基于FDSM的產(chǎn)品族設(shè)計模塊化方法的研究*

涂建偉，李 彥，李文強(qiáng)，朱宏峰

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引言

大批量定制(Mass Customization)是在接近大批量生產(chǎn)所具有的效率和質(zhì)量等的情況下，以較低的成本快速地生產(chǎn)高質(zhì)量的定制化、個性化產(chǎn)品并提供相應(yīng)的服務(wù)，滿足不同客戶需求并贏得市場競爭［1］。產(chǎn)品族設(shè)計是大批量定制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它在設(shè)計規(guī)劃階段，采用面向一系列(一族)產(chǎn)品的設(shè)計思想來進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，快速響應(yīng)市場，保證和實現(xiàn)不同客戶群體的需求［2-3］。為了保證產(chǎn)品開發(fā)速度、成本、質(zhì)量和生產(chǎn)效率等需求，模塊化設(shè)計成為了基于產(chǎn)品族設(shè)計的大規(guī)模定制設(shè)計的重要研究內(nèi)容［4］。

目前在產(chǎn)品族模塊化設(shè)計方法和實施上國內(nèi)外已有一定的研究，Gu p［5］通過構(gòu)造產(chǎn)品生命周期各階段相關(guān)矩陣得到最終的模塊劃分結(jié)果，但建立相關(guān)矩陣的不確定因素很多，不利于方法的實施;馬飛等［6］針對設(shè)計過程提出了基于模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的模塊化分解方法，但模塊間關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系定義比較松散，沒有對模塊劃分后期的具體實施過程進(jìn)行規(guī)劃;王愛民等［3］提出的基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的模塊化產(chǎn)品族設(shè)計方法研究中模塊之間的耦合關(guān)系只是在理論上采用“高、中、低、無”四點定義，與實際應(yīng)用差別較大，且基于傳統(tǒng)的布爾型或數(shù)值型設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃不能很好的表達(dá)工程實際。

本文提出的基于模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的模塊化設(shè)計方法，在確定了功能部件關(guān)聯(lián)特性的基礎(chǔ)上，引用相關(guān)度計算比較清晰的量化表達(dá)功能部件間的關(guān)聯(lián)特性，通過模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的功能運算實現(xiàn)模塊化分解，使得整個模塊化設(shè)計過程都能量化執(zhí)行，并通過分析由功能部件關(guān)聯(lián)特性建立的無序模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，找出模塊化設(shè)計的耦合順序，為瓶頸部件的改進(jìn)和后期具體開發(fā)提供參考意見。

1 模塊化設(shè)計

1.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣

設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣(Design Structure Matrix，DSM)［7］以矩陣的形式間接地表達(dá)復(fù)雜設(shè)計過程中變量間的信息依賴關(guān)系，通過對產(chǎn)品開發(fā)過程建模或進(jìn)行產(chǎn)品并行設(shè)計規(guī)劃，為理解和分析復(fù)雜設(shè)計過程提供了簡潔的可視化形式。它通過劃分、撕裂、綁定、聚類、仿真、特征值分析等算法，對關(guān)聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系進(jìn)行建模和分析，是一種簡單有力的基于信息的過程建模方法。如圖1。

圖1 設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)及其關(guān)聯(lián)形式

DSM關(guān)聯(lián)矩陣具有豐富的內(nèi)涵［7］:①矩陣的維數(shù)表示設(shè)計行為的個數(shù)，對角線上的元素代表設(shè)計行為本身;②A、B表示相關(guān)部件的設(shè)計任務(wù)，X表示設(shè)計任務(wù)之間的信息交流;③每一行表示該行對應(yīng)部件設(shè)計任務(wù)的完成需要其他各列任務(wù)的輸入信息或支持請求，每一列表示該列對應(yīng)部件設(shè)計任務(wù)對其他各行任務(wù)的輸出或者支持信息;④對角線以下的信息表示該設(shè)計任務(wù)對它之后進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計任務(wù)的前饋信息，對角線以上的信息表示反饋信息;⑤通過對矩陣進(jìn)行變換處理，盡量減少反饋所帶來的設(shè)計重復(fù)，在不可避免的情況下，盡可能將反饋信息與相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)接近，從而實現(xiàn)優(yōu)化，下三角設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣為理想的設(shè)計規(guī)劃，意味著設(shè)計活動是沒有反饋的串行開發(fā)方式。

