基于logistic回归的设计缺陷影响因素的关系网模型

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产品质量是通过精心设计赋予的，通过精密制造而实现的，通过精细管理来保证的。产品设计工作从源头对产品质量产生极其重要的影响，它赋予产品先天性优劣”这种直观重要 的本质特性 。产品设计是-项 复杂的系统工程 ，整个设计过程 涉及的人员、资源和信息繁多，任何-个环节处理不当都会影响产品的设计 质量 ，甚 至导致产品存在设计 缺陷∩能造成产品设计缺陷的设计缺陷因素众多，不同的设计缺陷因素对各种设计缺陷的影响方式和影响程度也不同。因此，根据设计缺陷属性和对设计缺陷的影响性质和方式的差异对设计缺陷进行分类，建立设计缺陷因素与设计过程及设计缺陷类型之间的关 系模型 ，有 利于全 面掌握设计 过程 中的缺陷源 ，对企业 预防和控制设计缺 陷具 有理论和实 际指 导意 义 。

产品设计缺陷因素分布于从方案设计、技术设计和工艺设计的整个产品设计过程中。国内外学者的研究不是着 眼于设 计缺陷 的影响 因素 ，而是从 不同角度 对 总 体 设计 质 量 的影 响 因素 进 行 分 析 研究 。对设计 质量影响 因素 的分析有助 于理解设计过程对设计缺陷的影响，但设计缺陷作为设计质量评价的核心内容，其形成过程有 自身规律性，需要从其形成的过程全面地分析设计缺陷因素。为数极少的关于设计缺 陷影 响 因素 的研究过 于笼统 ，如文献[5]根据质量管理中对造成质量波动原因分类的方法，将设计缺陷因素分为显性设计缺 陷因素(突发设计缺陷因素)和隐性设计缺陷因素(固有设计缺陷因素)，但这种分类过于简单，对实际产品设计过程的指导作用不大。

收稿 日期 ：2012-04-17基金项目：国家自然科学基金资助项目(71161018)作者简介：刘卫东(1962-)，男，江西新干人，南昌大学机电工程学院教授，博士，从事质量管理与可靠性研究，(E-mail)liuwd###ncu.edu.el。

· 16· 组合机床与自动化加工技术 第 12期目前学术界对缺 陷形成方面的研究成果都集中从技术层面分析探究具体产品的特定缺陷产生机理及其检测与控制手段 ，仅文献 [9]和 [10]对设计缺陷的数学模型及其在不同设计模式中形成、发展过程和改进的质量成本等问题 ，应用 神经元 模型等理论和方法进行了初步的研究探讨 。关于设计缺陷影响因素和设 计缺陷形成过程研究 的缺乏 ，必然导致设计缺陷预防和控制研究的不足 ，特别是 定量分析研究设计缺陷因素与设计缺陷的相互关系基本上还是空 白。

硬件产品在 ISO标 准 中被 定义 为具 有特定 形状 、可分离的有形产品，如汽车 、空调和机床等 ，是产品所有类型中使用最为广泛、数量最大的-类产品。

本文着眼于硬件产 品设计缺陷 的预 防和控制 ，对设汁缺 陷因素进行分类 ，构建设 计缺陷因素与设计过程和缺陷类型的关 系网模型，并通过 回归分析 ，研究设计 缺陷共性设计缺陷因素对设计缺陷的影响方式及影响程度。

l 设计缺陷因素的分类设计缺陷源于产品设计各阶段对设计任务 的构思和实施 ，即设计 缺陷产 生于设计过程 中对产 品概念的构思及其特性参数优化的过程。影响设计过程的因素主要包括与设计过程相关 的资源信息、技术、理论 、方法 、]具等。不同的设计缺 陷因素对设计缺陷的影响方式 和影响程度也不-样。根据设计缺 陷大j素的属性及其对设计缺陷的影响方式，对影响设计过程的设计缺陷因素进行归纳和分类。

