（管理科学与工程专业论文）产品规划与设计中的模糊优化及分析方法研究.pdf

摘要 摘要 随着全球化市场的形成，企业竞争的焦点已经集中于如何能够更好地满足个 性化的顾客需求。在不牺牲企业经济效益的前提下，根据客户的要求进行个性化 的生产已成为新世纪企业的生产竞争模式。这其中的核心就是产品的规划与设 计。基于产品规划与设计，考虑在实际中广泛存在着的不确定因素，特别是模糊 因素，研究如何在产品规划与设计模型中体现模糊因素是一个有重要意义的课 题。本文对这一课题进行了比较深入的研究，主要内容如下： 首先，本文阐述了我国加入w t o 以后企业所处的环境特征及产品规划与设 计的重要地位，同时对学术界内已有的产品规划与设计研究相关理论进行了综 述，并阐述了本文的研究意义。 第二，针对q f d 规划过程的内在模糊性，把模糊回归理论应用于q f d 的产 品规划过程，研究了确定顾客需求与工程特性之间的关联函数及工程特性之间自 相关函数的数学方法，进而建立了一个q f d 的产品规划模型。 第三，研究了近年来提出的一种解决多属性多指标优化设计问题的物理规划 模型，给出了其在产品族上应用的方法和算例，建立了具有模糊性能指标的物理 规划模型，并将模糊统计方法应用于物理规划中偏好函数的确定。 第四，在介绍模糊双层规划的基础上研究了面向产品族协同优化设计的模糊 双层规划方法，针对产品参数与产品功能之间的映射具有模糊性并且平台参数和 个性化参数间具有一定主从关系的情形，建立了一种对平台参数和非平台参数进 行协同优化的模糊双层线性规划模型。 最后，将本文研究的方法与模型应用于产品规划与设计的实例。 关键词：大规模定制质量功能展开物理规划模糊双层规划产品族 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef o r m a t i o no fw o r l dm a r k e t t h ec o m p e t i t i o nb e t w e e ne n t e r p r i s e sh a v e f o c u s e do nh o wt os a t i s f yt h ei n d i v i d u a lc l i e n t sd e m a n d sb e t t e r w i t h o u ti m p a i r i n g e n t e r p r i s e s b e n e f i t sm a n u f a c t u r ei n d i v i d u a l l yb a s e do nc l i e n t sd e m a n d sh a sb e c o m e ap r o d u c tc o m p e t i t i o np a r e r ni nn e wc e n t u r y t h ec o r ei sp r o d u c tp l a n n i n ga n dd e s i g n b a s e do nt h i s ，c o n s i d e r i n ge x t e n s i v eu n c e r t a i nf a c t se s p e c i a l l yf u z z yf a c t s ，r e s e a r c h o nh o wt or e a l i z et h e mi np r o d u c tp l a n n i n ga n dd e s i g ni sa l li m p o r t a n tp r o b l e m t h i s p a p e rm a k e sf u r t h e rr e s e a r c ho ni t t h em a i nc o n t e n ta l ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e re x p o u n d st h es u r r o u n d i n gc h a r a c t e r so fc h i n e s ee n t e r p r i s e s a f t e re n t e r i n gi n t ow t oa n dt h ei m p o r t a n ts t a t u so fp r o d u c tp l a n n i n ga n dd e s i g n i n t h em e a nt i m e ，i ts u m m a r i z e st h ei n t e r r e l a t e dt h e o r i e so np r o d u c tp l a n n i n ga n dd e s i g n i na c a d e m ea n dt h e ng i v e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e s e c o n d l y , f u rt h ei n h e r e n tf u z z i n e s si nq f dm o d e