顧客需求模板的動態分類樹研究

徐楠，孟憲舉，李國斌

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

顧客需求模板的動態分類樹研究

徐楠1，2，孟憲舉1，2，李國斌1

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250101）

顧客需求模板是質量功能配置（QFD）系統對設計實例和規則進行規范化的工具。文章基于質量功能配置中顧客需求動態獲取的特點，分析了顧客需求模板實例提取和動態進化過程，規范了設計實例及設計規則的描述，提出了實現模板動態進化的動態分類樹的概念，探討了動態分類樹的存儲、規則調整方式以及實例歸類方法。結果表明:基于數據結構的二叉樹定義，將動態分類樹的存儲設計為三重鏈接方式，實例規則調整采用自下而上的方式檢索規則并存儲，實現系統存儲的近似最小變量空間；基于最近相鄰策略設計實例歸類標準及其算法，通過指定歸類標準值達到調整顧客需求模板中實例分類的目的，提高推理決策的準確性。

質量功能配置；顧客需求模板；動態分類樹；二叉樹；最近相鄰策略

0 引言

企業對某新產品的設計一般不會是在沒有先例情況下的全新設計。通常設計人員要通過對已有某類產品的改型來滿足新的用戶需求，這要求設計人員依據先前的設計經驗和實例來指導完成當前的設計任務。因此機械產品設計是在一定條件約束下的面向設計目標并具有繼承屬性的智能決策和推理行為［1］。而且這一特征在系列化、規格化產品設計中的表現尤為明顯。

質量功能配置QFD（Quality Function Deployment）是一種通過產品規劃、工程設計以及生產制造等環節將顧客的要求準確轉化到最終產品上的一套設計生產管理思想體系。企業對顧客需求的提取和分析在QFD中需要借助數據庫和實例庫，即應用基于實例的推理方法通過訪問和調整實例庫中過去同類問題的求解，推理出當前問題的解決策略或解決方案，這個解決策略或方案可以成為新實例加入實例庫中［2-5］。在應用基于實例推理方法來獲取和整理顧客需求后，確定顧客需求的重要度，分析顧客對市場上類似產品在滿足顧客需求方面的看法［6-8］。文章提出了一種基于實例推理的顧客需求動態模板的動態分類樹設計方法，以達到方便分析顧客需求并為企業發展決策提供可靠依據的目標。

1 動態分類樹概念的提出

1.1 顧客需求動態模板

在質量功能配置（QFD）應用過程中，由于每個設計人員的設計觀念和語言風格有所不同，因此他們歸納出的顧客需求的語言表述就不會完全相同，這給QFD系統推理帶來一定的困難，有時甚至系統由此可能推理出錯誤的結論。為此，質量功能配置系統設計出一種規范的工具—顧客需求模板，對設計實例及規則進行一定程度的規范。然而新產品開發又會帶來另一個問題，即舊實例的顧客需求難以覆蓋新的產品實例。顯然，若采用顧客需求靜態模板將有很大局限性，系統須采用動態顧客需求模板對顧客的新需求進行描述。

顧客需求動態模板的設計思想是，建立顧客需求的數據庫和實例庫，當設計人員需要輸入顧客需求時，不必錄入每一條顧客需求，而是直接從系統提供的顧客需求數據中提取所需要的需求數據并增加到實例庫中。

通常新產品設計時系統的新實例會同步增加，新實例中絕大多數顧客需求可以從原有模板直接選取。若該實例的某些需求不能利用已有的顧客需求模板進行描述時，此時必須通過人機交互由設計人員錄入新的顧客需求，這些新需求就被添加到舊的顧客需求模板中，同時后臺數據庫中的實例數據表也會作出相應修改，這一過程即模板的動態進化。

1.2 動態分類樹概念

為了適應顧客需求模板的動態進化，設計了實例存儲工具即動態分類樹。動態分類樹系統的主要功能是定義新的顧客需求數據，實現實例中數據修改；按照系統設定的數據轉換方法修改實例模板，實現顧客需求模板的動態進化。動態分類樹的概念中，分類樹是指系統當前已完成的全部顧客需求的設計空間；動態是指由于在這個分類樹中未必能覆蓋所有顧客需求的設計空間，當新的需求不屬于分類樹包含的設計空間時，把該顧客需求歸入分類樹中任何一類中都是不可能的，在這種情況下應自動插入新類以適應新的設計需求。

