基于产品配置设计的产品需求模块化和优化模型外文翻译资料

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基于产品配置设计的产品需求模块化和优化模型

Wei.Wei,Ang Liu,Stephen C.-Y.Lu,Thorsten Wuest

摘要：产品需求模块化是产品需求信息采集、分析、组织并转化为设计说明书的过程，决定了快速响应客户多样化需求的能力。本文介绍一种基于配置设计的产品需求模块化的方法，采用“事物特征表”（SML）技术控制产品需求信息元素的形式表达，提出功能结构模型及其优化算法。企业可以利用该模型了解客户需求，从而获得制造模型，根据模型中的映射关系，顾客的特殊要求也可以得到满足。最后，以一个企业应用来介绍本研究在实践中的应用。

关键词：产品需求模块化；配置设计；功能结构模型；客户需求

1. 引言

随着计算机技术的不断发展和市场竞争的愈发激烈，顾客的需求越来越多样化和个性化。企业逐渐通过将竞争集中在提高产品外部多样性，以实现企业利益的最大化。这也迫使生产模式从传统的大规模制造向大规模定制转变。然而，在大规模定制环境下，语义与术语之间的差异导致很难实现顾客与设计者之间的产品需求信息的映射关系，因为他们是根据自身知识对产品需求进行表达的。当产品需求信息缺乏清晰的结构时，产品结构不同参数之间的关系式在形式上难以表达，产品需求变量与设计参数之间的关系也是如此。如何在现有的生产环境和成本控制下通过需求互动获取顾客特殊需求并生产定制化产品已经成为亟待解决的瓶颈问题了。

文献[2]提出从软件实现的角度基于本体的需求提取模型，这个模型将企业本体和领域本体作为需求提取的基本线索。文献[3]采用产品需求拓扑关系引导产品是生命周期中需求信息的获取及扩展，改善了需求获取的系统化和效率。文献[4]讨论了如何将产品设计过程中获取的需求信息进行整合，从产品设计的角度确保需求信息的一致性。文献[5]提出基于本体的知识表现和结构模型指导产品的顾客需求，提出了客户需求数据模型和一个两步转换模型。文献[6]指出了关于需求工程工业中已存在的一些误解，并讨论用户如何将典型要求在“非功能需求”中筛选出来。文献[7]分析了需求设计及其并行设计中的作用，然后讨论了获取与处理市场信息的方法，最后产品的功能得到提炼。模块化方法是在从头开始的产品发展设计的假设基础上提出。实际上，在大规模定制下的产品配置设计，可配置产品的生产模型是通过历史数据映射关系进行设计的，这些历史数据是根据设计人员与顾客需求的交互进行产品配置设计和参数化变型设计产生的。本文提出一个基于配置设计的产品需求模块化方法，采用SML技术控制产品需求信息元素的形式表达，根据以上提出产品FS模型及优化算法。企业可以利用该模型与顾客进行需求互动，从而获得制造模型，根据模型中的映射关系逐渐了解顾客的特殊要求。

1. 基于SML技术的产品需求信息元素定义

SML指的是产品（包括零件、组件）性质的特征描述，比如几何结构、特征、供应、算法、分类和性质，以及反映事物信息集合的固定格式表格的形式。他通过一种既能描述和区分对象组又能表达特征数据格式的方法定义了对象的决定性特征。通过这些特征对产品、零件、组件进行描述，使得产品的特征数据在不同系统中方便交流。在大规模定制的生产模式下，在需求分析、特征需求预测和目标客户选择的基础上，使用一系列的SML描述可配置产品的外表、功能和结构尺寸之间的联系。此外，通过SML实例化，根据配置规则满足客户独特需求得到生产模型。

配置设计导向的产品需求信息元素指的是使用SML技术表示构成目标特征项目产品需求的基本单元，提供产品需求信息在需求模块化过程中获取、描述、管理和应用的基本方法。配置设计导向的产品需求信息元素指的是使用SML技术表示构成目标特征项目产品需求的基本单元，如公式（1）表示：

(1)

T_Meta是产品需求信息元素；T_id是产品需求信息元素独一无二的名称，有两种可配置产品需求信息元素的类型，一种是与几何结构、材料、功能相关联的，如颜色、质感等，另一种是与对象组织和集合关系相关的。T_datatype是产品需求信息元素的特征值类型，如整数、实数、字符、布尔型等；T_conts是产品需求信息元素特征值的价值约束；其中，可以在这个区间内选与不选是一个特征值，但必须在一个规定的区间范围内输入或选择一个值；T_domains是产品需求信息元素特征值的区间。

1. 面向配置设计的功能与结构模型（PFSM）

面向配置设计的功能与结构模型(PFSM)是基于SML技术产品需求信息元素的形式化表示，判断需求信息元素的特征值，在功能结构模型中满足客户需求的个性化表达建立约束。PFSM各层面的节点由功能与结构单元来表示。在PFSM中，每个节点，即功能与结构单元，有描述组件多个实例的能力，形式上表达如公式（2）：

(2)