li ta p p l i e st h ef u z z yr e g r e s s i o n t h e o r yi nq f dp r o d u c tp l a n n i n gp r o g r e s sa n ds t u d i e st h em e t h o dt od e t e r m i n et h e r e l a t i o nf u n c t i o n sb e t w e e nc u s t o m e rr e q u i r e m e n t sa n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o r r e l a t i o nf u n c t i o n sa m o n ge n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp u t sf o r w a r dt h ep r o d u c t p l a n n i n gm o d e lb a s e do nq f d t h i r d l y , i ti n t r o d u c e sap h y s i c a lp r o g r a m m i n ga p p r o a c hw h i c hw a sp r o p o s e dt o o p t i m i z em u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g n ，a n dg i v e si t sa p p l i e dm e t h o da n da r i t h m e t i c e x a m p l eo np r o d u c tf a m i l yd e s i g n ，a n ds e t su pap h y s i c a lp r o g r a m m i n gm o d e l w h i c h p o s s e s s e sf u z z yp e r f o r m a n c ei n d e x ，a n db r i n g sf o r w a r da p p l y i n gf u z z ys t a t i s t i c a p p r o a c h e so nm a k i n gc e r t a i nc l a s sf u n c t i o n si np h y s i c a lp r o g r a m m i n g f o u r t h l y , i ts t u d i e saf u z z yb i l e v e lo p t i m i z a t i o nm e t h o do np r o d u c tf a m i l y c o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do ni n t r o d u c i n gf u z z yb i l e v e lo p t i m i z a t i o n u n d e rf u z z yc h a r a c t e r sm a p p i n gb e t w e e np r o d u c tp a r a m e t e ra n dp r o d u c tf u n c t i o na n d p r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t er e l a t i o nb e t w e e n p l a t f o r mp a r a m e t e ra n di n d i v i d u a l p a r a m e t e r , i t s e t s u paf u z z yb i l e v e lo p t i m i z a t i o n l i n e a rm o d e lt o o p t i m i z e c o l l a b o r a t i v e l yp l a t f o r mp a r a m e t e ra n di n d i v i d u a lo n e s a tt h ee n d ，i ta p p l i e st h em e t h o d sa n dm o d e l sw h i c hr e s e a r c h e da b o v eo nt h e a c t u a le x a m p l e so f p r o d u c tp l a n n i n ga n dd e s i g n k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ，q u a l i t yf u n c t i o nd e v e l o p m e n t ，p h y s i c a l p r o g r a m m i n g ，f u z z yb i l e v e lo p t i m i z a t i o n ，p r o d u c tf a m i l y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：候经窜签字日期： ”盯年叫月7 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：候经华 导师签名： 签字日期： ? 