復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品族設(shè)計研究現(xiàn)狀與建模方法

夏曉龍

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)4.0的到來，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品將與傳感器、數(shù)據(jù)存儲等新的技術(shù)特征以及其他領(lǐng)域的技術(shù)特征以多種方式結(jié)合形成一個更復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)，如智能產(chǎn)品、開源產(chǎn)品等。這些產(chǎn)品將橫跨和超越傳統(tǒng)產(chǎn)品的邊界來拓展和提升產(chǎn)品的功能與能力，也將提供給企業(yè)一個新的競爭機(jī)會，進(jìn)一步重塑工業(yè)的設(shè)計邊界[1]；同時隨著市場全球化和用戶中心化趨勢，企業(yè)設(shè)計一個全球視野下的產(chǎn)品族對于滿足跨國家的復(fù)雜多變的用戶、商業(yè)和法規(guī)的需求是至關(guān)重要的[2]。使現(xiàn)有產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法面臨產(chǎn)品設(shè)計邊界范圍大、組成架構(gòu)層級多、不確定性與動態(tài)性增強(qiáng)和定制化程度高等困難。這將迫使企業(yè)重新思考如何去構(gòu)想、設(shè)計和獲得新的具有競爭優(yōu)勢的創(chuàng)新產(chǎn)品。因此，在新的工業(yè)邊界和競爭格局下，針對產(chǎn)品族設(shè)計問題中的產(chǎn)品族建模、分析預(yù)測及新產(chǎn)品的設(shè)計求解，現(xiàn)有產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法并不能很好地解決。

本文針對傳統(tǒng)產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法進(jìn)行研究現(xiàn)狀分析，結(jié)合復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，描述如智能列車等新形式產(chǎn)品設(shè)計問題時的不足，面向制約復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計重用與創(chuàng)新能力不夠的工程問題，提出采用基于多域特征驅(qū)動的產(chǎn)品族多維建模與表達(dá)方法，處理跨產(chǎn)品族設(shè)計邊界及描述多域特征級產(chǎn)品信息及其關(guān)系，能夠從橫、縱與預(yù)測等維度全局動態(tài)地表達(dá)產(chǎn)品演化與映射知識，對于推動產(chǎn)品族理論與設(shè)計方法的發(fā)展，保障復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的可持續(xù)性創(chuàng)新設(shè)計具有重要的理論研究價值和工程指導(dǎo)意義。

1 產(chǎn)品族研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

產(chǎn)品族（Product Family）是指分享共性技術(shù)平臺的一組相似的產(chǎn)品但具有特定的功能或特征去滿足不同的市場細(xì)分區(qū)間和多樣化、個性化的客戶需求[3]。后來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自身的研究領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品族內(nèi)涵進(jìn)行了擴(kuò)展[4]。在2007年Jiao等[5]全面地分析了產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法并建立了一個決策框架，如圖1所示。產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法主要分為設(shè)計產(chǎn)品族、產(chǎn)品族建模、基于產(chǎn)品族的設(shè)計等，設(shè)計產(chǎn)品族如基于市場驅(qū)動的自頂向下產(chǎn)品族設(shè)計、基于聚類的自底向上產(chǎn)品族設(shè)計等[6]；產(chǎn)品族模型的構(gòu)建如產(chǎn)品族演化建模、知識建模、架構(gòu)建模等；產(chǎn)品族設(shè)計方法如模塊化產(chǎn)品族設(shè)計和參數(shù)化產(chǎn)品族設(shè)計方法等。

圖1 產(chǎn)品族設(shè)計與開發(fā)技術(shù)架構(gòu)

針對上述研究背景和工程問題，本文擬對產(chǎn)品族建模和基于產(chǎn)品族的設(shè)計開展深入研究，并應(yīng)用于全球市場環(huán)境下的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究。下面從產(chǎn)品族建模和基于產(chǎn)品族模型驅(qū)動的設(shè)計兩方面就其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進(jìn)行分析。

1）產(chǎn)品族建模。

產(chǎn)品族建模是產(chǎn)品族設(shè)計的核心，它有助于產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊?wèi)?yīng)用全面的開發(fā)知識迅速開發(fā)一個新產(chǎn)品響應(yīng)復(fù)雜多變的客戶需求和市場條件。近年來國內(nèi)外學(xué)者對產(chǎn)品族模型進(jìn)行了大量的研究，主要是用模型來規(guī)范產(chǎn)品族設(shè)計的相關(guān)活動，給設(shè)計提供一個結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的架構(gòu)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量和降低設(shè)計成本。目前產(chǎn)品族的建模技術(shù)主要分為產(chǎn)品族架構(gòu)建模（架構(gòu)方面）、知識建模（靜態(tài)方面）和演化建模（動態(tài)方面）等。

