（控制理论与控制工程专业论文）基于可拓分析的需求结构化建模方法及系统研究.pdf

基于可拓分析的需求结构化建模方法及系统研究 摘要 产品配置技术是实现大规模定制设计的主要方法之一，而需求结构化是完成产品配置 设计的前提和基础。正确理解并准确转化客户需求是配置设计的第一步，也是最终影响产 品配置结果的重要环节。 需求结构化就是把客户的定性需求通过转换模型映射到产品结构。本文在参考大量相 关文献的基础上，把基于可拓分析的需求结构化建模方法具体化。该模型首先运用可拓聚 类算法对产品结构实例库进行模块划分以提高需求结构化效率，然后利用可拓物元来表示 客户需求并利用可拓学中发散和扩缩的思想实现客户需求与产品结构的映射，最后通过真 伪度函数挑选出可用的结构实例，从而完成了从客户需求到产品结构的建模过程。基于可 拓分析的需求结构化模型改进了现有模型中设计主观的不足，并且易于实现智能化。 本文所做的主要工作有： 1 在广泛查阅相关文献的基础上，综述了国内外客户需求表达与建模的研究现状。 2 介绍了基于可拓分析的需求结构化建模方法的相关可拓理论，并对真伪度函数进 行了改进以便适合产品配置流程中需求结构化的下一步工作。 3 详细介绍了可拓聚类算法，并把该算法与模糊聚类算法和一般的结构聚类算法对 比，说明了可拓聚类算法更适合对需求结构化流程中的结构实例进行模块划分。 4 研究了从客户需求到产品结构建模的具体实现过程，详细说明了模型的各模块功 能以及实现流程，并以油锯产品为实例进行了详细说明。 5 利用工具v c + + 6 0 ，m f c ，a c c e s s2 0 0 3 ，以油锯产品为实例，把该结构化建模方 法在s o l i d w o r k s 平台上编程实现，说明了基于可拓分析的需求结构化模型易于智能实现； 通过在程序中设置时间代码测试程序执行时间，证明了基于可拓聚类算法的模块划分在需 求结构化建模过程中可以提高客户需求到产品结构的配置效率。 关键词：定性需求，可拓矩，真伪度函数，可拓聚类，需求结构化模型 m e t h o do f r e q u i r e m e n t s - - s t r u c t u r e dm o d e l b a s i n go ne x t e n s i o na n a l y s i sa n ds y s t e m s t u d y a b s t r a c t t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni sb e c o m i n gah o tt o p i ci nt h es t u d yo fm e c h a n i c a lm a s s c u s t o m i z a t i o n a n dt h e r e q u i r e m e n t s s t r u c t u r e dd e s i g n i sa n i m p o r t a n ts t e p i nm a s s c u s t o m i z a t i o n i t st h ef i r s ts t e pt ou n d e r s t a n da n dt r a n s f e r r e dr e q u i r m e n t sr i g h t l y ；a l s oi t sa n i m p o r t a n ts t e pt oa f f e c tt h ef i n a lc o n f i g u r a t i o nr e s u l t s t h i sp a p e ra d v a n c e dt h er e q u i r e m e n t s - s t r u c t u r e dm o d e lb a s i n go ne x t e n s i o na n a l y s i sa f t e r t a k i n gm a n yp a p e r sa sr e f e r e n c e f i r s t l y , t h i sm o d e lu s e de x t e n s i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mt o a d v a n c et h es t r u c t u r e de f f i c i e n c y t h e nt h em o d e lu s e dt h ee x t e n s i o no b j e c te l e m e n tt oe x p r e s s c u s t o m e r sr e q u i r e m e n t sa n du s e dt h ee x t e n s i o nt h e o r yo f d i v e r g e n c e ，e n l a r g e m e n ta n dr e d u c t i o n