嗽年a ，月2 j 日签字日期：九厂年月日 第一章锗论 第一章绪论 1 1 产品规划与设计及其发展概述 1 1 1 产品研发的发展与趋势 在以知识与信息为重要制造资源的今天，制造商面对的风险越来越大。在买 方市场的形势下，消费者对制造商提出了更新、更高的要求。首先是响应时间， 能否以最短的时间开发出新产品并打入市场是制造商获取竞争优势的前提，这就 要求企业具有快速的应变能力、产品开发能力和生产能力；其次是个性化服务， 指根据特定的消费者的要求而生产具有与众不同的个性化的产品，要求制造商具 有大规模定制能力。消费者对制造商提出的新要求追使制造商在创新方面投入比 过去更多的资金、人力以及其他制造资源，但由于开发的产品、技术以及知识的 竞争优势的持续时间较短或者根本就不能形成竞争优势，制造商在开发生产过程 中面临着巨大的风险。因此，随着产品大规模定制生产的发展对产品规划与设计 方法进行优化和分析具有重要的现实意义。 回顾现代企业的产品研发历程，大致可分为三个阶段，如表1 1 所示。 表卜一1 产品研发的发展与趋势 5 - c a d - - - c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a e - - - c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g 第一章绪论 p d m - - p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p l m - - p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t 1 1 2 产品规划和设计的动因 在知识经济时代，随着薪知识、新概念、新技术、新产品、新工艺的日新月 异，制造业面临着信息网络化、经济全球化、需求的多样化和个性化、订货批量 越来越小、产品的生命周期越来越短的市场竞争和生存环境。 在制造业企业中，产品是企业业务的核心。根据波特的价值链理论，企业内 的主要活动可以分为两大类，它们分别是增值活动和辅助活动。增殖活动以产品 为中心，包括原材料采购、产品生产、销售、服务等一系列活动。而辅助活动则 是指为了保证增值活动的顺利进行而采取的一系列辅助行为，如产品设计、人力 资源管理、后勤管理等。纵观企业内的所有活动，增值活动以产品为中心，通过 生产产品并且销售出去为企业创造利润，而辅助活动又以增值活动为中心，保证 增值活动顺利进行，从而间接地为企业创造利润。所以，制造企业的一切活动都 是以产品为中心的，产品是制造企业一切业务的核心和精髓。如果丢掉了产品而 只关心企业的运作，无异于舍本求末。因此，以产品为中心，对于与之相关的活 动进行研究分析，是提高企业管理水平，增强企业竞争力的有效方法 产品规划和设计对一个公司能够实现其目标的程度有战略性的作用，它是影 响顾客满意度、产品质量及生产成本的主要因素。它与顾客的相关性是明显的： 顾客主要关心的就是企业的产品，这是他们判定一个公司的最终基础。 各个公司关心产品规划和设计的原因不同。一个明显的原因是为了通过提供 新产品提高市场竞争力，另一个原因是为了增加营业额和提高利润。另外，公司 努力开发新产品而不是缩减生产规模，还因为当生产能力的提高导致对工人的需 求减少时，开发新产品意味着增自n ：i i 作岗位，从而可以留住那些可能被解雇的工 人。有时候，产品规划设计实际上是对产品进行再设计，是对原有产品的改进。 这种情况的出现有很多原因，如顾客抱怨，产品事故或伤害事件，过多的担保要 求或顾客需求低等。同时，降低劳动力或材料成本的愿望也是一个重要的推动因 素。 某权威数据揭示了产品成本构成的主要因素产晶“全生命周期成本”的 8 0 是由产品规划设计阶段决定的。因此，产品开发本身占据的成本尽管不大， 但是，其对产品全生命周期总成本的影响却是很大的。另外，产品的可定制性、 可维护性、质量等因素也是产品规划设计期间决定的。在产品开发过程中修改错 误的成本随着开发过程的推进会有巨大的变化。有资料表明，如果在规划设计阶 段修改一个错误需要花费1 0 0 0 0 元的话，在设计检验阶段，这个数字可能会扩大 十倍；在流程规划阶段，则会上升至一百倍；而在试产阶段这个数字又会扩大十 2 第一章绪论 倍。因此，从某种意义上讲，控制了产品开发的源头就控制了产品本身的性能， 对企业而言，从产品规划设计环节入手进行竞争力的培养往往有事半功倍之效。 1 1 _ 3 产品规划和设计的发展趋势 伴随着二十一世纪的到来，全球范围内的企业迎来了一个全新的全球化市 场。随着制造业全球化、生产外包以及企业并构等趋势的加深，企业规模不断扩 大，出现了跨地域经营，企业集团化，企业的联合、购并成为企业迅速发展的有 效途径，在这种情况下企业采取“分散管理”的方式进行分工协作。