然而實際活動間的依賴關(guān)系有著很大的不確定性，傳統(tǒng)的布爾型或數(shù)值型設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣具有自身的局限性，它們考慮了兩個任務(wù)之間的信息交互方式，但沒有考慮信息交互的強(qiáng)弱關(guān)系。本文通過構(gòu)建模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，使用［0，1］之間的數(shù)表示DSM設(shè)計活動之間不確定的耦合關(guān)系，更符合工程實際［8］。

1.2 模塊化設(shè)計原則

模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口的典型通用獨立設(shè)計單元，具有以功能為基礎(chǔ)、以結(jié)構(gòu)為載體的特點。模塊劃分指對產(chǎn)品的總體功能特點進(jìn)行分解得到一系列基本功能單元，然后將其聚類成多個具有典型功能，結(jié)構(gòu)可參數(shù)化的模塊的過程。模塊化的設(shè)計具有“結(jié)構(gòu)內(nèi)動蕩和結(jié)構(gòu)外穩(wěn)定”的特性。模塊之間以統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。模塊劃分應(yīng)滿足以下原則:保持模塊在功能和結(jié)構(gòu)上有一定的獨立性和完整性;保持模塊在功能和結(jié)構(gòu)方面有較好的對應(yīng)關(guān)系;模塊間接口要便于聯(lián)接和分離;模塊劃分的粒度要適中，符合典型部件和通用性原則。

2 基于FDSM的產(chǎn)品族設(shè)計模塊化方法

基于FDSM產(chǎn)品族模塊化設(shè)計建立在量化表達(dá)功能部件關(guān)聯(lián)特性的基礎(chǔ)上，通過FDSM的分析聚類，生成模塊劃分方案，并通過分析功能部件間關(guān)聯(lián)特性矩陣，確定模塊化設(shè)計的任務(wù)執(zhí)行順序。設(shè)計流程分為四個步驟:①對各功能部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)識別;②對上步中確認(rèn)的功能部件關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行相關(guān)度量化表達(dá);③構(gòu)造關(guān)聯(lián)特征的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，通過模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的功能運算實現(xiàn)模塊化聚類;④分析關(guān)聯(lián)特性的無序模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，確定模塊耦合順序。

2.1 關(guān)聯(lián)特性識別

根據(jù)產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)特點，識別關(guān)聯(lián)部件所對應(yīng)的典型相關(guān)特征。首先以功能特性為基礎(chǔ)識別可獨立元素進(jìn)行外協(xié)開發(fā)。然后對結(jié)構(gòu)層次關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，特性選取標(biāo)準(zhǔn)以反映該類部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計特性為主。對于機(jī)械產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)特性關(guān)聯(lián)主要從圖2分類進(jìn)行考慮。

圖2 機(jī)械產(chǎn)品關(guān)聯(lián)特性識別

2.2 相關(guān)度量化

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗對上步中識別的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行［0，1］取值，參考文獻(xiàn)［9］中所述方法計算各關(guān)聯(lián)部件的特性相關(guān)度，包括特性正相關(guān)(前饋相關(guān))與特性負(fù)相關(guān)(反饋相關(guān))。關(guān)聯(lián)特性的數(shù)值大小和改變關(guān)聯(lián)部件所帶來的系統(tǒng)變動是成正比的，如改變某一部件，對系統(tǒng)其他關(guān)聯(lián)部件的影響程度較大，那么系統(tǒng)中它的特性相關(guān)度也較大。

設(shè)第i組關(guān)聯(lián)部件中部件ai有k個特征，bi有l(wèi)個特征，部件ai與bi之間有m個相關(guān)特征，u為m個相關(guān)特征的集合，則部件相關(guān)特征數(shù)目相關(guān)度記為

式中rij為第i組關(guān)聯(lián)部件的第j個特征值的比例系數(shù)，dj為相關(guān)特征對部件關(guān)聯(lián)特性的影響權(quán)重系數(shù)。則關(guān)聯(lián)部件的特征相關(guān)度為

