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作者:徐業良陳嘉文 (1999-11-15);推薦:徐業良 (2001-02-15)
附註:本文發表於中國機械工程學會第十六屆學術研討會。

應用模糊邏輯的機械設計程序之發展

摘要

在機械設計程序的研究中,如何正確取得顧客需求,並有效地轉化成量化的工程規格,是一個受到廣泛討論的課題,顧客往往是以口語敘述方式表達其對產品的需求,使得設計者經常難以精確地闡釋,許多學者提出各種的方法去整理、組織顧客需求,以建立設計規範來達成設計目標。

本文即在利用模糊理論來輔助設計者將口語形式的顧客需求量化成工程規格,特別是針對「關聯型設計需求」提出一套完整程序。此類需求敘述含有“在的狀態下,應作動作反應”的條件關係,本文嘗試利經由語意特徵的判斷,將關聯型設計需求口語式敘述轉變成條件式敘述,並進而建立語言變數、術語、及歸屬函數,最後將口語形式敘述的關聯型設計需求轉換成由一模糊規則庫及其所屬之歸屬函數做量化表達,亦即明確表達產品在何種量化的狀態特徵下,應有何種量化的動作特徵反應。最後更可以進一步利用這些模糊規則,來建構一模糊控制器以實現顧客所需求的產品,使得模糊邏輯和模糊控制能成為設計者一套容易使用而且很直覺的設計工具。

關鍵詞:顧客需求,設計程序,模糊邏輯,模糊控制

1. 簡介

一項產品設計成功與否,經常在於其是否滿足顧客需求。在機械設計程序中,當設計者接到一設計問題,最初的工作便是瞭解顧客需求,也就是要發掘顧客的聲音。顧客的聲音包括了明確和不明確的顧客需求,而顧客的聲音可經由與顧客溝通討論、問卷調查、產品使用觀察、市場考察等方式得知[Ullman, 1997],其中以對顧客溝通訪談和問卷調查是最直接的方法。設計者根據所得到的顧客需求將其明確的量化轉換為工程規格,再依照工程規格完成產品的設計。但是由於人類的思維概念、語意表達、以及感覺判斷等等都存在著模糊、不明確的現象,顧客往往是以口語敘述方式表達其對產品的需求,使得設計者難以精確地闡釋。在設計程序相關的研究文獻中,許多學者提出各種的方法去整理、組織顧客需求,以建立設計規範來達成設計目標。

由於口語敘述的顧客需求通常是模糊的,設計者以一般常用的QFD來建立顧客需求與設計規格項目之間的關係,必須花費不少的時間作處理。目前逐漸有學者研究將模糊理論應用於解決工程設計的問題,如Temponi等人[1997]運用模糊邏輯來處理顧客需求與工程規格之間的關係評估,藉以掌握顧客需求,JonesHua[1998]運用模糊邏輯處理經常性工程設計問題,Ming[1998]也將模糊邏輯和最佳化模型應用於QFD

觀察建構QFD表的步驟,可以發現顧客需求的項目大多為單一的產品狀態或動作的需求敘述,本文稱之為「單一型設計需求」。另一種形態的顧客需求是所謂「關聯型設計需求」,例如若顧客對一項產品提出“室溫太高時要降溫”的顧客需求,此需求敘述含有“在的狀態下,應作動作反應”的條件關係,動作反應的程度是依產品狀態而定,設計者較難像單一型設計需求一樣利用QFD方式量化,建立單一的設計規格。

本研究即在利用模糊理論來輔助設計者將口語形式的顧客需求量化成工程規格,特別是針對關聯型設計需求,嘗試經由語意特徵的判斷,將口語式敘述轉變成條件式敘述,並進而建立語言變數、術語、及歸屬函數,最後將口語形式敘述的關聯型設計需求轉換由一模糊規則庫及其所屬之歸屬函數做量化表達,亦即明確表達產品在何種量化的狀態特徵下,應有何種量化的動作特徵反應,最後更可以進一步利用這些模糊規則,來建構一模糊控制器以實現顧客所需求的產品。

