基于logistic回歸的設計缺陷影響因素的關系網模型*

劉衛東，肖承地

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

基于logistic回歸的設計缺陷影響因素的關系網模型*

劉衛東，肖承地

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

為了在產品設計開發過程中能有效地預防和控制設計缺陷，對設計缺陷因素進行了總結并根據設計缺陷因素的屬性和對設計缺陷影響性質和方式的差異對其進行了分類;根據硬件產品設計開發過程，定性地分析了設計缺陷因素對設計過程的影響。以此為基礎，構建了硬件產品設計缺陷因素與設計缺陷類型的關系網模型;運用logistic回歸理論，建立了硬件產品設計缺陷因素的回歸分析模型，實現了設計缺陷因素對設計缺陷影響的定量化分析。研究成果也為進一步深入研究設計缺陷的形成機理做了有益的嘗試。

設計缺陷;影響因素;關系網模型;logistic回歸

0 引言

產品質量是通過精心設計賦予的，通過精密制造而實現的，通過精細管理來保證的。產品設計工作從源頭對產品質量產生極其重要的影響，它賦予產品“先天性優劣”這種直觀重要的本質特性［1］。產品設計是一項復雜的系統工程，整個設計過程涉及的人員、資源和信息繁多，任何一個環節處理不當都會影響產品的設計質量，甚至導致產品存在設計缺陷。可能造成產品設計缺陷的設計缺陷因素眾多，不同的設計缺陷因素對各種設計缺陷的影響方式和影響程度也不同。因此，根據設計缺陷屬性和對設計缺陷的影響性質和方式的差異對設計缺陷進行分類，建立設計缺陷因素與設計過程及設計缺陷類型之間的關系模型，有利于全面掌握設計過程中的缺陷源，對企業預防和控制設計缺陷具有理論和實際指導意義。

產品設計缺陷因素分布于從方案設計、技術設計和工藝設計的整個產品設計過程中。國內外學者的研究不是著眼于設計缺陷的影響因素，而是從不同角度對總體設計質量的影響因素進行分析研究［2-4］。對設計質量影響因素的分析有助于理解設計過程對設計缺陷的影響，但設計缺陷作為設計質量評價的核心內容，其形成過程有自身規律性，需要從其形成的過程全面地分析設計缺陷因素。為數極少的關于設計缺陷影響因素的研究過于籠統，如文獻［5］根據質量管理中對造成質量波動原因分類的方法，將設計缺陷因素分為顯性設計缺陷因素(突發設計缺陷因素)和隱性設計缺陷因素(固有設計缺陷因素)，但這種分類過于簡單，對實際產品設計過程的指導作用不大。

目前學術界對缺陷形成方面的研究成果都集中從技術層面分析探究具體產品的特定缺陷產生機理及其檢測與控制手段［6-8］，僅文獻［9］和［10］對設計缺陷的數學模型及其在不同設計模式中形成、發展過程和改進的質量成本等問題，應用神經元模型等理論和方法進行了初步的研究探討。關于設計缺陷影響因素和設計缺陷形成過程研究的缺乏，必然導致設計缺陷預防和控制研究的不足，特別是定量分析研究設計缺陷因素與設計缺陷的相互關系基本上還是空白。

硬件產品在ISO標準中被定義為具有特定形狀、可分離的有形產品，如汽車、空調和機床等，是產品所有類型中使用最為廣泛、數量最大的一類產品。本文著眼于硬件產品設計缺陷的預防和控制，對設計缺陷因素進行分類，構建設計缺陷因素與設計過程和缺陷類型的關系網模型，并通過回歸分析，研究設計缺陷共性設計缺陷因素對設計缺陷的影響方式及影響程度。

1 設計缺陷因素的分類

設計缺陷源于產品設計各階段對設計任務的構思和實施，即設計缺陷產生于設計過程中對產品概念的構思及其特性參數優化的過程。影響設計過程的因素主要包括與設計過程相關的資源信息、技術、理論、方法、工具等。不同的設計缺陷因素對設計缺陷的影響方式和影響程度也不一樣。根據設計缺陷因素的屬性及其對設計缺陷的影響方式，對影響設計過程的設計缺陷因素進行歸納和分類。

(1)設計理念與目標

設計理念是設計者在產品構思過程中所確立的主導思想，它賦予產品品質內涵和風格特點。設計理念和目標對設計缺陷的產生有直接或間接的影響。好的設計理念至關重要，它不僅是設計的精髓所在，而且能令產品具有個性化、專業化和與眾不同的效果，反之則可能直接導致設計缺陷的產生。設計目標包括設計的技術目標、設計成本、設計周期、生產周期、售后服務等產品的綜合性能要求。設計目標制定的不正確或不可行可能間接地導致設計缺陷的產生。

