面向綠色設計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,合肥,230009

面向綠色設計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,合肥,230009

為了開發(fā)具有良好綠色性能和經(jīng)濟性能的綠色產(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和功能技術(shù)需求約束的影響,提出了基于數(shù)據(jù)包絡分析和灰色關聯(lián)分析方法的綠色客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化方法。對傳統(tǒng)質(zhì)量屋進行改造,以綠色性能和功能技術(shù)需求關系矩陣代替技術(shù)競爭性矩陣,以功能技術(shù)需求約束和功能技術(shù)需求關系矩陣代替自相關矩陣。針對質(zhì)量屋中信息模糊性的特點,采用模糊數(shù)學方法處理質(zhì)量屋中的信息。利用數(shù)據(jù)包絡分析方法,以功能技術(shù)需求為決策單元建立了改進質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡分析模型,以分析決策單元的相對有效性。在此基礎上,通過灰色關聯(lián)分析方法對影響功能技術(shù)需求決策單元技術(shù)效率的因素進行敏感性分析,確定功能技術(shù)需求的改進方向。通過在某洗碗機制造企業(yè)的實踐,驗證了該方法的合理性。

綠色設計;客戶需求;質(zhì)量功能配置;數(shù)據(jù)包絡分析;敏感性分析

0 引言

隨著能源、資源和環(huán)境問題的凸顯,各國政府頒布了嚴格的環(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,同時政府開始鼓勵消費者購買綠色產(chǎn)品,從而越來越多的企業(yè)開始關注綠色產(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。客戶對產(chǎn)品的需求將產(chǎn)品設計過程與產(chǎn)品市場緊密地連接在一起,質(zhì)量功能配置(quality function dep loyment,QFD)是在業(yè)界得到廣泛應用的、以客戶需求為驅(qū)動的產(chǎn)品概念設計方法,它的主要功能是以客戶需求為驅(qū)動來確定產(chǎn)品最主要的問題和參數(shù),明確優(yōu)先權(quán)及各參數(shù)與最終目標值的關系,并將其轉(zhuǎn)換為設計和制造信息[3]。但是傳統(tǒng)的QFD方法不能有效地支持產(chǎn)品綠色設計,針對這個問題,國內(nèi)外學者開展了進一步的研究。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)品實際開發(fā)過程中,實施某項技術(shù)需求不單單僅以客戶需求為參照,還必須考慮實施該項技術(shù)所投入的成本、時間等技術(shù)需求約束因素;②引入了新的參考因素以后,計算功能技術(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系,很難得到最優(yōu)的決策結(jié)果,缺乏一定的科學性;③不能給出技術(shù)需求的改進方向。

Ramanathan等[8]驗證了用功能技術(shù)需求的相對有效性分析代替其重要度分析的可行性。在此基礎上,本文對傳統(tǒng)質(zhì)量屋進行改造,以綠色性能和功能技術(shù)需求關系矩陣代替技術(shù)競爭性矩陣,以功能技術(shù)需求約束和功能技術(shù)需求關系矩陣代替自相關矩陣。利用數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)方法建立改進質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡分析模型,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和功能技術(shù)需求的約束,并通過灰色關聯(lián)分析方法對決策單元的輸入輸出因素進行敏感性分析,找出影響功能技術(shù)需求單元技術(shù)效率的主要因素,彌補了以上不足,提高了綠色設計中客戶需求工程參數(shù)轉(zhuǎn)化的科學性與實用性。

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,本文提出一個改進的QFD框圖,如圖1所示,把QFD下方的技術(shù)競爭性矩陣改為綠色性能和功能技術(shù)需求關系矩陣,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),其關系度的語言是:有效改善～嚴重惡化。把QFD上方的自相關矩陣改為綠色性能和功能技術(shù)需求約束關系矩陣,其中功能技術(shù)需求約束包括:技術(shù)成本(TC,指實施某項功能技術(shù)需求的成本,其關系度的語言是:低成本～高成本)、技術(shù)時間(TT,指實施某項功能技術(shù)需求所需要的時間,其關系度的語言是:短期～長期)、技術(shù)知識(TK,指企業(yè)具有的知識和經(jīng)驗對某項技術(shù)需求研發(fā)的影響,其關系度的語言是:具有豐富地知識/經(jīng)驗～沒有知識/經(jīng)驗)、技術(shù)設備(TE,指企業(yè)具有的研發(fā)設備對某項技術(shù)需求研發(fā)的影響,其關系度的語言是具有齊全的設備～沒有相關的設備)?？蛻粜枨蠊こ虆?shù)轉(zhuǎn)化的基本過程為:①通過模糊數(shù)學方法對質(zhì)量屋中的信息進行模糊化處理;②識別質(zhì)量屋中信息的輸入與輸出,建立改進質(zhì)量屋的數(shù)據(jù)包絡決策模型,通過模型求解來計算相對有效的功能技術(shù)需求決策單元;③利用灰色關聯(lián)度分析方法對決策單元進行敏感性分析,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)驗和知識,通過語言變量表達而加以判斷和評估的[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,決策的評價往往需要采用模糊的語言來進行描述。如在描述客戶需求重要度時經(jīng)常采用“不重要”、“一般重要”和“絕對重要”等詞語,在描述客戶需求與功能技術(shù)需求關聯(lián)程度時常采用“一般關聯(lián)”、“中等關聯(lián)”、“強關聯(lián)”等詞語。在QFD中通常需要采用精確的數(shù)字來表達以上具有模糊性的語言。模糊數(shù)學能有效地用數(shù)學方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的問題[10]。文獻[6-7,11]對質(zhì)量屋信息的模糊化處理進行了研究。本文采用三角模糊數(shù)方法[12]對質(zhì)量屋的信息進行模糊化處理。