t om a pc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t st op r o d u c t s s t r u c t u r e f i n a l l y , c a s e so fp r o d u c t s s t r u c t u r ea r e c h o s e nb yt h et r u t h d e g r e ef u n c t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ew h o l er e q u i r e m e n t s - s t r u c t u r e dp r o c e s si s f i n i s h e d t h en e wm e t h o dm a k e st h ed e s i g ns u b j e c t i v i t yl e s sa n de a s yt or e a l i z ei n t e l l i g e n c e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sc o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 b a s do nt h es t u d yo fag r e a td e a lo fr e l a t e dl i t e r a t u r e ，t h er e s e a r c hp r o g r e s sa n dg e n e r a l s i t u a t i o no ft h er e q u i r e m e n t se x p r e s s i o na n dm o d e lw a ss u m m a r i z e d 2 e x t e n s i o nt h e o r i e sr e l a t i v et ot h er e q u i r e m e n t s s t r u c t u r e dm o d e lw a si n t r o d u c e db a s i n g o ne x t e n s i o na n a l y s i s ，a n di m p r o v i n gt h et r u t h d e g r e ef u n c t i o nt om a k ei tf i tt h en e x ts t e p so f r e q u i r e m e n t s s t r u c t u r e dp r o c e s sb e t t e ri np r o d u c t s c o n f i g u r a t i o n 3 t h ee x t e n s i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mw a si n t r o d u c e di nd e t a i l s b yc o m p a r i n gw i t ho t h e r c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，i ts h o w e dt h a tt h ee x t e n s i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mw a sm o r es u i t a b l et od e a l w i t ht h er e q u i r e m e n t s s t r u c t u r e dp r o b l e mi nm e c h a n i c a lp r o d u c t s ；i ts h o w e dt h a tt h em o d u l e d i v i s i o nb a s i n go ne x t e n s i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mc a n i m p r o v et h ec o n f i g u r a t i o ne f f i c i e n c y 4 t h em o d e lb u i l d i n gp r o c e s sf r o mc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t st o p r o d u c t s s t r u c t u r ew a s f i n i s h e da n de a c hm o d u l e sf u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o nw a si l l u