面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

嚴(yán)建文，袁成明，張 強(qiáng)，范 煜,3

(1.合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009; 3.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 引言

復(fù)雜成形裝備作為高端制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)裝備，是各產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術(shù)進(jìn)步的重要保障。服務(wù)作為產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)中最靈活的要素，在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，已經(jīng)成為裝備制造業(yè)創(chuàng)新不可或缺的組成部分。服務(wù)與產(chǎn)品的組合構(gòu)成了更大的解決方案空間，可以更好地滿足顧客的個(gè)性化需求。

面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是制造企業(yè)從提供產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┊a(chǎn)品服務(wù)整體解決方案的重要保障，改變了傳統(tǒng)的裝備制造業(yè)的開發(fā)方式和模式，極其深刻地影響著復(fù)雜成形裝備產(chǎn)業(yè)的制造模式和發(fā)展戰(zhàn)略。而產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品開發(fā)工程的關(guān)鍵管理技術(shù)，是產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的重要結(jié)果和企業(yè)經(jīng)營的產(chǎn)品根基，決定了其開發(fā)過程的創(chuàng)新性與高效性。

產(chǎn)品架構(gòu)是通過將產(chǎn)品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案[1-2]，體現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的分解與集成。Ulrich[1]首先從設(shè)計(jì)理論、軟件工程、運(yùn)作管理和產(chǎn)品開發(fā)管理等多學(xué)科的角度，對制造企業(yè)提出了產(chǎn)品架構(gòu)的概念，認(rèn)為產(chǎn)品架構(gòu)是通過將產(chǎn)品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案。它包括三方面的內(nèi)容，一是功能元素的安排，二是功能元素與物理組件之間的映射，三是相互作用的物理組件之間的界面，體現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的分解與集成。

面向服務(wù)的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)是以服務(wù)為核心，將產(chǎn)品的不同功能單元(稱為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義良好的映射關(guān)系有效地組合聯(lián)系起來，有效地將系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)化。利用服務(wù)組件來執(zhí)行各種任務(wù)和業(yè)務(wù)功能，并對這些服務(wù)組件進(jìn)行協(xié)調(diào)組合以適應(yīng)復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)流程?；诿嫦蚍?wù)的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)資源的有效集成，解決企業(yè)信息孤島問題，在適應(yīng)企業(yè)業(yè)務(wù)需求不斷變化的同時(shí)，可以靈活地構(gòu)建新的系統(tǒng)服務(wù)組件，滿足產(chǎn)品的功能需求，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)和業(yè)務(wù)流程的變更。

在實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)品架構(gòu)理論更多地關(guān)注產(chǎn)品架構(gòu)和組塊在研發(fā)和制造階段的作用及分析，而對于產(chǎn)品架構(gòu)中的組塊在服務(wù)階段的情境和系統(tǒng)分析仍有待于研究和完善。在制造業(yè)服務(wù)化的背景下，一些學(xué)者在傳統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)設(shè)計(jì)建模方法的基礎(chǔ)上，提出了一系列設(shè)計(jì)工具、技術(shù)和方法來支持產(chǎn)品服務(wù)的設(shè)計(jì)[3-6]。針對于復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)過程中的任務(wù)調(diào)度和分配等方面，鐘金宏等[7]提出了一種基于相似系統(tǒng)工程方法的試驗(yàn)任務(wù)確認(rèn)框架；秦健[8]則側(cè)重于研究通過實(shí)現(xiàn)研發(fā)/制造/營銷的跨職能組織整合提升新產(chǎn)品開發(fā)績效?？紤]到服務(wù)提供商開展非透明銷售的趨勢，鄢章華等[9]基于Bling booking業(yè)務(wù)研究非透明銷售渠道產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。姚錚等[10]基于中國制造業(yè)企業(yè)的實(shí)證案例研究新產(chǎn)品開發(fā)中的資源匹配關(guān)系，為企業(yè)提高新產(chǎn)品開發(fā)效率、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提供了決策支持與理論依據(jù)。以上研究主要集中在產(chǎn)品開發(fā)過程中的理論體系、組織與實(shí)現(xiàn)機(jī)制及初步應(yīng)用探討等方面，尚未考慮新興信息技術(shù)環(huán)境下復(fù)雜產(chǎn)品服務(wù)模式及其過程的轉(zhuǎn)變，也缺乏產(chǎn)品和服務(wù)的統(tǒng)一表達(dá)方法及產(chǎn)品服務(wù)集成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化建模方法。

本文基于公理化設(shè)計(jì)域結(jié)構(gòu)的思想，通過獲取客戶產(chǎn)品和服務(wù)需求，建立需求與功能的映射關(guān)系，再將系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)為易于理解的業(yè)務(wù)架構(gòu)模塊，將面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架建模為需求域、功能域、架構(gòu)域及其之間的映射關(guān)系；并對復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能、服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，利用模塊化理論方法，考慮成本因素對產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

