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客户驱动的大批量定制设计系统研究 摘要 产品配置设计是大批量定制的关键环节，由于客户需求多样性、不确定性 和配置规则的复杂性，使得配置过程复杂繁琐。因此，对产品配置设计系统进 行完整的数学建模非常重要。 论文在对大批量定制生产模式的理论研究和实际应用现状进行了广泛调研 和分析的基础上，提出了基于客户驱动的大批量定制设计系统，对大批量定制 的核心过程一一产品配置设计进行了全过程建模。论文首先建立了与知识库绑 定而与实例分离的多级分层的产品结构模型，根据大批量定制的特点提出了参 数创成式模块化设计方法。提出了客户驱动的概念，通过客户需求分析、驱动 参数映射模型和参数描述格式，建立了客户驱动模型，增强了客户在产品定制 设计中的驱动能力。设计了用于参数表达的开放式编码规则，定义了匹配程度 函数法。采用框架理论对产品配置平台进行建模，由基于框架网络的推理、匹 配程度函数法、模糊理论和t o p s i s 法对配置和评价过程分阶段建模，最终实 现了配置设计系统的完整数学模型。 关键词：大批量定制，产品配置，客户驱动，模块化设计，参数映射 d e s i g ns y s t e m f o rc u s t o m e r - d r i v em a s sc u s t o m i z a t i o n a b s t r a c t p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，t h ed e s i g ns y s t e mf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ( m c ) ，i so n e o ft h ek e ys t a g e si nm c a sar e s u l to ft h ed i v e r s i t ya n du n c e r t a i n t yo fc u s t o m e r o r d e ra n dt h ec o m p l e x i t yo fc o n f i g u r a t i o nr u l e s ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nb e c o m e st o b ead i f f i c u l tp r o c e s sf o rm a n k i n dh a n d l i n g t h e r e f o r e ，t ob u i l du pa ni n t e g r a t i v e d i g i t a lm o d e l f b rm c d e s i g ns y s t e mi so fg r e a ti m p o r t a n c e b a s e do n c o m p r e h e n s i v es u r v e y s o fm a s sc u s t o m i z a t i o n t h e o r y a n di t s a p p l i c a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sad e s i g ns y s t e mf b rc u s t o m e r - d r i v em a s s c u s t o m i z a t i o n ( c d m c ) a n dc a r r i e s o u tt h er e s e a r c hw o r ko fi t s d i g i t a l i z a t i o n f i r s t l yt h ed i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t sap r o d u c t s t r u c t u r em o d e l ( p s m ) t h a ti sc o m b i n e d w i t hc o n f i g u r a t i o nk n o w l e d g ea n ds e p a r a t e dw i t hr e a lp a r t s t h e na c c o f d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fm c ，i tp u t sf o r w a r dap a r a m e t e rb u i l tm o d u l a rd e s i g nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dt h ec o n c e p to f c u s t o m e rd r i v e n b a s e d o nc u s t o m e ro r d e ra n a l y s