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上海交通大学 硕士学位论文 结合面向对象技术和约束推理的产品配置方法研究及系统开发 姓名：周义廷 申请学位级别：硕士 专业：工业工程与物流工程系 指导教师：杨东 20090214 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I 页 结合面向对象技术和约束推理的产品配置方法研究及系统开发 摘要 在市场竞争日趋激烈的今天，为了脱颖而出、赢得利润，企业面临 着许多新的挑战。另一方面，随着人们的个性化意识的增强，对于个性 化产品的需求也日益增长。因此，如何最大限度地满足客户的这一需求 成为企业能否战胜新的挑战的关键问题。为了解决这一问题，企业界已 经开始尝试大规模定制的生产模式（Mass Customization, MC） 。而作为 大规模定制模式的核心使能工具之一，产品配置则成为了学术界研究的 热门领域。近年来，国内外学者针对产品配置方法进行了深入的研究， 取得了丰富的研究成果，从而使得产品配置系统广泛应用于电子、计算 机、通信等诸多领域。 本文对产品配置技术的形成、发展、在大规模定制模式中的应用、 国内外相关领域的研究现状做了详细的论述。为了高效率地开发产品配 置系统，有效地解决配置问题，提出了一种结合面向对象建模技术 （Object-oriented Modeling Technology, OO）和动态约束满足问题 (Dynamic Constraint Satisfaction Problem, DCSP)的配置方法。 该方法首先 采用面向对象技术建立了可重用、可共享的配置模型以表达领域知识， 然后将配置模型映射成为 DSCP，从而通过约束推理的方式实现了配置 问题的最终求解。在对象建模阶段，我们提出了元模型-概念模型-对象 模型的三层建模体系，以提高模型的可重用性。在约束推理阶段，深入 研究了基数问题、结构化关系、配置约束等的映射规则。在 DCSP 求解 阶段，改进了传统的回溯算法，提出了 EBT 算法以实现求解。 金龙联合汽车工业（苏州）有限公司是中国知名的客车制造商，其 旗下的海格系列客车截止 2007 共销售 7 万台，具有稳定的市场份额。 本文以该公司的海格系列客车配置作为工程实例，阐述了所提出的配置 方法，验证了算法的可行性和有效性，并利用 JAVA 高级编程语言开发 了基于 OO-DCSP 的客车配置原型系统。 关键词：产品配置；面向对象建模；动态约束满足问题；大规模定制 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 II 页 THE RESEARCH AND SYSTEM DEVELOPMENT OF PRODUCT CONFIGURATION BY COMBINING OO AND CONSTRAINT REASONING ABSTRACT Nowadays the competition between companies is increasingly intense。 The companies now face numerous challenges to succeed in business and make profit. On the other hand, the more emphasis on personalized awareness implies the increase of the demand for personalized products. Therefore, How to maximally satisfy this kind of needs from customs turns out to be the key problem of winning the challenges for them. To solve this problem the global business community has begun a new attempt to implement mass customization. And thereby product configuration, one of the key enablers of mass customization, becomes a hot research field of academic community. In these years domestic and foreign scholars have deeply investigated product configuration methods and obtained abundant research results which make product configuration systems to be applied in many field such as