動態分類樹的根結點代表的是產品的總稱，樹上的每個結點上代表一個產品類型以及其中蘊含的規則，簡稱為“類”；最底層的樹葉表達的是該樹枝上當前最末端的產品類型及其蘊含的規則；低一級的分支結點代表的規則是由該結點和其祖父結點所蘊含的規則的組合。由此可見，從分類樹上的根結點到樹葉的每一條路徑代表了該樹葉代表的產品所蘊含的全部規則，結點之間的連線表示兩結點之間關系。

動態分類樹的形式非常類似于一個產品目錄:在產品類型這個根結點下按照產品屬性有若干產品類，每個產品類下又將其分為若干個較細的產品類，依次存儲。因為每一個產品類上都包含了其對應的顧客需求，當動態分類樹進行存儲或調整時，顧客需求模板隨之進行動態進化。

2 動態分類樹的設計

2.1 動態分類樹存儲方式設計

研究動態分類樹存儲方式的目的是提高系統的檢索效率，減少存儲空間。由于動態分類樹的每個結點的子女數沒有限制，如果使用在結點內保存該結點子女序號的方法來表示，則每個結點內設置多少個字段不好確定。若以整個樹中子女最多的結點為準為各結點設置字段，則大量字段為空，浪費存儲空間；若每個結點按其實際的子女樹設置字段，在結點內設置size字段并指出該結點包括多少字段，則各結點不等常給管理帶來不便。為此，在對動態分類樹的存儲上借用了數據結構上的二叉樹的概念。

二叉樹定義為:二叉樹由結點的有限集合構成，這個有限集合或者為空集，或者由一個根節點和兩棵不相交的二叉樹組成，其中二叉樹分別稱作根節點的左子樹和右子樹［9］。

任何樹都能通過一個簡單的轉換得到與之對應的二叉樹，這就為樹的存儲及運算提供了方便。

樹到二叉樹的轉換方法:把樹林F看作樹T的有序集合，F＝（T1，T2，…，Tn），對應于F的二叉樹為B（F）。若n＝0，則B（F）為空；若n＞0，則B（F）的根是T1的根W1，B（F）的左子樹是B（T11，T12，…，T1m），其中T11，T12，…，T1m是W1的子樹；B（F）的右子樹是B（T2，T3，…，Tn）。

由于動態分類樹具有的非線性結構，本系統采用鏈式方法對其進行存儲。把樹轉換成二叉樹，則相應的二叉樹鏈式存儲方式為:在每個結點中除了存儲結點本身的數據之外，再新設置兩個字段:llink和rlink，其中llink指向結點的左子女，rlink指向結點的右子女。若結點的子女為空，則相應的llink或rlink字段設置為“空”。二叉樹存儲的結點形式如圖1所示。

圖1 二叉樹存儲的結點形式圖

最后還需在二叉樹的第一個結點上再加一個指向樹根的字段t構成此二叉樹的llink-rlink法表示。采用上述設置可以把動態分類樹轉換成相應的動態分類二叉樹形式，在用llink-rlink法存儲的樹里，llink指向結點的第一個子女，rlink指向結點的下一個兄弟。

將該動態分類樹轉換成二叉樹形式后并用llink-rlink法進行存儲，稱其為動態雙鏈樹。在動態雙鏈樹中，結點的rlink指向原來的動態分類樹中同一層的下一個兄弟結點；llink指向原來的動態分類樹的下一層中它的第一個子女結點。特殊地，對應于每個樹葉的結點的llink指向“空”，對應于每個沒有下一個兄弟結點的rlink指向“空”。

由于在推理過程中有時可能需要系統有“向上”訪問的能力，所以除了在樹的每個結點中用llink和rlink分別指向子女和兄弟外，再增加一個指向父母的字段u，形成三重鏈接的樹。

事實上，若每個結點中只有結點的數據本身和字段u，也是足以完全確定任何有向樹的。除了根以外每個結點恰有一個父母，但是卻可能有多個子女，所以給出向上的鏈接比給出向下的鏈接更為簡單。不過向上的鏈接在大多數情況下是難以適用的，因為它很難迅速地告知一個結點是否為終端結點，也很難迅速確定某個結點的子女位置。所以，本系統采用的是既可以“向上”訪問同時也可以“向下”訪問的三重鏈接方式，并將該三重鏈接方式稱為“動態分類樹”。