i s ，p a r a m e t e rm a p p i n ga n di t sd e s c r i p t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e sac u s t o m e rd r i v em o d e l ，w h i c hs t r e n g t h e nt h er o l e o fc u s t o m e ri nm c p r o d u c td e s i g n f o l l o w e db y ，i td e v e l o p s a ni n s t i t u t i o no fe n c o d er e g u l a t i o no n m o d u l e p r o p e r t i e s a n dd e n n e sa m a t c h i n g e x t e n ta l g o r i m m f o re s t i m a t i o no f i n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t y i nt h ee n d ，w i t he m p l o y i n gf r a m et h e o r yt od i g i t a l i z et h e c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ，i t i n t r o d u c e sf r a m e w o r k - b a s e dr e a s o n i n g ，m a t c h i n g e x t e n t e s t i m a t i o nf u n c t i o n ，f u z z yt h e o r ya n dt o p s i sm e t h o dt od i f k r e n ts t a g e s m o d e l i n g o fc o n 矗g u r a t i o na n dc o n s e q u e n n yr e a l i z e st h ef u l l s c “e m o d e i i n g f o rc d m c d e s i g ns y s t e m k e y w o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ( m c ) ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，c u s t o m e rd r i v e n ， m o d u l a rd e s i g n ，p a r a m e t e rm a p p i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 勿 但 、札 图2 1 图2 2 图2 。3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 插图清单 c d m c 设计的总体框架8 传统的f b s 模型9 c d m c 产品求解模型9 产品结构模型( p s m ) 原理图1 1 行为结构树模型示倒1 2 p s m 信息模型的总体结构1 2 模块系统创建2 1 参数创成式模块化设计流程2 2 0 f d 质量屋模型2 5 客户需求描述2 6 客户需求与产品数据的联系2 7 驱动参数描述格式的组成2 8 客户驱动参数映射模型2 8 设计需求多级映射。2 9 矩阵向量：3 0 开放式编码结构，3 l 编码规则3 2 范围值属性码的编码规则3 3 码段结构定义逻辑图：，3 3 客户驱动的产品配置过程3 7 产品配置规划模型3 8 客户驱动的产品配置设计总体结构4 0 产品配置设计总流程图4 1 产品类框架方案建模流程图4 3 方案配置流程图一4 8 产品配置评价模型5 3 表 表 表 表 模块编码结构模型 产品编码结构模型 客户需求分类 编码定义示例 表格清单 2 3 2 3 2 6 4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 沫荡 签字日期：2 | 母年 月卵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒世王业态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和借阅。本人授权盒 起兰些左堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 裳荡 签字日期：2 以年 月巧日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：辱u 弦 p 签字日期：幻妒年p 月呷日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师陈心昭教授的悉心指导下完成的。