electronics、computer、telecommunication. In this paper, the forming and evolving process of product configuration、the application under the mass customization paradigm as well as the research overview was discussed in detail. In order to implement configuration systems efficiently and solve configuration problems effectively, a new approach combining object-oriented modeling technology and constraint reasoning was put forward. In presented approach, firstly a reusable and sharable configuration model was established to represent domain-specific knowledge by using the object-oriented modeling approach. Then the configuration model was mapped to a Dynamic Constraint Satisfaction Problem (DCSP) and finally the configuration problem was solved efficiently through the use of constraint reasoning. To model a three-layered architecture (meta model、model、object)was put forward to enhance model reusability. When mapping from the configuration model to 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 DCSP mapping rule of Cardinality problem、structured relationship、 configuration constraints were researched and a package of mapping rules was developed. For solving the DCSP an extended backtracking algorithm was designed and its inference process was demonstrated. HIGER BUS Company Limited is a notable bus manufacturer in China.。 Up to June 2007, the companys HIGER BUS has produced and sold over 70,000 buses, which has a huge guaranteed market share. In this paper, a configurable HIGER BUS was presented to demonstrate our configuration method and illustrate the effectiveness of the presented algorithms. Finally the OO-DCSP-based bus configurator shell was developed, which was coded with JAVA programming language. KEY WORD: product configuration; object-oriented modeling; dynamic constraint satisfaction problem; mass customization 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 1 绪论 十九世纪末，二十世纪初，美国通过大规模生产（Mass Production）模式赢得 了全球经济的统治地位。但是，由于过去二三十年里日益动荡的市场环境，大规模 生产已经不再能与之相适应，取而代之地，大规模定制(Mass Customization，MC) 这一应运而生的新的管理模式，无论在制造业还是服务业都成为了企业竞争的新前 沿。这一新主题同样也引起了国内外学术界的高度重视，对其进行了深入的研究， 以便更好地指导企业界应对新的挑战。本文，正是在大规模定制这一宏大主题下， 进行深入研究，探讨如何利用行之有效的使能技术-产品配置来帮助企业最终实现 大规模定制模式。 