CN107066757B - 一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法 - Google Patents

一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法 Download PDF

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CN107066757B CN201710324742.3A CN201710324742A CN107066757B CN 107066757 B CN107066757 B CN 107066757B CN 201710324742 A CN201710324742 A CN 201710324742A CN 107066757 B CN107066757 B CN 107066757B
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Abstract

本发明公开了一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法。对于对用户选用产品模块参数水平取值的行为，定义用户行为变量，统计用户行为数据，计算参数水平取值的用户需求满足度，以最大化模块型谱的用户需求满足度和最小化生产成本为目标建立模块型谱优化设计模型，采用二分法求解模块型谱优化设计模型。本发明通过对用户选用产品模块参数水平取值的大数据进行分析，来指导产品模块型谱的优化设计，能克服传统方法的不足，具有方法简便合理、容易实现的特点。

Description

一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计 方法
技术领域
本发明涉及产品模块化设计领域，具体为一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法。
背景技术
产品模块化设计中的模块型谱优化设计是在企业原有的模块型谱基础上，通过分析用户使用产品一段时间后对模块型谱需求的变化，来实现模块型谱持续优化的过程。对于产品模块化设计中的模块型谱优化设计，其主要依据是用户需求。目前，用户需求的获取主要有两大类方法，即问卷调查法和网络评论分析法。问卷调查法以其操作简单、直接的优势成为设计师了解用户需求最常用的手段，但问卷是由设计师事先设计的，带有较强的主观性和指向性，往往不能客观、全面地反映用户的真实感受，另外调查样本人数有限，调查对象对产品的理解程度和描述水平各异，导致设计师难以获取用户真实、准确的需求；网络评论分析法是网络环境下产生的一种基于数据挖掘技术的需求获取方法。随着网络舆论平台信息量的快速增长，通过网络评论分析获取设计知识以指导产品优化设计已成为近年来业界的常用方法，但网络评论信息多为文本型、图片等非结构化数据，从中准确获取结构化的设计知识将花费大量的时间和精力；并且网络评论信息源真伪难辨，直接影响了分析结果的准确性。
用户使用产品的行为是用户对产品功能或模块型谱参数需求最真实和最客观的反映，行为数据的记录和分析可以有效地指导产品的模块型谱优化设计。用户在与产品的使用交互过程中，随着使用次数增多，会对某些功能属性或型谱参数水平产生偏好，并逐步形成自己的使用习惯。用户行为数据会伴随用户使用累积产生，包含了潜在的用户需求偏好。因而，需要在大数据的支持下，用数学方法来描述用户多次使用产品的行为数据，并通过分析行为数据来更为客观地理解用户需求偏好，从而实现产品模块化设计中的模块型谱优化设计。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：在大数据的支持下，用数学方法来描述用户多次使用产品的行为数据，并通过分析行为数据来更为客观地理解用户需求偏好，从而实现产品模块化设计中的模块型谱优化设计。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：定义用户行为变量；
设某产品模块有J个参数，构成参数序列{P1,…,Pj,…,PJ}；参数Pj(1≤j≤J)的水平取值有Kj个，构成参数水平取值序列
Figure BDA0001289980740000021
设用户的需求有U项，构成需求序列{Cr1,…,Cru,…,CrU}；需求Cru(1≤u≤U)共有Lu个期望值，构成需求期望值序列
Figure BDA0001289980740000022
定义用户行为变量为
Figure BDA0001289980740000023
表示当用户对需求Cru的期望值为
Figure BDA0001289980740000024
时，将选择
Figure BDA0001289980740000025
作为产品模块的参数Pj的水平取值；
步骤2：统计用户行为数据；
设有I位用户，构成用户序列{Sub1,…,Subi,…,SubI}；用户Subi(1≤i≤I)共有Qi次选用行为，构成用户选用行为序列
Figure BDA0001289980740000026
对于用户Subi的第qi次选用行为