从论文选题、资料收集 到最终论文的架构以及写作等方面，无不凝聚着陈老师的心血。在近三年的研 究生学习期间，陈老师不仅传道、授业、解惑，更教给了我科研的一整套严谨 方法。陈老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力以及实事求是、 勇于创新的科研精神是我终生学习的楷模。在此谨向陈老师致以衷心的感谢和 崇高的敬意! 衷心地感谢张建军老师。感谢张老师对我在课题和研究工作方面的全力支 持和鼎立相助，尤其感谢他对我论文写作过程的耐心指导，对本论文提出的诸 多宝贵意见和建议。 衷心感谢三年来一直关心我、培养我的韩江洪老师和张利老师。感谓 他们 对我的工作、学习给予的极大支持和鼓励，我讲牢记他们的悉心教诲。感谢洛 阳轴承研究所的吴宗彦教授、王玉金教授对我课题上的支持和指导。 衷心感谢噪声振动工程研究所的刘正士老师、陈剑老师、毕传兴老师和李 卫兵同学。衷心感谢机汽学院的赵韩院长、林巨广老师和刘志峰老师。感谢他 们对我整个硕士研究生学习期间给予的大力支持和帮助。 感谢信息电器实验室的魏振春老师、王跃飞老师和方平同学对我学习上的 指导和帮助，感谢石小兰、江波、毕翔、路强等同学对我在实验室学习期间给 予的帮助和工作上的协助。感谢戚云徽和张良同学对我的帮助。 特别感谢我的父母、男朋友和家人长期以来对我的支持和无私的付出。 最后，我还要对合肥工业大学传授我知识的老师们，汽车技术研究院的领 导和老师，噪声振动工程研究所的领导和老师，微型计算机研究所的领导和老 师，机械与汽车工程学院的领导和老师，研究生部的领导和老师，以及其他帮 助和支持过我的朋友们表示诚挚的谢意! 作者：朱芸 2 0 0 5 年4 月 1 1 课题的背景 第一章绪论 1 9 7 0 年，a l v i n t o m e r 在其f u t u r e s h o c k 书中提出了一种以类似于标 准化或大批量生产的成本和时间，提供满足顾客特定需求的产品和服务的生产 模式的设想。1 9 8 7 年，s t a n d a v i s 在f u t u r e p e r f e c t 中首次将这种生产模式称 为大批量定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 。1 9 9 2 年，美国策略前景l l p 公司 创始人j o s e p hp i n ei i 在其大规模定制一一商业竞争的新前沿( m a s s c u s t o m i z a t i o n - t h en e wf r o n t i e ri nb u s i n e s sc o m p e t i t i o n ) 一书中对大批量定制的 内容进行了完整的描述。2 0 0 0 年，华盛顿大学的个专家组将m c 视为2 1 世 纪的十大最具有突破性的技术之一，之后大批量定制生产的研究一直是国内外 学术界研究的热点。【】“列 大批量定制的基本思想是：将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造 过程的重组全部或部分转化为批量生产。对客户而言，所得到的产品是定制的、 个性化的；对企业而言，该产品是采用大批量生产方式制造的成熟产品。m c 是根据每个客户的特殊需求以大批薰生产的效率提供定制产品的一种生产模 式，它把大批量与定制这两个看似矛盾的方面有机地综合在一起，实现了客户 的个性化和大批量生产的有机结合。【l 3 】 国内外学者分别从不同角度，运用不同方法对大批量定制问题进行研究， 如，从产品设计方法学上，从企业生产的组织上，从定制产品的成本分析上等， 但从籀体上看，尚未形成完整的系统模型。 1 2 大批量定制基本概念 大批量定制是一个看似矛盾的概念，因为它是由以前认为不可调和的两个 概念组成的：大批量生产和个性化定制。长久以来，人们一直在这两者之间进 行着艰难的选择与权衡：要么提供大批量生产的标准化、低成本的产品或服务， 要么以高成本和较长生产周期为代价获取客户化的或高度差异化的小规模生产 的产品或服务。二者之间只能选一。对传统的大批量生产企业来说，在试图定 制产品的时候，额外的成本和时间的延误几乎是不可避免的。而如今传统的标 准化的大批量生产方式由于产品的单调性已经不能满足市场多样化需求，而传 统的定制生产方式虽然使个性化得以满足，但其高额成本和漫长的交货时间却 使客户望而却步。制造企业越来越清楚地认识到，要获得成功必须引入新的技 术、新的制造模式和新的管理方法，采取能够兼顾效益和需求的企业策略，理 解并满足客户不断增长的多样化愿望和要求，同时保证产品的低成本，有效地 为每一个客户提供个性化服务。 针对这种状况，企业可采取的对策主要有两种：一是提供更多品种的产品， 一是根据用户的特定要求生产定制的产品。 显然采用第一种方式不能从根本上解决问题。由于用户需求越来越多样和 难以预测，第一种方法需要占用企业更多的流动资金，更大的设计研发成本， 同时对企业把握市场动态的灵敏性要求非常高，一旦对市场预测稍有差错就可 能会带来严重的库存积压问题。 