基于綠色QFD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模糊綜合評(píng)判*

韓曉曉，王 玫

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

基于綠色QFD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模糊綜合評(píng)判*

韓曉曉，王 玫

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

為了滿足綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，對(duì)最能反映顧客聲音的面向環(huán)境的質(zhì)量功能展開方法進(jìn)行了研究，提出利用綠色質(zhì)量功能展開來獲取產(chǎn)品的常規(guī)需求和環(huán)境需求，引入層次分析法求得用戶需求的權(quán)重，并通過建立用戶需求與技術(shù)特性的質(zhì)量屋，從而生成綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重由關(guān)系矩陣和用戶需求權(quán)重系數(shù)求得。在此基礎(chǔ)上，采取模糊綜合評(píng)判法對(duì)綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)。最后以減速箱為例，說明了該方法的實(shí)現(xiàn)流程和可行性。

綠色質(zhì)量功能展開；質(zhì)量屋；評(píng)價(jià)指標(biāo)；模糊綜合評(píng)判；層次分析法

0 引言

隨著全球環(huán)境的不斷惡化和消費(fèi)者環(huán)境意識(shí)的進(jìn)一步增強(qiáng)，人們對(duì)產(chǎn)品的綠色性的要求越來越高。在綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，就必須考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)的全部問題，因此，在設(shè)計(jì)階段就必須進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。而評(píng)價(jià)的關(guān)鍵之一就是建立一套科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

近年來，許多學(xué)者在綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立方面做了大量的研究工作。劉飛等提出了包含時(shí)間、質(zhì)量、成本、環(huán)境影響和資源消耗等5大決策目標(biāo)變量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［1］；向東等提出從產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、綠色性等三大屬性建立綠色產(chǎn)品綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［2］；劉光復(fù)等基于綠色產(chǎn)品的概念，提出了由層次維、時(shí)間維、目標(biāo)維組成的三維矩陣的綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)框架體系［3］。

綜上所述，人們從不同側(cè)面對(duì)綠色產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但是目前提出的綠色產(chǎn)品的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，均沒有從用戶的角度出發(fā)考慮用戶對(duì)綠色產(chǎn)品的需求，使得設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)難以完全覆蓋用戶的所有要求。而在綠色產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的過程中，用戶需求的滿意度是決定綠色產(chǎn)品質(zhì)量好壞的最高標(biāo)準(zhǔn)。綠色質(zhì)量功能展開（quality function deployment for environment，QFDE））是最能體現(xiàn)用戶需求、反映用戶聲音的一種方法［4］，它將質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）與綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論整合［5］，并集成環(huán)境需求到QFD方法體系中。

因此，本文應(yīng)用質(zhì)量驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)，利用綠色質(zhì)量功能展開來獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過質(zhì)量屋（House of Quality）建立用戶需求與評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互關(guān)系，即把利用用戶需求獲取的技術(shù)特性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，充分考慮了用戶的需求，使得設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)更為全面。評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值也是綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)研究的問題之一，目前主要采用專家打分法，德爾菲法，熵權(quán)法等確定指標(biāo)權(quán)重。本文評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重由關(guān)系矩陣和用戶需求重要度系數(shù)直接求得，從而為評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算節(jié)省了部分時(shí)間，提高了評(píng)價(jià)效率。鑒于綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)所涉及的指標(biāo)很多，是一項(xiàng)復(fù)雜、無法用定量的方法直接進(jìn)行分析對(duì)比的活動(dòng)，本文采取模糊綜合評(píng)判法對(duì)綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。最后以減速箱為例，說明了該方法的實(shí)現(xiàn)流程和可行性。

1 基于綠色QFD建立質(zhì)量屋和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 介紹QFDE，質(zhì)量功能展開和質(zhì)量屋

QFDE是兼顧產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境和成本的質(zhì)量功能展開，依據(jù)產(chǎn)品全生命周期生產(chǎn)、制造、使用和廢棄等各個(gè)階段，將用戶需求轉(zhuǎn)換為工程技術(shù)特性［6］。運(yùn)用QFDE方法，用戶的環(huán)境質(zhì)量需求（例如，可更新、節(jié)能、可回收）可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)特征（例如，易拆卸、提高回收率、減少零件數(shù)量、提高動(dòng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率等）［7］。

QFDE通過質(zhì)量屋來有效規(guī)劃綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過矩陣圖表的形式描述用戶需求與技術(shù)特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過數(shù)學(xué)方法求得相對(duì)權(quán)重，進(jìn)行量化分析，確定出刻畫用戶需求的關(guān)鍵技術(shù)特性，并作為后續(xù)設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量模糊綜合評(píng)判的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 基于綠色QFD建立指標(biāo)體系