從機械設計的觀點來看,利用模糊邏輯來處理關聯型設計需求,並進一步設計產品的模糊控制器,整個過程完全是直覺的設計思考,完全採用直覺的設計語言,可以形成一套完整的應用模糊邏輯的機械設計程序。而以模糊邏輯建構的各個規則,是利用人們的經驗、知識、偏好所建立的,利用模糊規則來控制一系統,產品也更能滿足顧客一些主觀意識形成的需求。

本文中首先定義所謂「單一式」和「關聯式」設計需求,並描述如何判斷、分類,接著則針對關聯式設計需求建立一套量化的程序,並以寵物烘箱設計案例具體描述此程序進行過程,同時並進行具體化設計,建構模糊控制器,將這些關聯型設計需求在產品中具體實現。最後本文推演出一套設計程序,以模糊邏輯來輔助處理模糊、不明確的顧客需求,並利用模糊控制來建構產品的控制系統,使模糊邏輯、模糊控制成為設計者容易使用而且很直覺的設計工具。

2. 顧客需求瞭解與分類

當設計者接到一設計問題後,必須先確認產品的顧客有哪些,再經由訪談、問卷調查等等方式得知產品的顧客需求,設計者方能合理量化為所需的工程規格,以便進行後續產品製作。

顧客對產品需求的口語敘述中,常包含對產品本身性能、狀態、功能、動作等「特徵」的描述。顧客對產品需求的口語敘述中大致會包含兩種類型的特徵,一為「狀態特徵」,其定義為顧客對產品使用過程中狀態變化的形容;而另一為「動作特徵」,其定義為顧客對產品使用過程中產品本身反應動作的描述。依據特徵的定義分析顧客需求的口語敘述內容,可將顧客需求分類為“只針對產品的單一狀態特徵或者單一動作特徵的需求敘述”的「單一型設計需求」以及“對產品的狀態特徵和動作特徵之間關係的敘述”的「關聯型設計需求」。如何將顧客口語敘述的需求分為上述兩種需求類型,對後續的需求量化為工程規格處理的難易有很大的關係。以下便舉幾個口語化敘述的顧客需求例子來討論需求分類的處理方式。

口語敘述:    水溫太加熱   

                狀態特徵︰水溫太低(名詞+形容詞

                        動作特徵︰加熱(動詞

                        需求類型:關聯型

口語敘述:    尺寸合適

                狀態特徵︰尺寸合適(名詞+形容詞

                        動作特徵:無

                        需求類型:單一型

口語敘述:    寵物   

                顧客︰寵物(受詞)

                        狀態特徵︰濕、乾(形容詞

                動作特徵︰烘(動詞

                需求類型:關聯型

口語敘述:    組裝速度

                狀態特徵︰組裝速度快(名詞+形容詞

                動作特徵:無       

                需求類型:單一型

                *屬於使用者動作,並非產品的動作特徵

口語敘述:    安全帽要通風散熱

                產品︰安全帽(主詞)

狀態特徵︰無

動作特徵:通風、散熱(動詞

                        *兩個動作特徵並非因果關係,需分解成兩個單一型設計需求

口語敘述:    行車速度不能太快

                        *敘述中包含“不能”字句,須經需求確認,分為兩種程度。

                        1.can not à行車速度太快減速

                                狀態特徵︰車速太快(名詞+形容詞

                                動作特徵︰減速(動詞

                                需求類型:關聯型

                        2.must not à車速限制在多少

                                狀態特徵︰車速限制(名詞)

                                動作特徵︰無

                                需求類型:單一型

綜合上述顧客需求例子的判斷,我們對口語敘述的分類提出三個判斷處理法則。圖1為顧客需求分類判斷流程,配合以下所述的四個判斷步驟,可將顧客的口語敘述分類為單一型或者是關聯型的顧客需求︰

(1)   判斷哪些語句不屬於特徵,排除這些語句。如敘述中包含“產品”或“顧客”的語句,這些主詞或受詞的描述並不屬於特徵。

(2)   判斷口語敘述中哪些是狀態特徵的描述,哪些是動作特徵的描述。狀態特徵敘述通常為包含名詞和形容詞的語句;而動作特徵與產品本身反應動作相關,為包含動詞的語句。

