)施某項(xiàng)技術(shù)需求不單單僅以客戶需求為參照,還必須考慮實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)所投入的成本、時(shí)間等技術(shù)需求約束因素;②引入了新的參考因素以后,計(jì)算功能技術(shù)需求權(quán)重的方法無法權(quán)衡質(zhì)量屋中各因素之間的關(guān)系,很難得到最優(yōu)的決策結(jié)果,缺乏一定的科學(xué)性;③不能給出技術(shù)需求的改進(jìn)方向。

Ramanathan等[8]驗(yàn)證了用功能技術(shù)需求的相對(duì)有效性分析代替其重要度分析的可行性。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量屋進(jìn)行改造,以綠色性能和功能技術(shù)需求關(guān)系矩陣代替技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性矩陣,以功能技術(shù)需求約束和功能技術(shù)需求關(guān)系矩陣代替自相關(guān)矩陣。利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)方法建立改進(jìn)質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型,使在客戶需求向工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的過程中,能夠綜合考慮綠色性能的改進(jìn)和功能技術(shù)需求的約束,并通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)決策單元的輸入輸出因素進(jìn)行敏感性分析,找出影響功能技術(shù)需求單元技術(shù)效率的主要因素,彌補(bǔ)了以上不足,提高了綠色設(shè)計(jì)中客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的科學(xué)性與實(shí)用性。

1 客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化方法

為了綜合考慮客戶需求、綠色性能和功能技術(shù)需求約束在客戶需求向工程參數(shù)轉(zhuǎn)化過程中的影響,本文提出一個(gè)改進(jìn)的QFD框圖,如圖1所示,把QFD下方的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)性矩陣改為綠色性能和功能技術(shù)需求關(guān)系矩陣,其中綠色性能包括拆卸性能(DP)、回收性能(RP)、有毒有害物質(zhì)(HS)、資源利用率(RE)、污染物排放(PE),其關(guān)系度的語(yǔ)言是:有效改善～嚴(yán)重惡化。把QFD上方的自相關(guān)矩陣改為綠色性能和功能技術(shù)需求約束關(guān)系矩陣,其中功能技術(shù)需求約束包括:技術(shù)成本(TC,指實(shí)施某項(xiàng)功能技術(shù)需求的成本,其關(guān)系度的語(yǔ)言是:低成本～高成本)、技術(shù)時(shí)間(TT,指實(shí)施某項(xiàng)功能技術(shù)需求所需要的時(shí)間,其關(guān)系度的語(yǔ)言是:短期～長(zhǎng)期)、技術(shù)知識(shí)(TK,指企業(yè)具有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)某項(xiàng)技術(shù)需求研發(fā)的影響,其關(guān)系度的語(yǔ)言是:具有豐富地知識(shí)/經(jīng)驗(yàn)～沒有知識(shí)/經(jīng)驗(yàn))、技術(shù)設(shè)備(TE,指企業(yè)具有的研發(fā)設(shè)備對(duì)某項(xiàng)技術(shù)需求研發(fā)的影響,其關(guān)系度的語(yǔ)言是具有齊全的設(shè)備～沒有相關(guān)的設(shè)備)。客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的基本過程為:①通過模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)質(zhì)量屋中的信息進(jìn)行模糊化處理;②識(shí)別質(zhì)量屋中信息的輸入與輸出,建立改進(jìn)質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡(luò)決策模型,通過模型求解來計(jì)算相對(duì)有效的功能技術(shù)需求決策單元;③利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)決策單元進(jìn)行敏感性分析,確定影響決策單元技術(shù)效率的主要因素。

圖1 改進(jìn)的質(zhì)量屋結(jié)構(gòu)模型

2 質(zhì)量屋中信息的模糊化處理

在質(zhì)量功能配置中,構(gòu)建質(zhì)量屋的各種輸入信息都是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),通過語(yǔ)言變量表達(dá)而加以判斷和評(píng)估的[9]。由于人大腦判斷事物的模糊性和不確定性,以及決策問題的模糊性,決策的評(píng)價(jià)往往需要采用模糊的語(yǔ)言來進(jìn)行描述。如在描述客戶需求重要度時(shí)經(jīng)常采用“不重要”、“一般重要”和“絕對(duì)重要”等詞語(yǔ),在描述客戶需求與功能技術(shù)需求關(guān)聯(lián)程度時(shí)常采用“一般關(guān)聯(lián)”、“中等關(guān)聯(lián)”、“強(qiáng)關(guān)聯(lián)”等詞語(yǔ)。在QFD中通常需要采用精確的數(shù)字來表達(dá)以上具有模糊性的語(yǔ)言。模糊數(shù)學(xué)能有效地用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的問題[10]。文獻(xiàn)[6-7,11]對(duì)質(zhì)量屋信息的模糊化處理進(jìn)行了研究。本文采用三角模糊數(shù)方法[12]對(duì)質(zhì)量屋的信息進(jìn)行模糊化處理。