Figure BDA0001289980740000027
创建用户行为变量矩阵
Figure BDA0001289980740000028
其中元素
Figure BDA0001289980740000029
的赋值为1或0，当本次选用行为中用户对需求Cru的期望值为
Figure BDA00012899807400000210
时选择
Figure BDA00012899807400000211
作为产品模块参数Pj的水平取值时，
Figure BDA00012899807400000212
赋1值，否则赋0值；
步骤3：计算参数水平取值的用户需求满足度；
用
Figure BDA00012899807400000213
来表示截至用户Subi(1≤i≤I)，参数水平取值
Figure BDA00012899807400000214
的用户需求满足度，
Figure BDA00012899807400000215
的值越大，表示截至用户Subi(1≤i≤I)，参数水平取值
Figure BDA00012899807400000216
满足用户需求的程度越高；
Figure BDA00012899807400000217
表示参数水平取值
Figure BDA00012899807400000218
最终的用户需求满足度；
计算
Figure BDA00012899807400000219
的方法为：截至用户Subi(1≤i≤I)，选用模块参数水平取值
Figure BDA00012899807400000220
的累积次数平均值，即
Figure BDA00012899807400000221
这里
Figure BDA00012899807400000222
为截至用户Subi(1≤i≤I)，选用参数水平取值
Figure BDA00012899807400000223
的累计次数，有
Figure BDA00012899807400000224
即：对于参数水平取值
Figure BDA00012899807400000225
当用户Subi(1≤i≤I)在第qi次选用产品模块时选用了
Figure BDA00012899807400000226
则累加此次选用行为；
步骤4：以最大化模块型谱的用户需求满足度和最小化生产成本为目标建立模块型谱优化设计模型；
有M个备选的模块型谱，构成模块型谱序列{TypeSpe1,…,TypeSpem,…,TypeSpeM}；模块型谱TypeSpem(1≤m≤M)中包含有Nm个参数水平取值组合方案，构成参数组合方案序列
Figure BDA00012899807400000227
参数水平取值组合方案
Figure BDA00012899807400000228
(1≤nm≤Nm)表示为
Figure BDA0001289980740000031
这里
Figure BDA0001289980740000032
本发明建立的模块型谱优化设计模型中，决策变量有两个，为：(1)
Figure BDA0001289980740000033
若模块型谱TypeSpem(1≤m≤M)中的参数水平取值组合方案
Figure BDA0001289980740000034
(1≤nm≤Nm)选取了参数Pj(1≤j≤J)的水平取值
Figure BDA0001289980740000035
(1≤kj≤kJ)，则
Figure BDA0001289980740000036
否则
Figure BDA0001289980740000037
(2)Nm：即模块型谱中包含的参数组合水平取值方案数；
首先以最大化模块型谱的用户需求满足度为目标，即
Figure BDA0001289980740000038
然后设参数Pj(1≤j≤J)的水平取值为
Figure BDA0001289980740000039
(1≤kj≤kJ)时的生产成本为
Figure BDA00012899807400000310
归一化后为
Figure BDA00012899807400000311
以最小化生产成本为目标，即
Figure BDA00012899807400000312
因此，本发明建立的模块型谱优化设计模型的目标函数为
Figure BDA00012899807400000313
ω1和ω2分别为最大化模块型谱用户需求满足度目标和最小化生产成本目标的权重，ω1+ω2＝1且ω1≥0,ω2≥0。
本发明建立的模块型谱优化设计模型中，约束条件有3个，为：(1)对任一参数水平取值组合方案
Figure BDA00012899807400000314
(1≤m≤M，1≤nm≤Nm)，参数Pj(1≤j≤J)有且仅有一个水平取值被选择，即
Figure BDA00012899807400000315
且
Figure BDA00012899807400000316
(1≤j≤J,1≤m≤M,1≤nm≤Nm)；(2)最高生产成本的约束，即对任一模块型谱TypeSpem(1≤m≤M)，
Figure BDA00012899807400000317
这里COST为最高总成本；(3)设计结构导致某些参数水平取值组合无效，需根据实际情况列入模块型谱优化设计模型的约束条件；