第二种方法主要通过对顾客需求进行快速反应，并进而力求以较低成本生 产出让顾客满意的定制产品，这种方法对客户、市场、技术、管理的要求较高。 但可以预见，随着社会发展，这些条件都是可以具备的，而且在目前的市场环 境下，在某些领域某些行业己经具备了这些条件。实施这种方法可以有效降低 产品生产的成本，以顾客可以接受的交货时间和价格，为顾客提供定制或个性 化的产品，既赢得顾客又能有效的实现企业的市场竞争目标的生产和销售。 随着计算机技术和互联网的兴起和快速发展，用大批量生产的低成本来满 足客户个性化需求将成为可能，使大批量和定制由不可调和的矛盾转为和谐统 一。大批量定制综合了大批量生产的低成本与定制生产的个性化优势，其基本 特点是：通过产品结构和制造过程的重组，运用现代信息技术、先进产品设计 技术、柔性制造技术等手段，把定制生产问题转化为或部分转化为批量生产问 题i l ，使企业以大批量生产的成本和效率，为单个客户或小批量多品种市场提 供定制的产品。 大批量定制自提出以来，在各个领域得到了广泛的关注，正在逐步成为信 息时代企业的熏要生产模式之一【”】。 1 3 大批量定制生产模式的研究现状 大批量定制实施策略是一个战略性的问题。原因在于，方面它的取向正 确与否关系到该策略最终能否符合市场与社会需求，从而能够帮助企业成功地 提高附加值和增强竞争能力；另一方面它涉及到未来研究的重点，以及要解决 的关键技术问题。目前大批量定制的研究方向可以划分为构成型定制、选择型 定制和核心型定制。 ( 1 ) 构成型定制：它发生在产品配送阶段，即在标准产品上加上特定的附 件形成有特性的产品，由零售商或配送机构来实现定制，定制还包括如保险、 会员等的定制服务。这是一种操作上比较简单的形式，但是对产品有一定的局 限性，适于那些可以在产品后期进行简单装配的产品。 ( 2 ) 选择型定制：它是指在制造阶段引入定制，产品部件的设计可能是标 准的，按照用户选择的不同选项来组装生成定制的产品。也有研究者把选择型 2 定制分为面向订单的装配与面向订单的制造两部分，但其本质都是强调基于某 一产品族的产品配置。 ( 3 ) 核心型定制：它是指在设计阶段的开始就引入定制，相应地，在制造 阶段和产品配送阶段也都是定制的。 目前，对于大批量定制的研究，有一种趋势主张尽量利用选择型定制，尤 其是面向装配的选择型定制来满足用户的定制要求，即根据市场预测，在基础 产品族平台的基础上，对零部件进行重新配置和变形，为客户提供个性化的产 品。选择型定制的核心是面向大批量定制的设计( d f m c ) 。d f m c 研究以面 向产品族的平台为基础，产品族具有基本的使用功能，任何产品的变形都可以 重用它，其设计目标是尽可能地设计出标准接口，并限定形状和尺寸的结构， 能最大限度地改变产品的感官和功能，但在制造方面却没有本质差别，仍然可 以在一条生产线上生产。它强调用设计过程与制造过程的分离，来减少制造时 间和降低成本。另一种研究趋势是把大批量定制作为敏捷制造的完美发展。敏 捷制造是1 9 9 4 年l e h i 曲大学在2 l 世纪的制造企业战略研究报告中正式提 出的。敏捷制造指的是制造企业能够把握市场机遇，及时动态地重组生产系统， 用最短时间向市场推出最有利润的、用户认可的、高质量的产品，其发展的最 终结果是实现大批量定制的生产模式【i “。目前，这方面的研究多偏重于后勤和 管理，如l e h 谵h 大学的制造后勤研究所着重于制造后勤的研究【1 7 ；密西根大 学的v c a p l l 8 】价值链分析项目中心着重于j i t 的应用及实现m c 准时后勤的研 究；美国s o c e 并行工程研究协会f i9 l 提出了“敏捷产品开发”的概念。但是， 在m c 的总体实施问题上尚未见全面、系统的研究。 1 4 大批量定制的基本策略 大批量定制生产模式有效运作的前提是对产品和过程进行重新设计。其基 本思路在于：将定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转 化为批量生产，尽量减少定制零部件数和定制环节数。因此，其基本策略是： ( 1 ) 采用面向大批量定制的设计方法( d f m c ) 【2 ，在产品设计中融入模块化 设计思想，采用标准化模块、零部件，减少定制模块和定制零部件的数量；( 2 ) 在制造过程中，采用延迟( p o s t p o n e m e n t ) 策略1 2 ij ，推迟定制活动开始时间， 尽量采用标准的生产环节，减少定制环节。 d f m c 针对一个产品族构建产品模型，该模型是一个可覆盖产品类中既定 型号和规格变化的动态模型。而不是某个具体的产品模型。面向大批量定制的 产品模型，可根据客户订单的需要进行变型，快速形成定制产品的具体参数。 d f m c 需要现代信息技术和设计技术的支持，其基本的设计原理为模块化设计。 该设计是指把产品的结构设计成许多相互独立的模块，各模块可以容易地装配 成不同形式的产品。因此，模块化设计有效地结合了产品的多变性与零部件的 标准化，充分利用规模经济和范围经济的效应。