为此， 本章首先简略回顾制造业发展历史， 阐述论文的研究背景， 其次，介绍产品配置的基本概念、研究范畴以及国内外的重要研究成果，最后给出 本论文的主要研究内容。针对所提出的产品配置方法，论文在后续的第 2，3，4，5 章将给予详细阐述并在第 6 章对整个研究进行总结。 1.1 研究背景 1.1.1 制造业发展回顾与现今面临的挑战 制造业是利用手工或机械工具将原材料加工成最终的消费品的行业。其早期生 产方式的主要特征是使用手工工具，以手工劳动和手工技艺为主。现代自动化的制 造业的起源则是 1860 年前后蒸汽机的发明。 紧随其后的第一次工业革命则确立了英 国在制造业的统治地位。然而，到 19 世纪 80 年代，美国依靠自身的制造模式，超 越了英国，一跃成为世界制造业的领先国，在 19 世纪与 20 世纪之交，美国工业品 的产量已是英国的 1.5 倍。美国之所以能在 19 世纪成为主要的制造业大国，其原因 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 可归结为美国模式所独有的八大特征：可互换的零件、专用的机器，对供应商的信 任、以生产过程为中心、劳动分工、熟练的工人、灵活性和持续的技术改进等1。 进入 20 世纪，由于亨利福特等人在继承制造业的美国模式的优点的基础上进 行了进一步革命性的改造，创造并执行了比美国模式更为著名的大规模生产，又称 福特模式，大大提高了生产效率，降低了制造成本，其结果不仅巩固了美国制造业 的领先地位，而且使其成为世界上占统治地位的制造强国。 大规模生产是美国模式的直接产物，它在强调了原有的成功原则的同时，还新 增了一些新的原则，如表 1-1 所示。 表 1-1 大规模生产的原则 Table 1-1 The Principles of Mass Production 从美国模式中继承来的：从美国模式中继承来的： ? 可互换的零件 ? 专用的机器 ? 以生产过程为中心 ? 劳动分工 增加的原则：增加的原则： ? 流水线生产 ? 以低成本、低价格为目标 ? 规模经济 ? 产品标准化 ? 专业化程度 ? 以工作效率为中心 ? 由专业管理人员组成的分层组织结构（科学管理） ? 垂直集成 亨利福特将大规模生产原则应用于汽车工业， 使其成为应用这一生产模式最成 熟的代表。他们在 T 型车的制造中，引入了装配线，把工件送到工人面前，每个工 人只装配汽车的一部分，然后移送给下一个工人，进行下一道装配工序，从而使得 生产一辆汽车所用的劳动时间从 12 小时 8 分钟缩短到 2 小时 35 分钟。与此同时， 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 福特以低成本、低价格为目标，形成规模生产。由于产品成本降低，价格就随之降 低，进而导致更多的人买得起该产品。销售随之增产，产量因而得以提高，这样成 本就更低，如此良性循环。为了维持这个良性循环，企业需要开发和制造标准的产 品，因为任何复杂性或定制工作都将会扰乱生产过程，导致成本更高。可见，面向 统一市场的标准化产品的生产是大规模生产的一个永恒的原则。上述过程如图 1。 图 1-1 大规模生产范式的动态系统图 Fig.1-1 The Paradigm of Mass Production as a Dyanmic System 1.1.2 面向大规模定制的生产模式 大规模定制的思想最早由 Alvin Toffler 在Future Shock （1970）提出，Stanley Davis 在Future Perfect （1987）中首次使用“Mass Customization”一词，B.Joseph PineII 在Mass Customization：The New Frontier in Bussines Compoetition （1993） 中第一次对大规模定制进行了系统论述，这标志大规模定制理论研究和时间应用的 开始。针对大规模定制，并没有一个通用的确切定义，但毫无疑问，其核心思想在 于以接近大规模生产的成本和效率来生产能够满足客户个性化需求的产品。 为了实现 MC，需要生产组织与管理、产品设计与制造等多个方面的技术共同 协调。前者主要指敏捷制造、供应链管理、精益生产等；后者主要是指先进制造技 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 术(AMT) ，即诸如计算机数控(CNC) 和柔性制造系统(FMS) 、计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机集成制造(CIM) 、电子数据交换(EDI) 的 通讯和网络技术等大规模定制必不可少的技术3。其中，面向大批量定制的产品开 发设计技术为 MC 的最关键的核心使能技术，一般来说，包括：零部件的标准化 产品族设计模块化设计产品配置。 本文， 正是在大规模定制的宏大主题之下， 对其核心技术产品配置进行深入研究。下一节，将详细阐述产品配置的基本概念。 