步骤5：采用二分法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.1：初始化；
产品模块的参数序列为{P1,…,Pj,…,PJ}，Pj(1≤j≤J)的参数水平取值序列为
Figure BDA0001289980740000041
存在参数水平取值组合方案共
Figure BDA0001289980740000042
种，初始化令
Figure BDA0001289980740000043
步骤5.2：令
Figure BDA0001289980740000044
用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.3：若无解，令P＝P+1，重复执行步骤5.2，直到有解，执行步骤5.4；否则直接执行步骤5.4；
步骤5.4：令
Figure BDA0001289980740000045
令P＝P+1，用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.5：若无解且(Nm)p≥1，执行步骤5.4；若无解且(Nm)p＜1说明模块型谱优化设计模型无解，终止运算；否则执行步骤5.6；
步骤5.6：令
Figure BDA0001289980740000046
令P＝P+1，用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型，
步骤5.7：若有解，重复执行步骤5.6，直到(Nm)p+1＝(Nm)p时，得到的(Nm)p即为最优模块型谱中包含的参数组合水平取值方案数Nm，对应的模块型谱TypeSpem即为最优模块型谱；如果无解执行步骤5.4。
本发明的有益效果是：
(1)通过对用户选用产品模块参数水平取值的大数据进行分析，来指导产品模块型谱的优化设计，能克服传统方法(问卷调查法和网络评论分析法)的不足；
(2)方法简便合理，容易实现。
附图说明
图1是本发明提供的一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：
现需对大型履带式起重机的主变幅机构模块进行模块型谱优化设计。
实施步骤如下：
步骤1：定义用户行为变量；
主变幅机构模块的参数有4个，为：卷筒绳槽数量P1(单位：个)、绳槽间距P2(单位：mm)、岀绳方式P3及筒径大小P4(单位：cm)，构成参数序列{P1,P2,P3,P4}，其中岀绳方式属于描述型参数。参数间存在一对约束关系：绳槽数量是奇数时，其岀绳方式只能是单出绳，因此奇数的绳槽数量和双出绳方式的组合无效。卷筒绳槽数量P1的参数水平取值序列为{12,17,22,28,33}，绳槽间距P2的参数水平取值序列为{16.8,21.0,27.4,29.2}，岀绳方式P3的参数水平取值序列为{1:单出绳,2:双出绳}，筒径大小P4的参数水平取值序列为{63,79,95}。
与主变幅机构模块相关的用户需求有4项，为：起吊重量Cr1(单位：100吨)、起吊高度Cr2(单位：m)、主臂变幅角度Cr3(单位：°)、起吊速度Cr4(单位：m/s)，构成需求序列{Cr1,Cr2,Cr3,Cr4}。起吊重量Cr1的需求期望值范围为(0,20]，起吊高度Cr2的需求期望值范围为(0,300]，主臂变幅角度Cr3的需求期望值范围为(0,90]，起吊速度Cr4的需求期望值范围为(0,1]。定义用户行为变量为
Figure BDA0001289980740000051
1≤u≤4,1≤j≤4。
步骤2：统计用户行为数据；
有1000位用户，构成用户序列{Sub1,…,Subi,…,Sub1000}，每位用户至少有30次选用行为，对于每位用户的每次选用行为创建一个用户行为变量矩阵，例如：对于用户Sub1的第5次选用行为
Figure BDA0001289980740000052
创建用户行为变量矩阵Θ1,5，这里仅列出Θ1,5中对应需求Cr1的部分：
Figure BDA0001289980740000053
步骤3：计算参数水平取值的用户需求满足度；
通过对所有用户的所有选用行为进行统计，算出各个参数水平取值的累计次数平均值，即得到该参数水平取值的用户需求满足度。计算结果如下：
卷筒绳槽数量P1的参数水平取值的用户需求满足度为：
序号 卷筒绳槽数量P<sub>1</sub>(单位：个)的参数水平取值 用户需求满足度
1 12 0.013
2 17 0.123
3 22 0.589
4 28 0.222
5 33 0.053
绳槽间距P2的参数水平取值的用户需求满足度为：
序号 绳槽间距P<sub>2</sub>(单位：mm)的参数水平取值 用户需求满足度
1 16.8 0.028
2 21.0 0.095
3 27.4 0.616
4 29.2 0.261
岀绳方式P3的参数水平取值的用户需求满足度为：
序号 岀绳方式P<sub>3</sub>的参数水平取值 用户需求满足度
1 1:单出绳 0.348
2 2:双出绳 0.652
筒径大小P4的参数水平取值的用户需求满足度为：
序号 筒径大小P<sub>4</sub>(单位：cm)的参数水平取值 用户需求满足度
1 63 0.039