在新興信息技術(shù)環(huán)境下，借助于產(chǎn)品運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)，復(fù)雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復(fù)雜產(chǎn)品的新功能，改變產(chǎn)品與人、其他產(chǎn)品及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復(fù)雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞?wù)，加速制造業(yè)服務(wù)化進(jìn)程。面對著智能互聯(lián)環(huán)境給復(fù)雜成形裝備所帶來的機(jī)遇，企業(yè)必須重塑現(xiàn)有價(jià)值鏈，打造以服務(wù)為導(dǎo)向的競爭優(yōu)勢。在企業(yè)價(jià)值鏈中，產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)復(fù)雜成形裝備到面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是銜接新產(chǎn)品的市場需求和產(chǎn)品新技術(shù)的橋梁，決定了復(fù)雜成形裝備服務(wù)創(chuàng)新的成敗[11-13]。

2 面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架

在復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要將客戶需求轉(zhuǎn)化為復(fù)雜成形裝備的系列功能，建立復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品功能模型。根據(jù)產(chǎn)品功能模型，構(gòu)建復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品和服務(wù)模塊，進(jìn)而形成復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后按照模塊化設(shè)計(jì)思想對產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。因此，需要建立面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要素模型及其關(guān)鍵生成技術(shù)。

2.1 面向服務(wù)的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)特征

隨著互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，新一代信息技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等)為復(fù)雜成形裝備帶來了革命性的變化。信息技術(shù)正成為復(fù)雜成形裝備本身不可分割的一部分[14]。因此，不同于傳統(tǒng)復(fù)雜成形裝備架構(gòu)設(shè)計(jì)，智能互聯(lián)環(huán)境下面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備無論是在產(chǎn)品功能、使用范圍和服務(wù)周期等產(chǎn)品特征方面，還是在產(chǎn)品架構(gòu)和技術(shù)體系等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，都需要全新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來支持。此外，為了保證服務(wù)戰(zhàn)略的順利實(shí)施，企業(yè)需要在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮所希望提供的服務(wù)，而服務(wù)的引入導(dǎo)致了設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加。這些變化都使得智能互聯(lián)環(huán)境下，面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)和需求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 設(shè)計(jì)主體的多樣性。為了加快產(chǎn)品創(chuàng)新和高效滿足日益多元化的客戶需求，制造企業(yè)越來越傾向于充分利用軟件。這需要覆蓋多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)主體參與到復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，形成跨領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方案。

② 設(shè)計(jì)對象的異質(zhì)性。面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)對象不僅包括了機(jī)械部件、電子部件和軟件等有形產(chǎn)品部分，也包括了無形服務(wù)部分。這兩者是兩類本質(zhì)不同的設(shè)計(jì)對象，具有典型的異質(zhì)性。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)品和服務(wù)共同提供的效用價(jià)值，需要將產(chǎn)品和服務(wù)兩類異質(zhì)的設(shè)計(jì)對象組合在一起，共同滿足用戶所期望的結(jié)果。

③ 架構(gòu)設(shè)計(jì)的全面性。在新興信息技術(shù)環(huán)境下，企業(yè)應(yīng)該利用服務(wù)的方式在產(chǎn)品全生命周期范圍內(nèi)將產(chǎn)品與服務(wù)集成起來。因此，面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品生命周期各階段的用戶特征、用戶需求、協(xié)作需求和技術(shù)需求等，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品與服務(wù)的整體運(yùn)作過程，形成面向全生命周期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和服務(wù)設(shè)計(jì)方案。

這些新的特點(diǎn)和需求對傳統(tǒng)復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)建模和決策方法提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)復(fù)雜成形裝備架構(gòu)設(shè)計(jì)是面向物理產(chǎn)品的，側(cè)重于產(chǎn)品具體屬性需求，并以產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)為最終目標(biāo)，缺乏產(chǎn)品設(shè)計(jì)與服務(wù)設(shè)計(jì)的交互關(guān)系(如圖1)。但是，在面向服務(wù)的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品與服務(wù)需要集成設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品與服務(wù)設(shè)計(jì)的一致性，從而共同滿足顧客的需求(如圖2)，是一種并行設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)構(gòu)[15]。因此，傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)需要在產(chǎn)品空間與服務(wù)空間上同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)和新要求，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)方案在其生命周期內(nèi)整體性能的最優(yōu)。

圖1 傳統(tǒng)復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)

圖2 面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)

2.2 面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架

面向服務(wù)的復(fù)雜產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)的過程是獲取客戶產(chǎn)品和服務(wù)需求，然后通過需求要素的傳遞和分配，進(jìn)行復(fù)雜成形裝備的功能建模，然后根據(jù)功能模型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品和服務(wù)模塊，建立復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)模型。