1.2 产品配置的基本概念 产品配置方法的适用范围和研究内容为可配置产品（configurable product） 。同 样，本文所提出的配置模型以及约束推理方法也是以可配置产品为适用前提。针对 可配置产品，学术界并没有一个准确的定义，但可以通过下述特征来描述4： (1) 针对特定客户的个性化需求，可以对可配置产品进行修改从而得到最终的交付 产品。 (2) 可配置产品往往作为一个产品族进行预先的设计以满足某个特定客户群体的需 求。超出该范围的需求不能被这个产品族所满足。 (3) 通过指定预先设计好的部件或模块以及其相互之间的装配方法而得到最终的产 品。在整个可配置产品的销售-交付过程中，并不涉及到新部件的设计。 (4) 通常， 可配置产品具有预先设计好的基本结构。 在整个产品的销售-交付过程中， 每个产品实例是以一种日常设计的方法得到，该过程不涉及到创造性设计。 作为一种特殊的设计，产品配置的设计过程是在遵守所有配置约束的前提下， 从事先给定的一个预定义部件集合中选择部件并以一定方式进行装配组成最终的可 交付产品，以满足客户个性化的需求5。产品配置不同于其它类型的设计，其主要 表现在三个方面：配置过程中不涉及到新部件类型的设计和使用，而只使用预定 义部件集合中的部件。产品配置中的约束是事先规定的，配置过程中不需要设计 新约束。就配置结果（即为可交付产品）而言，不仅需要指定所选择的部件，还 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 需要确定部件之间的连接方式。根据上述讨论可得，产品配置问题的输入包括： 1. 部件集合：通过对特定配置领域的功能分析，将产品功能模型映射成为可以满 足功能设计的部件集合。对于该预 定义集合中的部件，需要描述其所具有的 属性，端口以及与之相关的约束。 2. 约束集合：规定了合法的配置解所不能违背的技术的、经济的等方面的要求， 例如部件之间相容性、依赖性的装配约束、可交付产品的成本约束等。 3. 客户需求（requirements）:指定了最终产品所需要满足的某些属性或功能。它可 以是局部的要求，例如的 CPU 厂商必须为 Intel；也可以是全局性的要求，例如 电脑的成本必须为 10000 元以下。通常将客户需求以约束的形式表达。 配置问题的输出是所有满足客户需求的合法配置解。而典型的配置过程是在满 足配置问题输入中规定的约束以及客户需求的前提下， 从部件集合中选择具体部件， 为其属性赋值，确定部件间的连接方式，并借助相应端口，进行连接，最终得到配 置解（最终产品） 。 1.3 国内外相关领域的研究现状 产品配置的研究起源于上世纪 80 年代初， 起初， 学者们的主要研究重点是寻找 一种能够求解、 推理产品配置过程的问题求解技术。 这一方面的主要研究成果包括： 基于规则的方法（Rule-based approach）是最早应用的产品配置方法之一910。 该方法利用 IFTHEN形式的产生式规则作为统一的表达机 制，描述了领域知识和过程控制策略，所有规则共同组成配置系统的知识库。利用 该方法， 美国数字设备公司 DEC 开发了第一个商用产品配置系统 R1XCON 以配置 该公司数以万计的计算机产品。 R1XCON 系统采用了产生式规则语言-OPS5 及其变 体 VAX-OPS5，并利用前向推理（Forward-chaining）求解配置问题。尽管该系统在 最初的应用中获得了巨大的成功，然而随着配置领域知识的日益复杂、知识更新的 日益频繁，以 R1XCON 为代表的基于规则的产品配置系统暴露出了难以克服的缺 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 陷。由于领域知识和控制策略混合地表示在规则中，造成了知识表示的上下文依赖 性(Context dependent)，即一条规则的正确性与否往往取决与规则库中的其他变量或 规则。正是这一根本原因，使得规则库的更新、维护、相容性检查变得相当困难甚 至很难完成。 基于资源的配置方法（Resource-based paradigm）研究了如何利用资源概念表达 和推理模块化的部件系统1112。该方法在配置模块化部件时，将产品配置过程作为 一个资源相互满足的资源平衡过程，为此，其将所涉及到的所有配置知识分为了五 个层次， 并统一地以所需或所提供的资源类型以及数量的形式来进行表达， 相应地， 配置求解算法则建立在一个根本的原则上，即除非外部需求以及每个部件的资源需 求都能够被其他部件所提供的资源最大化的满足，否则配置解不能被接受。利用该 方法的配置系统 COSMOS 成功地应用于配置可编程控制器 AEG Modicon PLC Series A500 和 A120。然而，不难发现，该方法仅仅从资源的角度解决了配置问题 的一个侧面，并不具有较好的通用性，对于具有复杂结构的技术系统的配置来讲， 基于资源的方法往往失去了其原有的表达简便性。 基于案例的方法（Case-based Reasoning, CBR） 。