3 基于DEA的功能技術(shù)需求相對(duì)有效性分析

3.1 面向改進(jìn)QFD的DEA模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法是一種對(duì)具有多指標(biāo)輸入和多指標(biāo)輸出的決策單元進(jìn)行相對(duì)有效性綜合評(píng)價(jià)的方法[13]。DEA方法通過建立規(guī)劃模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)決策單元的評(píng)價(jià),假設(shè)有n個(gè)決策單元(DMU),其中xij為第j個(gè)決策單元的輸入,與之相對(duì)應(yīng)的輸出為yij,那么DEA分析法的框圖如圖2所示。

將DEA方法應(yīng)用到改進(jìn)QFD中需要識(shí)別決策單元的輸入與輸出,可以采用圖3所示的方法來實(shí)現(xiàn)改進(jìn)QFD中因素輸入與輸出的判定。從圖3可以看出,實(shí)施某項(xiàng)功能技術(shù)的成本越高,那么該項(xiàng)功能技術(shù)需求越不易被采納;實(shí)施某項(xiàng)功能技術(shù)越能使產(chǎn)品較好地滿足客戶需求,那么該項(xiàng)功能技術(shù)需求越易被采納。

圖2 DEA決策單元的輸入與輸出框圖

圖3 改進(jìn)QFD中因素輸入與輸出的判定

根據(jù)圖3的方法,識(shí)別改進(jìn)質(zhì)量屋中的輸入與輸出并建立DEA框圖,第n個(gè)技術(shù)需求的決策單元為DMU n,則改進(jìn) QFD輸入與輸出的DEA框圖如圖4所示,這樣就可將功能技術(shù)需求的重要度分析問題轉(zhuǎn)化為功能技術(shù)需求決策單元的相對(duì)有效性分析。

圖4 改進(jìn)QFD的DEA框圖

3.2 權(quán)重的確定

為了考慮輸入輸出因素的權(quán)重對(duì)DEA分析結(jié)果的影響,采用模糊層次分析法(FAHP)計(jì)算輸入與輸出因素的權(quán)重,其層次模型如圖5所示。

圖5 輸入與輸出因素的層次模型

3.3 模型求解方法

采用能夠評(píng)價(jià)決策單元DMU規(guī)模有效性和技術(shù)有效性的具有非阿基米德無窮小的C2R模型[11]來進(jìn)行求解,其模型描述如下:

式中,eTq=[1 1 … 1],eTp=[-1 -1 … -1];θ為技術(shù)效率值;xj為第j個(gè)決策單元的輸入量;yj為第j個(gè)決策單元的輸出量;S-、S+分別為輸入和輸出的松弛向量;ε為非阿基米德無窮小量,是一個(gè)大于零而小于任何正數(shù)的數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中,只要取ε足夠小(如取ε=10-5或ε=10-6),就可以使用單純性方法進(jìn)行求解,從而可以判斷出DMU是DEA有效,還是非DEA有效。其判斷方法如下:假設(shè)上式的最優(yōu)解為 λ0、θ0、S+0、S-0,當(dāng) θ0=1,并且S+0=0,S-0=0時(shí),則有決策單元DMU為DEA有效;當(dāng)θ0＜1時(shí),則有決策單元DMU為非DEA有效。

4 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的敏感性分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種因素比較分析法,它通過對(duì)灰色系統(tǒng)內(nèi)有限數(shù)據(jù)序列的分析,尋求系統(tǒng)內(nèi)部諸因素間的關(guān)系,找出影響目標(biāo)值的主要因素[14],所以可以通過灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)影響功能技術(shù)需求決策單元的輸入因素進(jìn)行敏感性分析,找出影響功能技術(shù)需求單元技術(shù)效率值θ的主要因素,給出功能技術(shù)需求的改進(jìn)方向。假設(shè)決策單元各因素組成的系統(tǒng)行為序列為