(3)   口語敘述中共包含幾個特徵描述?若只有單一的狀態特徵或者是單一動作特徵則屬於「單一型設計需求」,若包含狀態特徵和動作特徵兩者之間的關係敘述則屬於「關聯型設計需求」。若一個口語敘述中包含兩個(或兩個以上)的狀態特徵,或者兩個(或兩個以上)的動作特徵,且兩個特徵間並沒有因果關聯,這種狀況則需分解成兩個單一型設計需求。

(4)   若口語敘述中包含“不能”的語句,則需再進行概念確認。確認顧客需求所指的“不能”是指絕對不能超過某一臨界狀態(must not型式),或者是超過某一臨界狀態,則需作什麼反應處理(can not型式)。若為“絕對不能”則可將此敘述以限制需求方式表示成狀態特徵描述,屬於單一型設計需求;若為“在某臨界狀態則需作適當反應”來表示,如此有狀態及動作之間的關係,屬於關聯型設計需求。

1. 顧客需求分類

3. 關聯型設計需求的量化

在瞭解顧客需求後,設計者須將模糊而不明確的顧客需求量化為明確的工程規格。單一型設計需求採用一般常用的QFD來量化因此不再贅述,本文針對關聯型設計需求的量化方式作詳細說明。

關聯型設計需求的轉換處理方式,是將口語敘述的顧客需求用「語意分解」方式逐步轉換成模糊邏輯的規則敘述。先將各個關聯型設計需求經條件化處理,並由條件化後的敘述得到模糊邏輯的語言變數,再經過規則化處理,得到模糊邏輯型式的規則,並依此建立模糊邏輯系統以達到量化的目的。

(1)口語敘述的條件化處理

經口語式敘述的特徵判斷後,當顧客提出的需求是屬於有狀態及動作特徵之間關係的關聯型設計需求時,我們可對敘述進行語意分解,以使用者經驗判斷轉換成“當狀態,則作動作”的條件式敘述,將多個特徵關係以條件關聯方式來表達。

在轉換成條件式敘述時,設計者必須瞭解顧客的口語敘述中有哪些狀態、動作的特徵,再將此敘述以“當狀態,則作動作的條件式敘述格式來表現顧客所需求的狀態或動作特徵之間關係,如圖2所示。而關聯型設計需求進行條件化處理所得到的條件式敘述並非唯一,也就是以設計者經驗判斷作條件化來滿足顧客需求時,可以用不同的概念作不同的處理方式敘述,所以在進行條件化處理時已有“概念設計”的意味,應評估概念的可行性。

2. 關聯型設計需求口語式敘述條件化

(2)定義語言變數與術語

條件式敘述是由幾個概念性的狀態或動作特徵所組成的,這些特徵仍是語言意思的表達。要使關聯型設計需求所要求的性能能夠實現,則必須將這些概念性的狀態及動作特徵用可量測的物理量來表現,也就是從條件式敘述中的各個特徵來定義模糊邏輯系統的「語言變數」,如圖3所示。在定義語言變數時也必須配合設計者考量現實世界中能實現的物理值,才能進行具體化設計,以這些物理量來建構、實現模糊邏輯控制系統。

3. 定義語言變數

在條件式敘述中的狀態或動作特徵要能實際應用於產品性能除了語言變數定義外,須再給予程度變化的定義使語言變數搭配程度而能完整敘述一特徵狀態或動作。程度定義的方式是以使用者的感覺經驗來判定,而程度的定義就是模糊邏輯理論中語言變數的「術語」。