该方法的基本假设为相似问题 通常具有相似的解答，而相似的问题则会一再发生，因此利用已有的成功案例可以 求解与之相似的问题。CBR 方法在诸如建筑设计、客户关系管理、错误诊断等其他 方面已经取得了成功应用。文献13将这一思想应用到了产品配置领域，认为目前 的产品配置问题与先前的成功案例存在着相似关系，因此，可以通过对先前案例进 行修改来满足当前的配置要求。CBR 方法比较适合于知识不完备的情况，并通过足 够大的案例库来覆盖整个问题领域。但它并不支持对于配置结构知识的重用。 基于遗传算法的求解方法。文献14采用了遗传算法求解产品配置的优化问题， 根据目标函数的不同，可以分为单目标、多目标优化两种。从一个角度解决了某一 类配置问题。但从其理论基础遗传算法的原理，可以看出，这一方法的应用需要 问题本身存在大量的可选解，而且配置过程中的该方法所能处理的约束多为部件与 属性两个方面之间的约束，且为松约束情况。对于具有更加复杂的产品结构，以及 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 强约束，甚至过约束的配置问题，这一方法多不适用。 约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem, CSP）及其各种变型方法作为一 种实际求解技术，在配置领域得到了广泛应用和研究161718。1989 年 Mittal 和 Frayman 提出了基于端口-连接模型作为产品配置的一个通用模型，它规定部件与部 件之间的连接是通过各自的端口进行的，端口规定了与之相连接的部件的种类和约 束8。这一模型被后来的许多配置系统所采用。在此基础上，Mittal 进一步提出了将 产品配置过程看成是一个约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem, CSP） ，从 而可以采用人工智能领域的CSP理论来求解产品配置问题1314。 可以说， 这是Mittal 对产品配置领域最大的贡献，目前的很多产品配置系统的底层求解方法都直接或间 接利用了CSP理论。 CSP问题的形式化定义为一个由变量 （Variable） 、 值域 （Domain） 、 约束（Constraint）所组成的三元组。找到一个 CSP 问题的解的过程即为对所有变量 赋值，使其不触发所有约束的过程。由于 CSP 问题中的约束都只是陈述性地表达出 自己所允许的变量赋值组合，而不涉及到过程求解的策略，因此，具备了上下文无 关的知识表示特点，从而本质上区别于基于规则的方法，其结果是为知识库的维护 带来了极大的方便。然而，传统 CSP 理论的缺点也是明显的。传统 CSP 的求解过 程需要为问题所定义的所有变量进行赋值，不允许存在某些变量未被赋值的情况， 这就限制了 CSP 表达配置过程的动态特点的能力，不能适应现实的配置要求。 针对上述传统 CSP 所存在的不足，为了表达配置过程的动态特性，研究人员分 别从两个方面对 CSP 理论进行了改进。一方面，文献21提出了基于 null 值的重构 方法（null-based reformulation） ，其通过给 CSP 中的每一个变量的值域加入一个特 殊取值 null，而变量取 null 则表示变量属于未被激活的状态，进而间接地允许了配 置过程无需对所有变量赋值的情况。不过，这种方法仍然是在传统 CSP 的框架下进 行改进。另一方面，Mittal 在其文献22中，提出了一种 CSP 变体动态约束满足 问题 （Dynamic Constraint Satisfaction Problem, DSCP） ， 在传统 CSP 的基础上引入了 活动变量以及活动约束的概念，并规定配置解只是必须包含所有的活性变量而非全 部预定义变量，从而从理论本身，允许了对于配置过程中变量和约束动态加入并赋 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 值的表达，极大地促进了基于约束的产品配置方法的应用。 但是，不管是基于传统 CSP 还是 DCSP 的方法，都只能配置相对简单的产品， 其原因源自于上述方法存在一个致命的不足，即不能表达产品配置的结构关系方面 的知识，例如，部件的整体部分关系、基数关系、产品种类的泛化关系等。 针对上述问题，文献23应用了 CSP 理论的另一变体-通用约束满足问题 （Generative Constraint Satisfaction Problem, GCSP） ， 并给出了利用 GCSP 进行产品配 置的方法。 一方面， GCSP 方法借鉴了 Mittal 的端口-连接模型， 保留了其诸如部件、 端口等概念，并进一步引入了属性、整体部分关系、泛化关系、基数关系等高级建 模元素，从而大大提高了约束理论表达配置知识的能力，使得 GCSP 可以表达绝大 多数复杂的技术系统。此外，GCSP 也汲取了基于资源方法的优点，加入了资源约 束，使得该方法更加完善。另一方面，它利用 DCSP 的活动约束以及相容性约束， 表达了诸如部件-属性，部件-端口，部件依赖等配置过程所涉及的动态特性。