（机械制造及其自动化专业论文）加油车产品模块化配方法及关键技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 产品配置是实现定制型生产的核心内容，对其理论和实现方法的研究具有重 要的现实意义。本文结合企业项目需求和模块化设计思想，研究定制产品的模块 化配置技术。建立客户需求模型、模块化产品族模型、配置约束模型，并以此为 基础规划模块化配置模型，研究产品配置的相似度检索、约束求解和优化等关键 技术，最后将本文的研究成果应用到加油车产品的配置设计过程中，验证本文研 究成果的科学性和有效性。 论文的研究内容如下： 首先，介绍研究背景、研究现状、研究目的意义和主要内容，分析现有产品 配置设计存在的问题，给出全文的研究内容和组织框架。 其次，研究模块化配置方法，阐述客户需求模型和模块化产品族模型的构建 以及配置约束的表达。通过对多类型客户需求的分析，用结构矩阵树的描述形式 定义客户需求模型；将模块和模块化的概念引入产品结构的创建，建立起模块化 产品族模型；分别表达配置过程中涉及到的多种配置约束并建立约束网络模型。 以客户需求模型、模块化产品族模型和配置约束信息为基础，构建产品模块化配 置模型和配置流程。 再次，研究模块化配置的关键技术，包括客户需求向产品功能结构模型映射 的机制，基于相似度匹配的配置方案实例检索和模块实例检索，配置约束网络模 型的求解以及配置方案的多目标优化。 最后，进行模块化配置系统的开发规划，分析系统需求模型，建立系统的体 系架构，设计配置系统的功能，建立系统功能结构树，并从系统开发平台，开发 流程，数据库设计等方面说明该系统的开发，并结合工程项目实施，开发以加油 车产品为应用对象的产品模块化配置系统，验证本文研究成果的科学性和有效性。 关键词：模块化产品族，模块化配置，客户需求，约束求解，配置优化 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 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 ni st h ec o r eo ft h ec u s t o m i z e dp r o d u c t i o n r e s e a r c h i n gi t s t h e o r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o dh a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e c o m b i n i n gw i t h t h ep r o j e c tr e q u i r e m e n ta n dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em o d u l a r c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y o ft h ec u s t o m i z e d p r o d u c t i o n ，i n c l u d i n g o fc u s t o m e r r e q u i r e m e n tm o d e l ，m o d u l a rp r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nm o d e l ，c o n s t r a i n tm o d e l o n t h i s b a s i s ，t h i sp a p e rp l a n sm o d u l a rc o n f i g u r a t i o nm o d e l ，s t u d i e st h ep r o d u c t c o n f i g u r a t i o ns i m i l a r i t yr e t r i e v a l ，c o n s t r a i n ts o l v i n ga n do p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ea c h i e v e m e n t sa r ea p p l i e dt ot h et a n k e rv e h i c l ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n p r o c e s s ，v e n f yt h er e s e a r c hr e s u l t ss c i e n t i f i ca n de f f e c t i v e n e s s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，r e s e a r c hs t a t u s ，r e s e a r c h s i g n i f i c a n c ea n dt h em a i nc o n t e n t ， a n a l y s e s t h e e x i s t i n gp r o b l e m s o fp r o d u c t