(2)設計環境

設計環境對設計缺陷的產生有直接或間接的影響。設計環境包括社會環境、自然環境、技術環境、市場環境等的宏觀要求。社會環境主要包括政治、經濟、法律等方面的內容，所開發的產品必須與當地的社會環境相協調。自然環境主要體現生態環境的對產品的要求，包括環境保護、資源利用等。技術環境包括相關技術的研發現狀與發展趨勢、國家的技術政策及其發展趨勢等。市場環境主要是同行業企業同類產品的研發、生產和銷售狀況，市場未來發展的預測、國家的產業政策及其發展趨勢等。如不能準確理解和把握設計環境，可能導致設計缺陷的產生;而良好的設計環境則有助于預防設計缺陷的產生。

(3)設計信息

設計信息的不準確和不完備可能直接導致設計缺陷的產生。設計信息包括市場調研、設計資源和過程質量等與設計過程相關的信息。市場調研信息主要包括顧客需求、用戶反饋、競爭對手和相似產品，以及與該產品相關的政策、法律等方面的信息。設計資源信息主要包括相關的專利、專有技術和同類或相似產品的研發經驗積累等技術儲備，從事設計開發的各類人員的學歷、相關工作經歷和年限、專業技術熟練程度等，以及研發資金投入、研發裝備等信息。過程質量信息主要指企業相關生產加工工序質量水平、加工設備狀態及工藝參數和供應鏈信息等，這些信息對工藝設計如選擇加工方法、確定加工路線、選擇加工設備等至關重要。

(4)設計過程

包括設計模式、采用的設計方法和使用的設計工具等方面的內容，它們不僅影響設計效率，而且也直接或間接地影響設計質量。目前常用的有串行和并行兩種設計開發模式:串行設計開發模式設計周期長，設計效率低，協同管理和對設計積累的要求低，但設計活動展開充分，有助于設計缺陷在設計過程中得到識別和解決;而并行設計開發模式設計周期短，設計效率高，協同管理和對設計積累的要求也高，受時間限制，設計活動往往不能充分展開，不利于在下一個設計環節或活動中識別和解決先前設計環節或活動產生的設計缺陷。而設計方法和設計工具往往根據具體的設計任務、設計目標及其實現思路來選擇，這些內容在產品設計各階段均有體現。目前，優化設計、動態設計和概念設計等現代設計理念和方法已在工程界得到廣泛應用，而計算機在設計領域的應用不僅極大程度地提升了設計效率，而且使得許多先進的設計理念和設計方法的實際應用成為可能。選擇好這些方法和工具并加以正確運用，有助于高效、精確地實現設計目標，避免設計缺陷的產生。

(5)設計管理

設計管理是對設計缺陷起間接影響作用的一類基礎性和綜合性的因素，具體包括設計人員的管理、設計過程的管理和設計裝備的管理等多個方面。所有設計活動都是通過具體的設計人員來完成的，人員管理主要是對設計人員崗前培訓、職業素養、專業技能、質量意識等方面進行有效管理。所有設計活動都是通過具體的一個、一個設計過程來實現的，設計過程管理包括對設計過程的設計、過程要素的評審、設計缺陷因素的確定及其監測和控制、溝通有效性管理等。而設計過程的顧客需求分析、概念設計、詳細設計、工藝設計、制造與試驗等環節或活動需要使用設計工具、試制樣品樣機的設備和檢測裝備等設計裝備，設計裝備的管理包括選型、購置、使用、評估及處置等多項內容。做好設計管理，將有助于預防或避免設計缺陷的產生。

2 設計缺陷因素對設計過程的影響

產品設計過程是產品功能和性能特性從抽象到具體、從概念到詳細、從模糊到精確、從定性到定量逐步細化直到滿足設計目標要求的過程。設計人員在設計理念和思想的指引下，制定出設計規劃，以產品的功能和性能需求為出發點，在企業資源、質量成本、技術條件等約束下，做出一系列設計決策。設計各階段需要不同的設計信息，通過對這些信息的分析、處理，輔助設計人員做出設計決策和設計管理。產品設計各階段與設計缺陷因素的關系如圖1所示。