(3)條件式敘述的規則化處理

由條件式敘述中定義出所需的語言變數、程度敘述,再依據語言變數、術語將條件式設計需求轉換成模糊邏輯型式的“IF…THEN…”規則式敘述,如圖4所示。

4. 條件式敘述規則化

(4)關聯型設計需求的量化

將關聯型設計需求經由條件化、規則化處理轉換成模糊邏輯型式的規則化敘述後,由語言變數的術語所構成,也就是只有語言上程度的差別,要實際運用時仍必須給予量化的程度值。程度值的給定是以模糊邏輯的歸屬函數來定義,可依使用者經驗或偏好、一般公認的程度值、或專家知識來訂定。

定義各術語的歸屬函數後,再配合語言變數、規則式敘述,即可完成關聯型設計需求的量化,將關聯型設計需求以一「模糊規則庫」來表達。整理上述四個步驟,可以得到整個關聯型設計需求量化流程,如圖5所示:

5. 關聯型設計需求量化流程

4. 設計案例探討—寵物烘箱

在這一節中,我們嘗試以寵物烘箱的設計製作,作為模糊邏輯應用於機械設計程序的推演實例。藉由寵物烘箱的設計歷程,描述如何以模糊邏輯來闡釋關聯型設計需求,並建立一設計程序,進而建構系統的模糊控制器,使模糊邏輯和模糊控制成為設計者容易掌握、應用的設計工具。

步驟1:顧客需求的了解與分類

寵物烘箱的設計目的,主要在設計一個適合家庭或寵物店,在寵物洗澡後烘乾小型寵物(如貓、狗等)的工具。寵物烘箱的顧客需求對象除了寵物的主人、寵物店店員等使用者之外,另外可經由專家建議或設計者本身所提出的構想作為顧客的需求。經過與寵物主人、店員、動物醫院醫師等等顧客的深入訪談以及設計者自行討論評估的結果,大致可整理出下列幾項口語敘述的顧客需求:

1. 顧客需求表

需求

顧客

‧將濕的寵物烘乾

主人、店員

‧烘乾完畢則停止

主人、店員

‧烘乾期間不能太熱

主人、醫師

‧尺寸合適,不佔空間

主人

‧需透氣,舒適安全

醫師、主人

‧操作簡便

店員、主人

‧安全、易維修

主人、店員

‧省電

店員、主人

根據前面描述的分類方式及步驟,可以將顧客需求分類為「單一型設計需求」以及「關聯型設計需求」兩類:

(1)   單一型設計需求:尺寸合適、需透氣、操作簡便、省電、舒適安全。

(2)   關聯型設計需求:將濕的寵物烘乾、烘乾完畢則停止、烘乾期間不能太熱。

單一型的顧客需求量化處理是採用QFD方式,得到如尺寸、耗電量、透氣孔大小、加熱速度、操作步驟數目等量化工程規格,除可依此進行後續的概念設計與製作外,這些量化規格也提供關聯型設計需求量化的依據。

步驟2:關聯型設計需求的語意分解

關聯型設計需求的量化處理,首先要將顧客的口語需求敘述條件化後得到條件式敘述。口語敘述的寵物烘箱關聯型設計需求條件化整理後如圖6所示:

6. 寵物烘箱關聯型設計需求條件化

接下來則是要從條件式敘述中定義語言變數和術語,如圖7所示:

7. 寵物烘箱語言變數定義

最後語意分解的步驟是再將條件式設計需求敘述依據語言變數、術語轉換成模糊邏輯型式的“IF…THEN…”規則式敘述,其處理方式如圖8所示:

8. 條件式敘述規則化

整個寵物烘箱的各個關聯型設計需求經過上述程序步驟進行語意分解,最後可以整理得到規則式敘述,表示如下:

IF    皮毛濕度高            THEN     熱量高 and 風速低

IF    皮毛濕度低            THEN     熱量低 and 風速零

IF    箱內溫度高            THEN     熱量低 and 風速高

步驟3:關聯型設計需求的量化處理

關聯型設計需求在轉化成規則式敘述後,程度描述仍須有量化的程度值才能實際運用於產品的功能控制。程度值給定是以模糊邏輯的歸屬函數來進行量化的定義,將寵物烘箱當作系統,則狀態特徵為系統輸入,而動作特徵為系統輸出。因此語言變數再細分,狀態特徵衍生的語言變數為輸入語言變數,而動作特徵衍生的語言變數則為輸出語言變數。利用歸屬函數的定義來量化語言變數的術語,以下將分別定義各語言變數術語及代表程度值的歸屬函數。