c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，a n dp r e s e n t s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n do r g a n i z a t i o n a l f r a m e w o r k 一 s e c o n d l y ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sm o d u l a rc o n f i g u r a t i o nm e t h o d ，e x p o u n d st h e c u s t o m e rr e q u i r e m e n tm o d e l ，m o d u l a rp r o d u c tf a m i l ym o d e la n dt h ec o n s t r a i n t e x p r e s s i o no fc o n f i g u r a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e m a n do fc u s t o m e rs c h e d u l e ， d e f i n e sc u s t o m e rr e q u i r e m e n tm o d e lw i t ht h es t r u c t u r em a t r i xd e s c r i p t i o n b u i l du pt h e m o d u l a rp r o d u c tf a m i l ym o d e lw i t hi n t r o d u c i n gt h em o d u l ea n dm o d u l a rc o n c e p tt ot h e c r e a t i o no f p r o d u c ts t r u c t u r e e x p r e s sc o n f i g u r a t i o np r o c e s si n v o l v i n gm u l t i p l e c o n f i g u r a t i o nc o n s t r a i n ta n de s t a b l i s ht h ec o n s t r a i n tn e t w o r km o d e l o nt h eb a s i so f c u s t o m e rd e m a n dm o d e l ，m o d u l a rp r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nm o d e la n dc o n s t r a i n t i n f o r m a t i o n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sm o d u l a rc o n f i g u r a t i o nm o d e la n dc o n f i g u r a t i o n p r o c e s s t h i r d l y ，t h i sp a p e rs t u d i e sk e yt e c h n o l o g yo ft h em o d u l ec o n f i g u r a t i o n ，i n c l u d i n g t h em e c h a n i s ma b o u tt h ec u s t o m e rn e e d sm a p p i n gt op r o d u c tf u n c t i o ns t r u c t u r em o d e l ， c o n f i g u r a t i o ne x a m p l e so fm a t c h i n gr e t r i e v a la n dm o d u l ei n s t a n c er e t r i e v a lb a s e do nt h e s i m i l a r i t y ，t h es o l v i n go ft h ec o n s t r a i n tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o nm o d e la n dt h em u l t i p l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e st h ed e v e l o p m e n tp l a n n i n gf o rm o d u l a rc o n f i g u r a t i o n s y s t e m a n a l y s e st h es y s t e md e m a n dm o d e l ，e s t a b l i s h e st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，d e s i g n s