1.2.1 用戶需求分析

對(duì)于綠色產(chǎn)品來說，不但需要滿足產(chǎn)品功能、性能方面的要求，還應(yīng)該最大程度的提高產(chǎn)品的環(huán)境性能。因此，結(jié)合QFDE和綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文的用戶需求可以分為產(chǎn)品的常規(guī)需求和產(chǎn)品的環(huán)境需求。產(chǎn)品的環(huán)境需求主要表現(xiàn)為產(chǎn)品材料的環(huán)境友好性、產(chǎn)品的拆卸與回收性能、產(chǎn)品的能耗等。

用戶需求的獲取與分析是質(zhì)量機(jī)能展開的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。使用親和圖法（KJ法）進(jìn)行需求層次化分析，將表達(dá)相同含義或近似含義的用戶需求歸于同一類，形成系統(tǒng)的、有層次的用戶需求。經(jīng)調(diào)查整理獲得的減速箱的常規(guī)需求和環(huán)境需求如圖1所示。

圖1 減速箱的常規(guī)需求和環(huán)境需求

1.2.2 層次分析法進(jìn)行用戶需求權(quán)重的計(jì)算

層次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出的一種把定性和定量相結(jié)合的決策分析方法［8］。它運(yùn)用比例標(biāo)度，采用基于單一準(zhǔn)則的兩兩比較判斷矩陣模式，為人們提供了確定因素權(quán)重的有效方法［9］。

用戶需求重要度是QFDE中極其重要的數(shù)量指標(biāo)。本文采用專家評(píng)分法和層次分析法相結(jié)合的方式來確定各級(jí)需求的權(quán)重。在此使用Saaty的1-9標(biāo)度法，并參考相對(duì)重要性等級(jí)表，見表1。

表1 相對(duì)重要性等級(jí)表

（1）構(gòu)造判斷矩陣。

建立判斷矩陣是層次分析法的關(guān)鍵步驟。針對(duì)同一層次的用戶需求，組織專家進(jìn)行討論評(píng)分。參照重要性判斷標(biāo)度表（表1）對(duì)用戶需求進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造這一等級(jí)的用戶需求的判斷矩陣C=（cij），其判斷矩陣如下；

（2）求解判斷矩陣的特征向量ω。

（3）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax，進(jìn)行一致性判斷。

經(jīng)分析計(jì)算得出減速箱的各級(jí)比較判斷矩陣和判斷結(jié)果如表2～表8所示。

表2 A-B判斷矩陣

表3 B1-C判斷矩陣

表4 B2-C判斷矩陣

表5 B3-C判斷矩陣

表6 B4-C判斷矩陣

表7 B5-C判斷矩陣

表8 二級(jí)需求權(quán)重

1.2.3 技術(shù)特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）與用戶需求關(guān)系的確定

用戶需求與技術(shù)特性之間的關(guān)系相當(dāng)于目標(biāo)與手段，利用質(zhì)量屋將用戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）。根據(jù)用戶的需求，以及綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)際情況，通過比較和研究，逐一推導(dǎo)得出可測(cè)量或測(cè)試的技術(shù)特性，提煉出一組可以實(shí)際操作的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

需要注意的是，顧客對(duì)產(chǎn)品的每一項(xiàng)用戶需求可能與一項(xiàng)技術(shù)特性有關(guān)，也可能與多項(xiàng)技術(shù)特性有關(guān)。如影響減速箱可拆卸性能的技術(shù)特性既有零件間的連接方式，又有零部件的數(shù)量等。經(jīng)整理減速箱的技術(shù)特性如圖2所示。

在確定產(chǎn)品技術(shù)特性后，明確用戶需求與技術(shù)特性之間的相關(guān)影響程度，并建立關(guān)系矩陣［10］。通常用下列符號(hào)來表示用戶需求與產(chǎn)品技術(shù)特性之間關(guān)系的強(qiáng)弱程度；◎表示強(qiáng)關(guān)系；○表示中等關(guān)系；△表示弱關(guān)系；空白表示無關(guān)系。

QFDE方法通過加權(quán)評(píng)分把用戶需求的重要度予以量化，進(jìn)一步確定用戶需求的重要程度。其方法為給關(guān)系符號(hào)賦分，如；◎表示9分；○表示3分；△表示1分；空白表示0分。這樣關(guān)系矩陣就化為配分矩陣［rij］，rij是第i項(xiàng)用戶需求與第j項(xiàng)技術(shù)特性的關(guān)系配分。

