（机械制造及其自动化专业论文）基于本体知识的产品配置求解技术研究.pdf

摘要 基于本体知识的产品配置求解技术研究 摘要 大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 的目标是以接近大批量生 产( m a s sp r o d u c t i o n ，m p ) 的成本和速度，提供个性化的产品和服务。 由于能够根据预先定义的零部件集合及其相互约束关系，快速形成满足 客户个性化需求的特定产品，产品配置管理成为实现m c 的关键使能技 术，并在产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 系统中得到 初步实现。然而现有的p d m 主要支持文档管理和设计过程管理，而产 品结构建模与配置的管理功能相对较弱，致使设计、生产和售后等环节 不能高效的获取所需要的产品信息。因此建立企业统一的产品信息模型， 实现企业的产品配置信息集成，对于加快企业的发展、提高企业的经济 效益以及适应市场的快速变化都具有深远的意义。针对以上问题对产品 配置技术进行研究，提出了产品配置三层求解方案，并对产品配置知识 建模、部件层模糊配置求解、产品配置多目标优化这三部分具体内容进 行了详细研究。 设计了从产品配置建模到优化求解的产品配置三层求解方案。结合 可配置产品实例研究了产品配置三层求解方案，分析了整个配置过程中 解空间的变化情况，并对产品配置三层求解方案中各部分内容的相互关 系及输入输出内容进行了详细的探讨。分析了产品配置三层求解方案分 别在配置业务流程和物料清单( b i l lo fm a t e r i a l ，b o m ) 转换视图下所 担当的角色以及实现的功能。提出了产品配置三层求解方案的核心架构， 研究了产品配置系统与企业其它信息系统间的集成方案。该方案为将来 产品配置领域的进一步研究奠定了基础。 对基于本体知识的产品配置模型进行了研究，实现了对可配置产品 结构组成信息、约束关系信息，及客户化定制的需求信息建模。设计了 山东大学博十学位论文 配置本体建立方法，并分析了构建配置本体的目的与定位。对配置本体 中涉及的概念进行了划分，并设计了配置本体的语义规则表达。分析了 基于本体的产品配置知识表达的优越性，研究了配置本体与外部关系数 据库之间的信息传递方法，及获得配置本体的输入输出内容的手段。通 过实例验证表明，该配置本体具有一定的通用性，针对具体领域的知识 表达，只需简单扩展或继承即可实现。 提出了基于实例重用技术的产品模糊配置方法，实现了产品中间部 件层的模糊配置。该方法以预先定义好的产品结构信息为先决条件，采 用条件概率理论作为算法的核心公式。提出了产品中间部件层模糊配置 的定义，并分析了其求解过程中存在的难点。将设计的新算法同传统的 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n n i n g ，c b r ) 算法做比较，分析了 其在求解方面的优越性。详细研究了基于实例重用的模糊配置算法( c a s e r e u s eb a s e df u z z yc o n f i g u r a t i o n ，c r f c ) 的原理，提出了c r f c 的应用 前提条件，论述了向上一致性规则的原理及原因，详细设计了条件概率 理论在c r f c 中的应用方法，及决策判断阈值的估算方法，并设计和分 析了具体的算法流程。将c r f c 算法应用于配置实例中，实现了产品配 置中间部件层的模糊配置，并通过与c b r 算法计算结果比较，验证了 c r f c 算法的有效性和优越性。 设计了基于多目标遗传算法( m u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ， m o g a ) 的产品配置优化方法，对可选实例零件进行选配。选取最小成 本、最短交货期和最均衡库存为优化目标，提出了产品配置多目标问题 的描述定义和数学公式化定义，设计了优化目标函数和约束矩阵，并对 库存平衡优化目标进行了更为详细的研究。分析了基于m o g a 的产品配 置优化技术的原理，设计了以非支配排序遗传算法( n o n d o m i n a t e d s o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m - i i ，n s g a - i i ) 为基础的算法求解步骤。选择 了三个优化目标函数作为适应度函数，针对违反约束的配置方案设计了 适应度惩罚措施，并对种群初始化编码方式进行了设计。对非支配解的 定义进行了论述，并研究了非支配前沿等级划分的算法步骤。采用小生 i l 摘要 境排序的方式保证种群的多样性，并设计了小生境计算的公式。在非支 配前沿等级划分和小生境计算的基础上应用了二元联赛选择机制，对种 群进行优劣排序，并采用了双重精英策略避免了进化过程中优良个体的 丢失。在种群繁殖机制中采用了复制、交叉和变异三大算子，并改进了 算法的终止条件，避免了算法过早收敛于解空间的某点，解决了大量复 杂配置数据的处理问题。 关键词大规模定制；产品配置；配簧本体；实例重用；多目标优化 i i i a b s t r a c t o n t o l o g yb a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns o l u t i o n a b s t r a c t t h et a r g e to fm a s sc u s t o m i z a t i o n ( m c ) i st op r o v i d ec u s t o m i z e d p r o d u c t sa n ds e r v i c e sw i t hs i m i l a rc o s ta n ds p e e do fm a s sp r o d u c t i o n ( m p ) p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，w h i c hh a s b e e nr e a l i z e dp r e l i m i n a r i l yi nt h ep r o d u c t d a t am a n a g e m e n t ( p d m ) s y s t e m s ，i st h ek e ye n a b l i n gt e c h n i q u ef o rr e a l - i z i n gm c ，b e c a u s ei tc a nf o r mt h ec u s t o m i z e dp r o d u c tr a p i d l yb a s e do nt h e p r e d e f i n e dp a r t s ，s u b a s s e m b l ys e t sa n dt h ec o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i p sa m o n g t h e m n e v e r t h e l e s