基于公理化設(shè)計(jì)域結(jié)構(gòu)的思想[16]，公理化設(shè)計(jì)理論是一個(gè)常用的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法?？梢酝ㄟ^建立評價(jià)設(shè)計(jì)的指標(biāo)以及支持這些指標(biāo)的工具來改善設(shè)計(jì)活動(dòng)[16-17]。公理化設(shè)計(jì)理論的兩個(gè)重要的公理是獨(dú)立性公理和信息公理。為了應(yīng)用這兩個(gè)公理，該設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)良好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即水平的域結(jié)構(gòu)和垂直的域內(nèi)層次化結(jié)構(gòu)。根據(jù)公理化設(shè)計(jì)理論，任何設(shè)計(jì)對象的設(shè)計(jì)過程可以描述在四個(gè)域中：顧客域、功能域、物理域和過程域，如圖3所示。這樣一個(gè)域結(jié)構(gòu)反映了分析和解決設(shè)計(jì)問題的基本框架。公理化設(shè)計(jì)理論已成功地用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，例如：制造系統(tǒng)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[18]等。

圖3 設(shè)計(jì)域及映射

面向服務(wù)的產(chǎn)品架構(gòu)是構(gòu)建由若干個(gè)業(yè)務(wù)模塊組成的服務(wù)組件。本文將面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架建模為需求域、功能域、架構(gòu)域及其之間的映射關(guān)系，通過獲取客戶產(chǎn)品和服務(wù)需求，建立需求與功能的映射關(guān)系，再將系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)為易于理解的業(yè)務(wù)架構(gòu)模塊，以便于技術(shù)人員與業(yè)務(wù)人員的有效溝通?？蚣苋鐖D4所示。

圖4 面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)框架

(1)需求域

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，客戶需求僅局限于對產(chǎn)品功能的要求。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復(fù)雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗挟a(chǎn)品服務(wù)。企業(yè)需要依據(jù)客戶所要完成的工程實(shí)踐，從產(chǎn)品功能和服務(wù)需求兩個(gè)方面對需求進(jìn)行分析和描述。因此，需求域的核心活動(dòng)是分析客戶對工程任務(wù)的需求，建立任務(wù)模型，然后根據(jù)任務(wù)模型，建立產(chǎn)品需求模型和服務(wù)需求模型。

(2)功能域

與需求域從客戶視角個(gè)性化描述產(chǎn)品和服務(wù)需求不同，功能域是從功能視角對復(fù)雜成形裝備的整體性能做出貢獻(xiàn)的獨(dú)立的運(yùn)行能力和傳輸能力的描述。因此，功能域的核心活動(dòng)是根據(jù)產(chǎn)品需求模型和服務(wù)需求模型，建立產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)的功能模型。功能模型描述了復(fù)雜成形裝備的功能結(jié)構(gòu)及其模塊間的邏輯關(guān)系。

(3)架構(gòu)域

架構(gòu)域是決定復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)功能域中各項(xiàng)功能具體形式的重要環(huán)節(jié)。產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)復(fù)雜成形裝備的功能模型，配置各功能模塊的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。產(chǎn)品架構(gòu)通過層次結(jié)構(gòu)描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其特征，而服務(wù)架構(gòu)是通過服務(wù)活動(dòng)圖來表達(dá)。在工程實(shí)踐中，由于產(chǎn)品和服務(wù)存在信息的交互、組合的相容和匹配約束，產(chǎn)品架構(gòu)與服務(wù)架構(gòu)間的交互關(guān)系表現(xiàn)為具有不同的約束關(guān)系。因此，產(chǎn)品架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)集成是實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3 復(fù)雜成形裝備功能建模

3.1 復(fù)雜成形裝備的功能模型

復(fù)雜成形裝備由于其小批量單件式的生產(chǎn)模式、單件規(guī)模大成本高的產(chǎn)品特點(diǎn)，要求復(fù)雜成形產(chǎn)品相較于簡單產(chǎn)品需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前更好地把握產(chǎn)品整個(gè)使用周期各階段的用戶需求、用戶特點(diǎn)、產(chǎn)品技術(shù)需求、產(chǎn)品服務(wù)要求等，并快速準(zhǔn)確地將需求映射到產(chǎn)品功能與服務(wù)功能上，在進(jìn)行產(chǎn)品功能模型的構(gòu)建時(shí)需要充分考慮到復(fù)雜成形產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平和人員服務(wù)水平。

復(fù)雜成形產(chǎn)品的功能不僅僅包括產(chǎn)品自身基本的使用功能，同時(shí)還包括客戶在使用產(chǎn)品過程中所要求的服務(wù)功能。在構(gòu)建復(fù)雜成形產(chǎn)品的功能模型時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮產(chǎn)品功能與服務(wù)功能，產(chǎn)品及其服務(wù)各個(gè)部分要素都具備各自特有的功能，相互區(qū)分的同時(shí)又相互聯(lián)系，兩者不可分割，相輔相成一起構(gòu)成復(fù)雜成形產(chǎn)品在整個(gè)使用周期的總功能。

充分表達(dá)功能與功能之間的關(guān)系(功能的分解與結(jié)合)、功能的描述與表達(dá)是功能模型建立的重點(diǎn)。有關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)品的功能模型的構(gòu)建通常采用樹狀的結(jié)構(gòu)來表示產(chǎn)品功能之間的分解與結(jié)合關(guān)系，簡單產(chǎn)品由于功能不涉及服務(wù)功能因此模型的物質(zhì)輸入與輸出僅涉及數(shù)據(jù)、物質(zhì)條件和工程特性。