(1)设计理念与 目标设计理念是设计者在产 品构思过程 中所确立 的主导思想 ，它赋予产 品品质 内涵 和风格特点。设计理念和 目标 对设计缺 陷 的产 生有直 接或 间接 的影响。好的设计理念 至关重要 ，它不仅是设计 的精髓所在 ，而且能令产 品具有个性化、专业化和与众 不同的效果 ，反之则可 能直接 导致设 计缺陷的产生。设计 目标包括设计的技术 目标 、设计成本、设计周期 、生产周期、售后服 务等产 品的综 合性能要求。设计目标制定 的不正确或不可行可能间接地导致设计缺陷的产生。

(2)设计环境设计环境对设计缺陷的产生有直接或间接的影响。设计环境包括社会 环境 、自然环境 、技术环境 、市撤境等 的宏观要求 。社会环境主要包括政治 、经济、法律等方面的内容，所开发 的产品必须与当地的社会环境相协调。 自然环境 主要体现生态环境的对产品的要求，包括环境保护、资源利用等。技术环境包括相关技术 的研 发现状 与发展趋势、国家 的技术政策及其发展趋势等。市撤境主要是 同行业企业 同类产品的研发、生产和销售状况 ，市场未来发展的预测 、国家 的产业政 策及其发展趋势等。如不 能准确理解和把握设计环境 ，可能导致设计缺 陷的产生 ；而良好 的设计环境则有助 于预 防设计 缺陷的产生 。

(3)设计信息设计信息的不准确和不完备可能直接导致设计缺陷的产 生。设计信息包括市场调研 、设计 资源和过程质量等与设计过程相关的信息。市场调研信息主要包括 顾客需 求、用户反馈 、竞争对 手和相似 产品，以及与该产品相关的政策、法律等方面的信息。

设计资源信息主要包括相关 的专利 、专有技术和 同类或相似产 品的研发经验积 累等技术储备 ，从事设计开发的各类人员 的学历、相关工作经历 和年限 、专业技术熟练程度等 ，以及研发资金投入、研发装备等信息。过程质量信息主要指企业相关生产加T.[序质量水平 、加 工设备状 态及工艺参数和供应链信息等，这些信息对工艺设计如选择加工方法 、确定加工路线、选择加工设备等至关重要。

(4)设计过程包括设计模式 、采用 的设计方法 和使用的设计工具等方面的内容，它们不仅影响设计效率，而且也直接或间接地影响设计质量。目前常用的有串行和并行两种设计开发模式 ：串行设计开发模式设计周期长，设计效率低，协同管理和对设计积累的要求低，但设计活动展开充分，有助于 设计缺陷在设计过程中得到识别 和解决 ；而并行设计开发模式设计周期短 ，设计效率高，协 同管理和对设计积 累的要求也高，受 时间限制 ，设计活动往往不能充分展开 ，不利于在下-个设计环节或活动中识别和解决先前设计环节或活动产生 的设计缺陷。而设计方法和设计工具往往根据具体 的设计 任务、设计 目标及其实现思路来选择 ，这 些 内容 在产 品设 计各 阶段均 有体现。

目前 ，优化设计 、动态设计和概念设计等现代设计理念和方法已在工程界得 到广泛应用 ，而计算机 在设计领域 的应用 不仅极 大程度地提升 了设计效率 ，而且使得许多先进 的设计理念和设计方法的实际应用成为可能。选 择好这 些方 法和 T具并 加 以正确 运用 ，有助于高效 、精确地 实现设计 目标 ，避免设计 缺陷的产生。