(一)系統輸入語言變數定義

根據關聯型設計需求規則式敘述可以得知系統以溫、濕度兩個特徵狀態作反應。因此可知寵物烘箱模糊控制系統的輸入語言變數有濕度、溫度兩個變數,分別定義如下:

(1)濕度(Humidity)

由前述條件式敘述,寵物的皮毛有濕和乾兩種狀態。寵物烘箱設計的濕度術語可簡單分為“High”和“Low”兩個術語,濕度考慮範圍在0100%,兩個歸屬函數是參照使用者經驗及一般產品如除濕機、防潮箱的濕度範圍來定義,各術語範圍定義如表2

2. 輸入語言變數“濕度”術語的歸屬函數範圍

術語

定義

歸屬函數範圍(%)

High

濕度高

S-type[0,38,60,100]

Low

濕度低

Z-type[0,38,60,100]

(2)溫度(Temperature)

由條件式設計需求的烘箱內溫度狀態變化,寵物烘箱設計的溫度術語可分為“Hot”和“Cold”兩個術語,溫度考慮範圍在055,兩個歸屬函數是參照寵物體溫、使用者經驗、及現有市售產品的溫度範圍來定義,各術語範圍定義如表3

3. 輸入語言變數“溫度”術語的歸屬函數範圍

術語

定義

歸屬函數範圍()

Hot

溫度高

S-type[0,28,35,50]

Cold

溫度低

Z-type[0,28,35,50]

(二)模糊控制系統輸出變數定義

根據關聯型設計需求的規則式敘述,得知寵物烘箱以熱量及風速來作反應動作,因此模糊控制系統的輸出語言變數定義為風扇風速以及電熱絲功率,分別定義如下,

(1)風扇風速(Fan)

寵物烘箱設計的風扇風速術語分為“High”、“Low”和“Zero”,因條件式設計需求中配合“吹熱風”、“吹涼風”及“烘乾停止”三個動作,所以風速的變化至少有三種。風速考慮的範圍在01.5m/s,各歸屬函數是考慮烘箱尺寸,並參照使用者經驗、及現有市售產品的風速範圍來定義,各術語範圍定義如表4

4. 輸出語言變數“風扇風速”術語的歸屬函數範圍

術語

定義

歸屬函數範圍(m/s)

High

風速高

S-type[0,0.5,1.5,1.5]

Low

風速低

L-type[0,0,0.5,1.5,1.5]

Zero

風速零

Z-type[0,0,0.5,1.5]

(2)電熱絲功率(Heat_wire)

根據條件式設計需求中熱量變化的要求,寵物烘箱設計電熱絲功率的術語分為“High”和“Low”,電熱絲功率設定考慮到烘箱尺寸、加熱速度,並要適用於家庭以及省電等考量,因此範圍設定在01000W,各術語範圍定義如表5

5. 輸出語言變數“電熱絲功率”術語的歸屬函數範圍

術語

定義

歸屬函數範圍(W)

High

電熱絲功率高

S-type[0,0,1000,1000]

Low

電熱絲功率低

Z-type[0,0,1000,1000]

至此,關聯型設計需求已由一模糊規則庫及其所屬之歸屬函數量化表達,亦即已明確定義產品在何種量化的狀態特徵下,應有何種量化的動作特徵反應。接下來則是要將這些關聯型設計需求在產品中具體實現。

步驟4:關聯型設計需求的具體實現

關聯型設計需求是已一模糊規則庫及其所屬之歸屬函數量化表達,要具體實現這些關聯型設計需求最直接的做法,自然是建構一模糊控制器。由模糊規則之語言變數與歸屬函數,可以輕易瞭解寵物烘箱模糊控制器所需之輸入感測器與輸出裝置,以及所需量測範圍、輸出範圍、精確度等,從而建構出烘箱模糊邏輯控制架構,如圖9所示。