2 79 0.782
3 95 0.179
步骤4：以最大化模块型谱的用户需求满足度和最小化生产成本为目标建立模块型谱优化设计模型；
主变幅机构模块的各参数水平取值的生产成本(单位：元)如下：
卷筒绳槽数量P1的参数水平取值的生产成本为：
序号 卷筒绳槽数量P<sub>1</sub>(单位：个)的参数水平取值 生产成本
1 12 850
2 17 900
3 22 970
4 28 1060
5 33 11500
绳槽间距P2的参数水平取值的生产成本为：
序号 绳槽间距P<sub>2</sub>(单位：mm)的参数水平取值 生产成本
1 16.8 1950
2 21.0 1620
3 27.4 1490
4 29.2 1240
岀绳方式P3的参数水平取值的生产成本为：
序号 岀绳方式P<sub>3</sub>的参数水平取值 生产成本
1 1:单出绳 1000
2 2:双出绳 1000
筒径大小P4的参数水平取值的生产成本为：
序号 筒径大小P<sub>4</sub>(单位：cm)的参数水平取值 生产成本
1 63 2300
2 79 2350
3 95 2430
根据实际情况设置最大化模块型谱用户需求满足度目标和最小化生产成本目标的权重分别为ω1＝0.75和ω2＝0.25，可得主变幅机构模块的模块型谱优化设计模型为：
Figure BDA0001289980740000071
s.t.:
(1)
Figure BDA0001289980740000072
且
Figure BDA0001289980740000073
(1≤j≤J,1≤m≤M,1≤nm≤Nm)；
(2)
Figure BDA0001289980740000074
——最高生产成本约束；
(3)
Figure BDA0001289980740000075
——表示绳槽数量是奇数时，其岀绳方式只能是单出绳。
步骤5：采用二分法求解模块型谱优化设计模型，得到Nm＝14个参数水平取值组合方案形成的最优模块型谱，用户需求满足度为70.42％，总成本为80840元。最优模块型谱如下：
Figure BDA0001289980740000076
Figure BDA0001289980740000081

Claims (1)

1.一种大数据支持下产品模块化设计中的模块型谱优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：定义用户行为变量；
设某产品模块有J个参数，构成参数序列{P1,…,Pj,…,PJ}；参数Pj的水平取值有Kj个，1≤j≤J，构成参数水平取值序列
Figure FDA0002819901850000011
设用户的需求有U项，构成需求序列{Cr1,…,Cru,…,CrU}；需求Cru共有Lu个期望值，1≤u≤U，构成需求期望值序列
Figure FDA0002819901850000012
定义用户行为变量为
Figure FDA0002819901850000013
表示当用户对需求Cru的期望值为
Figure FDA0002819901850000014
时，将选择
Figure FDA0002819901850000015
作为产品模块的参数Pj的水平取值；
步骤2：统计用户行为数据；
设有I位用户，构成用户序列{Sub1,…,Subi,…,SubI}；用户Subi共有Qi次选用行为，1≤i≤I，构成用户选用行为序列
Figure FDA0002819901850000016
对于用户Subi的第qi次选用行为
Figure FDA0002819901850000017
创建用户行为变量矩阵
Figure FDA0002819901850000018
其中元素
Figure FDA0002819901850000019
的赋值为1或0，当本次选用行为中用户对需求Cru的期望值为
Figure FDA00028199018500000110
时选择
Figure FDA00028199018500000111
作为产品模块参数Pj的水平取值时，
Figure FDA00028199018500000112
赋1值，否则赋0值；
步骤3：计算参数水平取值的用户需求满足度；
用
Figure FDA00028199018500000113
来表示截至用户Subi，1≤i≤I，参数水平取值
Figure FDA00028199018500000114
的用户需求满足度，
Figure FDA00028199018500000115
的值越大，表示截至用户Subi，1≤i≤I，参数水平取值
Figure FDA00028199018500000116
满足用户需求的程度越高；
Figure FDA00028199018500000117
表示参数水平取值
Figure FDA00028199018500000118
最终的用户需求满足度；
计算
Figure FDA00028199018500000119
的方法为：截至用户Subi，1≤i≤I，选用模块参数水平取值
Figure FDA00028199018500000120
的累积次数平均值，即
Figure FDA00028199018500000121