(5)设计管理设计管理是对设计缺陷起 间接影响作用 的-类基础性和综合性的因素，具体包括设计人员的管理、设计过程的管理和设计装备 的管理等多个方面。所有设计活动都是通过具体 的设计人员来完成 的，人员管理主要是对设计人员岗前培训 、职业素养 、专业技能、质量 意识等方面进行有效管理。所有设计 活动都是通过具体的-个、-个设计过程来实现的 ，设计过程管理包括对设计过程 的设计 、过 程要素的评审 、设计缺陷因素的确定及其监测和控制 、沟通有效性管理等。而设计过程的顾客需求分析、概念设计 、详细设计 、工艺设计 、制造与试验等环节或 活动需要使用设计工具、试制样品样机的设备和检测装备等2012年12月 刘卫东，等：基于logistic回归的设计缺陷影响因素的关系网模型 ·17·设计装备，设计装备的管理包括选型、购置、使用、评估及处置等多项内容。做好设计管理，将有助于预防或避免设计缺陷的产生 。

2 设计缺陷因素对设计过程的影响产品设计过程是产品功能和性能特性从抽象到具体、从概念到详细 、从模糊 到精确、从定性到定量逐步细化直到满足设计 目标要求的过程 。设计人员在设计理念和思想的指引下，制定出设计规划，以产品的功能和性能需求为出发点，在企业资源、质量成本、技术条件等约束下，做出-系列设计决策。设计各阶段需要不同的设计信息，通过对这些信息的分析、处理 ，辅助设 计人员做出设 计决策和设 计管理。

产品设计各 阶段 与设计 缺陷 因素 的关 系 如 图 1所示产日口口规划设计阶段产口口口概念设计阶段产品分功能确功能分造型设设计理念与目标设计指导思想设计目标设计环境社会环境自然环境技术环境市撤境设计信息产品调研信息设计资源信息过程质量信息设计过程设计模式设计方法设计工具设计管理设计人员管理设计过程管理设计装备管理定设方案口口口工 艺设计阶段产品详细设计阶段图 1 产 品设 计各阶段与设计缺 陷因素 的关系图(1)产品规划阶段产品设计规 划和顾客需求分析 阶段 ，为 了制定产品规划和项 目任务书 ，主要的流程和活动有 ：市场调研 、顾客需 求获取与合成、产 品构思 、确认 市锄遇、项 目评估和优先级排序、分 配资源和安排 时间、产品规划评审等。产品构思受 限于设计 团队对 问题的把握、理解 、分析和综合处理能力及对市场需求 的准备判断 ，即设计指 导思想和设计 目标 与该 阶段过程相关。顾客需求的获韧整合需要全面的掌握顾客对产品功 能和性能特性要求 。同时 ，产 品规划的评审主要受到市场调研信息的影响，全面准确的信息有助于对设计过程做 出准确的评判。

(2)产品概念设计阶段产品概念设计过程是分析顾客需求到形成产品概念的- 系列有 序 的、有 组织 的、有 目标 的设计 活动。这个阶段主要的活动有：确定产品的总体系统特性和结构尺寸、完成各种技术的计算、利用优化技术确定工程特性的目标值等。除受上-阶段输出的影响外 ，产 品概念的形成过程还受技术环境 、企业 的设计资源信息、设计模式、设计方法和设计工具的影响。也就是说，这些设计缺陷因素与概念设计阶段相关 。例如 ：技术环境不 同，概念设计过程 采用 的设计手段也可能不-样 ，最 终确定的产品特性 目标也会有不同程度 的区别 ，而诸如结构性能缺陷往往都由这些参数特性不科学或不合理导致的。

(3)产品详细设计阶段产品详细设 计 主要 是根 据概念 设计 输 出的结果 ，将产品工程特性转化为相应 的零部件特性 ，系统考虑企业竞争及产品开发后续阶段各种因素对设计方案的影响，在企业资源约束下，分别利用优化技术对各零部件的设计方案和形状、尺寸进 行选择和计算 ，并针对所选定的-组设计法 ，确定各零部件 的特性 目标值 ，最后 确定下-阶段 的零部件特性。这-阶段主要活动有：产品方案确定、详细的质量设计、详细的技术计算、零部件和连接件的核对、成本核算等。详细设计过程是-个复杂的多 目标循环设计过程。除设计输入外，该过程主要影响因素有设计资源、过程质量信息、设计模式、设计方法、设计工具等，其中设计资源信息和设计过程质量信息是过程的约束 ，设计工具和设计方法是影 响到设计效率和效果 ，也是设计质量 的保障因素。