圖2 減速箱的技術(shù)特性

1.2.4 確定技術(shù)特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）的權(quán)重

使用定量計(jì)算的方法，以用戶需求重要度、用戶需求與技術(shù)特性相互關(guān)系量化值為基礎(chǔ)，計(jì)算得到技術(shù)特性的權(quán)重系數(shù)。于是第j項(xiàng)技術(shù)特性的重要度ωj為Rij的加權(quán)mi之和，即；

式中；mi—第i個(gè)用戶需求重要度；

Rij—第i個(gè)用戶需求和第j個(gè)技術(shù)特性之間關(guān)系符號(hào)量化值；

ωj—第j個(gè)技術(shù)特性的重要度。

然后將它們規(guī)范化為技術(shù)特性的權(quán)重系數(shù)，第j項(xiàng)技術(shù)特性的權(quán)數(shù)Aj為；

2 模糊綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)判是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，綜合定性和定量方法的特點(diǎn)，對(duì)具有模糊性和不確定性的問題做出評(píng)判的方法［11］。鑒于綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)所涉及的指標(biāo)很多，是一項(xiàng)復(fù)雜、無法用定量的方法直接進(jìn)行分析對(duì)比的活動(dòng)，因此適合采用模糊綜合評(píng)判方法來進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策。具體過程如下；

（1）建立評(píng)判集 根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的評(píng)判結(jié)果確定評(píng)判集V=｛v1，v2，…，vn｝

（2）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集 根據(jù)采用QFDE的質(zhì)量屋方法得出的技術(shù)特性集合作為評(píng)價(jià)指標(biāo)集合，即U=｛u1，u2，…，un｝。

（3）建立權(quán)重集 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重在基于QFDE建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過程中獲取，權(quán)重集A=｛A1，A2，…An｝，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)ui賦予的相應(yīng)權(quán)數(shù)Ai由質(zhì)量屋給出。

（4）建立模糊評(píng)判矩陣 首先由專家憑借其豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)給出隸屬函數(shù)，算出隸屬度，從而生成模糊評(píng)判矩陣Rn×n。

（5）一級(jí)模糊綜合評(píng)判

一級(jí)模糊綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型為；

式中，⊕為某種合成算子，對(duì)此算子的定義不同，則對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)判模型不同，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的是；按乘加運(yùn)算合成M（*，+）。即；Bj=D同時(shí)也是二級(jí)模糊綜合評(píng)判的評(píng)判矩陣。

（6）二級(jí)模糊綜合評(píng)判

在一級(jí)模糊綜合評(píng)判的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判，二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型為；

式中；A為二級(jí)評(píng)級(jí)指標(biāo)集中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，R為一級(jí)模糊綜合評(píng)判的結(jié)果。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文將此種評(píng)價(jià)方法運(yùn)用到綠色減速箱設(shè)計(jì)的模糊綜合評(píng)判中。利用綠色QFD將市場(chǎng)調(diào)查得到的用戶需求轉(zhuǎn)化為減速箱的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并且得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)判求得綠色減速箱的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1 基于綠色QFD建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，得出權(quán)重

經(jīng)過調(diào)查整理獲得減速箱的常規(guī)需求和環(huán)境需求，采用層次分析法獲得用戶需求的權(quán)重，基于綠色QFD建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并求出評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。最終得到的減速箱產(chǎn)品質(zhì)量屋如表9所示。

表9 減速箱質(zhì)量屋

續(xù)表

3.2 綠色減速箱的模糊綜合評(píng)判

（1）評(píng)判集；確定評(píng)判集V=｛很好，較好，一般，較差，很差｝

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)集合；根據(jù)采用QFDE方法得出的技術(shù)特性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即一級(jí)指標(biāo)=｛材料，經(jīng)濟(jì)性，可靠性，功能性，設(shè)計(jì)制造｝，二級(jí)指標(biāo)；材料=｛材料種類，廢舊材料回收率｝，經(jīng)濟(jì)性=｛成本價(jià)格｝，可靠性=｛工作壽命，耐久維修性｝，功能性=｛承載能力，潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，傳動(dòng)平穩(wěn)，密封性｝，設(shè)計(jì)制造=｛外形尺寸，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，零部件數(shù)量，零部件連接方式｝

