顧客需求模板的動態(tài)分類樹研究

徐楠，孟憲舉，李國斌

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

顧客需求模板的動態(tài)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(xué)機電工程學(xué)院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術(shù)重點實驗室，山東濟南250101）

顧客需求模板是質(zhì)量功能配置（QFD）系統(tǒng)對設(shè)計實例和規(guī)則進行規(guī)范化的工具。文章基于質(zhì)量功能配置中顧客需求動態(tài)獲取的特點，分析了顧客需求模板實例提取和動態(tài)進化過程，規(guī)范了設(shè)計實例及設(shè)計規(guī)則的描述，提出了實現(xiàn)模板動態(tài)進化的動態(tài)分類樹的概念，探討了動態(tài)分類樹的存儲、規(guī)則調(diào)整方式以及實例歸類方法。結(jié)果表明:基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的二叉樹定義，將動態(tài)分類樹的存儲設(shè)計為三重鏈接方式，實例規(guī)則調(diào)整采用自下而上的方式檢索規(guī)則并存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)存儲的近似最小變量空間；基于最近相鄰策略設(shè)計實例歸類標(biāo)準(zhǔn)及其算法，通過指定歸類標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到調(diào)整顧客需求模板中實例分類的目的，提高推理決策的準(zhǔn)確性。

質(zhì)量功能配置；顧客需求模板；動態(tài)分類樹；二叉樹；最近相鄰策略

0 引言

企業(yè)對某新產(chǎn)品的設(shè)計一般不會是在沒有先例情況下的全新設(shè)計。通常設(shè)計人員要通過對已有某類產(chǎn)品的改型來滿足新的用戶需求，這要求設(shè)計人員依據(jù)先前的設(shè)計經(jīng)驗和實例來指導(dǎo)完成當(dāng)前的設(shè)計任務(wù)。因此機械產(chǎn)品設(shè)計是在一定條件約束下的面向設(shè)計目標(biāo)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(guī)格化產(chǎn)品設(shè)計中的表現(xiàn)尤為明顯。

質(zhì)量功能配置QFD（Quality Function Deployment）是一種通過產(chǎn)品規(guī)劃、工程設(shè)計以及生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)將顧客的要求準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)品上的一套設(shè)計生產(chǎn)管理思想體系。企業(yè)對顧客需求的提取和分析在QFD中需要借助數(shù)據(jù)庫和實例庫，即應(yīng)用基于實例的推理方法通過訪問和調(diào)整實例庫中過去同類問題的求解，推理出當(dāng)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(yīng)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(chǎn)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(tài)模板的動態(tài)分類樹設(shè)計方法，以達(dá)到方便分析顧客需求并為企業(yè)發(fā)展決策提供可靠依據(jù)的目標(biāo)。

1 動態(tài)分類樹概念的提出

1.1 顧客需求動態(tài)模板

在質(zhì)量功能配置（QFD）應(yīng)用過程中，由于每個設(shè)計人員的設(shè)計觀念和語言風(fēng)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(tǒng)推理帶來一定的困難，有時甚至系統(tǒng)由此可能推理出錯誤的結(jié)論。為此，質(zhì)量功能配置系統(tǒng)設(shè)計出一種規(guī)范的工具—顧客需求模板，對設(shè)計實例及規(guī)則進行一定程度的規(guī)范。然而新產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品實例。顯然，若采用顧客需求靜態(tài)模板將有很大局限性，系統(tǒng)須采用動態(tài)顧客需求模板對顧客的新需求進行描述。

顧客需求動態(tài)模板的設(shè)計思想是，建立顧客需求的數(shù)據(jù)庫和實例庫，當(dāng)設(shè)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(tǒng)提供的顧客需求數(shù)據(jù)中提取所需要的需求數(shù)據(jù)并增加到實例庫中。

通常新產(chǎn)品設(shè)計時系統(tǒng)的新實例會同步增加，新實例中絕大多數(shù)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(shè)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(shù)據(jù)庫中的實例數(shù)據(jù)表也會作出相應(yīng)修改，這一過程即模板的動態(tài)進化。