產(chǎn)品的總功能被分解為由產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)與由服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子功能，再將兩個(gè)子功能向下分解直至不能分解為止。該功能模型完整表達(dá)了產(chǎn)品功能系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)。

其中功能模型結(jié)構(gòu)的頂端是產(chǎn)品的總功能，被分解為下層的兩個(gè)產(chǎn)品子功能，即下層兩個(gè)產(chǎn)品子功能負(fù)責(zé)不同的功能實(shí)現(xiàn)，兩者結(jié)合起來共同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品總功能，接著再將兩個(gè)產(chǎn)品子功能進(jìn)行分解，形成下層的產(chǎn)品功能，直至不能再被分解，則樹狀結(jié)構(gòu)完成。功能模型中采用工程特性對功能進(jìn)行描述與表達(dá)，工程特性主要用于描述產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)所需的物質(zhì)、信息和能量的輸入與輸出流動(dòng)。

由于復(fù)雜成形產(chǎn)品的功能包含了產(chǎn)品功能與服務(wù)功能兩個(gè)方面，所以在構(gòu)建功能模型時(shí)需要考慮服務(wù)功能模塊的分解與結(jié)合，同時(shí)為了更好的區(qū)分服務(wù)功能與產(chǎn)品功能，服務(wù)功能有關(guān)的信息、能量與人員流動(dòng)等都需要引入服務(wù)類型來進(jìn)行描述，如圖5所示。

復(fù)雜成形產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)采用黑箱表示法表示功能，產(chǎn)品功能內(nèi)部的物質(zhì)流動(dòng)、能量流動(dòng)與信息流動(dòng)，以及服務(wù)功能的物質(zhì)流動(dòng)、信息流動(dòng)與人員流動(dòng)對外封閉。由于功能模型的高適應(yīng)性要求各相關(guān)模塊間耦合較低，同一功能模塊下的子模塊聚合程度較高，以便客戶的需求發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可根據(jù)客戶的需求變化進(jìn)行相關(guān)功能模塊的更改。

3.2 基于QFD的復(fù)雜成形裝備功能生成方法

3.2.1 QFD 簡介

本文基于質(zhì)量功能展開方法(Quality Function Deployment—QFD)提出復(fù)雜成形裝備功能生成方法。在質(zhì)量功能展開的過程中，最直觀反映客戶需求與產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間關(guān)系的是質(zhì)量屋，它在質(zhì)量展開過程中占主體地位。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)企業(yè)或產(chǎn)品自身情況進(jìn)行質(zhì)量屋的拆分、簡化或變形，由于復(fù)雜成形產(chǎn)品與傳統(tǒng)相比的特殊性，需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對質(zhì)量屋進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。復(fù)雜成形產(chǎn)品的需求與功能都涉及兩方面，即產(chǎn)品需求與服務(wù)需求，因此在構(gòu)建需求到功能的質(zhì)量屋時(shí)需將產(chǎn)品與服務(wù)進(jìn)行并行設(shè)計(jì)。

圖5 復(fù)雜成形產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 QFD 步驟

根據(jù)上述復(fù)雜成形產(chǎn)品質(zhì)量屋的架構(gòu)，在實(shí)施質(zhì)量屋時(shí)應(yīng)遵循以下幾個(gè)步驟：

(1)客戶需求獲取及分析

客戶需求的獲取及分析是質(zhì)量屋中較為關(guān)鍵的一步，通常通過市場調(diào)研的方式來獲得客戶對產(chǎn)品和服務(wù)的需求與意見，同時(shí)針對復(fù)雜成形產(chǎn)品還應(yīng)要求內(nèi)部人員基于對產(chǎn)品和服務(wù)的了解提出對產(chǎn)品及服務(wù)的需求，之后建立需求矩陣。在建立需求矩陣時(shí)需確定客戶與內(nèi)部人員的權(quán)重：

①客戶權(quán)重的確定

設(shè)有nk個(gè)客戶對產(chǎn)品和服務(wù)提出了需求，待開發(fā)的產(chǎn)品與待添加的服務(wù)共有m個(gè)，每個(gè)客戶針對需求和服務(wù)的重要程度進(jìn)行了打分，用DKi={Pi1,Pi2,Pi3,……,Pim}表示第i個(gè)客戶對各個(gè)產(chǎn)品需求與服務(wù)需求的打分。本文采用余弦相似度Cij對用戶進(jìn)行分類，并用類的人數(shù)判斷該類客戶的權(quán)重,其中

(1)

設(shè)定相似度閾值a(0a時(shí)將客戶i與客戶j歸為一類，否則視為兩類；直至所有的客戶都被歸到類群中，設(shè)共有l(wèi)個(gè)類群，若類群Lb的人數(shù)Sb，則類群Lb中客戶的權(quán)重都為：

(2)

②內(nèi)部人員權(quán)重的確定

內(nèi)部人員的權(quán)重系數(shù)由人員的個(gè)人能力決定，設(shè)內(nèi)部人員共nr個(gè)，第i個(gè)人員的能力為e(0

(3)