3 基于DEA的功能技術(shù)需求相對有效性分析

3.1 面向改進QFD的DEA模型

數(shù)據(jù)包絡分析方法是一種對具有多指標輸入和多指標輸出的決策單元進行相對有效性綜合評價的方法[13]。DEA方法通過建立規(guī)劃模型來實現(xiàn)對決策單元的評價,假設有n個決策單元(DMU),其中xij為第j個決策單元的輸入,與之相對應的輸出為yij,那么DEA分析法的框圖如圖2所示。

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

根據(jù)圖3的方法,識別改進質(zhì)量屋中的輸入與輸出并建立DEA框圖,第n個技術(shù)需求的決策單元為DMU n,則改進 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有效性分析。

圖4 改進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DEA分析結(jié)果的影響,采用模糊層次分析法(FAHP)計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

采用能夠評價決策單元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個決策單元的輸入量;yj為第j個決策單元的輸出量;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,是一個大于零而小于任何正數(shù)的數(shù)。

在實際應用中,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:假設上式的最優(yōu)解為 λ0、θ0、S+0、S-0,當 θ0=1,并且S+0=0,S-0=0時,則有決策單元DMU為DEA有效;當θ0＜1時,則有決策單元DMU為非DEA有效。

4 基于灰色關聯(lián)分析的敏感性分析

灰色關聯(lián)分析是一種因素比較分析法,它通過對灰色系統(tǒng)內(nèi)有限數(shù)據(jù)序列的分析,尋求系統(tǒng)內(nèi)部諸因素間的關系,找出影響目標值的主要因素[14],所以可以通過灰色關聯(lián)分析對影響功能技術(shù)需求決策單元的輸入因素進行敏感性分析,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)需求的改進方向。假設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,其計算步驟如下。

(1)標準化:效益型指標

(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 實例研究

洗碗機(圖6)是用來自動清洗碗、筷、盤、碟、刀、叉等餐具的設備,其洗滌機理是利用高溫高壓水柱沖刷的機械作用和洗滌劑強效去污的化學作用,達到清潔與除菌的目的。洗碗機在發(fā)達國家的普及率非常高,有的甚至超過了60%,所以國內(nèi)洗碗機制造企業(yè)將國外洗碗機市場視為主要市場,本文以洗碗機為例驗證上述方法的合理性。洗碗機系統(tǒng)組成及主要零部件如圖7所示。

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

圖6 洗碗機三維模型

圖7 洗碗機各個系統(tǒng)及關鍵零部件簡圖

表1 洗碗機的客戶需求

表2 洗碗機的功能技術(shù)需求

首先,計算輸入與輸出因素的重要度,由三個來自不同領域的專家來進行評價,構(gòu)建三角模糊數(shù),并給出三角模糊數(shù)及其與重要度語言變量的對應關系(表3),其計算結(jié)果見表 4;然后,三位專家對改進質(zhì)量屋中的信息進行評價并對改進質(zhì)量屋中的信息進行模糊化處理。以綠色性能為例進行說明:第一步,三位專家對功能技術(shù)需求與綠色性能的關聯(lián)程度進行評價,以平均三角模糊表示評價結(jié)果(表5);第二步,對表5中的平均三角模糊數(shù)進行加權(quán),結(jié)果見表6;最后,利用文獻[12]中三角模糊數(shù)清晰化處理公式對表6進行清晰化處理,最終結(jié)果見表7。

表3 語言變量及對應的三角模糊數(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)關聯(lián)矩陣

為了方便、準確地計算上述模型,本文使用計算機編程來進行計算。目前常采用MATLAB軟件來計算DEA模型,運算結(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,用灰色關聯(lián)分析對其進行敏感性分析,通過計算關聯(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)進行標準化。標準化后,利用式(3)和式(4)分別計算初值像和差序列,得到矩陣C和D。

根據(jù)式(5)～式(7)計算關聯(lián)度,結(jié)果見表9。從表9中可以看出,輸出指標中的能源效率高(CR6)、安全性高(CR5)和減少清洗劑的用量(CR3)為主要影響因素,輸入指標中的拆卸性能(DP)、污染物排放(PE)和技術(shù)設備(TE)為主要影響因素。為了驗證該方法的正確性與可行性,選擇一個主要影響指標和次要影響指標,分析各指標的變化對技術(shù)效率的影響程度。以DR3為參照對DR4進行改進,將DR4主要影響因素拆卸性能(DP)的實際值調(diào)整為0.29,保持其他指標值不變,利用 DEA求得DR4的技術(shù)效率可從0.84提高到1。選擇一個次要的影響指標,如資源利用率(IT),仍然以DR3為參照,將該指標值調(diào)整為0.46,而其他指標值不變,再用DEA評價方法計算其技術(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)品自身的特點對綠色性能和功能技術(shù)需求約束進行添加和修改。

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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

國家自然科學基金資助項目(50775061);粵港招標項目(TC07BF09-5)

(編輯 袁興玲)

高 洋,男,1981年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院博士研究生。主要研究方向為機電產(chǎn)品綠色設計與制造。發(fā)表論文3篇。劉志峰,男,1963年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院教授、博士研究生導師。胡 迪,男,1983年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院博士研究生。張 雷,男,1978年生。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院副教授。