1.2 動態(tài)分類樹概念

為了適應(yīng)顧客需求模板的動態(tài)進化，設(shè)計了實例存儲工具即動態(tài)分類樹。動態(tài)分類樹系統(tǒng)的主要功能是定義新的顧客需求數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實例中數(shù)據(jù)修改；按照系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法修改實例模板，實現(xiàn)顧客需求模板的動態(tài)進化。動態(tài)分類樹的概念中，分類樹是指系統(tǒng)當(dāng)前已完成的全部顧客需求的設(shè)計空間；動態(tài)是指由于在這個分類樹中未必能覆蓋所有顧客需求的設(shè)計空間，當(dāng)新的需求不屬于分類樹包含的設(shè)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(yīng)自動插入新類以適應(yīng)新的設(shè)計需求。

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

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

2 動態(tài)分類樹的設(shè)計

2.1 動態(tài)分類樹存儲方式設(shè)計

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

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

任何樹都能通過一個簡單的轉(zhuǎn)換得到與之對應(yīng)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(zhuǎn)換方法:把樹林F看作樹T的有序集合，F(xiàn)＝（T1，T2，…，Tn），對應(yīng)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(tài)分類樹具有的非線性結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)椒椒▽ζ溥M行存儲。把樹轉(zhuǎn)換成二叉樹，則相應(yīng)的二叉樹鏈?zhǔn)酱鎯Ψ绞綖?在每個結(jié)點中除了存儲結(jié)點本身的數(shù)據(jù)之外，再新設(shè)置兩個字段:llink和rlink，其中l(wèi)link指向結(jié)點的左子女，rlink指向結(jié)點的右子女。若結(jié)點的子女為空，則相應(yīng)的llink或rlink字段設(shè)置為“空”。二叉樹存儲的結(jié)點形式如圖1所示。

圖1 二叉樹存儲的結(jié)點形式圖

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

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

由于在推理過程中有時可能需要系統(tǒng)有“向上”訪問的能力，所以除了在樹的每個結(jié)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(jié)點中只有結(jié)點的數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)情況下是難以適用的，因為它很難迅速地告知一個結(jié)點是否為終端結(jié)點，也很難迅速確定某個結(jié)點的子女位置。所以，本系統(tǒng)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(tài)分類樹”。

2.2 動態(tài)分類樹的規(guī)則調(diào)整方法設(shè)計

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

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

圖2 動態(tài)分類樹推理過程圖

3 動態(tài)分類樹的實例歸類研究

3.1 動態(tài)分類樹上的實例歸類設(shè)計

已知系統(tǒng)提取到了與新實例最為接近的類，系統(tǒng)停止檢索，設(shè)計人員被要求對新實例在動態(tài)分類樹上歸類。

設(shè)該目標(biāo)類為Tij，其中i表示類T處于動態(tài)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(tài)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(shè)計人員是否用新設(shè)計實例中包含的規(guī)則替換目標(biāo)類Tij原來蘊含的規(guī)則。如果目標(biāo)類規(guī)則被替換，類下面蘊含的規(guī)則相應(yīng)地被當(dāng)前實例蘊含的規(guī)則所替換；

②提示設(shè)計人員是否將新的設(shè)計實例中包含的規(guī)則和目標(biāo)類Tij原來蘊含的規(guī)則同時保存。這樣，推理實例庫中該產(chǎn)品類型下就包含了新實例和目標(biāo)類蘊含的所有規(guī)則的并集。這里分為兩種情況:當(dāng)目標(biāo)類下蘊含的規(guī)則和新實例蘊含的規(guī)則相同或是包含與被包含的關(guān)系，以規(guī)則的并集作為目標(biāo)類下的新規(guī)則；當(dāng)目標(biāo)類下蘊含的規(guī)則和新實例蘊含的規(guī)則不相同，這里又可分為:當(dāng)條件不同，即需求不同時，系統(tǒng)保存新實例蘊含的規(guī)則，此時新舊規(guī)則同時存在庫中；當(dāng)條件相同而結(jié)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(guān)系（關(guān)系強度）不同時，新舊規(guī)則仍然保存在庫中，在以后推理顯示結(jié)論時將該需求對應(yīng)的工程特性及其對應(yīng)的關(guān)系強度同時全部列出。