s t r a t e di nd e t a i l s a tl a s t t h eo i ls a w w a st a k e na sa ne x a m p l et op r o v et h em o d e l 5 t h em o d e lf u n c t i o nw a sr e a l i z e db ym a k i n gu s e so f v c + + 6 0 ，m f c ，a c c e s s2 0 0 3o nt h e s o l i d w o r k ss o f t w a r ep l a t f o r m ，w h i c hs h o w e dt h a tt h em o d e li se a s yt oi n t e l l i g e n c er e a l i z a t i o n ； t h r o u g ha d d i n gc o d ei nt h ep r o g r a mt o t e s te x e c u t e o nt i m e ，t h ee x t e n s i o nc l u s t e r i n ga l g o r i t h m w s ad e m o n s t r a t e dt h a ti tc a ni m p r o v ep r o g r a m se x e c t u t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：q u a l i t a t i v er e q u i r e m e n t s ，e x t e n s i o nd i s t a n c e ，e x t e n s i o nc l u s t e r i n g ，t r u t h - d e g r e e f u n c t i o n ，r e q u i r m e n t s - s t r u c t u r e dm o d e l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者虢起樯甍 脚砷年f 月歹乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期渺f f 厂月7 日 浙江丁业火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 自约瑟夫派恩二世的( ( m a s s c u s t o m i z a t i o n ：t h en e wf r o n t i e ri nb u s i n e s sc o m p e t i t i o n ) ) 【l 】一书发表以来，在全球范围内掀起了一股研究和应用大规模定锘l j ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ， m c ) 生产模式的热潮。随着对m c 进行越来越多的研究，客户的个性化需求也受到了越来 越多的关注。实施m c 生产的战略，一个最核心的思想是以客户满意为导向，尽可能地满 足所有客户的各种个性化需求，而不牺牲成本、数量和质量效率。m c 与完全个性化的 定制生产不同之处在于它采取“类”或“族”的方式组织生产。m c 系统的成功需要一系 列技术和思想的支持，如柔性生产系统，敏捷制造技术，模块化的设计技术，计算机网络， 精益管理，供应链管理等等。m c 是企业所应具备的一种能力，不同的企业所具有的m c 能力是不同的，这就要求企业应根据自己的实力和产品的特点，来合理地安排生产，使得 产品能最大限度地满足客户的个性化定制需求。 关于m c 模式的研究表明，成功的m c 系统应能完全按照客户的个性化需求快速地 生产出让他们满意的产品。但是，在我国，一般的企业生产和柔性能力都相对落后，完全 实施m c 中的一些方法存在一定的困难。基于此，本文探讨了在企业的现有生产设备限制 条件下，如何合理全局优化生产安排，使得输出产品与客户的个性化需求之间的差别最小， 以尽可能地提高客户的满意度。 大规模定制是根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本和高效率提供定制产品 和服务的一种生产模式2 ，3 1 。m c 面临的挑战是【4 】：既要展现无限的产品外部多样化，同时 又不能囚产品内部多样化而导致额外的成本和时间上的延误。因此，大规模定制的实现必 须有先进设计方法、制造技术和管理手段等的支持。产品配置设计作为大规模定制的一个 重要组成部分，是实现产品快速定制的重要设计手段【5 ，6 ，刀。 产品配置设计是在一组预定义好的、模块化的零部件集合中，根据一定的约束规则， 选择并确定零部件之间的连接，以获得符合设计要求和满足客户需求产品的一种方法和技 术。 而需求结构化建模方法则是实现产品配置设计中的一个关键阶段。