所有的企业 都面临着市场竞争带来的诸多挑战：如何缩短新产品的开发周期，如何加快市场 需求反应速度，如何适应客户需求多样性的要求，如何协调供应链企业间的产品 开发与生产管理。而这些挑战最终体现在产晶上。 在过去的几年里，产品规划设计更加重视从多方面进行。下面列出其部分趋 势： ( i ) 更加强调顾客满意度和产品竞争力。尤其是以顾客满意度为首要重 点的综台质量管理计划对这种趋势起到了促进作用。 ( 2 )强调减少推出一项新产品的时间。 ( 3 )强调减少生产一种新产品所需时间。这通常会带来成本的降低和产 品可靠性的提高。 ( 4 )更注意生产和交付产品的能力。 ( 5 )更加关注环境。包括最大限度的减少垃圾，再循环利用零件及处理 磨损的产品。 ( 6 )更强调设计出产品的方便性。 ( 7 )更加致力于减少单位产品所消耗的原材料及减少产品包装。 在高速竞争的环境里，一个公司抢在竞争对手之前向市场推出自己的新产品 或改良的产品可以获得竞争优势，从而增加利润，扩大市场份额，并有机会创造 行业领导者的形象。因此，如何做好产品的规划与设计对企业至关重要。 1 1 4 产品大规模定制生产及产品族设计的发展 随着现代市场竞争的加剧，以产品为核心的制造型企业在动态市场环境下正 面临着客户需求越来越多样化的挑战。如何在满足客户多样化需求的同时又不大 规模地增加企业成本就成为企业关注的焦点。在这种环境下，制造企业希望采用 一种既能维持大规摸生产方式的高效率和低成本又能满足客户个性化需求实施 大规模定制生产的需求的全新的制造模式，而大规模定制生产就是以大规模生产 的成本和时间为客户提供定制化的产品。 第一章绪论 1 9 9 3 年，约瑟夫派恩二世在大规模定制企业竞争的新前沿里提出 了大规模定制的概念，：并对大规模定制的内容进行了完整的描述。从广义上讲， 大规模定制是种通过敏捷制造、柔性生产和资源整合向每位客户提供完全个性 化的产品和服务的能力。从狭义上讲，大规模定制是一种使用信息技术、敏捷制 造和组织结构重组的系统，该系统以大规模生产方式差不多的价格提供满足单个 用户的特定需求的大范围的产品和服务。 学者口j 【3 j 对大规模定制的含义扩展到覆盖从客户需求的介入到客户收到产 成品的全过程，包括产品销售、产品设计、产品制造和产品发送四个方面的定制。 其中产品设计是大规模定制的核心，如何对产品进行设计才能更好的满足大规模 定制的需求，如何构建产品设计方法才能更好的实现大规模定制成为新的产品设 计课题。 大规模定制要求通过灵活性和快速响应实现多样化和定制化，以低价、高质 量、定制的商品和服务满足分散的市场分散的需求。许多学者1 4 】l s l l 6 l i 刀针对大规 模定制下的产品设计和生产特点，成功的提出了大规模定制下的产品族设计方 法，采用平台参数和非平台参数的思想，兼顾大规模生产的效率和产品定制的个 性化两个方面，较好的实现了大规模定制。 所谓产品族是响应客户需求和适应市场竞争的产品集合，建立产品族的目的 是针对一定范围的顾客群，折衷用户需求种类和产品设计、制造效益的平衡，最 大限度地实现设计参数和生产过程的可重用性，以最小的产品变异来适应市场的 竞争。面向产品族设计是指在设计过程中，通过对企业现有顾客定单进行系统的 分析，并预测将来的产品需求，不再仅仅考虑一种产品的设计，而是面向整个产 品族，提取符合顾客群需要的产品变型参数，同时对整个产品族进行设计的方法。 与传统产品设计方法最后得到一个产品实例不同的是，其设计结果是形成可变型 的动态产品模型。在此动态产品模型的支持下，当针对单个客户需求进行设计时， 可以快速配置出满足客户需求的产品。 1 2 相关理论与研究综述 1 2 1 质量功能展开( q f d ) 研究概述 质量功能展开( q u a l 时f u n c t i o n d e v e l o p m e n t ，q f d ) 是由日本学者y o j i a k a o 提出的一种产品设计方法，自从2 0 世纪8 0 年代晚期流传到美国以来，已经得到 了广泛的应用。q f d 是将顾客呼声融入产品开发流程的一种结构性方法。它的 目的是确保整个流程的各个方面都考虑顾客的要求，倾听和理解顾客的要求是 q f d 的核心特征。q f d 是颇客驱动的产品或服务设计方法论，代表了从传统设 第一章绪论 计方式向现代设计方式的转变，是系统工程思想在产品设计过程中的具体运用。 近2 0 多年来，q f d 方法被日本、欧美的许多公司所采用，其应用范围涉及到制 造和服务领域。实践证明，q f d 是产品或服务设计全过程质量保证的系统方法。 正确地运用q f d 可以实现市场、创新、设计与开发、制造和顾客满意的综合集 成。 q f d 的结构是以一系列矩阵为基础的。主体矩阵联系顾客的要求( 是什么) 和对应的技术要求，图1 一l 阐明了这个概念。基本矩阵通常要增加附加特征以 拓宽分析范围。典型的附加特征包括重要性衡量和竞争性评估。通常给技术要求 建立一个相关的矩阵，这个矩阵能揭示有冲突的技术要求。加上这些附加特征， 矩阵就有了图1 2 的形式，由于它的外形象房子，故而经常被称作质量屋。 