圖1 產品設計各階段與設計缺陷因素的關系圖

(1)產品規劃階段

產品設計規劃和顧客需求分析階段，為了制定產品規劃和項目任務書，主要的流程和活動有:市場調研、顧客需求獲取與合成、產品構思、確認市場機遇、項目評估和優先級排序、分配資源和安排時間、產品規劃評審等。產品構思受限于設計團隊對問題的把握、理解、分析和綜合處理能力及對市場需求的準備判斷，即設計指導思想和設計目標與該階段過程相關。顧客需求的獲取和整合需要全面的掌握顧客對產品功能和性能特性要求。同時，產品規劃的評審主要受到市場調研信息的影響，全面準確的信息有助于對設計過程做出準確的評判。

(2)產品概念設計階段

產品概念設計過程是分析顧客需求到形成產品概念的一系列有序的、有組織的、有目標的設計活動。這個階段主要的活動有:確定產品的總體系統特性和結構尺寸、完成各種技術的計算、利用優化技術確定工程特性的目標值等。除受上一階段輸出的影響外，產品概念的形成過程還受技術環境、企業的設計資源信息、設計模式、設計方法和設計工具的影響。也就是說，這些設計缺陷因素與概念設計階段相關。例如:技術環境不同，概念設計過程采用的設計手段也可能不一樣，最終確定的產品特性目標也會有不同程度的區別，而諸如結構性能缺陷往往都由這些參數特性不科學或不合理導致的。

(3)產品詳細設計階段

產品詳細設計主要是根據概念設計輸出的結果，將產品工程特性轉化為相應的零部件特性，系統考慮企業競爭及產品開發后續階段各種因素對設計方案的影響，在企業資源約束下，分別利用優化技術對各零部件的設計方案和形狀、尺寸進行選擇和計算，并針對所選定的一組設計法，確定各零部件的特性目標值，最后確定下一階段的零部件特性。這一階段主要活動有:產品方案確定、詳細的質量設計、詳細的技術計算、零部件和連接件的核對、成本核算等。詳細設計過程是一個復雜的多目標循環設計過程。除設計輸入外，該過程主要影響因素有設計資源、過程質量信息、設計模式、設計方法、設計工具等，其中設計資源信息和設計過程質量信息是過程的約束，設計工具和設計方法是影響到設計效率和效果，也是設計質量的保障因素。

(4)產品工藝設計階段

產品工藝設計階段主要任務包括零部件工藝的制定和工裝的設計。具體來講，工藝設計是將零部件特性轉化為相應的工藝參數，綜合考慮企業競爭及產品開發后續階段各種因素對工藝方案的影響，在生產設備、生產能力和生產成本等約束下，利用優化技術對各種工藝方案進行評價，確定工藝路線，并針對所選定的一組工藝方案，確定各工序的目標值，完成工裝的設計，最后確定下一階段的工藝特性。因此，企業的過程質量信息直接影響到工藝路線的制定和工藝設計的合理性。同時，設計方法和設計工具將影響設計效率和效果，直接決定著產品的制造質量、制造成本和交貨期。

3 設計缺陷因素與設計缺陷的關系網模型

一般而言，硬件產品設計開發過程是以顧客需求為驅動，以基型產品功能和性能優化為基本內容。因此，從設計開發過程實現的功能任務角度，可將其劃分為產品功能規劃、結構性能優化、工作性能優化和工藝優化四個功能任務模塊。相應地可將硬件產品設計缺陷劃分為四類，即功能缺陷、結構缺陷、性能缺陷和工藝缺陷，分別與產品設計的各功能任務模塊相對應。因此，結合設計缺陷因素與設計過程的關系，可以得到硬件產品設計缺陷因素與設計缺陷類型之間的關系網模型，如圖2所示。

圖2 設計缺陷因素與設計缺陷的關系網模型

4 設計缺陷因素對設計缺陷影響分析

在表達出設計缺陷因素與設計缺陷類型的關系網模型后，需要進一步對模型進行驗證和分析各設計缺陷因素對設計缺陷的影響方式或影響程度，這也是設計者或設計管理者最為關心的問題。設計缺陷因素是否對設計缺陷有影響是二分類變量。對于二分類變量，線性回歸模型已不適用，預測值會超出0和1的范圍，在此應用Logistic回歸模型［11］進行分析。

4.1 設計缺陷因素影響的logistic回歸模型

從設計結果來看，設計缺陷因素對產品設計的影響有兩種:導致所設計的產品存在缺陷和不會導致產品存在設計缺陷。設計缺陷因素對產品設計的影響是一個二分類變量:導致設計缺陷的產生，用y=1表示;不會導致設計缺陷產生，用y=0表示。

