大作业产品需求分析与产品配置设计.docx

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大作业产品需求分析与产品配置设计

产品需求分析与产品配置设计

摘要

大规模定制是企业参与竞争的一种新方法，已经成为现代企业生产模式发展的主要趋势之一。

产品配置设计作为大规模定制的重要组成部分，是实现产品快速定制的一种重要方法和关键技术。

在大规模定制发展的新阶段，产品定制服务对配置设计系统提出了更高的要求，要求配置设计系统能够充分集成和体现客户需求、提高配置效率、拓展定制产品的适应范围。

为了实现这些要求，本文围绕产品配置设计的主要业务活动和关键技术展开研究，重点讨论了客户需求获取与转化、配置建模、配置推理和配置评价四方面内容。

在需求分解中，引入需求元及需求元粒度的概念，提出“语义分割、语义转化、人-机-环境补充或细分、相同需求元合并”的客户需求分解原则，可将模糊抽象的客户需求分解为明确具体的需求元；在需求分解的基础上，通过合理控制需求元粒度，构建了需求元分析树模型：

采用一阶谓词逻辑知识表示方法对需求元进行形式化描述；分析了质量功能配置（QFD）方法对产品配置设计的适应性，采用改进的质量屋（IHOQ）工具将分解后的需求元转化为配置设计中所需的各种具体信息。

集成客户需求分解方法和需求转化的IHOQ工具，形成面向配置设计的、改进的质量屋方法体系，为产品配置设计中，客户需求向配置设计信息的有效转化提供了应用工具。

通过分析产品族模型与配置模型建模过程出发点的区别，给出了配置模型的特点：

从配置模型的表达和组成结构角度出发，引入类和特征的思想，将模型中实现不同功能的组成元素抽象为各级元件类，将实现某一功能的不同结构抽象为相对应的元件子类，并定义元件类的特征，通过对类的封装和类间特征关系的建立，构建了基于类和特征的产品配置模型。

在此基础上，分析了配置模型的面向对象特性，给出了配置模型的面向对象表达方法，并总结了基于类和特征的产品配置建模方法的优势。

通过分析配置实例求解过程中约束的特点和作用，对约束进行分级处理，提出配置设计的分级约束满足问题（GCSP），并给出其数学描述；根据约束在配置实例求解过程中来源的不同，将约束分为模型构建约束和技术需求约束，并建立了技术需求约束的映射规则；根据不同约束分类，给出相应的分级约束水平确定方法：

通过对有向图中结点和弧赋予新的含义，构建GCSP网络图，采用一致性方法和基于图的传播技术相结合的方法进行约束求解，求解过程中，通过降低约束水平和修正活动变量取值来解决约束冲突。

上述研究形成了配置设计的分级约束满足问题求解方法。

1研究背景和现状

1.1研究背景

1．1．1新的市场环境特征

经济的发展推动技术的进步，技术的突破又促进经济的发展。

经济和技术的共同发展使世界市场发生了重大变化，稳定、统一的市场逐渐向多变、多元化的市场转变，市场的全球化、经济的区域化、经营的跨国化日趋明显。

从卖方市场到买方市场、客户需求多样化和个性化、产品生命周期缩短、大合作和大竞争已成为当今市场的主要特征。

（1）从卖方市场到买方市场

我国在20世纪90年代以前，由于生产力水平低下，大多数工业品处于短缺状态。

在这种严重供不应求的市场状况下，各产业的发展模式基本上都是粗放型的总量扩张，在较短的时间内形成了相当可观的生产能力。

但进入90年代、尤其是90年代中期之后，随着生产力发展水平的不断提高，国内企业迅速发展，制造能力发展很快，社会产品得到极大丰富，大多数工业产品、消费品陆续出现了供过于求的情况，买方市场的格局得到了巩固，市场相对饱和…。

（2）客户需求多样化和个性化

当人们的基本需求得到满足后，便会很自然地产生更高层次的需求，如，对大多数产品，除了满足其基本的功能需求外，同时注重产品的质量、性价比、外观、人—机．环境等一些非功能性要求，在一些家电产品或日常消费品上这种多样性需求表现尤为突出。

客户希望得到满足其个性化需求的多样化产品，他们的需求越来越多，变化越来越快，期望也越来越高。

客户需求的多样化导致产品种类的剧增，同时还导致了市场的多样化。

同时，随着人们消费水平、消费结构和消费方式的改变，客户在选购产品时不再追求千篇一律，而是要逐渐体现出与众不同和个性化特点，商品的选购向个性化方向发展。

客户既不是象初级消费阶段那样只追求使用价值，也不是象中级阶段那样以追求品质为主，而是追求消费个性化的高级消费阶段121。

企业的经营活动由以市场为中心转向了以满足客户的个性化需求为中心，客户的个性化需求驱动企业的生产活动，客户需要什么，企业生产什么，使客户的个性化需求得到极大的满足。