(2)將產(chǎn)品和服務(wù)需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求

將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能特征與服務(wù)特征，需求與產(chǎn)品功能特征與服務(wù)特征的關(guān)系的強(qiáng)弱由專家給定，得到二維表，如表1所示。

其中根據(jù)專家判斷在表中填入1、2、3；代表需求與特征之間的相關(guān)程度大小，1表示不太相關(guān)，2表示相關(guān)，3表示非常相關(guān)。

(3)確定產(chǎn)品功能特征與服務(wù)特征之間的關(guān)系

建立與步驟2相似的二維表，用數(shù)字表示功能特征與服務(wù)特征之間的相關(guān)關(guān)系。

(4)確定功能特征與服務(wù)特征的權(quán)重

功能特征與服務(wù)功能的權(quán)重由需求矩陣與相關(guān)矩陣共同確定，即某一功能特征或服務(wù)特征的權(quán)重與其對應(yīng)的需求以及其與其它特征之間的關(guān)系共同決定。

表1需求與功能特征二維表

3.3 復(fù)雜成形裝備的功能模型約簡

復(fù)雜成形裝備因其技術(shù)工藝復(fù)雜功能多樣等特性，在產(chǎn)品開發(fā)研制過程中，對功能模型進(jìn)行必要的約簡成為重要的一環(huán)。復(fù)雜產(chǎn)品功能模型冗余產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一，復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研制周期較長，由于新技術(shù)產(chǎn)生造成的相同功能不同實(shí)現(xiàn)原理改進(jìn)容易形成功能的異質(zhì)性；第二，復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)研制主體企業(yè)對競爭企業(yè)的吸納和收購造成相似功能系統(tǒng)的異質(zhì)性；第三，企業(yè)人力資源管理政策變動(dòng)使得核心設(shè)計(jì)人員的流動(dòng)率不斷增大，在進(jìn)行改型產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)無法對現(xiàn)有設(shè)計(jì)成果進(jìn)行有效借用和參考，容易導(dǎo)致功能結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著的異質(zhì)性；第四，其他原因造成的功能異質(zhì)性[19]。

參考粗糙集理論中根據(jù)特定需要，將數(shù)據(jù)集中的冗余屬性刪除的屬性約簡特點(diǎn)[20]，接下來重點(diǎn)介紹復(fù)雜成形裝備的功能模型約簡。該方法首先通過顧客需求[21]和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能—結(jié)構(gòu)映射矩陣，尋找實(shí)現(xiàn)功能相同的部件。然后對這些功能進(jìn)行功能相似度分析[22]，最后基于信息公理原則，提出復(fù)雜成形裝備功能模型約簡過程，得到異質(zhì)性較低的功能設(shè)計(jì)組合，滿足顧客需求。

如圖6所示，顧客首先向企業(yè)提出自己所需的復(fù)雜產(chǎn)品所要具備的功能[23]，稱為功能集R。廠商根據(jù)現(xiàn)有復(fù)雜產(chǎn)品具備的已有功能(稱為現(xiàn)有產(chǎn)品功能集F)進(jìn)行內(nèi)部分析，關(guān)聯(lián)客戶所需功能集進(jìn)行產(chǎn)品功能再設(shè)計(jì)。廠商重新評估現(xiàn)有產(chǎn)品的功能種類，淘汰冗余功能[24]，合并與客戶所需相似的功能，重新設(shè)計(jì)開發(fā)所需新功能，最終完成復(fù)雜成形裝備功能模型設(shè)計(jì)。以下為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜成形裝備功能約簡的詳細(xì)步驟。

圖6 復(fù)雜成形裝備功能模型約簡過程

(1)建立顧客需求功能集

廠商通過市場調(diào)研以及現(xiàn)有客戶所提出的功能需求建立顧客需求功能集(R)。將顧客需求功能集模塊按照功能大類進(jìn)行歸類合并。

(2)建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能集

廠商根據(jù)已有復(fù)雜產(chǎn)品功能特性，建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能集(F)。將所有功能模塊整理分類，建立數(shù)據(jù)庫儲存。

(3)建立關(guān)聯(lián)整合功能集

廠商根據(jù)顧客需求功能集和現(xiàn)有產(chǎn)品功能集，將功能模塊劃分為期望功能模塊和已有功能模塊，通過功能集內(nèi)部映射尋找冗余功能模塊、已實(shí)現(xiàn)功能模塊和期望功能模塊。通過需求功能集和物理結(jié)構(gòu)集分別向現(xiàn)有功能集和期望功能集映射，尋找相似功能模塊。

(4)分析功能映射關(guān)系

分析需求功能集(R)和已有功能集(F)的映射關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)并剔除冗余功能模塊和不需要的功能模塊，添加沒能實(shí)現(xiàn)的新功能模塊，整合需求功能和已有功能相似的模塊，如圖7所示。