2.2 動態分類樹的規則調整方法設計

由于動態分類樹上每一個結點代表的不是某條規則，而是產品類型及其蘊含的多條規則，因此系統存儲量很大。如果動態分類樹的每個結點同時存儲產品類型及其蘊含的所有規則，則內容相同的規則將大量重復的存儲在樹上，這不但會加重系統的存儲負擔，而且大大降低了系統的推理效率。所以，設計了動態分類樹的調整規則為:當插入某類時，假設這個類結點有祖先，有子女，有兄弟。調整的次序是由下向上:第一步，尋找該結點的所有子女，如果這些子女之間有共同的規則，提取出來放入新結點中，然后將這些子女中與新結點重復的規則刪除（因為如果該結點中包含了某條規則，其子女也相應的繼承了該規則）；第二步，尋找該結點的各個兄弟結點，如果所有的兄弟結點中包含的某條或者某幾條規則與該結點包含的某條或者某幾條規則相同，提取出這些相同的規則放入該結點的父結點中；第三步，尋找該結點的各個祖先的兄弟結點，與第二步類似，如果查找到某結點與其各兄弟結點中有相同規則，提取出來放入其父結點中，一直進行到動態分類樹的第一級。

經過這樣的調整之后，動態分類樹上存儲的規則雖然仍可能有一定的重復，即第n層上某結點所蘊含的規則可能與第n層上該結點之外的某結點的子孫結點所蘊含的某條或某幾條規則重復，但它不再可能與該結點的兄弟結點或子孫結點所蘊含的規則重復。動態分類樹達到了規則存儲的近似最小變量空間，提高了系統推理的效率。動態分類樹推理過程如圖2所示。

圖2 動態分類樹推理過程圖

3 動態分類樹的實例歸類研究

3.1 動態分類樹上的實例歸類設計

已知系統提取到了與新實例最為接近的類，系統停止檢索，設計人員被要求對新實例在動態分類樹上歸類。

設該目標類為Tij，其中i表示類T處于動態分類樹的第i層，j表示類T是該層的第j個類。新實例在動態分類樹上的歸類過程可以分為如下幾種情形:

（1）將新實例歸入到求得的類Tij中，提示以下三種情況:

①提示設計人員是否用新設計實例中包含的規則替換目標類Tij原來蘊含的規則。如果目標類規則被替換，類下面蘊含的規則相應地被當前實例蘊含的規則所替換；

②提示設計人員是否將新的設計實例中包含的規則和目標類Tij原來蘊含的規則同時保存。這樣，推理實例庫中該產品類型下就包含了新實例和目標類蘊含的所有規則的并集。這里分為兩種情況:當目標類下蘊含的規則和新實例蘊含的規則相同或是包含與被包含的關系，以規則的并集作為目標類下的新規則；當目標類下蘊含的規則和新實例蘊含的規則不相同，這里又可分為:當條件不同，即需求不同時，系統保存新實例蘊含的規則，此時新舊規則同時存在庫中；當條件相同而結論不同，即需求相同而工程特性不同或者需求和工程特性都相同而兩者之間的相互關系（關系強度）不同時，新舊規則仍然保存在庫中，在以后推理顯示結論時將該需求對應的工程特性及其對應的關系強度同時全部列出。

③提示設計人員是否不保存新的設計實例中包含的規則。這樣，推理實例庫中就不會包含當前實例蘊含的規則。

（2）將新實例作為一個新類Tn，提示以下三種情況:

①提示設計人員將新類Tn與目標類Tij并列；

②提示設計人員將新類Tn插入到目標類Tij的上一層，即新類Tn成為目標類Tij的父類，原來與目標類同層的所有類也相應地成為新類Tn的兄弟類；

③提示設計人員將新類Tn插入到目標類Tij的下一層，本來作為目標類的子女類成為新類Tn的兄弟類。

通過以上對新實例在動態分類樹上的歸類過程，實現了系統的不斷學習，實例庫將不斷被擴充，整個系統的推理決策能力也將不斷提高。

3.2 動態分類樹的歸類標準研究

由于在質量功能配置中的實例推理涉及到的大多是需求特征，而且每一個需求特征都對應有權重因子，以最近相鄰策略作為系統檢索策略［10］。

為了得到庫中與當前設計實例最相似的產品類型，需要將當前設計實例的需求與推理實例庫中各產品類型的需求相匹配，找到與當前設計實例最接近的類型，引入了實例相似度的概念和算法。