（3）产品寿命周期缩短

现代科技以日新月异的速度发展，新产品层出不穷，一个新产品从投入市场到其成长、成熟和衰退所经历的时间越来越短，即产品的寿命周期已大大缩短。

产品寿命周期的缩短是经济和技术发展的必然。

客户需求在不断提高和变化，原产品很快就不能满足客户新的需求，需要不断地有新的产品来替代。

产品寿命周期的缩短势必要求企业要准确把握市场脉搏，迅速掌握客户需求，提高新产品的开发能力。

（4）大合作和大竞争

随着全球化市场的逐渐形成、计算机技术的迅速发展和信息高速公路的进一步完善，企业与企业、企业与供应商、企业与客户的合作已成为一种必然趋势，而且合作范围和合作领域也在逐渐扩大，使实现全球性的集成制造成为可能。

全球性大合作和市场经济全球化的环境，一方面给企业带来了机遇，同时也给企业提出了严峻的挑战。

企业不仅要面对国内市场竞争，还要面对国外竞争带来的巨大压力。

经济全球化使疆界和国门对企业的庇护渐渐失效，在人人平等的市场面前，企业与企业之间的竞争将愈演愈烈。

我国已经加入世界贸易组织，很多贸易壁垒已经被削弱或取消，在相同的游戏规则下，要想在激烈的竞争中求得生存，企业必须比竞争者更多地为目标客户提供价值，能够迅速、持续和有效地创造出新的、变革性的产品，提高企业的技术创新、产品创新和市场运作的竞争能力，从而，在市场竞争中不被淘汰并脱颖而出。

由此可见，在新的市场环境条件下，企业为了生存和发展，必须改变传统狭隘的生存方式，面对一个竞争更为激烈、制造技术日新月异的新环境的挑战。

1．1．2大规模定制是现代生产模式发展的一种主流趋势

随着市场竞争的日趋激烈和先进技术在现代工业中的广泛应用，企业之间的竞争开始转向基于时间和基于客户需求的竞争。

高质量、低成本、短交货期、个性化产品已经成为现代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势。

采取何种生产方式以适应瞬息万变和日益个性化的市场环境，是制造业面临的一个重要课题。

制造业采用哪种生产模式主要决定于当时的科技发展和历史条件。

工业时代出现的大批量生产（MassProduction，MP），通过实施规范化、系列化和标准化等措施，广泛运用流水线，大大地降低了成本，为社会提供了大量的工业化产品，丰富了市场的货源。

大批量生产方式明显提高了生产效率，大幅度降低了生产成本，而且，生产的产品具有质量稳定和维修方便的特点。

但这种生产方式是以规模效益为基础，面向统一的大市场销售低成本的标准化产品131，产品品种单一，个性化特点不明显。

大批量生产方式最适应的是卖方市场，在卖方市场条件下，企业处于主动地位，客户只能去适应产品，企业只要向市场投放单一的产品，从大量的生产和销售中就能获取利润。

大批量生产以牺牲客户的个性化需求为代价，以刚性的批量生产来获取规模效益，成为产品相对短缺的工业化时代的典型生产模式。

然而，从20世纪70年代开始，市场环境和竞争形式发生了根本的变化——市场需求难以预测和不稳定、客户需求多样化和个性化、产品生命周期缩短、客户占据市场主导地位、市场相对饱和、产品极大丰富、时间成为竞争的重要因素、国际经济一体化、多品种小批量生产的比例日益增大、大合作和大竞争逐渐形成、可持续发展的呼声越来越高。

而且，随着先进制造技术、计算机技术、网络通讯技术等许多新技术的出现和发展，逐渐打破了大批量生产赖以生存的市场环境。

为了更好地满足客户的个性化需求，同时保持批量生产带来的低成本和高效率，企业必须采取新的生产模式，能够将“定制”与“低成本”有机结合的一种新型生产模式便是——大规模定制（MassCustomization，MC）。

据有关资料统计，目前美国和欧洲的大公司中有70％在按这种生产方式重新经营和规划其生产系统。

我国较国外晚一些，但在许多行业中也已经开始实施，如海尔冰箱、合力叉车、TCL彩电、新郎西服、锦绣家装等，都取得了一定的成功。

总之，MC是适应新的市场环境并在新技术的支持下，更好地满足客户个性化需求和保持企业以MP效益为客户提供定制化产品的一种生产方式，也是21世纪生产模式发展的一种主流趋势，特别是基于网络的产品定制方式，是未来企业生产模式发展的必然趋势。

1.2研究现状

1.2.1客户需求描述与建模

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。

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MC的前提和基础。

目前，关于客户需求的描述和需求建模的方法大致有以下几类。

一、需求描述

●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“part-of”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。

●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模糊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。

●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。

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。

●基于语义结构的客户需求表达

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。

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，已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、熊光楞采用形式化描述语言EXPRESS—G表达需求模型。

形式化表示具有精确的语义和推理能力，易于软件的开发和实现，但要构造一个完整的形式化模型，需要较长时间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，文献中定义了由“主+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，同时支持规范的语义描述和由用户自己定义需求语义处理方式。

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。

二、需求建模

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。

●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。

●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。

岳同启等人采用智能Agent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，通过映射现有产品的历史数据，对以往顾客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。