在产品设计中，模块化水平越 高，定制产品中模块和零部件的标准化程度也越高，大批量定制生产利用批量 生产优势的可能性也越大。 延迟策略指把产品的定制活动推移到供应链的下游进行。生产过程中定制 活动开始的点，称为客户订单分离点( c o d p ) 或定制分离点。定制点分离前 的环节主要是大批量生产方式，定制分离点之后的环节主要是定制方式，也即 是分离点之前为通用解决方案，分离点之后为客户化解决方案。按照客户需求 对企业生产活动影响程度的不同，即c o d p 在企业生产过程中位置的不同，可 以将大批量定制分成以下四种类型。 ( 1 ) 按定单销售( s a l e - t o o r d e r ，s t o ) 按定单销售又可称为库存生产 ( m a k e - t o - s t o c k ，m t s ) 方式，这是一种大批量生产( m a s s p r o d u c t i o n ，m p ) 方式。在 这种生产方式中，只有销售活动是由客户订货驱动的。如日常生活用品、家用 电器等。 ( 2 ) 按定单装配( a s s e m b l e - t o - o r d e r ，a t o )按定单装配是指接到客户定单 后，将企业中已有的零部件经过再配置后向客户提供定制产品的生产方式，如 模块化的汽车、个人计算机等。在这种生产方式中，装配活动及其下游的活动 是由客户订货驱动的。 ( 3 ) 按定单制造( m a k e t o o r d e r ，m t o )按定单制造是指接到客户定单后， 在已有零部件的基础上进行变型设计、制造和装配，最终向客户提供定制产品 的生产方式，大部分机械产品属于此类生产方式。在这种生产方式中，变型设 计及其下游的活动是由客户订货驱动的。 ( 4 ) 按定单设计( e n g i n e e r - t o o r d e r ，e t o ) 按定单设计是指根据客户定单中 的特殊需求，重新设计能满足特殊需求的新零部件或整个产品，在此基础上， 向客户提供定制产品的生产方式，如化工装备等大型装置的制造。在这种生产 方式中，开发设计及其下游的活动是由客户订货驱动的。 目前大批量定制是依靠将定制点尽可能向生产过程的下游移动来实现，通 过延迟c o d p ，可以降低制造过程的复杂程度，减少供应链的不确定性，以及 降低成品库存，缩短定制时间，减少由于客户订单中的特殊需求而在设计、制 造及装配等环节中增加的各种费用。 1 5 大批量定制的关键技术 大批量定制的实现建立在从产品到过程的全面优化的基础之上，它不仅依 赖于企业内部的设计方法和制造策略的优化，还依赖于企业间的协同，以充分 利用社会化资源，并需要各种先进制造技术、信息技术及与之相适应的各种先 进管理思想和组织原则的支持。 因此，大批量定制的实施离不开这样几方面的支撑：客户差异化需求采集、 4 先进产品设计技术、供应链管理、先进信息技术等。 目前大批量定制的关键技术主要集中在以下几方面： ( 1 ) 批量定制生产过程调度和重组； ( 2 ) 产品设计、制造、销售、客户管理的快速响应性和柔性； ( 3 ) 面向大批量定制的产品设计方法：模块化设计、面向产品族设计、后 延设计等： ( 4 ) 大批量定制的产品配置： ( 5 ) 大批量定制产品的成本分析和控制。 1 6 论文的选题与研究内容 1 6 1 论文选题意义 随着市场竞争的日益激烈和客户需求多样化、个性化的发展，以大批量生 产的低成本和高效率向客户提供定制产品和服务的大批量定制( m c ，m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 2 2 】生产模式已经成为制造业发展的主流模式【2 3 】。其中，产品配 置是大批量定制的产品设计形式，以客户驱动的产品配置方式是目前实现大批 量定制生产的首选途径。因此，本文立论于客户驱动的大批量定制生产的核心 过程一一产品配置设计。 由于客户需求的多样性、不确定性和配置规则的复杂性，使得产品配置成 为一个非常复杂和繁琐的过程，对配置人员的要求非常高，尤其是像汽车这样 的复杂产品。因而，产品配置过程智能化成为了m c 的重要研究方向，而产品 设计的弱理论性和经验性也使得配置过程数学建模相对困难和复杂。目前虽然 已经有很多学者对大批量定制生产及产品配置做了大量研究，提出了很多建设 性的方法，但主要都是针对配置设计的局部进行建模，而对配置设计系统整体 的量化解决方案的探讨仍比较欠缺。因此，本文研究的目标是建立起产品配置 设计全过程的数学求解模式，为产品配置设计智能化寻求可行的方案。 论文的研究工作是江淮一合肥工业大学汽车技术研究院二期项目“汽车模 块化设计及客户化产品定制系统的研制开发”和国家计委产业化前期攻关资助 项目“高精度轴承磨床模块化设计与造型c a d ”( 计高技 1 9 9 8 】1 8 1 9 ) 重要的 组成部分。 1 6 2 本文主要研究内容与安排 本文在广泛调研的基础上分析了大批量定制生产模式的理论研究和实际应 用现状，根据市场需求趋势针对具有模块化特性的大批量定制问题，建立了以 客户驱动为主线的大批量定制设计系统。