s ，t h ee x i s t i n gp d ms y s t e m ss u p p o r to n l yd o c u m e n ta n d d e s ig np r o c e d u r em a n a g e m e n t ，w i t hr e l a t i v e l yw e a kf u n c t i o n si np r o d u c t s t r u c t u r em o d e l i n ga n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ，l e a d i n gt oal o we l - f i e n c yi na c q u i r i n gt h en e c e s s a r yp r o d u c ti n f o r m a t i o ni nd e s i g n ，p r o d u c t i o n a n dm a i n t e n a n c ep e r i o d s h e n c ei ti sv e r yi m p o r t a n tt ob u i l dau n i f o r m p r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e lt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fp r o d u c tc o n f i g u r a - t i o ni n f o r m a t i o ns ot h a t ，t h ee c o n o m i cb e n e f i t sa n dt h ea b i l i t yt oa d a p tt h e c h a n g i n gm a r k e to fa ne n t e r p r i s ec a nb ei m p r o v e d i nv i e wo ft h ea b o v e q u e s t i o n s ，t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r at h r e e - l a y e rc o n f i g u r a t i o ns o l u t i o nw a sp r o p o s e d ，a n dt h ed e t a i l e d r e s e a r c h so fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nk n o w l e d g em o d e l i n g ，f u z z yc o n f i g u r a t i o no fs u b a s s e m b l i e sa n dm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nw e r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y a t h r e e l a y e rc o n f i g u r a t i o ns o l u t i o nw a sd e s i g n e df r o mp r o d u c tc o n - f i g u r a t i o nm o d e l i n gt oo p t i m i z a t i o n ，w h i c hl a y s t h ef o u n d a t i o nf o rt h e s u c c e e d e dr e s e a r c hi n p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n b yu s i n gac o n f i g u r a b l e p r o d u c te x a m p l et h i ss o l v i n gs y s t e mw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ec h a n g i n go f s o l u t i o ns p a c e sw a sr e s e a r c h e d t h ei n p u ta n do u t p u to fe a c hl a y e ra n dr e v 山东大学博十学位论文 l a t i o n s h i p sa m o n gt h r e el a y e r sw e r ed i s c u s s e d d i f f e r e n ta c t i n gr o l e sa n d r e a l i z i n gf u n c t i o n so ft h i ss o l u t i o ns y s t e mi nc o n f i g u r a t i o no p e r a t i o n a lf l o w v i e wa n db i l lo fm a t e r i a l ( b o m ) v i e ww e r ed e m o n s t r a t e d t h ec o r e f r a m e w o r ko ft h i st h r e e - l a y e rc o n f i g u r a t i o ns o l u t i o nw a se s t a b l i s h e da n d t h es c h e m ef o ri n t e g r a t i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns y s t e ma n do t h e ri n f o r m a t i o n s y s t e m so ft h eu s e r sw a sd e s i g n e d m o d e l l i n go ft h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h ec o n f i g u - r a t i o no n t o l o g yw a sd e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z e dt h em o d e l i n go fs t r u c t u r ei n - f o r m a t i o no fc o n f i g u r a b l ep r o d u c t ，c o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i p sa n dc u s t o m i z e d r e q u i r e m e n t s b yp r o p o s i n g a n o n t o l o g y b a s