i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 c o n f i g u r a t i o ns y s t e mf u n c t i o n ，d e s c r i b e ss y s t e md e v e l o p m e n tf r o ms y s t e md e v e l o p i n g p l a t f o r m ，d e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dd a t a b a s ed e s i g na s p e c t s c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n g p r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n ，d e v e l o p sp r o d u c tm o d u l a r i z a t i o nc o n f i g u r a t i o ns y s t e ma sa t a n k e rv e h i c l ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ep r o d u c to b j e c t ，v e r i f yt h er e s e a r c hr e s u l t s s c i e n t i f i ca n de r i e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m o d u l a rp r o d u c tf a m i l y , m o d u l a rc o n f i g u r a t i o n ，c u s t o m e rr e q u i r e m e n t ， c o n s t r a i n ts o l v i n g ，c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景 加油车( 图1 1 所示) 是一种以汽车为载体的可移动式油料装备，具有机动性 好、适应性强以及加油速度快等优点。加油车常用于油库、各类型加油站、机场 和码头等，其结构( 图1 2 所示) 主要包括底盘、油罐及油罐附件、动力及传动装 置、加油装置、操纵控制系统、过滤计量系统及附属系统等。加油车的设计是一 项相当复杂的系统设计，几乎涵盖了机械设计的全部内容。 图1 1 加油车 f i g 1 1t h er e f u e lv e h i c l e 揪越 图1 2 加油车结构图 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo ft h er e f u e lv e h i c l e 加油车是典型的多品种、小批量、订单式生产产品，由于客户需求多样化、 复杂化地发展，其样式在不断变化，。随着模块化设计方法的出现以及在众多机械 产品行业中的成功应用，证明了模块化设计方法是解决客户定制需求下实现产品 品种多样化的有效手段n 1 。在面向产品族的定制型产品开发方式下，企业根据客户 重庆大学硕士学位论文1 绪论 需求只需要对已建立的模块化产品族模型中的模块模型依次进行实例化，即对模 块属性变量进行赋值就可以使企业的产品满足新的客户定制需求。 模块化配置是该设计方法的关键，通过对功能模块的选择和组合可以有效地 达到快速设计的目的，使设计周期得到缩短，设计效率得到提高，产品成本得以 降低，客户响应速度得到提升，从而使得产品多样性、成本以及设计周期之间的 矛盾得到协调。产品模块化配置是将模块模型实例化的设计过程，是客户驱动下 模块属性变量确定、匹配的过程，实质上是一个知识推理的过程。这种配置方法 与传统的产品配置设计相比，具有以客户需求为驱动、快速配置、准确、快速响 应市场的特点。 在现实加油车的设计中，由于缺乏设计规范，致使不同的设计者设计出来的 加油车产品各式各样。加油车产品种类太多不仅使得设计工作量非常大，而且使 得厂家的生产难度也很大，不同加油车之间部件的替换性也很差。综上所述，本 文针对加油车产品多样化、设计规范化和标准化需求，提出了“加油车产品模块 化配置方法及关键技术研究”课题，展开模块化配置理论研究，并将模块化思想 与设计方法应用在加油车的配置过程中，旨在研究适合加油车产品生产企业的模 块化配置理论、方法和实现技术，并开发产品模块化配置系统，提升企业响应客 户需求的速度。 一 1 2 国内外研究现状 1 2 1 模块化配置设计现状 模块化技术作为一种现代产品设计方法，设计方法和设计思想已经在机械行 业中得到了有效应用，并取得了良好的经济、社会效益。采用模块化技术对产品 进行设计，不仅可以简化设计工作、提升设计效率、缩短开发周期以及降低开发 成本，还可以增强企业知识重用性，不断提高企业设计能力，加快企业响应客户 需求的速度【1 。模块化设计以产品功能分析为基础，通过对市场需求的调查、分析 以及预测，划分出满足各种需求的产品模块，尽可能以现有的模块组合出满足客 户的不同需求的产品皿j 。 