(4)产品工艺设计 阶段产品工艺设计阶段主要任务包括零部件工艺的制定和工装 的设计 。具体来讲 ，工艺设计 是将 零部件特性转化为相应的工艺参数，综合考虑企业竞争及产品开发后续阶段各种 因素对工艺方 案的影响，在生产设备、生产能力和生产成本等约束下，利用优化技术对各种工艺方案进行评价，确定工艺路线，并针对所选定的-组工艺方案，确定各工序的目标值，完成工装 的设 计 ，最后确定 下- 阶段 的工艺特性 。

因此 ，企业 的过程质量信 息直接影 响到工艺路线的制定和工艺设计 的合理性 。同时 ，设计 方法和设 计工具将影响设计效率和效果，直接决定着产品的制造质量 、制造成本和交货期。

3 设计缺陷因素与设计缺陷的关系网模型- 般而言 ，硬件产 品设计开发过程是 以顾 客需求为驱动 ，以基型产 品功能和性能优化为基本 内容。

因此 ，从设计开发过程实现的功能任务角度 ，可将其划分为产品功能规划、结构性能优化、工作性能优化和工艺优化四个功能任务拈。相应地可将硬件产品设计缺陷划分为 四类 ，即功能缺陷、结构缺 陷、性能缺陷和工 艺缺陷，分别 与产 品设计 的各功能任务拈相对应。因此，结合设计缺陷因素与设计过程的关系，可以得到硬件产品设计缺陷因素与设计缺陷类型之间的关系网模型，如图2所示。

· 18· 组合机床与 自动化加工技术 第 12期计理念I 设计 与目标 环境 设计 l设计l l设计信息 l过程l l管理蓁Il i萋I!曩l萋i囊l垂萋i匡 设Il设I计Jl计 篓i薹奎茎ic品规划H 顾客需求分析功能规划/-/结构性能/-/工作性能/-/工艺性能拈 /-7优化模 。/优化模 /优化拈功能缺陷)(结构缺陷)(性能缺陷)(工艺缺陷图 2 设计缺陷 因素与设计缺 陷的关 系网模型4 设计缺陷因素对设计缺陷影响分析在表达出设计缺陷因素与设计缺陷类 型的关系网模型后 ，需要进-步对模 型进行验 证和分析各设计缺陷因素对设计缺陷 的影响方式或影 响程度 ，这也是设计者或设计管理者最为关心的问题。设计缺陷因素是否对设计缺陷有影响是二分类变量。对于二分类变量，线性回归模型已不适用，预测值会超出0和 1的范围，在此应用 Logistic回归模型 进行分析。

4.1 设计缺陷因素影响的 logistic回归模型从设计结果来看，设计缺陷因素对产品设计的影响有两种 ：导致所设 计的产品存 在缺陷和不会导致产品存在设计缺陷。设计缺陷因素对产品设计的影响是-个二分类变量：导致设计缺陷的产生，用 Y1表示；不会导致设计缺陷产生，用 Y0表示。

设第 i个设计缺陷因素诱发设计缺陷产生的条件概率为 P P(Y 1 )。在硬件产品设计开发过程中，若有 n个设计缺陷因素影响设计缺陷的发生，可建立硬件产品设计缺陷发生的logistic回归模型如式 (1)所示 ：P ㈩ 式(1)中， 和卢 ，，卢 分别为回归截距和回归系数。

相反 ，设计缺陷未发生的条件概率为 ：1-P (2)因此 ，在-定设计缺陷因素影响下，设计 缺生与否概率的比值为 ：2 ㈩ 所以，设计缺陷发生的 logistic回归模型 的 logit形式表达式为 ：logi ( ) a卢t 卢 卢 (4)在运用(1)式进行设计缺陷因素对设计缺陷的影响分析时，需要首先确定反应变量和 自变量 ；再根据确定的变量，收集整理相关数据；然后，确定进入logistic回归模型 的方法 ，对模 型的拟合程度 和预测效果及模型系数进行全局性检验 ；最后进行 回归分析并对分析结果做出判断。