為設(shè)計一個強(qiáng)大的產(chǎn)品族架構(gòu)模型，必須從客戶、設(shè)計者和制造者（即市場、設(shè)計和生產(chǎn)領(lǐng)域）的角度進(jìn)行考慮。目前，典型的產(chǎn)品族架構(gòu)模型包括三視圖模型[7]、GBOM(Generic Bill-Of-Material)模型[8]和產(chǎn)品族主結(jié)構(gòu)模型[9]等。為支持大批量定制設(shè)計中產(chǎn)品族信息的集成、管理、分享和重用，Pan等[10]提出了一個包括三維的狀態(tài)空間模型、單元信息模型和三維演化空間模型集成模型的產(chǎn)品族生命周期信息集成的建模架構(gòu)。在全球開發(fā)和分布式協(xié)同的環(huán)境下，Liu等[11]面向基于訂單設(shè)計和裝配的產(chǎn)品，將自制和外購決策考慮到產(chǎn)品族的架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造者和供應(yīng)商的利益優(yōu)化。目前學(xué)術(shù)界普遍接受的是基于模塊化的產(chǎn)品族架構(gòu)，目的是識別共性模塊或可選模塊，能使產(chǎn)品族進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)大批量定制設(shè)計。樊蓓蓓等[12]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的模塊關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型，分析產(chǎn)品族中的關(guān)鍵模塊及模塊演變情況。

產(chǎn)品族為設(shè)計提供了產(chǎn)品設(shè)計知識管理和共享的基礎(chǔ)，為產(chǎn)品族設(shè)計重用節(jié)省了資源并確保可持續(xù)性產(chǎn)品開發(fā)。為捕獲、管理、分享、重用和集成產(chǎn)品族設(shè)計知識，基于組件層級的重用是不充分的，Xu等[13]建立了一個產(chǎn)品族設(shè)計重用過程模型，包括產(chǎn)品實(shí)例建模、知識提取和設(shè)計綜合與評價3個階段，支持有效的產(chǎn)品族設(shè)計重用。Lim等[14]提出基于本體的產(chǎn)品族知識獲取和重用方法。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族設(shè)計階段知識的清晰的獲取和自動化重用，Giovannini等[15]應(yīng)用反邏輯方法表達(dá)清晰的設(shè)計知識。由于產(chǎn)品族知識捕獲和重用的支持技術(shù)還沒有被充分地實(shí)現(xiàn)，Lundin等[16]探索了將面向CAD模型的計算機(jī)輔助技術(shù)用于提高產(chǎn)品族設(shè)計模塊捕獲和表達(dá)的效果。秦紅斌等[17]提出了產(chǎn)品族基因模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族建模和配置過程的高效率、可靠性和通用性。

產(chǎn)品族演化建模對于滿足客戶需求、提高產(chǎn)品性能、減少制造成本和降低風(fēng)險有重要的影響[18]。產(chǎn)品族演化的主要驅(qū)動影響要素包括新的需求、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)，以及產(chǎn)品族重定義、重構(gòu)和預(yù)測性維修等。開發(fā)新一代的產(chǎn)品（包括升級、定制、成本降低或者混合的產(chǎn)品）需要建立生成關(guān)系映射，允許設(shè)計者追蹤在同一代產(chǎn)品和不同代產(chǎn)品之間的產(chǎn)品的演化。近年來為支持產(chǎn)品的演化設(shè)計，提出了采用生物分析方法協(xié)同演化模型[19]、產(chǎn)生式網(wǎng)絡(luò)模型[20]、基于Hegselmann-Krause模型的動態(tài)演化模型[21]、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品定量演化設(shè)計模型[22]等。浙江工業(yè)大學(xué)的肖剛[23]利用生物進(jìn)化論思想針對產(chǎn)品家族進(jìn)化的歷史、現(xiàn)狀和趨勢研究建立了產(chǎn)品族繁殖模型，基于廣義有向圖識別了產(chǎn)品族功能基因并提出了基于實(shí)例推理的產(chǎn)品族定向繁殖方法。

2）基于產(chǎn)品族的設(shè)計。

傳統(tǒng)的基于產(chǎn)品族的設(shè)計是一個基于平臺的成本-效應(yīng)設(shè)計重用策略[24]，被視為大批量定制的有效支持手段[25]。模塊化產(chǎn)品族與參數(shù)化產(chǎn)品族是當(dāng)前產(chǎn)品族設(shè)計領(lǐng)域的兩大分支，浙江大學(xué)譚建榮院士團(tuán)隊和祁國寧、顧新建教授團(tuán)隊針對產(chǎn)品族設(shè)計方法和理論開展了大量的研究，如模塊化產(chǎn)品族大批量定制設(shè)計[26]和參數(shù)化產(chǎn)品族可重構(gòu)設(shè)計[27]。