其中,X0為各決策單元的技術(shù)效率值θ,(X 1,X2,…,Xi)為影響技術(shù)效率值θ的因素,其計(jì)算步驟如下。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化:效益型指標(biāo)

(4)根據(jù)γi的值來確定影響技術(shù)效率值θ的主要因素。

5 實(shí)例研究

洗碗機(jī)(圖6)是用來自動(dòng)清洗碗、筷、盤、碟、刀、叉等餐具的設(shè)備,其洗滌機(jī)理是利用高溫高壓水柱沖刷的機(jī)械作用和洗滌劑強(qiáng)效去污的化學(xué)作用,達(dá)到清潔與除菌的目的。洗碗機(jī)在發(fā)達(dá)國(guó)家的普及率非常高,有的甚至超過了60%,所以國(guó)內(nèi)洗碗機(jī)制造企業(yè)將國(guó)外洗碗機(jī)市場(chǎng)視為主要市場(chǎng),本文以洗碗機(jī)為例驗(yàn)證上述方法的合理性。洗碗機(jī)系統(tǒng)組成及主要零部件如圖7所示。

采用網(wǎng)絡(luò)收集、客戶調(diào)查表、市場(chǎng)調(diào)查分析等多種方法調(diào)查和收集客戶對(duì)洗碗機(jī)的需求,表1為經(jīng)整理后的客戶需求,表2為洗碗機(jī)的功能技術(shù)需求。

圖6 洗碗機(jī)三維模型

圖7 洗碗機(jī)各個(gè)系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件簡(jiǎn)圖

表1 洗碗機(jī)的客戶需求

表2 洗碗機(jī)的功能技術(shù)需求

首先,計(jì)算輸入與輸出因素的重要度,由三個(gè)來自不同領(lǐng)域的專家來進(jìn)行評(píng)價(jià),構(gòu)建三角模糊數(shù),并給出三角模糊數(shù)及其與重要度語(yǔ)言變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表3),其計(jì)算結(jié)果見表 4;然后,三位專家對(duì)改進(jìn)質(zhì)量屋中的信息進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)改進(jìn)質(zhì)量屋中的信息進(jìn)行模糊化處理。以綠色性能為例進(jìn)行說明:第一步,三位專家對(duì)功能技術(shù)需求與綠色性能的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行評(píng)價(jià),以平均三角模糊表示評(píng)價(jià)結(jié)果(表5);第二步,對(duì)表5中的平均三角模糊數(shù)進(jìn)行加權(quán),結(jié)果見表6;最后,利用文獻(xiàn)[12]中三角模糊數(shù)清晰化處理公式對(duì)表6進(jìn)行清晰化處理,最終結(jié)果見表7。

表3 語(yǔ)言變量及對(duì)應(yīng)的三角模糊數(shù)

表4 輸入輸出因素的綜合重要度

根據(jù)表7和改進(jìn)QFD的DEA框圖,建立非阿基米德無窮小的C2R模型:

表5 以平均三角模糊數(shù)表示的功能技術(shù)需求與綠色性能的關(guān)聯(lián)矩陣

表6 加權(quán)后的功能技術(shù)需求與綠色性能的三角模糊數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣

為了方便、準(zhǔn)確地計(jì)算上述模型,本文使用計(jì)算機(jī)編程來進(jìn)行計(jì)算。目前常采用MATLAB軟件來計(jì)算DEA模型,運(yùn)算結(jié)果見表8。從結(jié)果可以看出功能技術(shù)決策單元 DMU 4、DMU 5和DMU 10的技術(shù)效率值 θ分別為0.84、0.98和0.85,小于1,為非DEA有效。因此優(yōu)先考慮實(shí)施功能技術(shù)需求 DR1、DR2、DR3、DR6、DR7、DR8 、DR9、DR11、DR12、DR13、DR14、DR15 和DR16。

表7 功能技術(shù)需求與綠色性能和功能技術(shù)需求約束的關(guān)聯(lián)矩陣

表8 模型求解結(jié)果

為了有效地提高技術(shù)需求 DR4、DR5和DR10的技術(shù)效率,用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)其進(jìn)行敏感性分析,通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度找出重要影響因素,根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)行為序列矩陣A,并利用式(1)、式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化后,利用式(3)和式(4)分別計(jì)算初值像和差序列,得到矩陣C和D。