9. 模糊控制寵物烘箱系統運作流程

在經過系統模擬與評估後完成烘箱的模糊控制器,並與單一型設計需求量化後的各項烘箱設計規格整合建構出整個產品的軟、硬體架構。最後進行實驗模擬與評估修改,藉由調整各語言變數術語的歸屬函數,或設計者自行添加控制規則來實驗,使得產品的效能達到更好的效果,所設計的產品能符合顧客的需求。

5. 應用模糊邏輯的設計程序的建立

經由上述案例設計歷程的探討,可以推演出一套設計程序。以模糊邏輯來輔助處理模糊、不明確的顧客需求,並利用模糊控制來建構產品的控制系統。藉由模糊邏輯理論能處理語言表達的模糊性,除了可以有效解決顧客需求的量化問題,並且以使用者經驗搭配模糊控制建構控制系統,不用建立繁複甚至難以求得的控制系統數學模型,有效的縮短整個設計開發的時間,並能充分滿足顧客需求。

10所示為整個設計程序流程,首先設計者必須先瞭解顧客的需求,然後將口語敘述的顧客需求,依其對產品“特徵”的描述分類為單一型與關聯型設計需求。接下來將顧客需求依不同類型分別進行工程規格量化處理,單一型設計需求利用QFD方式來進行量化,建立需求與設計規格之間關係評估,及訂定設計產品的工程規格目標。而關聯型設計需求則利用語意分解方式進行條件化,並配合模糊邏輯方式進行規則化,最後訂定出以模糊規則與歸屬函數來量化的法則來代表關聯型設計需求的設計規格。單一型與關聯型設計需求的量化過程仍是密切相關的,從前述寵物烘箱設計案例可以看到,QFD表最後所訂定的設計規格,常可作為關聯型需求規則化處理時歸屬函數定義的量化參考。

將兩類型的顧客需求分別量化處理、訂定工程規格後,接下來進行產品的概念設計與評估,同時利用規則式敘述建構模糊控制系統。在此步驟,產品硬體與控制(軟體)兩部分的設計須相互搭配,以避免設計衝突。經過設計原型製作與控制系統模擬評估後,將整個系統整合以便進行最後的實驗評估,藉以調整修改產品規格使得整個產品更符合顧客需求。

10. 設計程序流程

6. 結論與討論

在機械設計程序的研究中,如何正確地取得顧客需求,並有效地轉化成量化的工程規格,是一個受到廣泛討論的課題,許多學者提出各種的方法去整理、組織顧客需求,並建立設計規範來達成設計目標。

本文針對「關聯型設計需求」提出一套完整程序,利用模糊理論來輔助設計者將口語形式敘述的關聯型設計需求,轉換為由一模糊規則庫及其所屬之歸屬函數做量化表達,亦即明確表達產品在何種量化的狀態特徵下,應有何種量化的動作特徵反應,最後更可以進一步利用這些模糊規則,來建構一模糊控制器以實現顧客所需求的產品,使得模糊邏輯和模糊控制能成為設計者容易使用而且很直覺的設計工具。

未來應繼續將此設計程序廣泛應用不同類型的設計案例,以便對整個設計程序做進一步驗證與調整,特別是單一型設計需求和關聯型設計需求之間其實有很複雜之互動性,目前也有許多學者針對QFD利用模糊邏輯來解決單一型的模糊、不明確的顧客需求,未來本研究可結合QFD的模糊邏輯處理方式,將整個設計程序以模糊邏輯為基礎來進行設計工作。

誌謝

本研究承蒙國科會計畫編號NSC 87-2212-E-155-008經費支助,特此誌謝。

參考文獻

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Temponi, C., Yen. J., and Tiao W.A., “Assessment of Customer’s and Technical Requirements through a Fuzzy Logic-Based Method,” Systems, Man, and Cybernetics, 1997.

Zhou, M., “Fuzzy Logic and Optimization Models for Implementing QFD,” Computers & Industrial Engineering, Vol.35, Nos.1-2, pp.237-240, 1998.