技术要求 对顾客的 蕾再，件 、。1 目i j ( 1 顾客要求 j 1 蓑 1 系矩：阵 图1 1q f d 主体矩阵 设计要求 卜攀 竞争 性评 估 特殊规格与目 标值 图1 2 质量屋 经过几十年的对q f d 的应用与研究，综合看来，q f d 在实施过程中的优点 第一章绪论 主要体现在以下几个方面： 顾客的需求贯穿产品开发的全过程，始终成为产品开发的目标。通过q f d 技术可以开发出顾客真正满意的产品。 q f d 以其特有的信息表示方式，如四个阶段的矩阵，把顾客的需求与工程、 制造及r & d 等职能部门自然地联系起来改善了各职能部门之间的沟通。 g r i f f i n & h a u s e r l 8 1 通过对一家汽车制造厂中两个产品开发小组( 一个采用传 统的产品开发方式另一个采用q f d 方法) 的考察发现，q f d 改善了核心开发 小组内部的信息沟通方式即由自上而下的信息流转变为水平的信息流小 组成员之间可以彼此直接沟通，提高了信息沟通的效率。研究表明，市场营 销、制造、工程及及r & d 人员之间的良好合作与沟通将导致更加成功的、 获利能力更大的新产品。 设计周期组短工程变化减少，成本降低、生产率提高的同时还可以提高产 品设计质量因而可以增强企业的竞争力。z a i r i & y o u s s e f 曾经对7 家实施 q f d 的公司进行案例分析，发现这些公司之所以引进q f d 是为了使得新产 品开发过程系统化、组织化，试图通过q f d 的使用加速创新过程减少产 品设计阶段的变化使得公司更具竞争力。 q f d 提供了一种把本企业与竞争对手进行比较分析的方法，并保证营销战略 在组织内部得以正确贯彻实施。 q f d 可以降低产品开发风险，这主要通过加速产品开发缩短产品开发周期 及围绕顾客需求调整产品开发战略来实现。 q f d 为产品开发信息提供了“存贮器”。q f d 的矩阵包含了大量关键的产品 开发信息如顾客需求、产品特征及其二者之间的相互关系，以及其他定量 信息。因此，q f d 矩阵可以看成是产品开发信息的索引。 通过q f d ，市场、创新、制造、质量可以实现完美的结合。 q f d 的个关键与难点在于如何根据质量屋中所包含的相关信息，确定顾 客需求与工程特性之间的关联函数及工程特性之间的自相关函数。传统方法是采 用诸如1 3 _ 巧一7 9 等数值序列表示q f d 系统中的各种相关程度，由设计人员 根据主观经验或定量分析进行确定。但由于信息的不充分性，这种处理方式必然 带有模糊性，而且有些关系本身就是模糊和不精确的，尤其是在顾客需求和工程 特性数目较多时系统的模糊性更加明显，确定这些关系更加困难。 q f d 技术于9 0 年代被引进我国，并在航天业、兵器工业、核工业行业的企 业得到了初步应用。目前该技术虽然我国学者已经广泛推广于理论应用，但在实 际中还停留在产品的工程设计及质量控制的层次，没有充分反映出以市场为导 向、以顾客需求为依据的真谛。随着我国加入w t o ，市场将进一步开放，“中国 6 第一章绪论 制造”要求提高我国企业产品的竞争力，迎接世界的挑战，并最终走向世界就要 转变观念，从顾客需求出发，掌握先进的产品规划与设计及开发管理技术，开发 出顾客真正满意的产品，增强企业的竞争力。 1 2 2 物理规划方法研究概述 物理规划( p h y s i c a lp r o g r a m m i n g ) 是由美国学者a c h i l l em e s s a c 博士于1 9 9 6 年提出的一种解决多属性多指标优化设计问题的方法，其出发点是降低大型多目 标优化设计问题的计算强度，并将设计过程置于一个更灵活和自然的框架之内。 在设计过程中要认清进行优化设计的属性指标，即各个设计标准，把不同区域描 述为不同的满意度，构造偏好函数解决实际问题。物理规划方法有二个主要的优 点【1 2 】：( 1 ) 设计者的偏好明确后，便可获得符合这种偏好设置的最优设计， 传统上基于权重系数的方法( 如加权系数法) 往往需要反复设置各目标的权重系 数，而且不能保证鼹终得到令设计者满意的设计方案。( 2 ) 物理规划需要设计者 设定的参数就是设计目标各满意度区间的边界值，这些参数具有实际的物理意 义，这与传统的基于权重的多目标优化方法不同，使它更容易使用，更容易被接 受。 a c h i l l em e s s a c 博士提出物理规划后，将物理规划方法应用于大型工程和操 作研究领域，如美国高速公路的改造工程【1 4 j 、产品平台设计f i 5 】和鲁棒设计( 、 交互式设计l l8 j 1 9 1 等领域。 应用物理规划方法要结合设计指标的内在物理关系及特性确定设计者偏好， 构造偏好函数和目标函数，应用每个设计指标的偏好函数构造目标函数控制目标 空间的优化路径，将多目标优化设计问题用单目标数学规划解决，建立物理规划 模型，从而获得多目标优化设计结果。物理规划方法创造性的构造偏好函数直接 表达设计者的优先偏好，在表达偏好的能力方式上更灵活、精确，它致力于提供 一个灵活的解决现实设计问题的方法。 物理规划方法应用中还存在一些有待解决的问题，如设计中的模糊因素的体 现，以及偏好函数的构造等。 