根據(jù)式(5)～式(7)計(jì)算關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見表9。從表9中可以看出,輸出指標(biāo)中的能源效率高(CR6)、安全性高(CR5)和減少清洗劑的用量(CR3)為主要影響因素,輸入指標(biāo)中的拆卸性能(DP)、污染物排放(PE)和技術(shù)設(shè)備(TE)為主要影響因素。為了驗(yàn)證該方法的正確性與可行性,選擇一個(gè)主要影響指標(biāo)和次要影響指標(biāo),分析各指標(biāo)的變化對(duì)技術(shù)效率的影響程度。以DR3為參照對(duì)DR4進(jìn)行改進(jìn),將DR4主要影響因素拆卸性能(DP)的實(shí)際值調(diào)整為0.29,保持其他指標(biāo)值不變,利用 DEA求得DR4的技術(shù)效率可從0.84提高到1。選擇一個(gè)次要的影響指標(biāo),如資源利用率(IT),仍然以DR3為參照,將該指標(biāo)值調(diào)整為0.46,而其他指標(biāo)值不變,再用DEA評(píng)價(jià)方法計(jì)算其技術(shù)效率為0.87,變化幅度很小,證明了該方法的正確性與可行性。

通過上述方法,將綠色性能、功能技術(shù)成本和時(shí)間有效地整合到基于質(zhì)量屋的綠色產(chǎn)品開發(fā)過程中,找出了技術(shù)效率值θ小于1的功能技術(shù)需求,提高了綠色產(chǎn)品開發(fā)過程中技術(shù)需求的實(shí)施效率。其次,技術(shù)效率值θ小于1的功能技術(shù)需求可以通過改進(jìn)影響技術(shù)效率θ的主要因素來提高其技術(shù)效率,如上述功能技術(shù)需求DR10(加入LCD顯示面板),可以通過改進(jìn)LCD控制面板的結(jié)構(gòu),使LCD面板能夠?qū)崿F(xiàn)非破壞性拆卸,改進(jìn)LCD面板的拆卸性能,從而提高技術(shù)需求DR10的技術(shù)效率。

表9 技術(shù)效率θ影響因素的關(guān)聯(lián)度及非DEA有效功能技術(shù)需求的投影值

6 結(jié)論

(1)建立了改進(jìn)QFD框架的DEA模型,將綠色性能和成本等因素整合到傳統(tǒng)的QFD中,使客戶需求向工程參數(shù)轉(zhuǎn)化過程中,能夠綜合考慮客戶需求、綠色性能和功能技術(shù)需求約束的影響。

(2)通過灰色關(guān)聯(lián)分析找出影響技術(shù)效率的重要因素,為功能技術(shù)需求的改進(jìn)提供了方向。

(3)除了本文引入質(zhì)量中的因素外,企業(yè)可以根據(jù)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)對(duì)綠色性能和功能技術(shù)需求約束進(jìn)行添加和修改。

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Research on Conversion M ethod from Customer Requirements to Technical Parameters for Green Design

Gao Yang Liu Zhifeng Hu Di Zhang Lei
Hefei University of Technology,Hefei,230009

In order to develop green productsw ith good green perform ance and economic performance,the green performance and the constraints of function technical requirements were integrated into the transformation process from the customers'requirements to the technical parameters.A method based on DEA and gray connection analysis(GCA)was presented.Through substituting the technical com petitive analysismatrix w ith the relationship matrix between function technique and green perform ance,substituting the correlationm atrix w ith the relationship m atrix betw een function technique and the constraint of function technique,the structure o f conventional house of quality(HOQ)was modified.The inform ation fuzziness in HOQ was solved by using fuzzy mathematics.Then,the DEA model ofmodified HOQ were proposed to analyze the relative effectiveness of function technique requirements'decision making units(DMU).Based on these,thedirection of function techniqueneeded to improvew as determined through the sensitivity analysisused to analyze the key factors of DMU influencing technical efficiency based on GCA.Finally,them ethod w as proved to be valid andm eaningfu l through its app lications in a dishwasherm anu facturing enterp rise o f Guangzhou.

green design;customer requirement;quality function deployment;data envelopment analysis(DEA);sensitivity analysis

TH 122

1004—132X(2011)05—0580—08

2010—05—10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775061);粵港招標(biāo)項(xiàng)目(TC07BF09-5)

(編輯 袁興玲)

高 洋,男,1981年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造。發(fā)表論文3篇。劉志峰,男,1963年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。胡 迪,男,1983年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。張 雷,男,1978年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授。