e d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n k n o w l e d g em o d e l ，t h es t r u c t u r i n gm e t h o da n do r i e n t a t i o no ft h ee o n f i g u r a t i o no n t o l o g yw e r ea n a l y z e d t h et e r m sr e l a t e dt ot h ec o n f i g u r a t i o no n t o l - o g yw e r ec l a s s i f i e da n dt h ed e t a i l e ds e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o n sw e r ed e s i g n e d t h ea d v a n t a g eo ft h i so n t o l o g yb a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nk n o w l e d g e m o d e lw a sa n a l y z e d t h ei n f o r m a t i o nt r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nc o n f i g u r a t i o n o n t o l o g ya n do u t s i d ed a t aw a sr e s e a r c h e d ac a s es t u d yw a sa p p l i e d ，w h i c h p r o v e dt h i sc o n f i g u r a t i o no n t o l o g yi sg e n e r i c ，a n dw h e nu s i n gi ti nas p e c i a l c o n f i g u r a t i o na r e a ，t h es i m p l ee x t e n t i o no ri n h e r i t a n c ew a se n o u g hf o r r e p r e s e n t i n g ac a s e - r e u s eb a s e df u z z yc o n f i g u r a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e df o rc o n f i g u r i n gt h em i d d l el a y e ro fs u b a s s e m b l i e s p r e d e f i n e dp r o d u c ts t r u c t u r e i n f o r m a t i o nw a su s e da st h ep r e - c o n d i t i o na n dt h ec o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t y w a su s e da st h ec o r ef o r m u l a t h ed e f i n i t i o no ff u z z yc o n f i g u r a t i o no f p r o d u c tm i d d l el a y e rs u b a s s e m b l i e sw a sr e s e a r c h e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so f t h i sn e wm e t h o dw e r ec o n c l u d e db yc o m p a r i n gi tw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) t h em e c h a n i s mo fc a s e - r e u s eb a s e d f u z z yc o n f i g u r a t i o n ( c r f c ) w a sr e s e a r c h e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o np r e c o n d i t i o n ，t h eu p p e rc o n s i s t e n c yr u l e ，t h ea p p l i c a t i o nm e c h a n i s m v i a b s t r a c t o fc o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t y ，a n dt h ee s t i m a t i o nm e t h o do f j u d g m e n tt h r e s h o l d a sw e l la st h es p e c i f i ca n a l y s i so fa l g o r i t h mf l o wc h a r t t h ec r f ca l g o r i t h mw a sa p p l i e do nac o n f i g u r a t i o nc a s e ，a n dt h er e s u l ts h o w e dt h ev a l i d a t i o na n dt h ea d v a n t a g e sw i t hr e p e c tt ot h ec b r a l g o r i t h m 。 a p r o d u c tc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e db a s e do n t h em u l t i - o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ( m o g a ) u s i n gt h em o s tm i n i m i z e d c o s t ，m o s tm i n i m i z e dl e a d - t i m ea n dm o s tb a l a n c e di n v e n t o r ya st h et h r e e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s ，t h ei n s t a n c ep a r t sw e r ec o n f i g u r e da f t e rt h em i d d l e s u b a s s e m b l yl a y e rc o n f i g u r a t i o nr e s u l tw