為充分考慮企業(yè)利潤和市場份額，需集成市場（如客戶偏好、競爭）考慮到傳統(tǒng)產(chǎn)品族設(shè)計，拓展了產(chǎn)品族設(shè)計問題邊界包含了產(chǎn)品線定位問題，創(chuàng)新的市場驅(qū)動的產(chǎn)品族設(shè)計方法被提出，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣性，滿足廣泛的客戶需求并降低成本[28]。Maier等[29]提出了3個基于產(chǎn)品族的設(shè)計策略，包括并行、演化和一些典型的混合演化/突變的方法，去滿足不同的市場細(xì)分。Nadadur等[30]提出了3個拓展基于產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品族自頂向下設(shè)計方法來滿足全球市場變化的需求：非平臺設(shè)計（對于低變化產(chǎn)品，如足球）、靜態(tài)平臺設(shè)計（對于中等變化產(chǎn)品，如汽車）和柔性化平臺設(shè)計（對于高變化產(chǎn)品，如手機(jī)系統(tǒng)）。Liao等[31]提出了基于Kano需求模型的產(chǎn)品族拓展創(chuàng)新設(shè)計方法來充分滿足用戶需求。Pakkanen等[32]提出了Brownfield Process（BfB）方法來支持模塊化產(chǎn)品族的配置設(shè)計。張聞雷等[33]構(gòu)建了產(chǎn)品族譜系模型并提出采用需求與約束的分類求解方法和配置過程。侯亮等[34]提出產(chǎn)品族技術(shù)創(chuàng)新動態(tài)演進(jìn)方法。

隨著市場從賣方市場向買方市場的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品多樣性需求不斷地增長。因此，基于產(chǎn)品族的設(shè)計不僅要關(guān)注以前市場驅(qū)動的重配置設(shè)計策略，也要關(guān)注用戶驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計的策略。多樣性設(shè)計方法提供了一個基于功能-質(zhì)量設(shè)計的結(jié)構(gòu)化方法，通過引入產(chǎn)生多樣性指標(biāo)（Generational Variety Index）和耦合指標(biāo)（Coupling Index）作為指導(dǎo)規(guī)則來減少未來新產(chǎn)品生成的大量重設(shè)計工作，也能幫助企業(yè)識別其產(chǎn)品隨著客戶需求的改變該如何演化，然而產(chǎn)品的主要功能一直是相同的或相似的[35]。在多代產(chǎn)品之間，產(chǎn)品的升級設(shè)計是一個平臺設(shè)計方法通過增加、替換或刪除模塊等方法升級功能和參數(shù)來拓展產(chǎn)品的價值。Umeda等[36]提出了基于功能→行為→結(jié)構(gòu)的建模設(shè)計方法來支持設(shè)計師選擇或配置出滿足用戶需求的功能和結(jié)構(gòu)。Tu等[37]提出一個基于類比的升級設(shè)計方法支持產(chǎn)品的功能和性能升級，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可持續(xù)性市場競爭。傳統(tǒng)產(chǎn)品族的設(shè)計僅考慮了一代產(chǎn)品族，而忽視了隨著時間推移客戶需求的改變和技術(shù)的進(jìn)步，Liu等[38]從系統(tǒng)論的角度提出了產(chǎn)品族的配置和供應(yīng)鏈選擇的協(xié)同演化設(shè)計優(yōu)化方法。

2 存在的問題與不足

通過上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展動態(tài)分析，可以得出以下結(jié)論：

1）現(xiàn)有的產(chǎn)品族建模研究包括架構(gòu)、知識和演化建模僅局限于一個具體的產(chǎn)品平臺，屬于一個制造企業(yè)，新型的產(chǎn)品系統(tǒng)將橫跨和超越傳統(tǒng)產(chǎn)品的邊界，現(xiàn)有的產(chǎn)品族設(shè)計理論很難形成合理的方案；各種主流的產(chǎn)品族模型均是基于模塊/單元的架構(gòu)模型，而事實(shí)上新型的產(chǎn)品系統(tǒng)不但功能多樣化、功能層次復(fù)雜、受動態(tài)環(huán)境的影響，而且產(chǎn)品的設(shè)計除有形的物理特征需求外，還有相當(dāng)復(fù)雜的無形特征。以“復(fù)興號”動車組為例，它是延續(xù)了歐洲列車與日本列車的設(shè)計理念與中國的標(biāo)準(zhǔn)相融合創(chuàng)新生成的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組；同時在“復(fù)興號”動車組的基礎(chǔ)上設(shè)計的京張智能動車組是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器等多種信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)混合創(chuàng)新而成的智能化列車。如果采用現(xiàn)有的基于產(chǎn)品族模型驅(qū)動的定制設(shè)計手段，將難以滿足客戶需求和設(shè)計出有競爭力的產(chǎn)品。