最后 利用 CSP 领域的算法对问题进行了求解。总之，GCSP 问题集成了之前诸多的研究 成果，很大程度上完善了基于约束的配置推理方法，该理论为当今许多主流的产品 配置系统所应用。 尽管 GCSP 已经注重了面向对象建模，但仍有一些不足之处： （1）配置模型缺 乏可移植性、可交换性，这是因为 GCSP 采用了自己定义的建模语言 LCON，它并 非是一种通用的建模语言。 （2）建模方法缺乏图示化的表达能力，因而不容易被领 域专家、用户、设计人员、所理解，从而造成交流上的不便。 尽管如此，GCSP 已经开始向产品配置的领域建模方面进行过渡，这也表明学 术界已经认识到概念建模对于产品配置的进一步研究和发展是至关重要的。其原因 在于，在现代制造业中，随着一个产品的部件目录的日益复杂，产品系列的更新换 代速度的加快， 仅仅从求解角度研究产品配置已经不能够满足现代制造业对于设计、 制造效率的要求。而学术界对于产品配置系统的概念建模方面的研究的根本目的则 在于提高配置模型的可重用性，提高新配置系统建模的效率，从而最终帮助企业实 现对于新产品，新需求的迅速响应。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 在文献2526中，A. Felfenig 针对 GCSP 在建模方面的不足之处，采用了统一 建模语言 UML（Unified Modeling language, UML）来表达诸如部件信息、结构关系 等领域知识。UML 国际通用的对象建模语言，已经被业界广泛接受，其良好的图示 化的建模工具， 基于相对应的应用软件都极大地方面了设计和程序实现人员的交流。 进一步地，A. Felfenig 还采用 OCL（Object Constraint Language）来表达产品配置中 的各种约束关系。在推理求解阶段，A. Felfenig 将配置模型映射成一阶谓词逻辑， 然后应用 ILOG 公司的配置器 ILOG Configurator 来求解。 而 ILOG Configurator 本身 就是建立在 GCSP 的基础之上。 1.4 研究目的和内容简介 从产品配置领域的发展不难看出，对于现代产品配置系统的开发，通常需要在 模型表达力和求解效率两个方面同时考虑，为了应对现代化的挑战，配置系统还需 要在领域建模方面进行深入的研究，以期可以实现模型的可移植、可重用，以及高 效率的建模新的配置系统，将上述要求结合起来，探讨产品配置方法，具有较高的 学术研究价值。 另外，从企业的实际需求出发，本文所依托的苏州金龙客车公司的海格系列客 车设计项目， 具有典型的产品配置应用背景。 作者通过对该公司的实地调研中发现， 目前，该公司的客车手工配置中存在着诸多问题，导致了配置过程效率低下，配置 清单错误率高等后果，亟待改善产品配置过程。 综合上述两个方面，本文的研究目的在于提出一种包含领域建模和问题求解两 个部分的产品配置框架，其目的在于建立起一个表达力强，重用度高的产品配置概 念模型，并利用所提出的映射算法以及求解算法，高效地实现配置推理过程。与此 同时，将该方法框架应用于客车配置中，开发一个客车配置原型系统，帮助企业解 决实际生产中遇到的具体问题。 为此，本文提出了自己的产品配置方法 OO-DCSP，深入地研究了利用面向对 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 象技术对配置领域进行概念建模的方法，提出了由元模型、配置模型、对象模型组 成的三层建模框架，建立了可重用的产品配置模型，较全面地表达了产品结构和部 件间约束。在推理求解配置问题阶段，将配置模型编码成 Dynamic CSP，并针对文 献16、17的不足，提出了对于部件泛化关系、组成关系、基数问题、资源约束等 的编码方法，较好地满足了对于复杂技术系统的编码要求。此外，本文还尝试了将 离散数学中幂集的概念应用到映射算法中，给出了基于幂集的映射算法。此外，针 对 DCSP 问题，设计了一种回溯算法 Extended backtracking algorithm, EBT，并给出 了该算法的推理过程。最后本文以苏州金龙客车公司的客车配置为案例，设计了客 车产品配置原型系统，验证了算法的有效性和可行性。 1.5 本章小结 本章回顾了制造业历经的主要生产模式，介绍了为了应对现代化的市场需求， 应运而生的大规模定制的生产模式，进一步地阐述了产品配置技术作为大规模定制 的核心使能技术之一的重要性以及基本概念。针对产品配置技术，回顾了国内外学 术界的相关研究成果，得到了如下结论：配置建模技术是近年来产品配置领域的重 要研究方面， 而约束推理技术可以很好的建模配置推理过程， 将两者结合起来考虑， 可以同时实现两者的优势互补， 设计出更加完美的配置工具。 为实现这一研究思路， 最后给出了本论文的主要研究内容，即 OO-DCSP 产品配置方法。