設第i個設計缺陷因素誘發設計缺陷產生的條件概率為Pi=P(yi=1|xi)。在硬件產品設計開發過程中，若有n個設計缺陷因素影響設計缺陷的發生，可建立硬件產品設計缺陷發生的logistic回歸模型如式(1)所示:

式(1)中，α 和 β1，…，βn分別為回歸截距和回歸系數。

相反，設計缺陷未發生的條件概率為:

因此，在一定設計缺陷因素影響下，設計缺陷產生與否概率的比值為:

所以，設計缺陷發生的logistic回歸模型的logit形式表達式為:

在運用(1)式進行設計缺陷因素對設計缺陷的影響分析時，需要首先確定反應變量和自變量;再根據確定的變量，收集整理相關數據;然后，確定進入logistic回歸模型的方法，對模型的擬合程度和預測效果及模型系數進行全局性檢驗;最后進行回歸分析并對分析結果做出判斷。

4.2 設計缺陷因素影響的定量分析

由于設計缺陷因素在產品設計過程中都是定性的描述，為了便于度量和統計，將設計缺陷因素視為二分類變量，分別用1或0的編碼值進行表示。因此，在控制其他設計缺陷因素的條件下，設計缺陷因素xi=1對比xi=0的發生比率，其估計值為:

從式(5)可以看出，調整發生比率就是變量xi的logistic回歸系數的指數冪。

AOR表示設計缺陷因素對設計缺陷發生的影響方式和影響能力大小，即設計缺陷因素在編碼值的兩個不同水平下，設計缺陷產生的危險性或可能性之比:

AOR＞1，說明該設計缺陷因素編碼值為1時，設計缺陷產生的可能性增加，且AOR取值越大，表明該設計缺陷因素編碼值為1時比該設計缺陷因素編碼值為0時誘發設計缺陷產生的可能性越大，即影響能力越大;

AOR＜1，說明該設計缺陷因素編碼值為1時，設計缺陷產生的可能性降低，且AOR取值越小，表明該設計缺陷因素編碼值為1比該設計缺陷因素編碼值為0對設計缺陷的控制或抑制作用越明顯，影響能力越大;

AOR=1表示該因素與設計缺陷的發生無關。

5 結論

設計過程中可能導致設計缺陷產生的因素眾多，不同性質的設計缺陷因素可能造成設計缺陷的方式和程度也不同。準確把握設計缺陷因素對設計缺陷的影響關系，以預先采取有效的預防和控制措施來避免設計缺陷的產生，是設計管理的重要內容。本文對設計缺陷影響因素進行了分類，并按設計過程定性地分析了設計缺陷因素對設計過程的支持，有利于設計者對設計過程中的缺陷源進行全面的把握;以此為基礎，構建設計缺陷因素與設計缺陷的關系網模型，來直觀地表達設計缺陷因素與設計過程和設計缺陷類型之間影響關系;提出了基于logistic回歸的設計缺陷因素定量分析方法，達到從定性和定量兩個方面把握設計缺陷因素對設計缺陷的影響性質和程度的目的。但在定量分析各設計缺陷因素對設計缺陷的影響方面本文僅給出了研究思路和方法，還需結合企業產品設計開發過程，運用上述方法分析不同類別產品的各類設計缺陷的主要影響因素及其對設計缺陷的影響方式和影響程度。

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Relationships Network Model of Factors Influencing Design Defect Based on Logistic Regression

LIU Wei-dong，XIAO Cheng-di
(The College of Mechanical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

In order to prevent and control the defects of design effectively in the product design process，the factors affected the defect in design were classified according to the differences in the nature and manner of design defects.According to the hardware product design process，the effect of design factors on the design process has been analyzed qualitatively.Meanwhile，the relation web model that the types of hardware design defects as a function of the factors affecting design defects was established.The method of logistic regression was used to build the regression analysis of the factors affecting design defects.On this way，it Makes the quantitative analysis of defect factors of design flaws become possible.Those conclusions are also useful for the further studying on the formation mechanism of the hardware design defects.

design defect;influencing factors;connection network model;logistic regression

TP391;TH122

A

1001-2265(2012)12-0015-04

2012-04-17

國家自然科學基金資助項目(71161018)

劉衛東(1962—)，男，江西新干人，南昌大學機電工程學院教授，博士，從事質量管理與可靠性研究，(E-mail)liuwd@ncu.edu.cn。

(編輯 趙蓉)