1 , 2 3 双层规划研究概述 具有主从结构的递阶决策问题最初是由、b ns t a c k e l b e r g ( 1 9 5 2 ) ( 2 2 1 在研究市 场经济时提出的，这方面的早期研究工作主要是从对策论的角度出发，对 s t a c k e l b e 嘻对策问题进行研究，取得了一定的成果。随着人们对具有主从结构的 决策问题研究成果的增多，s t a c k e l b e r g 对策问题受到越来越多的关注。人们一方 面逐渐认识到这一问题的重要意义，另一方面也感到从对策论角度研究 第一章绪论 s a e k e l b e r g i b 日题的局限性，无法处理问题中的各种约束条件，研究对象主要是无 约束的s a c k e l b e r g l h 题。于是，研究者开始寻找新的处理方法，并将注意力投向 了当时正在蓬勃发展的数学规划领域，特别投向了7 0 年代中期提出并开始研究 的多层数学规划模型。 多层数学规划模型或称为层次优化( h i e r a r c h i c a lo p t i m i z a t i o n ) 问题，最早 是b a e a c h e n 和m e g i u ( 1 9 7 3 ) 幽 在研究一类约束中包含着子优化的数学规划时提 出的。这类问题的一般模型可分为上、下两层，下层是一个以上层决策变量为参 数的参数规划，下层是一个下层决策变量的复合优化问题。研究者很快发现，静 态s a e k e l b e r g 问题恰好能抽象成一类层次优化模型，这就为利用数学规划的有力 工具来研究主从对策问题提供了可能【2 4 1 。a i y o s h i 茅d s h i m i z u ( 1 9 8 4 ) ，a n a n d a l i n g a m 和w h i t e ( 1 9 9 0 ) 【2 5 】，( 1 9 9 3 ) 2 6 1 等人先后利用不同的罚函数形式对线性和非线性有 约束s a c k e l b e r g l h 题的求解方法进行了研究。 s a c k e l b e r g 问题的研究逐渐形成了两大分支，一是从控制论角度对动态 s a c k e l b e r g 问题加以研究，另一是从数学优化角度对静态s a c k e l b e r g 问蹶加以研 究。对策论与优化理论的结合不仅促进了对主从对策研究的发展，而且使得 s a c k e l b e r g 问题为重要背景的层次优化理论迅速成长为优化理论的一个重要分 支，1 9 9 2 年的运筹学年刊( a n n a l so fo p e r a t i o nr e s e a r c h ) 出版了一期关于层次 优化的专辑，从而具有主从结构的多人决策问题逐渐成为决策科学的一个重要分 支。 具有主从结构的多人决策问题广泛的应用于经济管理领域之中，而模糊概念 和现象在经济管理领域中广泛存在，因此具有主从结构的多人决策问题如何处理 其中的模糊概念和现象成为当今的个研究热点。 1 2 4 模糊数学应用研究概述 1 9 6 5 年，z a d e h ”j 的开创性论文“模糊集合”建立了研究不确定性问题的方 法模糊数学，1 9 7 8 年，他又提出了可能性理论【2 l j 的基本思想，用可能性分 布来处理模糊现象的问题，大大扩展了模糊数学的应用范围。模糊数学从诞生到 现在，短短四十年的时间，以其强大的生命力被广泛应用于运筹学、管理科学、 人工智能、控制论、统计和其它软科学领域。由于模糊现象在经济管理领域中广 泛存在，研究模糊规划问题具有重要的意义。 在决策领域，模糊数学与优化理论相结合，b e l l m a n 和z a d e h ( 1 9 7 0 ) 定义 了模糊规划的基本概念：模糊目标、模糊约束和模糊决策，形成了数学规划的新 的研究课题模糊规划。 1 9 7 8 年，z a d e h 提出了可能性理论的基本思想，用可能性分布来处理模糊现 第一章绪论 象的问题，大大扩展了模糊数学和模糊规划的应用范围。 此后，z i e r m a n n ( 1 9 8 4 ) ，d e l g a d o 等人( 1 9 8 9 ) ，c a m p o s 和v e r d e g a y ( 1 9 8 9 ) 。 m s a k a w a 和h y a n o ( 1 9 9 1 ) ，r o n 自t ml i 和e s t a n l yl e e ( 1 9 9 3 ) ，l l u s h u 和s z h a o h a n ( 1 9 9 6 ) ，t r a p p e y ( 1 9 9 8 ) ，w ：m o h a m m e d ( 2 0 0 0 ) ，x i n w a n gl i u ( 2 0 0 1 ) ，李荣钧( 2 0 0 2 ) ，宋业新、姜礼平和陈绵云( 2 0 0 2 ) ，f j i m e n e z 等人( 2 0 0 3 ) 等对模糊线性、非线性、多目标规划等问题进行了深入的研究，使模糊规划得到 不断的发展。 