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。

●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。

SehyunMying、JiaoXinJian等人对MC产品信息模型进行了研究，但主要集中在对产品族的研究，对需求信息的建模没有详细论述。

戴若夷、谭建荣等人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，以需求结点为单位，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间的关联和拓扑关系，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族构造过程进行，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。

●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Agent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。

●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。

●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，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间的语义网络。

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。

1．3．2配置建模方法

面向大规模定制的产品设计的重要特征是：

产品设计开发不是针对单个产品，而是针对产品族进行设计。

基于产品族的大规模定制思想的核心是“设计”与“定制”分离的模式，“设计”的内容是模块化的产品族，“定制”则通过配置设计实现，两者之间通过产品族模型建立关联。

MyungS、ChenFC等人[32．38]认为配置设计即是在产品族模型的基础上与配置规则的约束下进行的产品实例求精过程。

因此，基于产品族模型的配置设计一直是MC中的一个研究热点，国内外学者对产品族模型的研究也已做了大量的工作，根据产品族模型表达方式的不同，可以归纳为以下几类：

基于创成式BOM（GenericBomofMaterial，GBOM）的方法、图形式的方法、基于约束的方法、基于元件模型的方法、基于功能—原理．结构的多视图方法、统一模型表达方法等。

产品族模型是对产品系列的合理组织和划分，许多方法从产品族开发的角度考虑建模过程，较少考虑配置设计的需求，为此，许多学者在研究产品族模型的基础上，结合配置设计的特殊需求，对产品配置模型展开了广泛的研究，并提出了不同的产品配置建模方法，根据模型表达方法的不同，现有的产品配置建模方法大致可以分为以下几类。

●基于规则的配置建模

配置模型的建立依据元件间的规则定义，一般采用产生式规则（if．··then）描述配置逻辑。

最早的R1／XCON系统即是一个典型的采用规则建模和推理的产品配置系统。

在基于规则的配置建模方法中，通过规则描述元件的领域知识以及元件间的依赖、选配关系，以对象的规则关系来构建产品配置模型，规则中包含了对象的领域知识和推理策略，一个对象体需要多条规则来描述和表达，整个配置建模过程需要规则的不断作用和交互。

这样，随着规则的增加，产品元件之间的关系将变得复杂，规则维护成为不容忽视的一个问题。

●基于模型的配置建模

将元件蕴含的知识与知识的使用进行分离，配置模型由可分解的实体以及这些实体间的相互作用组成，一个结构化的建模过程通过实体的分解和实体间关系的分析进行详细的描述。

这种方法主要面向产品结构模型，为了在一个产品中管理不同零部件数据的关系，产品模型中必须对元件间现存关系的装配信息进行描述。

装配信息采用装配规则和装配约束来表示。

装配规则描述了建立产品间或元件间关系的必须条件，而装配约束则是不同元件间某一数据关系维护的条件。

通过装配规则和约束就可建立起产品的配置模型，设计人员通过装配规则和约束的维护实现模型的管。

曾福胜、金烨采用基于模型的产品配置，将产品模型中的所有节点抽象为构件，在构件超变量和不相关原则的基础上构造了产品模型。

基于模型的配置建模方法提高了模型的可维护性，但配置模型与建模方法密切相关，不同建模方法下建立的配置模型之间具有较大差异，配置模型的共享性不强。

●基于约束的配置建模

该方法对配置模型中功能性、结构性等的约束进行专门描述，将模型中的参数、元件间的接口关系等定义为变量，参数关联、元件的兼容性、选配关系等由约束条件进行定义，模型的建立转化为对变量和变量间约束的表达。

RafaelM等人提出了结构化约束建模和基本配置单元的推理方法。

基本配置单元由一些预定义的元件和元件间的连接构成，配置模型是这些基本配置单元的组合。

基本配置单元通过元件的属性、元件间的接口以及结构化的约束条件所描述，结构化配置建模则是基于这些基本配置单元的约束满足。

基于约束的配置建模方法通过定义构件的约束建立起可描述不同实例的配置模型表达，通常采用约束程序语言[70】描述配置模型，UlrichJohn设计了ConBaConL（Constraint—basedConfigurationLanguage）语言专门描述配置模型，将配置问题转化为约束求解的过程。

基于约束的配置建模方法在解决特定产品专家系统中的复杂深层参数求解问题中具有一定的优势。

但由于变量间各种约束关系的构建复杂，使得它的通用性受到限制。

●基于本体的配置建模

通过定义构件、资源、接口等配置本体含义构建配置模型。

由于配置过程涉及不同的建模方法、算法、语言和软件工具，为了能够共享相同的背景知识，实现系统间的互操作，提出了采用本体建模的方法。

本体是用于描述某一领域知识的一组概念或术语㈣。

文献在管理和建立一个可配置的产品族系统中指出配置模型是配置领域的概念化模型，概念化的内容包括：

构件、属性、资源、端口、上下文关系、功能和约束。

这些概念化内容即是描述配置领域知识的共享术语，即配置本体。

AlexanderF