目前国内外对模块化设计理论的研究主要集中在：模块化设计方法、模块划 分技术、模块配置等。 模块化设计方法 模块化设计技术经过多年的发展，已日趋成熟。a l b e r t o 等人提出了利用产品 平台的思想对产品进行模块化设计的方法，该方法核心思想是划分出相似产品的 平台，而后利用平台与不同模块或原件相组合完成产品的模块化设计【3 。u l r i c h 等 人指出了产品模块化设计的基本要求：即产品功能的分解和产品结构的分解必须 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 建立在合理映射的基础上进行，同时保证结构元素之间的相互影响必须最4 , t 4 1 。 p e t e r 等人提出了一种面向对象的模块化设计方法，即以设计对象为依据的设计方 法【5 j 。j e f f r e y 等人认为模块化产品结构是构建产品族的有效方法，并提出了一种共 享通用模块的产品族设计方法【6 j 。童时中等人从多方面分析了模块化原理设计方法 及应用，对产品模块化设计总体流程进行了深入研究【l 】。侯亮等人以液压机械实例， 提出了一种基于参数化造型和变量优化的广义模块化设计方法【7 1 。张宝辉等人提出 了以谱系聚类方法为数学功能模块划分方法为基础的模块化总体设计方法 8 】。赵淑 霞等人提出了基于实例推理的机械产品模块化设计方法，该方法能够实现快速的 对存在历史设计案例的产品进行设计【9 。张世华等人在深入分析模块化设计技术的 基础上，提出了一种基于混合模块划分的模块化设计方法【l0 1 。虽然现有模块化设 计方法很多都存在着使用范围的局限性，但它们相互之间能够很好的相互补充， 且相得益彰，共同满足了设计、生产活动中的实际要求。 模块划分 模块划分是进行模块化设计的基础，国内外有许多学者提出了不同的模块划分 方法【1 2 。2 3 】。模块划分的基本思路就是从不同的角度和目的，构建模块划分的原则， 将产品划分为若干基本单元一进行相关度计算，建立相关矩阵一聚类成模块。 p a h l 和b e i t z 认为模块划分是完成从功能需求集合到模块功能集合的映射，之 后在考虑模块性能( 如外形尺寸、重量等) 基础上完成从模块功能集合到模块结 构集合的映射，即完成模块的划分【l 2 1 。 e r i x o n 研究了面向产品全生命周期的模块划分方法。该方法通过确定全生命 周期中模块化的影响因素并创建模块识别矩阵( m m ) ，在该矩阵中，确定各功能 载体对各因素的影响程度，依此对各功能载体进行聚类，从而完成产品模块划分 1 3 】 o g u 和s o s a l e 从影响产品模块化设计的因素出发探讨零部件的交互关系，经过 归一处理得到模块划分方案 14 1 。该方法的不足之处是：需要构建大量相关矩阵， 且模块划分过多依赖于设计人员的个人经验等，计算机辅助模块化设计的实现存 在较大困难。 e p p i n g e 等则研究了利用零部件间的物理关系进行模块划分的方法，并运用启 发式交换算法对划分结果进行分析【l5 1 。然而，该模块划分方法仅考虑了零部件结 构的物理关系而忽略了几何相关关系。 机械科学研究院祁卓娅【l6 】在分析现有模块划分方法基础上，将面向产品全生 命周期的模块划分方法和基于用户需求的模块划分方法结合起来，提出了一种柔 性模块划分方法，并提出了基于三维的模块划分原则。 浙江大学的潘双夏等结合模糊聚类分析方法和信息熵理论，提出了综合考虑 重庆大学硕士学位论文1 绪论 客户需求、装配及成本等因素的模块划分方法。在分析模块聚类准则和信息熵量 化评价方法的基础上，构建相应的评价模型。该方法在电钻实例上得到了验证 1 7 】。 利用现有模块划分方法划分出来的模块很少能达到真正意义上的功能结构独 立。 模块配置 产品配置是指在产品所有的可配置对象中，根据客户需求通过取各对象域中 的不同域值进行组合，并满足预先定义对象间的所有约束，从而生成各种不同的 产品。模块化配置是传统产品配置的一种特殊情况，传统产品配置配置方法以零 部件为配置单元，而模块化配置方法则是以模块为配置单元。依据客户需求进行 模块化配置是模块化设计的重点。目前，国内外学者对模块化配置技术的研究已 取得许多的成就。 p e t e r 提出了一种以解决模块化产品远程设计为目的面向对象的模块组合方法 【2 1 。t h o r n 通过产生式规则来表示产品配置知识和控制策略，采用正向推理的方法 来获取客户定制产品【1 9 。 c h e r t 等人提出了一种描述模块在其组合过程中接口、功能等方面耦合情况的 装配关联矩阵方法，该方法是通过在研究机器人模块化组合设计的基础上完成的 【2 0 】 一 o d o b r e s e u 提出了一种基于模块化产品族的模块配置设计方法，该方法使用的 基础理论是使用造型文法规则( s h a p eg r a m m a r ) 调整模块之间的功能结构映射关 乏 2 3 】 、o 徐燕申等人通过对国内外模块化设计方法理论与应用现状的基础上进行归纳 和总结，分析了各种模块化设计方法的优劣性，同时初探了模块化设计方法的发 展趋势【2 4 1 。 高广达等人通过使用计算机辅助软件对在模块配置设计方法进行了研究，提 出了一种基于最相似模块查找算法的模块化配置方法 2 5 1 。 邢力军等人在阐明产品平台和产品配置概念基础上，提出了一种基于产品平 台进行发动机产品配置的模型、方法和过程，该方法对于系列化的机械产品而言 具有非常实用的价值 2 6 1 。 