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 第 11 页 2 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 2.1 苏州金龙客车公司的产品配置现状 本论文的 OO-DCSP 方法是在对苏州某客车公司的客车配置实际应用进行深入 调研，针对其产品配置过程所遇到的问题而提出。该公司所生产的客车产品完全符 合上述对于可配置产品的描述， 是典型的可配置产品： (1)其客车的销售-生产方式为 先销售后制造的小批量生产。公司的销售部首先与客户签订商务合同，该合同中明 确规定了客户对于所需产品的各种个性化需求以及技术要求。公司技术部门针对合 同内容进行技术评审，通过后再转化成生产订单进行制造。其制造过程则是在通用 车型的基础上针对客户需求进行改造，最终得到符合客车制造要求和客户要求的成 品车。 (2)通过市场部门的调研后，公司会不定时地推出新的车系，该车系的设计 结果往往是针对特定客户群的标准配置清单、可替换的部件目录以及在通用汽车结 构基础上的某些特定装配技术要求 (3)该公司的主要业务为客车装配，大多数所需 部件均通过外协厂家进行提供，客车的制造过程并不涉及新的部件的设计，而是结 合客户需求对客车部件进行装配。(4)公司业务流程大致为客户录单-技术评审-生产 制造交付。该过程为日常设计过程。 目前，国内外的客车制造方式基本都是这种基于可配置产品的装配，其设计制 造过程是典型的产品配置，原因在于： (1) 客户历史原因。客车用户多为公交公司或者专业的旅游公司，由于其长时间使 用某种客车部件， (例如康明斯牌的发动机)自然对该部件的性能、 维修方法相当 了解，而且使用过程中效果良好，因此，再次订单的时候会选择继续使用该部 件。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 第 12 页 (2) 利益驱动的原因。诸如公交公司之类的客车用户通常都有自己独立的长期合作 的零部件供销商，从而得到供销商的折扣以降低运营成本，因此，他们在定制 新的客车的时候，往往会选择直接指定这些供销商的零部件，而不选择客车制 造方提供的标准配置。 (3) 客车用户通常都是十分熟悉客车结构的专业运营公司，例如公交公司一般都有 专门的技术部门用于购买、维修客车。因此，客户可以给出十分具体而细致的 配置要求，其中存在某些纯粹的个性化的需要。这一点与普通轿车的客户群通 常并不深入了解轿车技术是完全不同的。 (4) 针对出口车，还必须满足出口目的国所规定的相关法律。 上述四点原因决定了客车行业是客户个性化需求为主导的制造行业。针对客车 行业的这种现状，客车制造公司所采用的客车设计方式正是基于产品族的产品配置 方式，即在不违反产品族设计时所规定的各种技术约束的前提下，通过对产品族的 通用结构进行修改，从而满足客户需求。 (5) 从生产的角度，客车的制造生产方式大大不同于一般轿车的生产方式，其生产 的自动化程度比较低，其零部件多为从外协厂或客户指定销售商处购买，制造 过程则主要是按事先设计好的技术路线进行人工装配。这种制造方式是产品配 置设计得以应用的基础。 上述五点原因综合起来决定了客车行业采用产品配置为其主要的设计方式。进 一步地，由于客户需求涉及数量众多的零部件和复杂的细节要求，而制造商也存在 大量、复杂的配置技术约束，因此，针对客户订单核实、技术审查等流程，企业现 状为多部门协调，依靠个人经验来手工检测约束，从而导致如下两个问题： （1）由 于客户、制造商各部门间都采用各自的，往往不相同的自然语言表达配置知识，常 造成语义不确定。 （2）约束的数量十分庞大，手工检测工作效率低下而且时常容易 出错，导致重大生产事故。若采用合理的建模方法，使用统一的建模语言以表达产 品数据，并自动化地检测约束，则可以缩短产品实例的销售-交付时间，提高企业生 产效率，降低事故率。因此，以该公司为代表的客车制造业确实需要合理的产品配 上海交通大学硕士学位论文 第二章 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 第 13 页 置方法建模配置知识并推理配置过程。 本文所提出的方法主要应用于公司销售、技术中心等部门的客户订单制作及订 单评审。所提出的概念模型较好地解决了上述问题（1） 。此外，由于采用面向对象 的方法，强调了模型的可重用性，一方面可以使企业在产品更新换代时可以缩短建 模过程；另一方面，可重用性使得该方法同样也可以用于建模其他产品，这也是本 文最初可以使用计算机配置阐述方法的根本原因。针对约束推理部分，DCSP 的方 法可以自动推理得到配置解，若存在技术干涉，则会无解，并提示所触发的约束， 从而为解决问题 （2） 提供了方法。 综上所述， 所提出的方法较好地应用于客车行业， 此外， 由于我们在理论层面上强调了概念模型的可重用性以及推理工具的可移植性， 从而还使得所提出的方法也能较好地适用于其他的可配置产品。 2.2 OO-DCSP 方法框架 以产品配置为主导的企业，在实际运作中，产品从客户下订单，制造商技术审 查到最后产品下线，通常是多个部门协调作业。