重点研究了基于客户需求的大批量定 制产品结构模型，参数创成式模块化设计方法，客户需求信息的提取和表达模 型和开放式编码规则，并在此基础上建立了客户驱动的产品配置过程及评价规 则的数学模型。该模型目前正用于项目的原型系统开发中。论文内容安排如下： ( 1 ) 绪论 论文第一章对课题的背景、来源和论文的选题意义及研究内容做了介绍， 对大批量定制的基本理论和当今国内外大批量定制设计的研究现状做出了总 结。鉴于产品配置设计系统在大批量定制生产中的重要地位和大批量定制设计 系统智能化的必要性以及目前对量化设计系统研究的不足，论文针对制造行业， 提出了对基于客户驱动的大批量定制设计系统进行量化建模的重要性。 ( 2 ) 客户驱动的大批量定制设计系统总体结构 传统制造企业中设计任务都是由设计人员完成的，企业要从传统的大批量 生产方式向大批量定制生产方式转变，要建立智能化的、高效的产品设计新模 式，必须对企业产品结构和已有的成型产品、零部件及其相关信息的管理进行 重新规划，并在此基础上建立起产品配置生产的新机制。 作为产品配置设计的前提和基础，企业产品结构的好坏将直接影响整个配 置设计系统求解能否顺利完成和设计结果是否有效。所以，论文在第二章中首 先对客户驱动的大批量定制企业的产品结构进行了规划和建模，提出了适合大 批量定制的、与知识库绑定而与实例分离的多级分层的产品结构模型。 ( 3 ) 面向客户驱动的大批量定制的模块化设计方法 低成本、高效率的大批量定制生产需要有一种能够快速响应的产品设计方 法来支持，以模块化设计为基本设计方法的产品族设计模式是m c 企业的理想 选择。论文第三章首先分析了大批量定制中采用模块化设计方法的优点和意义， 然后对现有的模块化设计理论进行了建模分析。为了提高大批量定制的产品配 置效率，使配置结果更接近客户需求，在深入分析传统模块化设计和广义模块 化设计的基础上，本文提出了更适合于客户驱动的大批量定制的参数创成式模 块化设计方法。 ( 4 ) 大批量定制的客户驱动模型 客户的个性化需求是m c 产品配置的源动力和目标。为了更好地体现客户 在产品配置过程中的驱动和约束作用，论文在第四章提出了产品配置的客户驱 动模型，在客户需求分析的基础上对客户需求信息提取、客户驱动参数的映射 模型和描述格式做了具体研究和探讨，并参考成组技术建立了表达特性参数的 开放式编码规则，为计算机化信息表达和数学匹配算法的实现奠定了基础。 论文第二、三、四章为客户驱动的大批量定制产品配置设计的数学求解提 供了良好且完备的量化环境。 ( 5 ) 客户驱动的大批量定制的产品配置研究 有了上述内容的铺垫和准备，论文在第五章对配置设计全过程的数学求解 方案进行了研究。首先通过分析虚拟模块的判别机制建立了扩展虚拟模块的广 义产品配置模型并对其进行框架网络的数学建模，然后对产品配置设计过程分 阶段进行量化求解。 ( 6 ) 结论与展望 在最后一章中，对论文的工作进行了总结，并对有待进一步研究的问题做 了展望。 第二章大批量定制设计系统总体结构 2 1 客户驱动的大批量定制( c d m c ) 设计系统总体结构 各种新技术的广泛应用，使市场竞争目趋剧烈，也使消赞者的观念不断变 化一一追求产品的多样化、个性化已逐渐成为消费的主流。市场的动态多变以 及剧烈的竞争迫使企业改变经营策略。而大批量定制是一种全新的企业生产经 营模式。大批量定制的核心是以大批量生产的成本和速度生产满足客户个性化 需求的产品，对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对企业而言， 该产品是采用大批量生产方式制造的成熟产品。在大批量定制生产过程中涉及 了生产组织、调度、各单元之间的协同、产品设计方法等许多方面。而客户要 求是m c 中产品定制设计的最初来源【“i ，更是指导产品定制的重要依据和贯串 产品定制始终的线索。 因此，本文提出的基于客户驱动的大批量定制( c d m c ) 设计系统中，首 先建立了基于m c 的多级分层的产品结构模型；然后对客户驱动参数映射进行 建模，强调客户需求对产品配置的驱动作用：同时，在现有产品实例模块的基 础上引入虚拟模块的概念，把现有产品模块库里没有的但该m c 企业有变型设 计和制造能力的可扩展模块引入产品配置模型，切实提高m c 企业的定制能力 和竞争实力。图2 1 所示是客户驱动的大批量定制设计的总体框架。 ! ：跫r，、，n 客户需求提取模型 驱动参数映射模型 驱动参数描述格式 客户驱动参数表达 成型产品库、原型模块库l 皇燮一j 0 禽 一厂弋 k ) 一 定制产品 图2 1c d m c 设计的总体框架 由于在客户驱动的大批量生产中要实现定制与低耗的统一，产品的设计开 发就不可能针对某一具体的产品，而必须面向某一类产品，满足某一范围内大 多数客户的需要。因此，在大批量定制设计中主要采用基于产品族的f b s ( f u n c t i o n b e h a v i o r s t r u c t u r e ) 建模方法【24 1 。这种f b s 模型是依据设计方法学 的知识，基于产品族的分类思想建立起来的一种认知框架模型，是大批量定制 设计中产品建模的理论基础，其结构如图2 2 所示。