这里
Figure FDA00028199018500000122
为截至用户Subi，1≤i≤I，选用参数水平取值
Figure FDA00028199018500000123
的累计次数，有
Figure FDA00028199018500000124
即：对于参数水平取值
Figure FDA00028199018500000125
当用户Subi在第qi次选用产品模块时选用了
Figure FDA00028199018500000126
则累加此次选用行为；
步骤4：以最大化模块型谱的用户需求满足度和最小化生产成本为目标建立模块型谱优化设计模型；
有M个备选的模块型谱，构成模块型谱序列{TypeSpe1,…,TypeSpem,…,TypeSpeM}；模块型谱TypeSpem中包含有Nm个参数水平取值组合方案，1≤m≤M，构成参数组合方案序列
Figure FDA0002819901850000021
参数水平取值组合方案
Figure FDA0002819901850000022
表示为
Figure FDA0002819901850000023
这里
Figure FDA0002819901850000024
建立的模块型谱优化设计模型中，决策变量有两个，为：(1)
Figure FDA0002819901850000025
若模块型谱TypeSpem中的参数水平取值组合方案
Figure FDA0002819901850000026
选取了参数Pj的水平取值
Figure FDA0002819901850000027
Figure FDA0002819901850000028
则
Figure FDA0002819901850000029
否则
Figure FDA00028199018500000210
(2)Nm：即模块型谱中包含的参数组合水平取值方案数；
首先以最大化模块型谱的用户需求满足度为目标，即
Figure FDA00028199018500000211
然后设参数Pj的水平取值为
Figure FDA00028199018500000212
时的生产成本为
Figure FDA00028199018500000213
归一化后为
Figure FDA00028199018500000214
以最小化生产成本为目标，即
Figure FDA00028199018500000215
建立的模块型谱优化设计模型的目标函数为
Figure FDA00028199018500000216
ω1和ω2分别为最大化模块型谱用户需求满足度目标和最小化生产成本目标的权重，ω1+ω2＝1且ω1≥0,ω2≥0；
建立的模块型谱优化设计模型中，约束条件有3个，为：(1)对任一参数水平取值组合方案
Figure FDA00028199018500000217
参数Pj有且仅有一个水平取值被选择，1≤j≤J，即
Figure FDA00028199018500000218
且
Figure FDA00028199018500000219
(2)最高生产成本的约束，即对任一模块型谱TypeSpem，1≤m≤M，
Figure FDA00028199018500000220
这里COST为最高总成本；(3)设计结构导致某些参数水平取值组合无效，需根据实际情况列入模块型谱优化设计模型的约束条件；
步骤5：采用二分法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.1：初始化；
产品模块的参数序列为{P1,…,Pj,…,PJ}，Pj的参数水平取值序列为
Figure FDA0002819901850000031
Figure FDA0002819901850000032
存在参数水平取值组合方案共
Figure FDA0002819901850000033
种，初始化令
Figure FDA0002819901850000034
步骤5.2：令
Figure FDA0002819901850000035
用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.3：若无解，令p＝p+1，重复执行步骤5.2，直到有解，执行步骤5.4；否则直接执行步骤5.4；
步骤5.4：令
Figure FDA0002819901850000036
令p＝p+1，用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.5：若无解且(Nm)p≥1，执行步骤5.4；若无解且(Nm)p<1说明模块型谱优化设计模型无解，终止运算；否则执行步骤5.6；
步骤5.6：令
Figure FDA0002819901850000037
令p＝p+1，用0-1整数线性规划法求解模块型谱优化设计模型；
步骤5.7：若有解，重复执行步骤5.6，直到(Nm)p+1＝(Nm)p时，得到的(Nm)p即为最优模块型谱中包含的参数组合水平取值方案数Nm，对应的模块型谱TypeSpem即为最优模块型谱；如果无解执行步骤5.4。
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