各部门以及客户往往都是采用自然 语言表达配置知识，常造成语义不确定的问题。其次，在日益激烈的竞争环境下， 产品在其生命周期中的进化、更新日益频繁。因此，建立可重用的产品配置模型， 对于维护和扩展领域知识库极其重要。此外，一个真实产品的配置通常涉及到大量 约束的检测，如果依赖经验进行手工检测约束干涉情况，不仅工作效率低下而且时 常容易出错，导致重大生产事故。若采用合理的建模方法，使用统一的建模语言可 重用地表达产品数据，并自动化地推理配置过程，则可以缩短产品实例的销售-交付 时间，提高企业生产效率，降低事故率。针对企业在产品配置过程所遇到的上述问 题，本文提出了面向对象的产品配置概念建模及约束推理方法（Object-oriented modeling and Dynamic CSP Reasoning, OO-DCSP） 。 针对产品配置的概念建模，所提出的 OO 建模方法如图 2-1 所示。该方法分为 元模型层、配置模型层、对象模型层三个建模层次。图 1 中的最上层是元模型层， 上海交通大学硕士学位论文 第二章 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 第 14 页 其定义的概念和关系规定了配置模型建模元素的语义。中间层为配置模型层，它针 对应用领域，继承或者实例化元模型中的概念和关系，并充分利用面向对象技术的 诸如封装、继承、多态等抽象机制，从而建立起可重用的配置模型。最底层是对象 模型层，它实例化了配置模型，表达了具体的数据信息，在配置领域，即为一个具 体的配置解。 图 2-1 概念建模体系 Fig. 2-1 Conceptual Modelling Architecture 利用 OO 方法建立的配置模型需要结合一定的推理机制来完成自动化推理求解。 为此，我们将配置模型映射成 Dynamic CSP。该约束推理求解部分主要包括以下两 个主要步骤： （1）模型映射阶段。利用我们所提出的映射规则将配置模型编码成基 于 DCSP 的计算模型；（2） 计算模型求解阶段。 利用所设计的 EBT 算法以求解 DCSP。 上述 OO-DCSP 方法框架如图 2-2 示。 图 2-2 OO-DCSP 方法框架 Fig. 2-2 OO-DCSP Framework 上海交通大学硕士学位论文 第二章 问题提出与 OO-DCSP 方法框架 第 15 页 2.3 本章小结 本章详细阐述了苏州金龙客车公司所存在的手工配置方式对于产品配置过程的 不足之处，针对它存在的语义模糊，约束检验错误率高等问题，本文提出了 OO_DCSP 配置方法，将配置建模和约束推理两者结合起来。首先利用面向对象的 建模技术对配置问题进行建模，然后将上层建模结果映射成为基于 DCSP 的计算模 型以求解，下一章，将重点介绍本文所提出的建模方法。 上海交通大学硕士学位论文 第三章 产品配置的概念建模 第 16 页 3 产品配置的概念建模 概念建模是一个旨在理解和交流的对客观世界进行形式化描述的活动27。它通 过定义一整套建模元素(formal notations)，并规定这些元素的语义，从而高效、简洁 地描述所关心的客观世界，最终帮助人们进行理解和交流，这一过程也可以看做是 一个信息系统的知识表示(knowledge representation)过程。具体到本文所研究的产品 配置领域，我们提出了一个基于面向对象技术的概念建模方法，其目的正是要对配 置设计进行可重用的知识表示。这一章，我们将针对图 2-1 所示的概念建模框架， 详细阐述本文建模方法的建模元素以及利用该方法进行产品配置建模的过程。 3.1 产品配置元模型 元模型中的建模元素包括类和类之间关系，为了提高模型的通用性和表达力， 该模型中的元素综合了前人的研究成果，此外，本文详细定义了他们的语义，避免 了在实际配置中的设计歧义。以 E-R 图形式表示的元模型如图 3-1 所示。在图 3-1 中， 元模型以部件、 端口为核心概念类， 类之间利用 Isa 关系和 Has.关系进行组织， 其所定义的主要概念类和关系将在以下详细阐述。 3.1.1 产品配置元模型中的类 核心对象类 （CoreObject class） ： 该类定义了一个抽象数据类型， 他是包括产品、 部件、端口、属性在内的所有类的共同超类，在该类中，定义了 information，name 等属性用于描述类的一般信息和唯一的名称。 部件类（Component class） ：描述了构成产品的零部件。它可以是不可再分的原 子零件，也可以是几个零件相互组合而成的装配体。对于一个部件类型，需要描述 上海交通大学硕士学位论文 第三章 产品配置的概念建模 第 17 页 其基数类型(Cardinality)、所拥有的属性（attribute or property） 、端口（port） 、 资源（resource） 、约束（constraint） 。对于存在泛化关系或整体部分关系的部件，要 描述该部件的父子类名称或上下级部件名称。 产品类（Product class） ：描述了需要配置的产品，例如计算机、客车。在实际 配置中，产品可以作为一个