因此，本文提出的c d m c 设计系统的建模也采用f b s 框架。 客户需求 图2 2 传统的f b s 模型 客户在定制产品时，对产品提出的大多是一些功能和性能等方面的要求， 而最终希望获得的也正是这些定制要求能够最大程度地得以满足。因此，在本 文提出的c d m c 设计系统中，大批量定制生产以客户的定制要求为驱动和主 线，引入客户需求域。 在大批量定制设计过程中，m c 企业更关心的是如何通过具体的产品结构 形式来体现产品的功能需求，以满足客户的定制要求。由于在机械产品的结构 形式中，不同的结构形式对应不同的结构特性，本文采用特性参数来描述和区 别产品结构，在产品配置模型中引入特性参数域。特性参数域包括结合特性参 数域、技术特性参数域和制造特性参数域。其中，结合特性参数是指产品零部 件模块间的结合特性要求，如位置关系、配合类型和配合公差等级等互换性要 求：技术特性参数是指速度、功率等的技术参数或指标；制造特性参数是指与 制造和销售有关的如工装、工艺要求、库存等的特性参数。同时，产品配置设 计不是一个孤立的体系，它必须有产品结构知识库和配置规则知识库的支持， 以及与p d m 、c a d 以及e r p 等系统的集成。 在传统f b s 模型基础上，通过引入客户需求域和特性参数域，建立客户需 求域一功能域一行为域一结构域一特性参数域的c d m c 产品求解模型，如图 2 3 所示。 国吟国b 国d 图2 _ 3c d m c 产品求解模型 9 司匡鬯 在基于特征客户驱动的f b s 产品定制设计过程中，首先通过客户需求提取 模型获取准确、完备的客户定制信息，并由客户驱动参数映射模型将客户的定 制要求转化为对产品的功能、技术等设计要求并规范化表达，从而建立客户驱 动参数集，引入客户驱动，得到客户需求域。然后在产品配置设计平台上，根 据产品结构模型，按功能一行为一结构一特性参数进行逐层分解、选配所需模 块，并做适当变型设计以更好满足定制要求。其间，客户需求始终作为输入和 约束，驱动并指导着产品配置的全过程。 另外，只要在产品族的产品结构模型规划中有效区分已有模块和虚拟模块， 并做好成本分析，合理确定虚拟模块的相关属性和权值，在方案评价体系中引 入成本系数，虚拟模块便可以被方便地引入大批量定制设计模型，与已有模块 一样参与产品配置活动。 2 2 面向c d m c 的产品结构模型( p s m ) 就系统论的观点而言，大批量定制强调整体优化，通过重组企业的产品结 构和制造过程，充分合理地使用企业的内外部资源，达到以大批量生产的效率 提供定制产品的目的。因此，改造企业产品结构建立适于c d m c 的新的产品体 系是大批量定制设计的基础和前提。本文把面向c d m c 的产品结构模型( p s m ， p r o d u c ts t r u c t u r e m o d e l ) 规划为一个多级分层的产品功能，行为结构类体系，在 计算机化的产品定制中由复合树形结构来表达。p s m 的结构是综合了面向产品 族设计和模块化设计的模块系统划分得到的，它包括所有产品结构组合方式， 显示了m c 企业所能提供的定制产品的组成构架和变型能力，是产品智能配置 的依据和框架。 2 2 1p s m 的总体规划 如图2 。4 所示，产品结构模型不包含具体的产品或零部件，其各级节点提 供该级功能类的特征属性和配置约束规则，并与对应的成型产品库和零部件模 块库等类的实例建立链接索引。这种结构与实例分离的形式与面向对象程序设 计中类与类的实例的概念非常相似。在各级功能类节点下，根据m c 企业的实 际产品状况，建立分层的行为结构复合子树。复合予树各层节点提供对应的行 为结构特征属性和配置约束规则以及相应的模块库实例链接。产品智能配置过 程就是系统依据客户定制要求对产品结构模型中的有效类进行实例化的过程。 图2 4产品结构模型( p s m ) 原理图 由于客户提出的定制需求往往是对产品性能、外形尺寸、材质颜色和价格、 交货期等方面的整体概述，因此，客户需求经客户驱动参数模型的映射和转化 后得到的技术要求主要是产品功能技术指标。根据这一特点，p s m 树以功能为 主线来建立，即p s m 的纵向分级体系。同时，由设计方法学的知识可知，产品 的某一功能可以由多种行为，原理来实现，而不同的行为原理模型可以由不同 接口形式的结构来表达，如汽车的制动形式( 行为原理模型) 有气压制动，液 压制动，中央鼓式制动，弹簧储能制动等多种制动形式。如果p s m 只是由单一 的功能树构成，不区分模块组合的行为原理模型而将所有具有相同功能的模块 罗列在一个功能类节点下，在产品配置时极易出现模块间的组合爆炸问题【2 5 1 ， 导致系统瘫痪，尤其是像汽车这样的复杂产品。 因此，要实现最大限度地产品组合和高效地产品配置，产品结构模型树仅 由功能节点构成是不足的，必须与行为结构树( b s t ，b e h a v i o 卜s t r u c t u r e t r e e ) 进行复合。复合的行为结构树的数量由m c 企业的具体产品情况而定。 