PFSM_Unit是PFSM的FS单元，FS_id是FS单元独一无二的名称，FS_option是FS单元的选择特征。当FS_option=1,该FS单元是配置产品的强制单元，当FS_option=0,该FS单元式配置产品的可选择单元，所有强制单元是由配置产品的标准配置组成，而所有可选择单元由相匹配的功能和配置产品的可选择配置组成。FS_Type是FS单元的类型，FS单元分为两类，一类标准FS单元（FS_Type=0），一旦被选择就不再需要其他制造和设计的FS单元信息；另一类是参数化配置单元（FS_Type=1），在其它FS单元或设计过程决定特征值后，还必须确定一些参数。Muit（T_meta）表示FS单元可以被不同SML单元描述的属性值。Is_decomposed是FS单元是否可分解的属性，根据FS单元是否可以进一步分解，可以分解成许多FS单元和FS元单元。FS元单元是在子节点上且不能再PFSM中再次分解。复杂的结构单元指的是在PFSM层次树的中间层PFSM_Unit,根据功能需求，可以进一步分解为下一级，即当Is_decomposed=0时是一个FS元单元。

表1 PFSM_UNIT

表1是空气压缩机门的一个FS单元，列出了全部类型的SML单元T_Meta，组成了这个空气压缩机们和各单元之间的约束信息。

在配置设计的FS模型中，约束关系如下:

FS单元中SML之间的约束关系可以表示为FS单元中输出特征单元和基本特征单元之间的关系。比如，成本与其他单元的关系可以用公式（3）表示：

(3)

FS单元之间的约束关系，是一个整体的约束关系。这个整体约束关系可以用配置单元间的不相容关系和并行关系进行规范表述。并行关系可分为if-then关系和非if-then关系，也可以根据配置模型的层次分为父子关系和相邻关系。

一个FS单元作为整体与其它某一特征之间的约束关系。

一个FS单元与另一FS单元某一特征之间的约束关系。该约束关系可分为三类。一，可以用gt;、lt;、=等描述的类型，这类约束关系从形式上检查产品配置结果的可信度。二，用ifhellip;thenhellip;形式表示的，这类约束关系表示配置过程中FS单元的选择判断状态。三，可以用一个FS单元结构特征与另一个FS单元结构特征之间的约束关系表示结构，用公式（4）表示：

(4)

约束关系在需求交互过程之上建立，为了让配置设计通过典型特征属性进行表达。目标FS单元的典型特征属性值是根据客户和其他相对的FS单元基于PFSM约束关系输入典型特征参数获取的。这种约束关系可以用FS单元之间的约束函数或集合来表达。由于是非线性关系，必要的时候通过人机交互、产品参数化设计和优化变型设计的方式来获得。

1. 配置设计中产品FS模型优化算法

自产品发展到可以在原有的生产模式中进行配置，PFSM中客户功能需求输入过程实际上就是SML功能单元实例化的过程，功能单元构成一个功能结构模型，如下：

(5)

T_Meta_fuction是与产品功能需求相关的特征单元矩阵，[A]是顾客需求矩阵。

根据公式（2），配置产品的结构性能可以用产品FS模型的结构特征部分来表示。所以，

(6)

T_Metafuction是与功能结构模型中结构参数相关的特征单元矩阵，[B]是设计矩阵。这样的话，顾客的功能需求与配置单元中设计参数之间的映射关系可以通过功能结构模型的特征单元进行表达。

为使产品配置过程对功能配置模型的子节点进行设计，基于大规模定制的环境，采用由上而下逐层分解的方法。在分解和映射的过程中，根据Suh等人提出公理设计理论中的独立原则，配置产品是分解的每一个功能需求的集中系数都应该独立，无耦合或准耦合映射采用功能需求（FR）和设计参数（DP）的集合表示。因此，客户需求矩阵A和设计矩阵B用相应的对角矩阵表示。DP可以是能相应转换为对角矩阵的三角矩阵：

(7)

从T_Meta_common的T_Meta_function和T_Meta_struture中获取相同的SML单元，公式（5）和公式（6）转换如下：

(8)

(9)

根据公式（8）和公式（9），可以得到：

(10)

另外，功能结构单元的设计参数DP和工程实例PP之间的映射可以表示为：

(11)

M是实际区域和工艺区域之间的映射矩阵。

由公式（10）和公式（11）得到：

(12)

当客户提出新的功能需求，考虑到功能需求的独立性，客户需求系数矩阵C可以表示为：

(13)

客户需求交互的结果是客户和设计人员获得一个满足下述条件解决方案的集合：

(14)

根据不同的SML单元对FRn_common和DPn_commom解耦或者重新设计，PFSM单元之间存在耦合关系。相应地，根据客户功能需求，设计人员必须基于Ppcommon对PPn_common求解。

在配置设计的产品需求模块化过程中，可以调整矩阵C和SML单元矩阵T_Meta获取优化方法。如果SML单元已经有了一个满足客户需求的FS模型，根据全局优化和局部调整的配置原则，通过维护客户功能需求系数矩阵C获取可配置产品的优化方案。如果FS模型的SML单元不能完全表达客户需求，设计人员必须对FS模型进行去耦和优化。优化算法如下：

调整FS模型的XML单元，完全表达客户的功能需求。

使用导出功能尽可能减少SML单元和反映FS模型节点的集合关系和拓扑关系。

尽可能满足T_Metafunction=T_Metastruture=T_Metacommon=T_Meta使得Bcommon=B，Acommon=A，Ccommon=C，FRcommon=FR,公式变换如下：

(15)

因此，当模型完全表达客户功能需求时，可以减少人工配置的部分。然后获取生产模型，进而满足顾客需求和实际区域与工艺区域的映射关系。

1. 基于PFSM的产品需求模块化过程

基于PFSM的产品需求模块化过程表示为一系列相关联的活动。由客户迫切的功能需求获取可生产产品模型，但问题的解决方法较为复杂。具体步骤如下：

步骤1：对客户需求信息进行分析，根据客户基

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