张闻雷等人提出了一种基于产品族谱系的模块化配置方法。该方法是在剖析 客户群需求共性和产品模块的分类聚合特性的基础上，给出了产品族谱系的概念 表示和建模方法，以及基于产品族谱系模型对客户需求和约束进行分类求解的方 法 2 7 】。 1 2 2 存在的不足 通过对国内外的模块化设计以及产品配置方法理论的研究现状进行分析，可 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 以发现，虽然众多学者进行了大量的研究工作，采用了各种理论和算法来实现产 品配置，但仍存在着一些不足之处： 缺乏从整体上系统地分析模块化配置方法与过程的研究。 缺乏适合加油车产品生产企业业务流程特点的模块化配置方法。 规则和约束的表达没有充分利用产品结构的层次化特点，设计知识的表达 缺乏良好的组织，管理和维护困难，表达方法过于抽象。 未能结合企业业务流程建立行之有效的产品配置设计流程。 局限于模块化配置方法本身的理论研究，未能与产品设计工具软件之间形 成紧密结合，构建完整易用的产品模块化配置系统。 针对以上配置问题，本文提出基于模块化产品族的配置模型，并将客户需求 和配置约束等设计知识引入模型中，方便在产品配置时访问和利用这些知识，且 采用模糊理论来对配置模型进行多目标优化，求解出最佳配置产品，为制造企业 根据客户需求快速配置定制产品提供技术支持和工具。 1 3 课题来源与研究目的及意义 1 3 1 课题来源 本课题依托于某加油车设计单位的自拟课题加油车的模块化设计。结合 加油车设计、生产企业的业务流程特点，并以某型号加油车产品模块化配置设计 过程为例，研究了产品模块化配置方法，并开发了适合加油车产品的模块化配置 设计系统，实现与该类企业相匹配的产品模块化快速设计。 1 3 2 研究目的及意义 本文以模块化设计和产品配置的相关原理为研究出发点，结合加油车产品的 特点，提出了一种适合加油车产品的模块化配置方法和配置设计流程，重点对客 户需求向功能模块的映射机制、产品模块化配置模型的构建、基于多元约束的配 置求解和优化方法等关键技术进行了研究，并研究了配置系统软件的实现技术， 最后以某加油车产品为实例验证了所开发系统的有效性。 本文主要对客户需求转化、模块化配置模型、配置求解、以及软件实现技术等 方面进行探讨。主要有以下学术意义： 结合加油车产品的特点和其生产企业的业务特点，提出了客户需求向产品 功能模块的映射和转化方法。 提出了基于模块化产品族模型的产品配置方法和配置设计流程，通过建立 模块化产品族模型来描述模块的信息及相互之间的关系，建立了产品配置模型，构建模块配 置约束模型，将产品配置问题转化为约束满足问题，采用非二元弧一致的数学算法进行约束 求解，并用遗传算法进行配置方案的优化。该配置方法可以有效地进行产品配置，达到快速 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 响应客户需求的目的。 与此同时，本文的研究还具有较好的应用前景。 经过课题前期的调研可以发现，目前加油车产品设计企业采用的设计方法基 本上传统设计方法为主，即对产品进行单一的、孤立的设计，过多依赖设计人员 的经验而很少利用丰富的历史设计资源，因而存在了产品的设计周期长、相关成 本高、设计工作重复频率大、产品种类繁多等问题，从而使加油车相关企业经济 效益低下。同时，随着客户需求日趋多样化，多品种与小批量生产之间的矛盾日 趋严重，企业在市场经济中举步维艰。 综上所述，本文以“加油车产品模块化配置设计方法及关键技术研究”为题进行 研究，旨在探求一种适合加油车制造行业的模块化配置设计方法，同时解决产品 品种多样化与研制周期、成本之间的矛盾，提升企业对历史资源的重用性，增强 企业快速响应客户需求能力。 1 4 论文主要研究内容及篇章结构 本论文对产品模块化配置设计理论进行了研究，提出了模块化配置设计方法， 重点对多类型客户需求转化、多元约束下的产品模块配置模型、配置约束求解等 关键技术进行了研究，并以加油车产- 品为对象，研究了适合该类产品的模块化配 置设计系统的软件实现技术，对加油车制造企业的产品研发、设计等方面有着重 要的理论指导意义。本论文主要内容由以下六章构成，具体的章节安排如下： 第一章：绪论。包括国内外模块化技术的应用、研究现状以及加油车行业的 背景介绍。通过对国内外产品模块化设计技术的研究与分析，总结现有模块化设 计方法的优势与不足，同时对当前加油车制造行业存在的问题进行阐述，提出本 文的主要研究内容以及章节安排。 第二章：模块化产品配置方法研究。研究并阐述产品配置的定义和方法、客 户需求模型的构建、模块化产品族模型的构建、配置约束的表达和产品配置模型。 第三章：模块化配置关键技术研究。研究模块化配置的关键技术，包括客户 需求向产品功能结构模型映射的机制，基于相似度匹配的配置方案实例检索和模 块实例检索，配置方案的多目标优化。 第四章：产品模块化配置软件系统开发。构建适用于加油车产品的模块化配 置系统。在分析系统功能需求的基础上，研究系统的体系架构并建立系统功能结 构树及功能模型，并对系统的开发平台选择、开发流程及数据库设计进行介绍。 第五章：应用案例。以某型号加油车为例，描述模块化配置设计系统的应用 情况。 第六章：结论与展望。