圖7 功能映射關(guān)系簡圖

(5)功能模型約簡

設(shè)計(jì)研究人員根據(jù)最終分析的功能映射關(guān)系，完成復(fù)雜成形產(chǎn)品功能模型約簡，最終制定出滿足客戶需求和市場需求的復(fù)雜成形裝備功能集(RF)，為后續(xù)通過功能模塊劃分設(shè)計(jì)制造復(fù)雜成形裝備提供功能導(dǎo)向，可以解決復(fù)雜產(chǎn)品功能模塊復(fù)雜繁多、功能設(shè)計(jì)規(guī)則難以提煉的兩個(gè)關(guān)鍵問題[25]。

4 復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)建模

客戶需求需要經(jīng)過一系列映射轉(zhuǎn)化過程，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要描述產(chǎn)品架構(gòu)、服務(wù)架構(gòu)，并使用技術(shù)參數(shù)來描述復(fù)雜成形裝備的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案特征，最終形成可行的產(chǎn)品服務(wù)集成架構(gòu)模型。復(fù)雜成形裝備的架構(gòu)模型由具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的產(chǎn)品架構(gòu)模型和服務(wù)架構(gòu)模型構(gòu)成。如圖8所示。

圖8 復(fù)雜成形裝備的架構(gòu)模型示意圖

4.1 復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型

產(chǎn)品架構(gòu)包括了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其相關(guān)關(guān)系，包括了產(chǎn)品部件的結(jié)構(gòu)方案及其技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品架構(gòu)建模方法主要包括圖結(jié)構(gòu)模型、層次化模型和混合模型。圖結(jié)構(gòu)模型利用類圖的形式描述產(chǎn)品模塊間的關(guān)系；層次化模型則將產(chǎn)品模塊分解為多個(gè)層次(如圖9所示)，與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)保持一致性；混合模型則結(jié)合了層次化模型和圖模型的優(yōu)點(diǎn)，在每個(gè)產(chǎn)品模塊上同時(shí)具有圖結(jié)構(gòu)和層次化結(jié)構(gòu)。

圖9 層次化產(chǎn)品架構(gòu)

隨著復(fù)雜成形裝備復(fù)雜性的不斷提高，子系統(tǒng)與部件間交互也越來越頻繁，包括了信息、能量、物理結(jié)構(gòu)等方面的交互，而傳統(tǒng)的層次化模型無法明確表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。為了描述的更加準(zhǔn)確，本文采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(DSM，Design Structure Matrix)來描述復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型。因此，復(fù)雜成形裝備的層次化產(chǎn)品架構(gòu)轉(zhuǎn)化為基于DSM的復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型。

圖10(a)描述了子系統(tǒng)A、B、C的交互關(guān)系，標(biāo)記“X”表示兩子系統(tǒng)間存在信息、能量、物理結(jié)構(gòu)等方面的交互。圖10(b)是進(jìn)一步描述部件級的架構(gòu)模型?；贒SM的復(fù)雜成形裝備子系統(tǒng)級產(chǎn)品架構(gòu)模型如圖11所示，復(fù)雜成形裝備主要包括機(jī)身組件、移動(dòng)工作臺組件、拉伸滑塊組件、壓邊滑塊組件、拉伸滑塊鎖緊機(jī)構(gòu)、壓邊滑塊鎖緊機(jī)構(gòu)、拉伸主油缸組件、拉伸側(cè)油缸組件、壓邊活塞缸組件、壓邊柱塞缸組件、提升夾緊缸等。

圖10 基于DSM的產(chǎn)品架構(gòu)模型

圖11 基于DSM的復(fù)雜成形裝備子系統(tǒng)級產(chǎn)品架構(gòu)模型

4.2 復(fù)雜成形裝備的服務(wù)架構(gòu)模型

復(fù)雜成形裝備服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)對象是服務(wù)活動(dòng)。面向服務(wù)的復(fù)雜成形裝備是以物理裝備為載體的服務(wù)集成體。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，借助于產(chǎn)品運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)，復(fù)雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復(fù)雜產(chǎn)品的新功能，改變產(chǎn)品與人、其他產(chǎn)品以及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復(fù)雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞?wù)，加速了制造業(yè)服務(wù)化進(jìn)程。因此，服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮客戶在完成工程任務(wù)的整體需求。

在上述分析的基礎(chǔ)上，本文采用服務(wù)藍(lán)圖的基本思想，通過服務(wù)流程來描述服務(wù)過程來構(gòu)建復(fù)雜成形裝備的服務(wù)架構(gòu)模型。為了便于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員間的數(shù)據(jù)共享，本文利用統(tǒng)一建模語言(UML，United Modeling Language)作為服務(wù)架構(gòu)模型的描述語言。圖12是基于UML的復(fù)雜成形裝備服務(wù)架構(gòu)模型。

圖12 基于UML的復(fù)雜成形裝備服務(wù)架構(gòu)模型

①泳道：反映了復(fù)雜成形裝備服務(wù)流程的主要階段，包括了信息獲取、信息分析、信息處理和評價(jià)反饋四個(gè)階段。

②服務(wù)活動(dòng)模塊：主要反映了服務(wù)過程所需要執(zhí)行的服務(wù)活動(dòng)?；顒?dòng)的屬性包括名稱、輸入流、輸出流和資源。