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2需求结构化建模的国内外研究现状 1 2 1 需求结构化建模定义 需求建模就是根据需求分析，对已获取的需求进行抽象描述，为目标系统建立一个概 念模型【8 l 。需求结构化建模是用结构化方法实现需求建模的一种方法。 客户需求是客户用自己的语言表达的对产品的定制要求。在面向大规模定制设计中， 客户需求是驱动产品开发的直接动力【9 】。客户需求是产品配置设计的最初信息来源，是配 置的依据和源头。客户需求的提取、表达、转化是产品配置设计中最为关键也是最困难的 一个环节，它直接关系到产品设计的成功与否。对客户需求正确描述，建立准确、完备、 易于理解的需求模型是成功实施m c 的前提和基础。 需求结构化建模方法涉及的相关内容有：需求信息表达，需求结构化建模。 1 2 2 需求信息表达研究现状 客户需求具有以下特点： ( 1 ) 模糊性 需求的模糊性即不确定性，是指客户对产品提出的定制要求是不明确、不具体的， 在需求表达中常采用一些诸如略大于、稍微、较好等具有模棱两可含义的词语。 ( 2 ) 动念性 需求的动态性是指需求是变化的，一方面，由于客户需求贯穿于产品的全生命周期， 同一客户需求在产品的不同阶段表现为不同的形式。另一方面，由于客户在最初对产品提 出定制要求时，大多是出于自身的偏好和使用习惯，缺乏对产品属性、结构或性能等客观 的了解，需求之间存在矛盾，或者随着产品设计的进行，某些需求与设计要求之间存在矛 盾或不能同时满足，这时需要对某个或某些客户需求进行适当的修改或调整，这种情况下 的客户需求也表现为需求的动态性。 ( 3 ) 多样性 客户需求的多样性是大规模定制生产的一个重要特点，需求的多样性可以从两个角度 来理解。从需求的覆盖面角度看，客户需求对产品的定制要求有内在的和外在的，有设计 方面、制造方面、管理方面、以及使用性能方面的等等：从需求的表现形式角度看，客户需 求不仅有自然语言描述形式，而且还有图形、表格、符号等多种表现形式。 ( 4 ) 优先性 需求的优先性是指需求之间具有重要差异之分，即需求的重要性和满意度是不相同 浙江工业人学硕十学位论文 的，不同的需求具有不同优先满足的区别，有些客户需求是必须满足的( 如一些基本的功能 需求) ，有些需求是尽量满足的( 如产品的一些性能指标、技术参数等) ，有些需求是期望满 足的( 如客户提出的一些心理上要满足的需求) 。 由客户需求的特点可知，最初的客户需求大多是一些模糊、抽象或不完整的，甚至在 一些情况下是相互矛盾的。所以正确表达客户需求是进行需求结构化的第一步工作。 目前，关于客户需求的描述的方法大致有以下几类： ( 1 ) 客户需求的框架表达 由于客户需求具有层次化的结构，一个抽象的需求可以随着产品定义的深入，逐渐 的细化和分解。框架结构是由一组描述事物各个方面的槽组成，每个槽又有若干个刻画 槽值的不同类型的侧面。这种描述结构具有层次化和模块化的特点，符合需求逐级分解 的要求。车阿大、林志航【1 0 】提出采用框架形式结构表达客户需求，将用户需求分解为三 级，每一级是上一级的子需求，用框架中的关系槽”p a r t o f 来表达客户需求的这种层次 性。框架表示适合表达结构化的知识，但由于客户需求具有一定的动态多变性，因此， 这种方法在描述动态需求上有一定困难。 ( 2 ) 客户需求的面向对象表达 这种方法将客户需求抽象为类结构，通过对象类的定义、对象属性的表达、作用在对 象上的操作的表达以及对象间关系的表达描述客户需求。基于面向对象的原理，楼健人， 谭建荣等【】提出了面向对象的模糊知识来表达客户需求，定义对象属性的模糊集合以及加 权模糊逻辑的模糊规则，应用模糊框架推理与基于规则的配置推理方法，解决大批量定制 设计中定性需求的表达与处理能力。客户需求的面向对象表达方法有利于需求的扩充和更 新，易于需求知识的维护和管理，但在客户和产品开发人员对需求模型和内容的理解，以 及需求知识在应用领域内的共享方面存在一定的欠缺。 ( 3 ) 客户驱动参数描述结构 客户驱动参数描述结构由参数分类、描述格式及客户化产品数据结构组成【1 2 】。客户 驱动参数是客户在对产品功能、性能、外形及价格等了解的基础上，从客户对个性化产品 要求出发，对需求产品的直观描述，包括功能描述、性能描述、外型描述、配置描述和价 格描述。客户驱动参数描述结构集中表达企业构造需求和客户使用需求，在描述结构中分 为企业构造部分和客户使用部分，通过“引用指针 建立二者间的数据关联。这种描述方 法在一个结构体中既表达出客户需求，又描述了产品的定制要求，方便用户和产品开发人 员对需求知识的正确理解，但构建比较复杂，尤其是对引用指针的定义。 ( 4 ) 基于语义结构的客户需求表达 气 浙江工业人学硕十学位论文 从语义学的角度讲，语义是语言形式表达的内容，是思维的体现者，是客观事物在众 头脑中的反映。从信息模型的角度讲，语义是构建在一定语法上，反映一定认知结果的数 据对象、数据对象之间关系的描述与客观存在的一种对应关系【1 3 1 。 