对论文的主要工作及研究成果进行总结，并提出本文 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 研究有待完善的地方。 论文篇章结构如图1 3 所示。 第一章：绪论 弋夕 f 第二章：模块化配置方法 研究 弋夕 第三章模块化配置 关键技术 一l | 第四章：产品模块化配置 系统开发 弋夕 第五章：产品模块化配置 系统应用案例 j 弋夕 第六章：结论与展望 图1 3 文章篇章结构图 f i g 1 3s t r u c t u r eo fp a p e ro r g a n i z a t i o n 重庆大学硕士学位论文 2 模块化产品配置方法研究 2 模块化配置方法研究 2 1 模块化配置定义 模块是用于组合成产品的实体，是一种典型的、通用的独立单元。模块具有以 下特征：模块是系统的组成部分，模块作为一个独立单元可以模块组合成新产 品，也易于从产品中分离、拆卸和更换；模块具有功能独立性，模块具备明确 而特定的子功能、该子功能不受其它子功能的干扰而相对独立地存在。这使得模 块之间能够根据需求自由组合；模块具有结构独立性，是一种标准单元，具有 结构互换性、通用性或兼容性，通常可以形成系列；模块具有标准接口，接口 是模块之间相互连接以组合成产品的结构，用于传递功能和能量。每个模块至少 具有一个输入接口和一个输出接口。 模块化是以客户实际需求为驱动源，在分析产品的功能、性能和几何结构的基 础上，划分结构模块并构建模块体系，再利用模块组合成产品的全过程 2 8 1 。产品 模块化过程示意图如图2 3 所示，它主要包括了产品模块的划分以及通过模块组合 成新产品这两个过程。 模块系统 j 功能1 模块1 l l l 模 块 化 产口口 产 刎功就卜 一模块2 k 1 或 口 日日 总 功n 能 1 功能3模块3睫 系 。 统 功能n f -h 模块n 分解组合 i 图2 1 模块化示意图 f i g 2 1d i a g r a mo fm o d u l a r 配置技术是实现产品定制开发的关键技术，是一种具备建模和配置两种行为的 特殊设计活动【1 】，它具有两个关键特征 5 1 】：配置出的产品由一系列定义好组件类 型的实例组装而成；组件同其他组件之间以预定义的方式发生作用。产品配置 的目的是尽可能利用企业已有生产资源，尽量避免全新设计，只通过一个可行的 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 配置组合辅以简单的变型设计，在短期内完成个性化产品定制任务。 根据产品配置过程中配置约束知识的表达及推理的机制不同，主要的配置方法 可分为基于规则、基于实例、基于约束满足等，简单介绍如下： 基于规则的配置 基于规则的配置以“i f 条件t h e n 结果”的形式，采用前向推理的方式引导客户 逐步地得出一个有效的配置方案，并将输入、处理和输出各阶段的信息存储在规 则知识库中。基于规则的配置方法表达直观、逻辑简单，便于建模和推理，但在 知识的获取与维护、一致性检验、模块化和适应性等方面存在问题，不太适用于 复杂产品的配置或单独作为配置知识表达和推理的形式。 基于实例的配置 基于实例的方法是指在已有的实例库中检索与客户需求值最相似的一个或多 个实例的过程。这种解决问题的推理方法是通过以前的经验对当前问题进行求解 的方法，与人类的决策思维过程相类似。通过基于实例的配置可以很好的解决规 则配置的复杂性和难移植性问题。 基于约束的配置 基于约束的方法是将产品配置问题等价转化为一个约束满足问题。该方法适于 描述配置模型中的功能性、结构性约束。该方法的缺点是不能直观地体现出产品 族的结构关系以及零部件之间的结构关系，此外，变量间的约束关系构建较为复 杂。 上述产品配置方法各有优缺点，在前人对产品配置的理解上，本文针对多品种 小批量的模块化产品的特点，综合采用基于实例和基于约束满足的配置方法，给 出产品模块化配置的定义： 在模块化产品族模型的基础上，以客户需求为导向，在产品配置约束知识的支 持下，通过推理求解，最终得到满足客户需求的产品配置结果的过程。 根据上述模块化配置的定义，以下章节分别从模块化产品族、客户需求、配置 约束等方面对模块化配置方法进行深入研究。 2 2 模块化产品族 2 2 1 产品族层次关系模型 产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 是指共享通用技术并定位于相互关联市场应用的一组 产品。同一产品族中的产品具有相同的市场定位和客户群需求，相似的产品结构， 组成同级产品的零部件具有相似的功能和相同的外部接口关系。刘晓冰等定义产 品族为功能域、技术域、结构域的综合体，在功能域描述用户需求，在技术域寻 求解决方案，在结构域中实施，三个域中交叉进行分解和映射的操作【2 9 1 。根据这 9 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 个定义可得，产品族模型是针对某类客户需求集的抽象产品模型，包括功能模型、 原理模型和结构模型这三层含有映射关系的视图，如图2 2 所示： 功能模型 功能模型用于描述产品对象所具有的功能和性能，它为原理模型的构造提供设 计要求，同时存贮了设计过程中概念层的知识。设计者可以利用这些知识，迅速 地进行知识重组和新的产品定义。 