③支持資源和設(shè)施：用UML類表示，主要是指在服務(wù)過程中，需要利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)、檢測設(shè)備、專家支持和在線系統(tǒng)等資源。

④控制流：表示服務(wù)活動(dòng)間的交互順序

4.3 復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)模型

復(fù)雜成形裝備的物理產(chǎn)品與無形服務(wù)具有高度耦合性，其中物理產(chǎn)品作為服務(wù)載體，影響著服務(wù)過程和實(shí)施效果。反之，服務(wù)作為復(fù)雜成形裝備客戶體驗(yàn)的載體，也決定了物理產(chǎn)品的使用效率。復(fù)雜成形裝備的服務(wù)架構(gòu)必須依托產(chǎn)品架構(gòu)。因此，復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)模型就是集成產(chǎn)品架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)的描述性模型，不僅要分別描述物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和服務(wù)活動(dòng)，而且需要側(cè)重于物理產(chǎn)品與無形服務(wù)的集成關(guān)系。

當(dāng)前已有的產(chǎn)品與服務(wù)集成模型，包括擴(kuò)展服務(wù)藍(lán)圖、改進(jìn)服務(wù)藍(lán)圖、產(chǎn)品服務(wù)藍(lán)圖。這些建模方法側(cè)重于以服務(wù)活動(dòng)為主體的系統(tǒng)，物理產(chǎn)品以輔助角色提供相應(yīng)的資源和數(shù)據(jù)支撐，產(chǎn)品架構(gòu)沒有體現(xiàn)在產(chǎn)品服務(wù)集成模型中。針對以上問題，張?jiān)诜縖26]提出了融合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的交互服務(wù)藍(lán)圖來描述產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的集成方案，如圖13所示。在該模型中，產(chǎn)品方案采用反映產(chǎn)品模塊結(jié)構(gòu)的樹狀圖表達(dá)，服務(wù)活動(dòng)則采用服務(wù)藍(lán)圖來表示，服務(wù)活動(dòng)的輸入和輸出信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和狀態(tài)信息存在交互關(guān)系。該模型能夠準(zhǔn)確描述產(chǎn)品與服務(wù)間的交互關(guān)系，并且反映了產(chǎn)品層次化結(jié)構(gòu)。但是，隨著復(fù)雜成形裝備產(chǎn)品與服務(wù)交互方式、交互頻率的不斷擴(kuò)展，該模型過于復(fù)雜和繁瑣，無法提供產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

圖13 產(chǎn)品服務(wù)方案模型

因此，本文采用領(lǐng)域映射矩陣(DMM，Domain Mapping Matrix)表達(dá)產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)模型，如圖14所示。產(chǎn)品架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)采用DSM來表達(dá)產(chǎn)品部件間和服務(wù)活動(dòng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。標(biāo)志“*”表示了產(chǎn)品部件或服務(wù)活動(dòng)內(nèi)部間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，標(biāo)志“◎”則表示產(chǎn)品部件和服務(wù)活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

5 復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)優(yōu)化

5.1 基于模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品架構(gòu)優(yōu)化思路

模塊化設(shè)計(jì)是對產(chǎn)品系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次化的分解從而降低產(chǎn)品的復(fù)雜程度。模塊是指可組成系統(tǒng)的，具有特定功能的獨(dú)立單元。通過模塊內(nèi)部的高效協(xié)作和模塊之間的高效交互實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的有效運(yùn)作。模塊劃分和模塊優(yōu)化是模塊化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組合。模塊劃分的方法很多，主要分為啟發(fā)式方法和聚類式方法。啟發(fā)式方法主要是通過建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，采用模擬退火算

圖14 基于DMM的產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)模型

法等啟發(fā)式方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的模塊劃分方案。聚類式方法指利用矩陣、圖、網(wǎng)絡(luò)等工具對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能元素之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行形式化表達(dá)，并通過聚類方法實(shí)現(xiàn)模塊的劃分。本文的模塊優(yōu)化是以產(chǎn)品系統(tǒng)運(yùn)行總成本作為優(yōu)化目標(biāo)來構(gòu)建產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)。

5.2 基于權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的模塊劃分

復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)元素之間的交互形成了權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)表示結(jié)構(gòu)單元，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的邊則表示結(jié)構(gòu)之間存在的連接交互，邊的權(quán)重表示兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的連接強(qiáng)度，具體如圖15所示。

圖15 權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)示意圖

由于產(chǎn)品系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件的信息傳遞一般都為相互的，因此，本文中產(chǎn)品系統(tǒng)的權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為無向圖。權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可以用鄰接矩陣W表示，鄰接矩陣W由元素Wij組成，Wij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的連接權(quán)重，Wij=0則表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間沒有連接。一般Wij連接強(qiáng)度由功能連接強(qiáng)度Fij和結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度Sij組成，如果兩種連接強(qiáng)度的權(quán)重均為0.5，則Wij可表示為：

Wij=0.5(Fij+Sij)

(4)

以上權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)示意圖可以轉(zhuǎn)換成如上鄰接矩陣W：

(5)