4.2 设计缺陷因素影响的定量分析当 logistic回归模型能够较好地拟合数据 时，便可以对模型 的系数进行解释。类似 于线性 回归，Zo-gistic回归系数也可 以被解释为对应 自变量(设计缺陷因素)-个单位的变化所导致的反应变量(设计缺陷)上的变化。由于logistic回归的反应变量(设计缺陷)不是常规的连续变量，而是 logit l即对数发生比、r p ，lnl 1)，那么对应每个自变量的估计系数便是该 自变量的对 logit的作用。这种解释十分含糊 ，因为 logit或对数发生 比没有直观的含义。通常，需要将 logit进行转换后再进行解释，即将式(4)两侧取 自然指数 ，于是左 边便 成 了设计 缺 陷 的发 生 比 odds， p 、I l。这样， 对logit的作用便转换为 ，即对 1- J ，发生比的作用 。

由于设计缺陷因素在产品设计过程中都是定性的描述 ，为了便于度量和统计 ，将设计缺陷因素视为二分类变量，分别用 1或 0的编码值进行表示。因此 ，在控制其他设计缺 陷因素的条件下 ，设计缺 陷因素 1对 比 0的发生比率 ，其估计值为 ：AORexp(In(odds)- -0) (5)从式(5)可以看出，调整发生比率就是变量 的logistic回归系数的指数幂。

AOR表示设计缺陷因素对设计缺陷发生的影响方式和影响能力大小，即设计缺陷因素在编码值的两个不同水平下 ，设计 缺陷产生的危险性或可能性之 比 ：AOR>1，说明该设计缺陷因素编码值为 1时 ，设计缺陷产生的可能性增加 ，且 AOR取值越大 ，表明该设计缺陷因素编码值为 1时比该设计缺陷因素编码值为0时诱发设计缺陷产生的可能性越大，即影响能力越大；AOR<1，说明该设计缺陷因素编码值为 1时 ，设计缺陷产生的可能性降低，且 AOR取值越小，表明该设计缺陷因素编码值为 1比该设计缺陷因素编码值为0对设计缺陷的控制或抑制作用越明显，影响能力越大；AOR1表示该因素与设计缺陷的发生无关。

5 结论设计过程 中可能导致设计缺陷产生的因素众多，不同性质 的设计 缺陷因素可能造成设计缺陷 的方式和程度也不同。准确把握设计缺陷因素对设计缺陷的影响关系，以预先采取有效的预防和控制措施来避免设计缺陷的产生 ，是设计管理的重要 内容。本文对设计缺陷影响因素进行了分类， (下转第22页)· 22· 组合机床与 自动化加工技术 第 12期皇.0- 0g图 7 两只传感器单周期 采样数据 图L王nl图 8 主轴 4000rpm 时轴心轨迹表 1 回转精度计算结果对 比主轴转速(rpm) 圆心坐标( m) 最悬络圆直径(Ixm)500 (0.Ol，0.03) 1 14000 (0.04，0.02) 1.2根据上述实例的结果显示可以看出，基于遗传算法的最悬 络圆求解 方法可 以达到很好 的效果。

将其应用于主轴 回转误差 评定中，可快速准确计算得 主轴的回转精度。

5 结论本文在研究 了主轴回转误差评价的基础上 ，针对实际主轴 回转误差检测 中存在 的问题 ，提 出了基于遗传算法的主轴回转误差评价方法。对精密磨齿机主轴进行实验分析 ，对评价方法进行 了验证和应用 ♂果表 明，基 于遗传算法 的最悬络圆主轴 回转误差评价方法具有很好的效果。并可 以快速准确的计算得到主轴回转误差量值。