原理模型 原理模型用于描述由功能模型生成结构模型的过程中所使用的方案，它体现了 该方案的设计约束、计算关系、过程控制等设计知识。 结构模型 结构模型是根据功能模型通过设计过程而获得的，用于描述产品族的装配层次 关系及所有可能的组件结构，是保证配置方案一致性和正确性的关键。 端墩型零、 二_ ：二 一，一一 、一、 、 _ 苗等壹卤、蔺7 7 吉、尉匿匡嘲罔匿 零件零件零件零件零件零件 模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 模型6 一旦一一一一 结构模型， 图2 2 产品族层次关系模型 f i g 2 2t h r e e - l a y e rm o d e ld i a g r a mo fp r o d u c tf a m i l y 产品族模型表达了与产品族描述、配置、客户需求相关的所有信息。它覆盖了 具有相同客户群需求的一族产品的功能、原理、结构信息，是产品族设计知识的 表述。只有建立合理的、能够充分反映客户需求的产品族功能、原理和结构模型， 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 模块化产品配置方法研究 才能够在其基础上进行快速配置设计，并在短时间内设计出满足客户个性化需求 的产品。 2 2 2 模块化产品族模型构建 根据模块化思想，将传统产品部件零件的构成模式转变为以模块和模 块单元组成的产品构成模式，如图2 3 所示。 图2 3 模块化产品构成模式 f i 9 2 3m o d e lo fm o d u l a rp r o d u c t 将模块和模块化的概念引入产品结构的创建，由于模块的功能独立、结构独立 等特征，使得产品结构具有以下五个方面的优点： 增加了产品的可变性，产品容易升级； 模块间的多种组合方式实现了产品的多样性； 产品功能的细化、分解便于进行具体的设计和测试工作变得； 产品的数据易于维护和处理； 能快速配置出定制产品，提高了市场响应速度。 基于以上分析，以产品族和模块化思想为依托，在充分考虑客户需求的基础上， 通过对产品族内各产品进行功能分析和分解，将产品族划分为一系列基型模块， 如图2 4 所示。隶属同一基型模块的各个模块系列具有相似的属性、相似的结构、 相同的外部接口，同一模块系列下的不同模块实例具有不同的属性值。 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 图2 4 模块化产品族 f i g 2 4m o d u l a rp r o d u c tf a m i l y 根据上述模块化产品族的定义，结合加油车产品的结构特点，可以建立如图 2 5 所示的加油车模块化产品族模型。加油车产品族可划分为基础平台模块、储油 模块、管路模块、控制模块、动力模块、安全模块等基型模块，以基础平台基型 模块为例，其又可分为j h 系列平台模块和d f 系列平台模块，而j h 系列模块下 又包含多种不同规格的平台模块实例，在此不再_ 一列举。 图2 5 加油车的模块化产品族结构 f i g 2 5m o d u l a rp r o d u c ts t r u c t u r eo fm a i np a r to ff u e lv e h i c l e s 模块化产品族模型的建立是模块配置的基础，它包含了多种可能的配置可能， 以满足客户个性化、多样化的需求。模块化产品族模型可通过对企业现有产品系 列进行归纳整理而构建，并在生产过程中不断更新与完善。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 2 3 客户需求模型构建 客户需求是企业生产、采购等一系列业务运作的驱动源，正确理解客户需求， 充分表达需求知识以建立个性化的客户需求模型，进而准确地将其转化为产品功 能结构模型，就显得极为重要。 客户需求主要来自于客户订单或市场调研和形势预测。在实际产品定制过程 中，客户由于自身能力和拥有产品知识的差别，会应用不同的表达方式来表达自 己的需求。对于拥有更多产品知识的客户，他们在定制过程中需求表达较准确， 比如对于加油车产品，会选定什么型号的油泵、液压阀、底盘等。而对于欠缺产 品专业知识的客户来说，通过既定的产品特征选项的选择来表达他们的需求往往 比较困难，如同样对于加油车产品，他们可能不懂油泵、液压阀、底盘的特征参 数到底表征什么具体的功能和性能，因而无法做出正确的选择。这种情况下应该 允许他们使用一些模糊性的或者说明性的语言来表达自己的需求，通过说明此产 品主要用途是什么，价格如何等方面的要求来定制产品。因此在需求分析阶段， 为了准确表达多种多样的客户需求，将客户需求信息划分结构化需求、半结构化 需求和非结构化需求三大类，如表2 1 所示。结构化需求包括二元型、选择型、参 数型；非结构化需求即采用符合客户语言习惯的自然语言进行描述的需求，包括 描述型和选择型需求。 一 表2 1 客户需求信息的分类 t 出l e2 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fc u s t o m e r sd e m a n di n f o r m a t i o n 二元型：是指从客户角度考虑可有可无的，产品属性值被设置成二元互斥取 值出现在产品中的需求。