2）傳統(tǒng)產(chǎn)品族的設(shè)計僅考慮了一代產(chǎn)品族，而忽視了隨著時間推移客戶需求的改變和技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度快，目前產(chǎn)品族的演化難以基于歷史信息分析產(chǎn)品的演化規(guī)律和預(yù)測產(chǎn)品的演化趨勢，缺乏在不確定性條件下動態(tài)的演化分析與預(yù)測方法。產(chǎn)品族的知識模型展示了產(chǎn)品多樣性和多代系的特點(diǎn)，然而它缺乏關(guān)鍵設(shè)計特征的信息和知識源于產(chǎn)品族內(nèi)或者源于其他的產(chǎn)品族特征信息。因此，需要一個新的產(chǎn)品族架構(gòu)模型能夠捕獲、處理、分享和重用典型的設(shè)計信息和知識。產(chǎn)品族的演化的完整分析以及整體建模對未來新產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的價值，然而并沒有清晰的方法。

3）產(chǎn)品族設(shè)計是解決面向大批量定制產(chǎn)品設(shè)計的有效解決方法，然而在不確定的競爭環(huán)境下，多樣化、個性化和動態(tài)化的客戶需求對可持續(xù)的產(chǎn)品族形成了挑戰(zhàn)?；旌蟿?chuàng)新是結(jié)合和混合新的、突破性的技術(shù)和已有的技術(shù)，從其他的產(chǎn)品族適應(yīng)、轉(zhuǎn)化、集成設(shè)計特征。混合創(chuàng)新表達(dá)了一個連續(xù)性創(chuàng)新，支持通過混合學(xué)習(xí)從過去到現(xiàn)在的技術(shù)和從產(chǎn)品族內(nèi)部開發(fā)知識到外部世界。企業(yè)需要建立一個新的產(chǎn)品族技術(shù)架構(gòu)和設(shè)計原理去保持產(chǎn)品族持續(xù)動態(tài)創(chuàng)新，提升產(chǎn)品的創(chuàng)新能力及自身競爭能力。

3 產(chǎn)品族多維建模方法

結(jié)合新的工業(yè)邊界與跨族混合多代演化產(chǎn)品的特點(diǎn)，在已有的經(jīng)典產(chǎn)品族概念成果基礎(chǔ)上，提出以特征為中心的拓展產(chǎn)品族概念，通過對產(chǎn)品多域特征屬性參數(shù)的分析和提取，構(gòu)建產(chǎn)品族的理論模型，包括架構(gòu)模型、知識模型和演化模型，然后以架構(gòu)模型為基礎(chǔ)，形成基于多域特征驅(qū)動的產(chǎn)品族多維模型表達(dá)。具體方案如圖2所示。

圖2 多域特征驅(qū)動的產(chǎn)品族多維建模方案

1）基于傳統(tǒng)產(chǎn)品族的概念，將新產(chǎn)品形式的特點(diǎn)融入到產(chǎn)品族的內(nèi)涵中，形成以特征為中心的產(chǎn)品族概念。在新的設(shè)計邊界內(nèi)，從產(chǎn)品全生命周期的角度分析產(chǎn)品族的特征域，包括需求域、功能域、物理域、加工域和物流域等，并提取特征集。以多域特征為驅(qū)動要素，分析產(chǎn)品族架構(gòu)、知識和演化的維度，并分別抽象表達(dá)成通用的產(chǎn)品族架構(gòu)模型、知識模型和演化模型。

2）產(chǎn)品族架構(gòu)模型中主要通過領(lǐng)域的概念將產(chǎn)品族信息形成不同架構(gòu)維度，在領(lǐng)域中包括功能、物理、技術(shù)等特征領(lǐng)域。產(chǎn)品知識模型表示產(chǎn)品族靜態(tài)參數(shù)，包括產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、性能等屬性參數(shù)，由對象、屬性、關(guān)系信息組成的三元組來描述定義。產(chǎn)品族演化模型，是基于產(chǎn)品族演化歷史過程而定義的抽象模型，包括演化關(guān)系及相關(guān)設(shè)計資源。以架構(gòu)模型為基礎(chǔ)模型，將知識模型和演化模型進(jìn)行動態(tài)模型與靜態(tài)模型集成，形成一個多維的產(chǎn)品族模型，以此來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族模型的全息表達(dá)。

4 結(jié)論

結(jié)合復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品向智能化發(fā)展的趨勢，通過產(chǎn)品族設(shè)計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)分析，分析傳統(tǒng)產(chǎn)品族設(shè)計理論與方法存在的不足，提出了產(chǎn)品族多維建模方法，對于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的可持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)具有重要的工程和實(shí)際意義。