基于语义结构的表示方法通过定义需求的语义，以及语义描述格式来表达客户需求内 容。在需求的语义描述方面，己经有众多学者和机构进行了深入的研究和探讨，提出了一 些自然语言形式、形式化、半形式化等的语义描述方法。 自然语言形式是客户采用自然语言表达对产品的定制要求，这种形式是客户最容易 理解和直观的描述方式，具有表达能力强的特点，但不利于捕获需求模型的语义，一般只 用于需求抽取或标记模型。 半形式化的表示( 如图、表等) 可以捕获一定的需求语义，也可以实施一定的推理和一 致性检查，但在对需求内容的理解上容易造成产品开发人员和客户之间的理解误差。形式 化表达方法是采用一种形式化语言或定义一种形式化结构来表达客户需求。例如，张和明、 熊光楞【1 4 】采用形式化描述语言e x p r e s s g 表达需求模型。形式化表示具有精确的语义和推 理能力，但要构造一个完整的形式化模型，需要较长时问和问题领域的深层次理解。 为了解决需求语义的正确理解和交流，文献【1 5 】中定义了由“主十谓( + 宾) ”结构的需求 语义描述形式，给出了需求语义相应的描述规则，设计了需求语义分析模块。这种需求语 义描述格式能够充分表达需求内容，易于需求的理解，但对需求的管理和维护要求较高。 无论哪种方法描述需求信息，需求信息的表现形式综合起来有如下表中的几种【l6 1 。 表1 1需求结构化信息表达形式比较表 表达形式特点表达对象主要研究人员 优点：简沾性与明确性；功能，行为 1 w a s a k iy 语法 缺点：难以满足复杂推理要求结构 s c h m i d tl c 优点：易于与后续设计集成； 宋玉银 几何结构 缺点：对概念设计支持有限顾新建 优点：表达蕴涵知识，利用已有算 功能，行为 q i a n 图法，实现可视化；缺点：缺乏类和 继承 结构，关系 k u s i a k 优点：具有更大柔性，易于实现推 功能，行为 g o r t i 对象理；缺点，不同应用需要建立不同 模型 结构，关系z h a n g 优点：易丁实现推理；缺点，知识功能，行为，结构， 知识孔凡国 获取困难关系 浙江工业大学硕士学位论文 单一的需求信息表达都有其优缺点。于是，如何集成多种表达方法的优点，克服其不 足，便成了当今知识表达方法的一大趋势。文献【1 7 】提出了建立基于“全信息”( 语法、语义、 语用信息三位一体) 知识表示的新型智能系统一综合智能系统，并设想全信息知识这种“三 位一体”的表示方法可提供两个重要的能力，一是知识的模块化能力，二是按内容联想存储 ( 或记忆) 的能力。 1 2 3 需求结构化建模方法的研究现状 产品的需求结构化建模的过程其实就是对需求细化，建立起需求与产品结构之间映射 的过程。z h a n gh e m i n g 等同样对需求的结构化模型进行了研究【1 4 】；单鸿波等研究了将用户 需求先向功能需求的转换，建立起了转换框架【1 8 】，再实现功能需求到结构上的映射； c h i n b i nw a n g 等人用语义图表分析将客户的需求转化为产品的结构之间的映射【”】，没有经 过功能这一中间过程。传统的q f d 中确定客户需求权重的四种方法及其局限性德尔菲法 ( 专家评价法) 依据专家经验和专业知识，经过多位专家反复评价，最后确定客户需求的权 客户调查法。m 层次分析法( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 等。 需求建模的方法主要有以下几种。 ( 1 ) 基于需求拓扑结构的需求建模方法 基于需求拓扑结构的方法是一种易于理解和非常直观的模型表达方式，通过需求的逐 层分解，建立树状形式的需求拓扑结构。树的根节点为总的客户需求，树节点对应具体的 需求项，用户的详细需求对应着需求拓扑层次结构中需求结点的多级分解，不同层次的需 求具有继承性。王凤岐、郭伟等人 2 0 , 2 1 1 通过对并行工程中需求建模理论和方法的研究，提 出了基于需求拓扑结构的产品需求建模方法，并结合可视化技术提出了主动性需求拓展概 念。王丽英等人【2 2 】通过对用户需求信息的获取、分析与处理的研究，提出了逐层映射的需 求模型。 基于需求拓扑结构的需求建模方法能够清晰地表达需求的层次结构关系，但在如何对 需求进行分解，如何控制需求分解粒度，以及模型的可操作性上具有一定的困难。 ( 2 ) 基于需求信息模板的需求建模方法 需求信息模板是为了使需求信息描述规范化而规定的特定形式，通过对需求信息聚 类、分析、处理，将需求信息以一致的、简明的、用户易理解的形式表示出来，为用户需 求的表达提供信息引导。岳同启等人【2 3 】采用智能a g e n t 技术设计了智能客户需求获取系统， 能够主动根据客户的输入，自动引导客户完成对产品需求信息的表达，并自动进行一致性 检查。郑华林、刘飞等人【2 4 】提出了基于现有产品进化的产品需求建模方法，通过映射现有 5 浙江工业大学硕士学位论文 产品的历史数据，对以往客户对产品需求的有效提取，结合领域专家知识建 立需求信息模板。 