關(guān)聯(lián)部件的特征相關(guān)度表征兩部件的特性相關(guān)程度。當(dāng)q(ui)=1時，表明兩部件一致相關(guān);當(dāng)0＜q(ui)＜1時，表明兩部件特性相關(guān)，數(shù)值大小反應(yīng)相關(guān)程度的大小;當(dāng)q(ui)=0時，表明兩部件相互獨立。

2.3 構(gòu)建模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣

根據(jù)上步中確定的功能部件特性關(guān)聯(lián)建立模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，如圖3所示。矩陣的各個單元表達(dá)了所對應(yīng)行或?qū)?yīng)列設(shè)計任務(wù)間提供支持或獲取支持的信息關(guān)聯(lián)程度。每一行表示完成該行設(shè)計任務(wù)所需的其他各列任務(wù)的輸入或支撐信息，即特性正相關(guān);每一列表示該列設(shè)計任務(wù)對完成其他各行任務(wù)的輸出或支持信息，即特性負(fù)相關(guān)。對矩陣進(jìn)行行列匯總，如任務(wù)A的行匯總AR(R:Receive)，表達(dá)任務(wù)A的完成需要獲取其他設(shè)計任務(wù)所提供的支撐信息，列匯總AS(S:Supply)表達(dá)任務(wù)A能對其他設(shè)計任務(wù)所提供的支持信息。

圖3 構(gòu)建模糊DSM矩陣示意圖

2.4 模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣模塊化聚類

設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的聚類運算，已有算法已經(jīng)比較成熟，文獻(xiàn)［6］通過設(shè)定聚類閥值對關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行了一定的截取，再利用傳遞閉包法將模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣轉(zhuǎn)化成等價矩陣進(jìn)行處理。本文采用基于遺傳算法的設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣聚類方法對構(gòu)建的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行模塊化聚類，詳細(xì)過程見參考文獻(xiàn)［10］。

2.5 模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣特性關(guān)聯(lián)分析

通過對功能部件間無序模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)的特性關(guān)聯(lián)分析，考慮各功能部件設(shè)計任務(wù)間的支撐關(guān)系以及子模塊系統(tǒng)種設(shè)計任務(wù)的耦合順序。主要包括以下三個方面:

(1)對無序的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的行和列進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。匯總依賴關(guān)系數(shù)據(jù)的排序結(jié)果。行匯總排序標(biāo)示對應(yīng)部件設(shè)計任務(wù)對其他部件的依賴程度，數(shù)值越大，說明其自身功能實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)確立依賴于其他部件的系數(shù)越高，對其他部件的結(jié)構(gòu)變更比較敏感;列匯總排序表明對應(yīng)部件對其他部件提供設(shè)計支持的程度的大小，數(shù)值越大，說明該部件的變更對其他部件的影響越大。

(2)對模塊化設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析。各功能部件所對應(yīng)的行列信息之和反映了其在產(chǎn)品族設(shè)計任務(wù)中的地位，數(shù)值越大，所對應(yīng)部件對系統(tǒng)影響程度越大，工藝要求也更高，應(yīng)盡量將其放在設(shè)計下游進(jìn)行耦合。行列信息之比是對應(yīng)功能部件接受信息與輸出信息的比值，反映出該部件接受信息和輸出信息的權(quán)衡度，數(shù)值越小，對應(yīng)部件具有較高的設(shè)計任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行順序。根據(jù)系統(tǒng)分析的關(guān)聯(lián)權(quán)重，就可得出模塊化設(shè)計任務(wù)執(zhí)行順序。同時，還能感知各功能模塊在系統(tǒng)中獲取設(shè)計信息或提供設(shè)計支持的敏感性，依此來采取相應(yīng)措施，減少系統(tǒng)敏感性，更好的實現(xiàn)模塊化。

(3)根據(jù)行列信息依賴數(shù)值的大小，數(shù)值越大的列部件對其他部件的影響性越大，數(shù)值越小的行部件對其他部件的變更的敏感性越小。根據(jù)感知到的系統(tǒng)信息獲取和支持的敏感性，多數(shù)情況下，考慮將敏感度小的部件作為子模塊耦合的入項，將敏感度大的部件作為子模塊耦合的出項。一般可采取兩種情況考慮系統(tǒng)的改良:①分析可否采取措施減少或轉(zhuǎn)移關(guān)聯(lián)敏感性，如采用過度設(shè)計或者添加部件的方法實現(xiàn)等;②將圍繞敏感性高的行和列的對應(yīng)部件同相鄰排序結(jié)果部件綜合考慮，作為構(gòu)建模塊化核心平臺的基礎(chǔ)。