近年来，付永红和杜纲( 1 9 9 9 ) ，m a s a t o s h is a k a w a 和i e h i r on i s h i z a k i 等人 ( 2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 2 ) 将模糊数学和层次优化理论结合起来，建立模糊层次优化 问题，并研究了具有模糊系数的线性、线性分式和o 一1 层次规划问题的求解方 法。 1 3 本文研究的意义与结构 1 3 1 本文研究的意义 中国加入w t o 以后，已成为世界制造业巨头在全球范围内寻求低成本的加 工中心和研发中心的首选地之一，而中国本土的制造企业必将成为世界制造网络 的重要参与者。这就意味着这些企业必须在组织、流程、技术上实现与其他制造 企业的对接，丽这种对接能力已经成为制造企业获取竞争优势的前提条件。中国 成为新的全球制造中心已经e t 益明显，然而局限也同样是明显的：一方面是我国 制造业自身专业水准的问题，另一方面则是本土制造的匮乏，使中国无法摆脱“大 加工厂”的处境。 中国制造企业要改变仅凭劳动力成本低而获取优势的历史局面，就要从自身 出发加强自主研发，设计出具有独立知识产权的产品，才能在国际竞争中占有1 席之地。在当前的国际环境下，大规模定制下的产品族和协同产品商务战略是企 业拓展市场的有效手段，研究产品规划与设计的优化问题具有基础性的重要作 用。而在实际中，面对广泛存在着的不确定因素，特别是模糊因素，如何在产品 规划与设计中加以体现是理论与实践中迫切需要解决的问题。本文比较系统深入 地研究产品规划与设计中的模糊优化与分析方法，显然具有重要的理论和现实意 义。 1 3 2 本文研究的结构 本文综合运用现代管理科学理论，特别是优化理论、回归分析理论及模糊集 理论，紧密结合工业工程和产品规划设计中的现实问题，对产品规划与设计中的 第一章绪论 模糊优化与分析方法进行较系统深入的研究。 第一章绪论研究了当前企业所处的环境特征，同时对学术界内已有的产品规 划与设计研究相关理论进行了综述，并给出本文的研究意义。 第二章基于q f d 理论给出了产品规划模型，并且研究了模糊回归理论在 q f d 产品规划模型中的应用。 箔三章研究近年来提出的一种解决多属性多指标优化设计问题的物理规划 模型，给出了其在产品族上应用的方法和算例，建立了具有模糊性能指标的物理 规划模型，并提出将模糊统计方法应用于物理规划中偏好函数的确定。 第四章在介绍模糊双层规划的基础上研究了面向产品族协同优化设计的模 糊双层规划方法，并给出了数值算例。 第五章将前面的模糊分析与优化方法与模型应用于产品规划与设计的实例。 本文的内容结构如图l 一3 所示。 图1 3 本文的内容结构 第二章基于o f d 的产品规划模糊回归模型 第二章基于0 f o 的产品规划模糊回归模型 2 1o f o 的一般方法 质量功能展开( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ，q f d ) 是一种顾客驱动的产品 系统设计方法与工具，是系统工程思想在产品设计过程中的具体运用，正在发展 成为具有方法论意义的现代设计理论，对其进行研究在理论上和实践上均有重要 意义，也是国内外相关领域研究的热点之一。 2 1 1q f d 的定义 关于q f d 的定义有三种不同的模式，它们是综合的q f d 模式，a s i 的四阶 段模式，g o a l q p c 的矩阵模式。 1 综合的q f d 模式 a k a o ”】认为，q f d 可以看作是由系列关系组成的网络，通过这一网络， 顾客需求被转化为产品质量特征，产品的设计则通过顾客需求与质量特征之间的 关系被系统地“展开”到产品的每个功能组成中，并进一步“展开”到每个零部 件和生产过程中，通过这一过程，最终实现产品设计。a k a o 的定义为我们提供 了一个有关q f d 的多重网络，这是一种矩阵的矩阵，通过几十个矩阵、图表来具 体描述产品开发步骤。因此，这一巨型网络全面、综合地反映了q f d 的实质。 2a s i 的四阶段模式 a s i 的开创者s u l l i v e n t “】认为：“q f d 作为一个总体概念，它提供了一种方法。 通过这种方法。可以在产品开发和生产的每个阶段把顾客需求转变为适当的技术 要求。s u l l i v e n l 拘定义把q f d 作为一种方法，看作一种过程。l o uc o l e n 的定义以 此为基础揭示 q f d 方法的本质：“q f d 是一种结构化的产品计划与开发方法， 该方法使得产品开发小组能够清楚地了解顾客的需求，并能对所提出的产品或服 务的性能，根据其对顾客需求的满足程度进行系统地评价。”j 0 l u lr h a u s e r d o nc l a u s i n g ”】更具体提出了q f d 的四阶段过程。 3g o a l o p c 模式 g o a l q p c 的开创者r o b e r t k i n 9 1 5 3 从系统、组织的角度对q f d 做了阐述， 认为q f d 是一个根据顾客的需求来设计产品和服务的系统，该系统包含了生产商 或供应商的所有成员。 上述几种定义无论从哪个角度都阐明了这样一种观点即q f d 可以保证顾 第二章基于q f d 的产品规划模糊回归模型 客的需求早在产品设计阶段就被结合到产品开发过程中。