每个p s m 的功能节点下最多只能有一棵行为结构树，而每棵行为结构树的 根节点就是与之复合的功能类子节点。如图2 5 所示，b s t 的第一层子节点为 根节点功能类的各个行为原理解模型，节点提供原理属性和配爱约束规则。该 层节点不直接与实例相连，称为行为原理组；同一b s t 下的行为原理组实现 相同功能，具有相同的功能接口。行为，原理组的下一层节点为相应的实现结构 类，各个结构类也有各自的特征属性、配置约束规则，并与对应的模块系列实 例建立链接索引。每个结构类下的模块系列具有相同的装配接口形式，具有良 好的互换性。“功能类一行为原理组一结构类”这样的分层b s t 形式就构成 了p s m 的横向分层体系。 行为原理组 ( 功能接口一致) 结构类 模块系列链接 ( 接口形式一致) ( 薄板矫正机喂料分功能) ，7 7 0 i 石，巧獗霸。，等历a 喂料喂料置喂$ 耖7 丁 i 薹垂碜：簧黉i 二 - 7 7 一上、 f 诹料精jf 磅动筷ir。一i i 系列ii 块系列j i 。 l 图2 5行为结构树模型示例 横向分层、纵向分级，组成了可用于复杂产品智能配置的产品结构模型。 对于以模块化设计为基础的m c 企业来说，p s m 可以灵活方便地支持横系列模 块化设计和纵系列模块化设计。产品结构模型不是一成不变的，在m c 企业实 际生产过程中需要对模型不断地进行扩充和完善，使之更适用于定制生产和新 产品开发。 2 2 2p s m 的信息模型 由p s m 在产品定制设计中的重要性可知，p s m 的信息模型是计算机辅助 c d m c 设计系统的主数据模型，系统中各部分通过它进行通讯与数据交换，实 现设计过程中的数据共享。参考文献【2 6 】提出的模块数据模型，可以建立集成化 的面向对象的产品结构信息模型，其总体结构如图2 6 所示。 lp s m 信息模型j ll j l。 l 效用信息模型结构信息模型组成信息模型装配信息模型 管理信息模型规则信息模型运动信息模型 图2 6p s m 信息模型的总体结构 ( 1 ) 效用信息模型：反映节点镤块的主要功能、性能和作用，是节点创建、 模块选择的主要依据。 ( 2 ) 结构信息模型：反映节点模块的主要结构和特征要索。如：模块的外 形尺寸等。 ( 3 ) 组成信息模型：是组成节点的父类模块和子模块信息的集合，由一定 的空间位置描述和从属关系描述组成。 ( 4 ) 装配信息模型：描述节点模块结合面信息两方面的内容：接口面几何 特征( 接口面形式、接口面尺寸、接口面精度) 、联接特征( 联接形式、联接 尺寸) 。 ( 5 ) 规则信息模型：是指与节点模块的设计、选用、配置等相关的规则的 集合。 ( 6 ) 管理信息模型：主要包括节点名称、类型、型号、编码、成本等方面 的信息。 ( 7 ) 运动信息模型：主要表达模块的运动信息，为后续仿真设计提供相应 的数据。运动信息包括运动形式、运动速度、运动范围等。 2 2 3 p s m 的描述格式 p s m 是m c 企业的产品信息中枢，定义p s m 类节点描述格式的目的是使 产品信息表达规范化、标准化，即用一个具有充足信息的描述结构来唯一地标 识一个产品类节点，从而为后续产品配置的模块选择与综合，尤其是该过程的 计算机化提供必要的手段。在已实现模块化设计与管理的企业中，一个良好的 信息描述系统是实现以模块为单元组织生产的必要条件。从系统论的角度出发， p s m 的信息描述格式应遵循如下原则： ( 1 ) 唯一性：描述格式必须唯一地标识一个模块类节点，一个模块类只能 存在唯一的描述。 ( 2 ) 完整性：描述格式要尽可能完整地表达p s m 类节点的信息，要能满 足模块化设计与制造全过程的需求。包括模块的选择、组合以及模块化管理等。 ( 3 ) 简洁性：描述格式在满足需要的前提下应尽可能简洁。 ( 4 ) 易处理性：要便于计算机处理。 ( 5 ) 继承性：在m c 企业进行产品结构改造和模块化设计时，应考虑企业 实际情况，在满足模块化设计需要的前提下使描述格式对产品划分、管理等原 企业标准的改动最小。 换一个角度从形式上说，p s m 描述格式应包括如下信息： ( 1 ) 从属关系信息一一描述该模块类在产品族体系内的隶属关系。 ( 2 ) 特征信息一一描述模块类所具有的具体性能、结构等参数。 ( 3 ) 接口信息一一描述模块类对外接口的特征和参数。 ( 4 ) 规则信息一一描述模块类与设计、制造相关的约束规则和条件。 鉴于以上原则，对p s m 类节点中与配置相关的属性可以用面向对象的方式 来定义： q = ( d 尸， 昂) ， 啊， c ) ， 尸) ) 其中，仉代表产品类对象；0 用d 为类的标识，表示节点间的从属关系。 f r ) 为类节点的特征属性，即一组可以表征其主要特性的性能参数、动力 参数、几何参数和加工特性等。根据定义方式的不同，特征属性分为固有属性、 自由属性、关联属性和可扩展属性。固有属性，指节点类对象的有限定取值范 围的属性，如发动机有效功率、主减速器传动比、载重等，在定制时客户的需 求不能任意给定，必须是合理的。自由属性与固有属性相对，没有定义域，取 值在配置时根据客户需求或设计人员给定，如车身的颜色。关联属性为该