本文不考慮權(quán)重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自相關(guān)問題，因此鄰接矩陣W不存在對角線元素。而且易得出鄰接矩陣W為對稱矩陣。在產(chǎn)品復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的度和個(gè)數(shù)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)重要的參數(shù)。

節(jié)點(diǎn)i的度可以用di表示，對于具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的度可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

(7)

在產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，模塊可以定義為緊密連接的節(jié)點(diǎn)集合。因此，模塊劃分就是讓模塊內(nèi)的節(jié)點(diǎn)連接盡可能的緊密，模塊之間的連接盡可能的疏遠(yuǎn)。模塊劃分效果示意圖如圖16所示。

圖16 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的模塊劃分本質(zhì)上是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)發(fā)現(xiàn)問題，Girvan和Newman提出了GN算法用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的社區(qū)發(fā)現(xiàn)。該算法的思路是識別出社區(qū)之間的邊并剔除，剩下的便是社區(qū)結(jié)構(gòu)。該算法推廣了介數(shù)的概念，提出邊的介數(shù)：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中通過該邊的最短路徑數(shù)量。該算法的具體流程如圖17所示。

圖17 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)GN算法流程

其中模塊度是度量復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)程度的指標(biāo)，本文模塊度計(jì)算方法如下公式所示：

(8)

其中，m為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的總邊數(shù)，Ci和Cj表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的所屬社區(qū)，如果Ci=Cj，δ(Ci,Cj)=1，否則等于0。可以看出不同的模塊度λ，形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)也不相同。

復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)存在顯著的層次化，Yu Suiran等[27]在功能分解的基礎(chǔ)上將產(chǎn)品功能層次化，分為功能和子功能。因此，要得到完整的模塊劃分結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行模塊的預(yù)劃分，并在預(yù)劃分的基礎(chǔ)上再進(jìn)行詳細(xì)劃分。模塊的預(yù)劃分是指根據(jù)一定的規(guī)則將產(chǎn)品系統(tǒng)初步劃分為一些一級模塊和二級模塊。詳細(xì)模塊劃分是在預(yù)劃分的基礎(chǔ)上對基本部件聚類。

5.3 考慮成本因數(shù)的模塊優(yōu)化

本文主要考慮產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)的交互成本來進(jìn)行模塊優(yōu)化。對于復(fù)雜產(chǎn)品，模塊之間一般存在多種不同形式的交互，主要包括物理實(shí)物、機(jī)械力、能量和信息的傳遞[28-29]。其他形式的傳遞還有電子、熱能、振動(dòng)等。在本文主要考慮能量(Ie)和信息(Ii)的交互成本[30]。圖18展示一個(gè)模塊劃分實(shí)例，其中模塊一由組件1,2,3,4組成，模塊二由組件5,6,7,8組成。

圖18 組件矩陣形成的模塊結(jié)構(gòu)

由圖18的模塊劃分結(jié)構(gòu)，我們可以得出模塊之間以及與外部環(huán)境之間的交互關(guān)系，如圖19所示。其中，模塊一組件4接受外部環(huán)境的輸入，并從組件3輸出到外部環(huán)境；模塊一與模塊二之間存在三條交互，包括從2到7，從6到2，從7到2的交互；模塊二通過組件6接受外部環(huán)境的輸入。

圖19 模塊與外部環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)模塊之間以及外部環(huán)境交互的能量和信息成本，計(jì)算復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)運(yùn)行的總成本。本文假定模塊劃分方案x的運(yùn)行總成本為C(x)，Mi表示模塊i的運(yùn)行成本，計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

因此，從運(yùn)行成本角度，最優(yōu)的模塊劃分方案滿足：

C(x*)=MIN{C(x)}

(11)

當(dāng)然，模塊優(yōu)化需要考慮的因素還有很多，從產(chǎn)品全生命周期來看，我們需要考慮生命周期各個(gè)階段的運(yùn)行成本和管理成本。包括原材料成本，服務(wù)成本和質(zhì)量，以及產(chǎn)品的回收再制造。還可以從產(chǎn)品生命周期角度對產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，基于產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)思想被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品工程領(lǐng)域。

6 結(jié)語

本文首先對面向服務(wù)的產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)特征進(jìn)行了分析和總結(jié)，并采用公理化設(shè)計(jì)域結(jié)構(gòu)的思想，將復(fù)雜成形裝備架構(gòu)設(shè)計(jì)分為需求域、功能域和架構(gòu)域，以及三者之間的映射關(guān)系。然后對產(chǎn)品功能建模，采用了黑箱理論對復(fù)雜成形裝備的功能模型進(jìn)行描述。進(jìn)一步，提出了基于QFD的功能生成方法以及功能模型約簡方法，建立需求域和功能域的映射關(guān)聯(lián)。接著利用DMM表示產(chǎn)品服務(wù)架構(gòu)，建立產(chǎn)品架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,提出了復(fù)雜成形裝備服務(wù)架構(gòu)的建?？蚣芎头椒?。最后，利用模塊化理論與方法，并考慮產(chǎn)品運(yùn)行成本因素對復(fù)雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。