对于这类客户需求，一般是针对可供客户自主选择的附 加的产品功能。在一般的定制系统中，这类客户需求往往是通过把附加功能的可 选项设置成 是，否) 或 选，不选) 来实现。如对于加油车的可选模块：罐体保温 模块等。 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 选项型：指客户可以从一组预先定义的有限个属性值中选取某个可选项来表 达产品或零部件属性的需求。这些选项是相互替代的，只能取其一。当然也可以 默认为缺省值。它与二元型的不同在于它一般用来描述定制产品的替换功能，而 不是附加功能等。如对于罐体的形状 椭圆形，矩形，t 形) 。 参数型：这里的参数仅指数值型参数，这类需求指能用数值表示产品或模块 属性变量的需求。可表示配置产品的数量和数值型属性。常见的参数型表述的需 求主要有两种：连续型和离散型，连续型一般都是区间型( 大于某个值；小于某个 值；某两值之间) 。如加油车的加油距离要求大于2 0 m 。而所谓离散型就是指用单 个数值表示的属性值。对于参数型的客户需求，可以采取参数输入的方式获取。 以上三种均属于结构化的客户需求。但在定制过程中，仅通过以上三种是无 法获取难以清晰表达的客户需求的，还需要一些能够支持客户便捷地描述定制需 求的需求类型。描述型和解释型的客户需求就允许客户用自然文本的形式进行需 求描述，属于半结构化和非结构化的客户需求，有利于客户的便捷表达。 描述型：有一定的结构，但在属性描述方面允许客户选用符合自己语言习惯 的描述语言的需求。它允许客户对其所关注的产品特征一一采用描述性的模糊语 义方式分别进行描述或表述。客户可以对产品功能或某个模块功能特性进行描述， 也可以对产品价格、外观、产品结构、技术等方面的特征进行描述。因此可以将 描述型客户需求分为功能描述型和技术描述型。功能描述型它不仅包括产品的使 用功能要求，还包括产品的价格要求、外形、寿命、颜色等多种功能特征的描述。 技术描述型则是对产品的结构和技术特性等的描述。对于这类客户需求的描述主 要的模糊限制语有：关于大小的( 包括差不多、略大于、略小于、高一点、低一 点、宽一点等) ；关于颜色的( 包括偏红、深一点、太淡、太深等) ；关于价格的 ( 包括太贵、某值上下、便宜一点、不超过某值等) ；关于重要程度的( 包括很重 要、比较重要、重要、不重要、很不重要等) ，关于好坏程度的( 很好，较好，好， 一般) 等。 解释型：指客户从自己的思维出发对产品提出的使用非形式化的自然语言表 示的需求。这类需求是通过客户在交互界面输入需求语句获取。客户没有对某一 产品功能模块或者部件等提出明确的要求。因此需要对其进行分析处理，从而指 导定制产品的设计和制造。 获得客户需求信息之后，运用适当的方法将其表示为计算机可以识别和处理的 形式。因为在加油车产品的实际定制过程中，一般只涉及到结构化和半结构化的 客户需求，所以针对上述二元型、选项型、参数型、描述型客户需求信息，分别 采用不同的方法来表达： 框架法表示结构化的二元型、选项型、参数型需求 1 4 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 结构化的需求信息可以采用 属性：取值) 的形式表示，具有良好的描述结构， 准确且易于理解和维护。根据此类需求的特点，可以基于框架对其进行表达： ：值1 1 ，值1 2 ， ：值2 1 ，值2 1 ， ： 值n 1 1 ，值n 1 2 ， 值n 2 1 ，值n 2 2 ， ： 选择型和参数型的属性值表达形式不同。选择型的属性取值范围如 是，否) ， 参数型需求的属性值则是用数值表示。 面向对象法表示描述型需求 非结构化需求是客户对产品功能、结构、技术等方面的某些关键特征提出的要 求，并采用符合自己语言习惯的描述性的模糊语义进行特征描述，具有模糊、多 变等特点。为了真实地反映客户的需求，可以采用面向对象的模糊特征类来表达 此类需求，一个特征类的属性包括：特征对象，即产品、模块或者零件等； 特征属性名；特征需求，即对特征的描述值，用于对特征属性的实例化，可以 是模糊属性的表达；特征约束( 与其他特征值之间的约束关系) ；特征操作， 即关于特征属性的模糊映射、推理等。面向对象的表达框架如下： c l a s s ：超类名 ( 类变量表) ：类属性 d a t as t r u c t u r e m e t h o d r e s 仃a i n t e n dc l a s s ( 类变量表) 是一组变量名，该类中所有对象都共享这些变量，当把这些变量 实例化一组具体的值时，就得到了该类中的一个具体对象，即一个实例。 用来描述该类对象的构成方式； 用来定义对 重庆大学硕士学位论文2 模块化产品配置方法研究 类元素执行的模糊映射、推理等各种操作。 指出该类元素所应满足的 限制条件。 基于面向对象建立的模糊特征类不需要精确的描述办法，允许特征模糊化。用 它来表示非结构化的客户需求，更能客观地反映客户需求，而且也为将模糊的特 征信息存储提供了便利。 上述内容研究了多类型客户需求的表达，在此基础上，结合客户群体( 由于每 个客户对同一类产品都有不同的个性化需求，但从一个客户群来看，总可以找到 一些具有相同或相似需求的客户群，称为细分市场客户群。由此，通过大量市场 调查，可获得某类产品的细分市场客户群1 、客户群2 、客户群n ，每个