③提示設(shè)計人員是否不保存新的設(shè)計實例中包含的規(guī)則。這樣，推理實例庫中就不會包含當(dāng)前實例蘊含的規(guī)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(shè)計人員將新類Tn與目標(biāo)類Tij并列；

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

③提示設(shè)計人員將新類Tn插入到目標(biāo)類Tij的下一層，本來作為目標(biāo)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(tài)分類樹上的歸類過程，實現(xiàn)了系統(tǒng)的不斷學(xué)習(xí)，實例庫將不斷被擴充，整個系統(tǒng)的推理決策能力也將不斷提高。

3.2 動態(tài)分類樹的歸類標(biāo)準(zhǔn)研究

由于在質(zhì)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(yīng)有權(quán)重因子，以最近相鄰策略作為系統(tǒng)檢索策略［10］。

為了得到庫中與當(dāng)前設(shè)計實例最相似的產(chǎn)品類型，需要將當(dāng)前設(shè)計實例的需求與推理實例庫中各產(chǎn)品類型的需求相匹配，找到與當(dāng)前設(shè)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(shè)計問題的描述，設(shè)當(dāng)前設(shè)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(dāng)前實例中的需求特征的個數(shù)。

定義二:對于推理實例庫中的候選產(chǎn)品類型Cj，設(shè)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(chǎn)品類型的第n個需求特征。

定義三:設(shè)權(quán)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(yīng)的權(quán)重因子。

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

式中:當(dāng)?shù)趈個候選類中沒有與Cji匹配的需求特征時-Cji＝1，否則-Cji＝0。

3.3 顧客需求動態(tài)模板實例開發(fā)

根據(jù)對QFD中顧客需求模板和動態(tài)分類樹的研究，建立了顧客需求動態(tài)模板系統(tǒng)（Case_based System of Dynamic Customer Demand Model）。將系統(tǒng)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(shè)計人員完成實例，可根據(jù)查詢條件從產(chǎn)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(guī)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(guī)則以積累經(jīng)驗。在推理實例庫中對實例入庫的規(guī)定按照動態(tài)分類樹的規(guī)定進行，這就避免了由于新實例的加入使系統(tǒng)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(tǒng)以汽車變速器為顧客需求背景，后臺采用SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，前臺采用Visual Basic工具開發(fā)。顧客需求界面圖如圖3所示，它是在市場調(diào)查后設(shè)計人員根據(jù)顧客需求調(diào)查報告的內(nèi)容完成顧客需求及其重要度輸入的界面。產(chǎn)品類型歸類界面圖如圖4所示，可實現(xiàn)在動態(tài)分類樹上建立新類（新結(jié)點）并指定新類（新結(jié)點）的位置，還可將新實例歸入已有的相似類（舊結(jié)點）中，并可規(guī)定新實例蘊含的規(guī)則的保存方式。

圖3 顧客需求界面圖

圖4 產(chǎn)品類型歸類界面圖

4 結(jié)論

顧客需求模板是QFD系統(tǒng)對設(shè)計實例和規(guī)則進行規(guī)范化的工具，新產(chǎn)品實例開發(fā)要求模板具有動態(tài)進化功能，規(guī)范實例的描述規(guī)則可以保證質(zhì)量功能配置中準(zhǔn)確、合理地傳遞質(zhì)量信息。通過本研究可知:（1）基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的二叉樹定義，將動態(tài)分類樹的存儲設(shè)計為三重鏈接方式。動態(tài)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(tǒng)存儲信息量，設(shè)計了動態(tài)分類樹的調(diào)整方法，即以自下而上的方式檢索實例規(guī)則并存儲。

（2）以最近相鄰策略作為系統(tǒng)檢索策略，系統(tǒng)通過指定歸類標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到調(diào)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(zhǔn)確性。

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（責(zé)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(shè)計及理論等方面的研究，E-mail:xunan06＠sdjzu.edu.cn