基于需求信息模板的需求建模方法大大简化了客户对产品需求的表达过程，在信息模 板的引导下，用户能够方便地描述对产品的需求。需求信息模板有利于需求信息描述的系 统化和规范化，便于需求信息的共享、传递和重用j 但该方法对需求信息的提取、分析和 处理过程要求较高，而且，当产品比较复杂和种类较多时，模板的构建量将大大增加，相 应的维护将变得比较困难。 ( 3 ) 广义需求建模方法 广义需求建模方法扩大了客户需求的内容，将需求拓展至产品全生命周期和供应链范 围的广度，通过对各个环节需求信息的获取、分析，建立全面表达产品需求的信息模型。 戴若夷、谭建荣等【2 5 】分析了大规模定制模式下需求建模的特点，围绕大规模定制实施的全 过程，系统地提出了面向大规模定制的广义需求建模方法。通过对客户群需求信息的汇总、 聚类，以需求结点为量纲，按照一定的信息描述格式对需求信息进行描述，构成客户群需 求集，按照广义分类体系构建需求分类模型，通过分析各种需求信息之问的关联和拓扑关 系，构建需求层次模型，以全面反映产品全生命周期中客户对产品的需求。 广义需求建模方法综合考虑了客户群的共性需求和离散客户的个性化需求，面向共性 需求主要围绕产品构造过程进行，面向个性需求主要围绕订单实现过程进行。这种需求建 模方法需要全面捕获与产品相关的需求信息，建立多维需求分类体系，构造过程中涉及到 多个不同视图模型的逐层映射关系，因此，建模过程较复杂。 ( 4 ) 基于规则约束的需求建模方法 这种方法以产品需求表达结点之间的规则约束建立需求表达模型，根据结点之间的特 定规则约束，建立具有个性化结点的需求模型。当客户提出个性化产品的需求，通过该产 品所限定的若干个可个性化的结点开始，根据结点间的约束规则个性化某些结点并形成下 一层的可个性化结点，通过结点层次的不断扩展来构建需求表达模型。杨沁等人【2 6 1 依据这 一原理，从产品的装配结构和性状特征入手，定义了客户对产品的需求表达集，包括：产品 的性状特征，装配结构，以及构成二者各结点所应遵循的规则集合，通过规则集的关系约 束、多a g e n t 之间的协商机制，建立了产品的需求表达模型。 基于规则约束的需求建模方法能清晰地表达需求结点间的约束关系，使客户对产品的 需求描述建立在产品本身的约束规则之下，方便产品开发人员对模型的求解，适合于特定 领域内产品中约束关系相对简单的情形，当产品结构复杂，相应需求结点间的约束规则也 较多，规则的定义和模型的构建将变得困难。 6 浙江工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 需求结构化建模方法 需求结构化建模方法是根据用户要求，结合企业产品开发能力和加工特点，对产品和 产品开发过程的相关信息进行分析，建立产品结构和任务结构模型，在此基础上，通过逐 步分解和细化产品需求要素，并将细化后的需求进行结构化处理，映射到相应的产品结构 和任务结构模型中，以确定每一零件或每一活动过程中的设计需求信息。文献【1 4 】研究了基 于产品结构和产品开发过程的产品需求结构化建模方法，提出了根据产品结构对需求进行 建模，以及根据产品开发过程对需求进行建模，两种需求结构化处理方法，形式化描述了 一种相对通用的产品需求信息模型，以及产品、产品需求与设计活动之间的联系。 需求结构化建模方法很好地将客户需求融入到产品结构和产品开发过程中，有利于产 品开发人员明确设计目标和要求。但这种方法着重于分析客户需求与产品结构和设计过程 的关系，较少考虑建模过程中如何对需求进行分解和细分的问题。 ( 6 ) 基于本体的需求建模方法 本体论是哲学的一个分支，用于描述事物存在的本质。本体的核心是一个领域内公认 的实体对象或活动的有限集合【2 7 1 ，领域内公认的语义信息通过实体对象之间的关联关系来 表达。采用本体描述领域内的语义知识是目前人工智能领域中的一个研究热点。在基于本 体的需求建模方法中，关键是定义用户需求本体，确定用户需求域中描述产品的概念实体、 概念实体属性以及概念实体间的关联关系，通过关联关系建立具有概念属性的概念实体问 的语义网络。基于本体的用户需求模型是用户需求本体语义网络在需求实例空间上的投 影，通过实例化概念实体，添加概念实体的属性及实体间的关联关系，建立赋有具有语义 含义的用户需求模型。文献【2 7 】中以企业信息系统为背景，提出了基于本体的需求获取方法， 定义了企业本体和领域本体，引导领域用户全面描述现实系统，构造应用软件问题的需求 模型。高鹏、林兰芬等人【2 8 】以机械产品配置为背景，定义了用户需求本体和产品配置本体 的具体构成，建立了基于本体的用户需求模型。 基于本体的需求建模方法通过定义用户需求本体，对需求语义进行了高层次的知识抽 象，清晰了用户对产品需求中模糊或隐含的知识内容，使得用户需求中的概念以及概念之 间的约束关系更加明确。该方法较好地解决了领域内需求知识的共享和重用问题，但在 表达需求层次结构关系上存在不足。 