（3）建立模糊評(píng)判矩陣；由專家確定法生成的模糊評(píng)判矩陣見表10。

表10 減速箱模糊評(píng)判矩陣

3.2.1 綠色減速箱的一級(jí)模糊綜合評(píng)判

根據(jù)所得的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Ai和對(duì)應(yīng)的模糊評(píng)判矩陣Ri，可得到一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣Bi=Ai·Ri=A′i·Ri，A′i為權(quán)重系數(shù)Ai做歸一化處理。

1）B1=A1·R1=A′1·R1

2）同理可得；

3.2.2 綠色減速箱的二級(jí)模糊綜合評(píng)判

根據(jù)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；

該綠色減速箱的模糊綜合性能評(píng)判結(jié)果為；

按照最大隸屬度原則，評(píng)判結(jié)果表明該綠色減速箱在設(shè)計(jì)質(zhì)量上屬于較好（其隸屬度為39.6%）。若按照5級(jí)李克特量表5分制計(jì)分的話，則整體設(shè)計(jì)質(zhì)量得分為B=0.321×5+0.396×4+0.197×3+ 0.076×2+0.019×1=3.951接近較好。

4 結(jié)束語

在綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段，通過應(yīng)用面向環(huán)境的質(zhì)量功能展開（QFDE）方法，將獲取的產(chǎn)品的常規(guī)需求和環(huán)境需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，使得設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)不僅考慮了專家和參與產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)人員的意見，更特別強(qiáng)調(diào)了用戶對(duì)產(chǎn)品的綠色需求，提高了產(chǎn)品的環(huán)境性能，能夠全面地體現(xiàn)出影響綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的所有因素。此外，本文還采用了層次分析法確定用戶需求的權(quán)重，以此獲得科學(xué)合理的用戶需求信息，并采用質(zhì)量屋方法來有效地獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。最后，以減速箱為例，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。算例表明，基于綠色QFD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模糊綜合評(píng)判方法理論體系嚴(yán)密，計(jì)算步驟明確，是一種可行的綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法。

［1］劉飛，張華，陳曉慧.綠色制造的決策框架模型及其應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999，35（5）；11-15.

［2］向東，張根保，汪永超，等.綠色產(chǎn)品及其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，1999（4）；14-19.

［3］劉光復(fù)，劉志峰.綠色產(chǎn)品及其評(píng)價(jià)系統(tǒng)框架［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1997（4）；12-15.

［4］BAHILLAT.A Tutorialon Quality Function Deployment.［J］.Engineering Management Journal，1993（9）；24-35.

［5］王家青，高全杰，吳小珍.綠色QFD在靜電涂油機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006（11）；24-26.

［6］耿凱陽，于隨然.基于QFDE的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（4）；1-5.

［7］王云霞，魯泳，胡月，等.環(huán)境質(zhì)量功能配置在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（7）；87-89.

［8］SAATYTL.The Analytic Hierarchy Process［M］.NewYork；McGraw-Hill，1980.

［9］許樹柏.層次分析法原理［M］.天津；天津大學(xué)出版社，1986.

［10］時(shí)君麗，王德權(quán)，曲洪偉.模糊QFD模型在制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.組合機(jī)床及其自動(dòng)化技術(shù)，2011（4）；33-36.

［11］李鴻吉.模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及實(shí)用算法［M］.北京；科學(xué)出版社，2005.

（編輯 李秀敏）（編輯 李秀敏）

Fuzzy Comprehensive Evaluation and Product Design Based on QFDE

HAN Xiao-xiao，WANG Mei
（School of Manufacturer Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

；In order to meet the needs of green product design，quality function deployment for environment（QFDE）which mostly reflects the voice of customers has been studied.A method getting regular requirements and environmental requirements of products on the basis of QFDE is presented.The weight of user requirements is calculated by analytic hierarchy process（AHP）.By establishing the modelof House of Quality（HOQ）for user needs and technical characteristics，green product design quality evaluation index system is generated.The weight of evaluation index is calculated through mathematical operation of relationship matrix and the weight coefficients of user needs.On this basis，the fuzzy comprehensive judgment theory is applied to give a scientific and reasonable judgment of green product design.A reducer casing example is given to demonstrate the feasibility and practicability of the proposed method.

；QFDE；house of quality；evaluation index；fuzzy comprehensive judgment；analytic hierarchy process

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）05-0156-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.044

2014-08-01；

2014-09-19

四川大學(xué)校市合作重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012GH001）；四川省教育廳人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地西華大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)研究中心資助科研項(xiàng)目（GY-13YB-14）

韓曉曉（1990—），女，山西晉城人，四川大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，（E-mail）hanxx0628@163.com。