3 實例分析

以某型號汽油發(fā)動機(jī)主體設(shè)計為例展示本文提出的模塊化設(shè)計方法。汽油發(fā)動機(jī)主體主要功能部件有發(fā)電機(jī)、點火器、化油器、空氣濾清器、氣門、汽缸蓋、汽缸墊片、曲軸箱、活塞、氣環(huán)、油環(huán)、活塞銷、氣門間隙調(diào)節(jié)器、集濾器、連桿、連桿軸頸、連桿軸承、曲輪軸、機(jī)油泵、汽缸體、油道、氣門彈簧、擺臂、氣缸套罩、凸輪軸、發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)。

3.1 量化相關(guān)特征，進(jìn)行模塊化聚類

針對系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體分析，其中發(fā)電機(jī)、點火器、化油器、空氣濾清器和正時系統(tǒng)被識別為獨立元素可以進(jìn)行外協(xié)開發(fā)。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，按3.1所述的特征識別方法對剩余的21個關(guān)聯(lián)功能部件典型關(guān)聯(lián)特征逐一列舉，并識別其相關(guān)特性，根據(jù)3.2所述的相關(guān)度計算方法，確立關(guān)聯(lián)部件間的相關(guān)特征，構(gòu)建關(guān)聯(lián)部件模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣。由于篇幅有限，這里不寫出關(guān)聯(lián)部件相關(guān)度計算的具體過程，構(gòu)建好的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣如表1所示。

?

［10］采用遺傳算法對模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行模塊化聚類，實現(xiàn)汽油發(fā)動機(jī)主體功能部件的模塊化分解。汽油發(fā)動機(jī)的開發(fā)共分以下五個模塊，如表2中的陰影模塊所示，各部分聚類良好的表達(dá)了功能特性，符合設(shè)計與制造原理。

?

3.2 確定模塊化設(shè)計任務(wù)執(zhí)行順序

將表1中系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行匯總分析，包括行匯總信息、列匯總信息、行列信息之和，以及行列信息之比，見表3。

表3 模塊關(guān)聯(lián)分析

以汽缸蓋、汽缸墊片、汽缸套、汽缸體、活塞、氣環(huán)、油環(huán)和活塞銷組成的模塊(2、3、20、16、5、6、7、8)為例，對于無序FDSM的行信息進(jìn)行比較，活塞5、汽缸體16和汽缸套罩20需要其他部件提供的支持信息最多，參照模塊化所要求的獨立性思想，選取部件(5、16、20)作為模塊核心。根據(jù)行列信息之和確定的模塊耦合順序為 7，6，3，2，8，5，16，20;根據(jù)行列信息之比確定的模塊耦合順序為 6，7，2，8，20，16，5，3。兩者都能比較真實的反映設(shè)計制造過程，根據(jù)系統(tǒng)具體特點選擇更符合工程實際的系統(tǒng)模塊設(shè)計順序。

4 結(jié)束語

本文首先分析了設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣與部件關(guān)聯(lián)之間的關(guān)系。針對目前模塊化設(shè)計中模塊關(guān)聯(lián)關(guān)系定義比較松散，以及傳統(tǒng)DSM模塊化應(yīng)用存在的局限性，提出了基于模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的產(chǎn)品族模塊化設(shè)計方法，完善了基于DSM模塊化設(shè)計的可操作流程。其次，通過引入相關(guān)度計算，比較準(zhǔn)確的定義了部件間的耦合關(guān)系，避免了傳統(tǒng)模塊間關(guān)聯(lián)關(guān)系松散定義的不足。最后，通過對功能部件間功能與結(jié)構(gòu)信息的關(guān)聯(lián)分析，導(dǎo)出了模塊化設(shè)計的執(zhí)行順序。通過某型號汽油發(fā)動機(jī)模塊化設(shè)計的具體實例，展示了該方法的具體應(yīng)用。

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