本文结合可拓学中物元的表现形式和配置设计中分类实例搜索的特点，采用基于特征 的需求结构化建模方法， 浙江工业大学硕十学位论文 1 2 4 需求结构化建模方法研究存在的问题 在现今需求结构化照射的方法中，质量功能配置方法( 哪a l i t yf u n c t i o nd e ，q f d ) 2 9 1 用 得最广。 用质量屋的方法进行需求结构化的主要过程是首先确定客户的需求权重，这个确定过 程的四个步骤分别是分解客户需求，构建需求权重距阵，计算各需求的绝对权重，确定各 需求的相对权重。然后再利用质量屋( h o u s eo f q u a l i t y ，h o q ) t 3 0 】工具确定技术需求权重，此 过程的步骤是确定客户需求与产品技术需求间的相关性，确定产品技术需求项的绝对权 重，确定产品技术需求项的相对权重。 质量屋方法在细分需求的过程中把需求分为多达7 至f j 8 个种类( 比如功能需求，性能需 求，结构需求，环境需求等) ，这本身是一个复杂的过程，再加上各种需求的表达方式不尽 相同就更显复杂。再者质量屋方法中涉及的需求元粒度的确定，需求权重的确定以及技术 权重的确定问题都是由技术人员主观决定的，不同的技术人员设计出的结果不一样，故设 计出的结构化产品不标准化，也不能实现计算机的智能设计。 由于可拓学中对任何事物都可以用基元( 物元，事元，关系元) 来表示，且形式简单明 了，所以本文中对所有事物均用物元表示，达到了需求知识表达的简化。且通过分析确定 可以把客户需求按照个体结构需求量值与产品整体需求量值的取值关系不同划分为累加 型需求和极值型需求两种，这也大大简化了需求知识细分的问题。最后，本文根据可拓学 中的关联函数提出了真伪度函数的的概念，得出了一套完整的需求结构化算法，实现了需 求结构化产品设计的智能化设计，极大地减少了产品配置过程中由于技术人员方面带来的 主观性问题。 1 3 论文总体框架和主要研究内容 本论文共有六章，总体框架如图1 - 1 所示。 浙江工业人学硕士学位论文 图1 1 论文总体框架 本课题研究的核心问题是：通过可拓分析方法把客户对产品的需求转化为产品的结构 组合。 本文的研究内容主要有： 第1 章在广泛查阅相关文献的基础上，综述了国内外客户需求表达与需求结构化建模 的研究现状以及论文总体框架。 第2 章介绍了基于可拓分析的需求结构化建模方法用到的相关可拓理论，并对真伪度 函数进行了改进以便适合产品配置流程中需求结构化的下一步工作。 第3 章详细介绍了可拓聚类算法，并把该算法与模糊聚类算法和一般的结构聚类算法 对比，说明了可拓聚类算法更适合对需求结构化流程中的结构实例进行模块划分。 第4 章讲述本论文中的需求结构化算法以及应用实例。完成从客户需求到产品结构的 建模过程，详细说明了模型的各模块功能以及实现流程，并以油锯产品为实例进行了详细 说明。 第5 章以油锯产品为实例，利用工具v c + + 6 0 ，m f c ，a c c e s s2 0 0 3 ，把模型功能在 s o l i d w o r k s 平台上编程实现。并通过在程序中设置时间代码测试程序执行时间，说明了基 于可拓聚类算法的模块划分在需求结构化建模过程中可以提高客户需求到产品结构的配 置效率。 第6 章总结与展望。总结了本论文所作的工作以及基于可拓分析的需求结构化算法的 不足和可以继续研究的方面。 浙江丁业大学硕十学位论文 第2 章需求结构化建模方法的可拓理论 2 1引言 可拓学3 1 ，3 2 1 是由中国学者蔡文于1 9 8 3 年提出的- - i q 原创性学科，经过2 0 多年的发展， 逐渐形成了可拓学的理论框架。可拓学以形式化的模型，探讨事物的可拓性以及开拓的规 律与方法，并用于解决矛盾问题的学科。可拓学具有以下特色： 1 建立了基元理论，以基元的可拓性为依据的基元变换为解决矛盾问题提供了强有力 的工具。 2 提出了化矛盾问题为相容问题的基本思想和方法。 3 建立了可拓集合理论。以可拓域和临界元素对事物量变到质变进行定量化描述，在 可拓集合的基础上，形成可拓学的定量化工具可拓数学。 4 形成并发展了可拓工程方法【3 ，把可拓方法成功地应用于决策、新产品构思、控制、 诊断、评判和识别等领域。 近年来，对可拓学的研究已逐渐从单一的理论研究转移到应用研究，并取得了相当的 成果。杨春燕教授将可拓学引入产品创新设计，提出了三个创造法【3 3 】；赵燕伟教授将可拓 学理论引入机械产品的概念设计【3 4 1 ，有效的利用了可拓学中的菱形思维方法，系统地研究 了基于可拓的机械产品概念设计，使概念设计更加接近人类专家的创造性设计过程。可拓 学理论为新型智能系统中创造性思维的产生提出了一条全新的研究途径。 2 2 物元与关系元 ( 1 ) 物元 可拓学中把r = 【n ，c ，v 】作为描述物的基本元，称为一维物元3 5 1 ，c ，y 三者称为 物元r 的三要素，其中，c 和v 构成的二元组胙( c ，d ，表示物的特征。将物元的全体 记为( r ) ，物的全体记为( 加，特征的全体记为( c ) 。关于特征c 的取值范围记为坎c ) ，称 为c 的量域【3 6 1 。 