可以看出，q f d 的实 质就是从顾客的需求出发，把顾客的语言转换为工程设计人员的语言的过程。因 此，在实施中q f d 的基本目标是： ( 1 ) 确定顾客； ( 2 ) 决定什么是顾客想要的； ( 3 ) 考虑如何满足顾客的需求。 q f d 包含两个要素：质量展开和功能展开。质量展开即把顾客需求部署到设 计过程中去，它保证产品的设计、生产与顾客需求相一致。功能展开即通过成立 多学科小组q f d 小组，把不同的职能部门结合到从产品设计到制造的各个阶 段中，促进小组成员的沟通 5 4 】。 本文将参考a s i 模式对q f d 的构成及其过程作一描述。 2 1 2q f d 的构成 q f d 的核心组成部分为“质量屋”( h o u s eo f q u a l i t y ，h o q ) ，它由以下几部 分构成( 如图2 一1 ) ： c | a豳 b e 图2 1 质量屋 a ：顾客需求( c u s t o m e rr e q u i r e ) 。它是用顾客语言描述顾客对产品的实际需 求。对顾客需求的描述通常分层次排列，如第一层次需求，第二层次需求，第三 层次需求，使得顾客需求的分布由抽象到具体。这部分内容实际上是对顾客需要 什么的回答。 b ；计划矩阵( p l a n n i n gm a t r i x ) 。它主要包括：对顾客需求的相对权重：产品 的市场竞争能力评价，即顾客对本产品的满意程度及对竞争者类似产品的满意程 度评价；产品的战略目标设定，产品开发小组针对如何满足顾客需求提出自己的 目标，目标的设定需考虑顾客需求的优先权重及竞争对手的能力；改进率，即目 标顾客对本产品的满意度；修正权重，即权重乘以改进率。 c ：工程特征( e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ) 。它是用工程技术人员的语言描述 第二章基于q f d 的产品规划模糊回归模型 产品或服务的技术特征。它实际上是对“怎么作”的回答，即如何满足顾客的需求。 如果顾客的需求是目标，那么工程特征就是手段。 d ：关系矩阵( r e l a t i o n s h i pm a t r i x ) 。它是工程特征与顾客需求之间关系的判 断矩阵，若该矩阵记为r = 瞻】。则表示第_ ，个工程特征对满足第i n 顾客需求 的贡献大小。 e ：技术矩阵( t e c h n i c a lm a t r i x ) 。它主要包括：工程特征的优先权重：技术 竞争能力评价，针对每项工程特征对竞争者的技术能力及本企业的技术能力进行 评价：技术目标设定，结合各项工程特征的优先权重及竞争考虑本企业的技术能 力，确定每项工程特征的技术目标。 f ：工程特征相关矩阵( c o r r e l a t i o n sm a t r i x ) 。它是工程特征的自相关矩阵， 该矩阵记录了各工程特征之间相互支持或相互阻碍的关系。 2 1 2 q f d 过程 质量屋仅仅反映了顾客需求与产品工程特征之间的关系，为了进一步把顾客 需求展开到产品或服务开发的全过程中，q f d 还应包括质量屋以外的其他矩阵， 如零件特征、工艺计划、生产计划矩阵等。这些矩阵之间的具体转换过程为：第 一个矩阵的工程特性转换为第二个矩阵的顾客需求，第一个矩阵的技术矩阵转换 为第二个矩阵的计划矩阵。通过这种转换，顾客需求及产品开发信息从一个矩阵 转移到另一个矩阵。如图2 2 所示。 上 上0 麓麓糕瓣 ff 图2 2q f d 矩阵转换过程 由此看来，q f d 实际上是一种集成的、四阶段过程，该过程把产品开发过 程中的顾客需求、产品及零部件设计要求、工艺设计及制造联系在一起，反映了 产品从开发、设计到制造的全过程。q f d 也是一种“展开”工具，它从顾客的 需求出发把顾客的语言展开( 转变) 为相应于产品开发不同阶段的新的语言，所 以，q f d 的过程也可以看作是语言转变过程。 第二章基于q f d 的产品规划模糊回归模型 2 2 基于q f d 的产品规划模型 o f d 是通过质量屋来有效的规划产品设计的【3 2 3 3 j 【3 ”。基于质量屋的产品规 划设计包括质量屋的建立和质量屋决策两个过程：质量屋的建立是指运用市场调 查技术及各种分析工具确定顾客需求和企业各种资源，并根据确定的顾客需求建 立质量屋的各部分；质量屋决策是指利用已建立的质量屋进行决策，确定工程特 性目标值，在有限资源约束下使顾客对所设计的产品满意度最大，这是一个复杂 的多变量、多目标决策过程：目前在q f d 实施过程中，开发人员通常主要依靠经 验，采用主观的、启发示方法，如权重优先法确定工程特性目标值。这些方法往 往很少考虑工程特性自相关矩阵对工程特性目标值及开发资源的影响，无法权 衡、优化质量屋中的各种矛盾和冲突【3 5 1 3 6 1 ，只能得到可行解，很难得到全局最 优解。w a s s w e r m a n l 3 7 1 将优化方法引入质量屋决策过程，提出了一个线性规划模 型，但该模型没有考虑工程特性自相关性对开发效果的影响，因而是不完整的。 h m o s k o w