定義一:對于一給定的設計問題的描述，設當前設計實例的需求特征描述的有限集合由式（1）表示為

式中:C*為實例的需求特征；n為包含在當前實例中的需求特征的個數。

定義二:對于推理實例庫中的候選產品類型Cj，設該候選類的需求特征由式（2）描述為

式中:Cjn為推理實例庫中第j個候選產品類型的第n個需求特征。

定義三:設權重集合W＝（W1，W2，W3，…，Wn）滿足式（3）為

式中:Wi表示與實例庫中第i個需求特征相對應的權重因子。

定義四:將當前設計實例C*與候選類Cj匹配，則設計實例與候選類的相似度由式（4）表示為

式中:當第j個候選類中沒有與Cji匹配的需求特征時-Cji＝1，否則-Cji＝0。

3.3 顧客需求動態模板實例開發

根據對QFD中顧客需求模板和動態分類樹的研究，建立了顧客需求動態模板系統（Case_based System of Dynamic Customer Demand Model）。將系統中的實例庫分為推理實例庫（QFD_Reasoning）和查詢實例庫（QFD_Inquiry）。查詢實例庫是設計人員完成實例，可根據查詢條件從產品類型、顧客信息等查詢到某實例QFD分析的整個過程。推理實例庫是成功實例規則庫，同時又是實例推理的參考庫，需要不斷增加庫中的實例規則以積累經驗。在推理實例庫中對實例入庫的規定按照動態分類樹的規定進行，這就避免了由于新實例的加入使系統推理的速度變慢而影響推理效果的問題，從而提高了推理的效率。

系統以汽車變速器為顧客需求背景，后臺采用SQL Server數據庫系統，前臺采用Visual Basic工具開發。顧客需求界面圖如圖3所示，它是在市場調查后設計人員根據顧客需求調查報告的內容完成顧客需求及其重要度輸入的界面。產品類型歸類界面圖如圖4所示，可實現在動態分類樹上建立新類（新結點）并指定新類（新結點）的位置，還可將新實例歸入已有的相似類（舊結點）中，并可規定新實例蘊含的規則的保存方式。

圖3 顧客需求界面圖

圖4 產品類型歸類界面圖

4 結論

顧客需求模板是QFD系統對設計實例和規則進行規范化的工具，新產品實例開發要求模板具有動態進化功能，規范實例的描述規則可以保證質量功能配置中準確、合理地傳遞質量信息。通過本研究可知:（1）基于數據結構的二叉樹定義，將動態分類樹的存儲設計為三重鏈接方式。動態分類樹或者將新實例作為新類存儲，或者將新實例全部或部分地歸入到舊類中。為減小系統存儲信息量，設計了動態分類樹的調整方法，即以自下而上的方式檢索實例規則并存儲。

（2）以最近相鄰策略作為系統檢索策略，系統通過指定歸類標準值達到調整實例在顧客需求模板中分類的目的，提高了推理決策的準確性。

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（責任編輯：吳芹）

Research on dynam ic classified trees for customer demand model

Xu Nan1，2，Meng Xianju1，2，Li Guobin1

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

Customer demand model is a kind of tool to standardize design cases and rules of quality function deployment（QFD）.Based on the characteristics of obtaining customer demands in quality function deployment，the case collection and dynamic evolution processwere analyzed and design case rulers were specified.The concept of dynamic classified trees was proposed to realize dynamic evolution ofmodels.The storagemodel，rule adjustment and cases classification methods of dynamic classified treeswere discussed.The results show that the storagemodel of dynamic classified treeswas designed to triply links based on binary tree of data structure.To retrieve and store case rules bottomup approach of adjustment rules were applied and the approximate minimum variable space were achieved.The cases classification standards and algorithm were established according to nearest neighbor algorithm.By specifying the classification standards value to adjust the samples classification in customer demand model，the accuracy of inference and decision-making were improved.

quality function deployment；customer demand model；dynamic classified trees；binary tree；nearest neighbor strategy

TP391

A

1673-7644（2014）06-0520-05

2014-06-18

徐楠（1976-），女，副教授，博士，主要從事機械設計及理論等方面的研究，E-mail:xunan06＠sdjzu.edu.cn