物n ，m 个特征c l ，c 2 ，及 r 关于c ：f a = l ，2 ，枘对应的量值v ( 扛1 ，2 ，m ) 所构成的下 列阵列称为m 维物元： 浙江t 业大学硕士学位论文 r = n ，c l & c 胍 = ( ，c ，矿) 尺= 心涨卜叫， 尺s = 量 譬 = 粪量 c = q q ： c ” ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 表示产品，c i ( i = l ，n ) 表示需求名称，v 疗( i - 1 ，n ) 表示需求的模糊值。 ( 2 ) 关系元 在大干世界中，任何物、事、知识等与其他的物、事、知识都有千丝万缕的关系。由 于这些关系之间又有相互作用、互相影响。因此，描述它们的物元、和关系元与其他的物 元和关系元有各种各样的关系，这些关系的变化也会相互作用、互相影响。关系元是描述 这类现象的形式化工具。 多维关系元定义： 以关系o r ，刀个特征c m c ，c 。和相应的量值v 小y m ，。构成 的n 维阵列 qc ，l ，1 ，l c ，2 v r 2 c m v r n = ，c r ，) = 尺 ，、 称为n 维关系元，用于描述1 ，和v ，：的关系，其中 ( 2 - 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 c ，=f = 为方便起见，常把上述关系元记作尺( d r ，1 ，m c ，。) 。 表示程度，v m ，分别表示关系名s 的其他特征。 在上述特征中，v r 。， v r ：，v ，是常用的基本特征， 关系元在结构功能表中用到。 1 ，门和1 ，2 分别表示前项和后项，1 ，3 它们表达了关系的对象及其程度。 2 3 可拓距和侧距 在经典数学中，规定实数轴上点石与点y 之问的距离为 p ( x ，j ，) = 卜一y i ( 2 5 ) 实数轴上点工与有限区间x 。= ( 口，6 ) 之间的距离为 概) = 溉轰 陋6 ， “距离这一基本概念规定了“区间内的点与区间的距离皆为零”。因此，在本质上， 规定了“类内即为同”的定性描述，无法表达事物的“量变”和“质变”。 为了描述类内事物的区别，可拓理论中定义了自己的距，包括点与区间之距和区间与 区间之距。蔡文等【3 1 1 研究了点与区间距，胡宝清等【3 7 1 对可拓区间之距进行了定义，李桥 兴等在胡宝清的基础上对区间距进行了改进，中南大学的邓宏贵3 9 1 对可拓距也进行了 研究。 经典可拓距定义： 设v 为实轴上的任一点，x = ( m i n ，m a x ) 为实域上的任一区间， 称 肿= l v 一半j _ t m a x - m i n 陋7 ， 为点v 与区间x 2 _ i t e ，其中( m i n ，m a x ) 即可为开区间，也可为闭区间，还可以为半丌半闭 区间。 对实轴上的任一点1 ，有 浙江工业大学硕士学位论文 肿，x ，= i v - m i n 2 m d x i t m a x - m i n 优加v v 堕产，( 2 - 8 ) m l n 十m a x y m a x ，v i 一 距p ( v ，x ) 与经典数学中的距离d ( v ，彳) 的关系是： ( 1 ) 当1 ，仨。械，= m i n ，m a x 时，p ( v ，x ) = d ( v ，x ) 0 ； ( 2 ) 当 ，。械v m i n ，m a x 时，p ( v ，x ) o ，d d ，x ) 0 。 张峰【4 0 1 在研究以上各种可拓距的基础上对可拓距公式进行了改进，以便更适合产品配 置的情形。 改进可拓距定义：设v 为实轴上的任一点，x = ( m i n , m a x ) 为实域上的任一区间，称 岛( ，x ) = 1 ，一，押z 刀 ，、 m a x 十m l 以 ( m 瓤一，) ， m a x m l nz ( 2 9 ) m a x v ，、7 力a x + m l 刀 一i 聊a x 一，j1 ， 一 ，”以x 一，”z ，l z 区间距定义：设x o = 、x = ，且x o 为x 的小模区间，且 v o = ( m i n o + m a x o ) 2 ，则区间彳和x o 之距为： 舭) _ l 篡m i nmin一篙vi一(一竽)仁埘o(rainm a x ) lo 一 + 2 ； 。 左侧距定义【3 2 】： 给定区间x = ，若v o ，称 浙江t 业人学硕士学位论文 岛( v ，x o ，x ) = m i n u y s m i n v - - 蹦i 口x ， ，v o m a x - v o ( x m i n ) ，m i n v v o r a i n v o 为x 关于点而和区间x 的左侧距，记为局( 1 ，v o ，x ) 。 右侧距定义 3 2 】： 给定区间胎 ，若v o = ，称 肛( ，x o ，x ) = 1 ，一m a x ， 1 ，m a x m n 一1 ， ，v o 堕( 聊甜一y ) ，v o 1 ， 之距。d ( 工，x o ，x ) 表示v 关于区问x o 和x 组 浙江_ t 业大学硕十学位论文