a so b t a i n e d d e t a i l e dd e s c r i p t i o n d e f i n i t i o na n dm a t h e m a t i cf o r m u l ao fm u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o no f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nw a sd i s c u s s e d t h eo p t i m i z a t i o no b je c t i v ef u n c t i o n s a n dc o n s t r a i n t sm a t r i xw e r ed e s i g n e d t h em e c h a n i s mo fm o g ab a s e d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o nw a sr e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h ed e t a i l e d d e s i g no fn o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m i i ( n s g a i i ) b a s e d s o l u t i o n s t e p sa n dp o p u l a t i o ni n i t i a l i z a t i o nc o d i n gm e t h o d t h es e l e c t i o n m e c h a n i s mo fp o p u l a t i o nw a sd e s i g n e dd e t a i l e d l y t h et h r e eo p t i m i z a t i o n o b je c t i v ef u n c t i o n sw e r eu s e da st h ef i t n e s sf u n c t i o n sa n dt h ef i t n e s sp u n - i s h m e n ta p p r o a c hw a sd e s i g n e df o rt h ec o n s t r a i n t sv i o l a t e dc o n f i g u r a t i o n s t h ed e f i n i t i o no fn o n d o m i n a t e ds o r t i n gw a sd i s c u s s e da n dt h ec l a s s i f i c a t i o n m e t h o do fn o n d o m i n a t e dr a n k sw a sd e s i g n e d t h en i c h ed i v i s i o nc a l c u l a - t i o nf o r m u l aa n ds o r t i n gm e t h o dw a sd e s i g n e d i tw a su s e df o rg u a r a n t e e i n g t h ed i v e r s i t yo f p o p u l a t i o n t h eb i n a r yt o u r n a m e n ts e l e c t i o nw a su s e db a s e d o nt h en o n d o m i n a t e ds o r t i n ga n dn i c h ed i v i s i o n ，a n dt h ee l i t i s ts t r a t e g yw a s u s e df o rp r e s e r v i n gt h el o s to fe x c e l l e n ti n d i v i d u a l si nt h ep r o c e s so fe v o l u t i o n b yc o p y i n g ，c r o s s i n go v e ra n dm u t a t i n g ，n e wp o p u l a t i o nw a sg e n e r a t e d t h et e r m i n a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea l s oi m p r o v e dw i t hn e wa l g o r i t h mt o a v o i dt h ee v o l u t i o nc o n v e r g i n gt o oe a r l y w i t ht h e s em e a s u r e s ，t h ep r o c e s s i n gp r o b l e mo fm a s sc o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o nd a t aw a ss o l v e d v i l 山东大学博+ 学何论文 k e yw o r d sm a s sc u s t o m i z a t i o n ；p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ；c o n f i g u r a t i o no n t o l o g y ；c a s er e u s e ；m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n v i l l 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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：电煎璺翌 日期：鎏里? ：尘 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：熟塑垦翌导师签名：趣壹 日期：出 第1 章绪论 第1 章绪论 本章介绍课题研究的背景，分析企业生产模式的转变以及产品配置 在实现大规模定制生产模式中的重要性。在研究产品配置领域相关概念 的基础上，结合模块化设计技术与产品族技术分析其相互关系。对产品 配置的发展过程进行概要总结，并对其主要研究方向与研究现状进行综 述。针对现有研究的不足，提出本文研究的目的、意义和主要研究内容。 1 1 课题的背景 当代工业企业的运行环境与以前相比有了很大的变化并产生了一些 新的发展趋势【l 】，如经济贸易的全球化，科技的快速发展，用户需求的 多样化和个性化等。企业不仅要与本国或本地区企业进行竞争，还要面 对国外同类企业的竞争压力，因此迫使企业不断开发具有更多功能和采 用更新技术的新产品。同时随着科技的快速发展，产品的功能也趋向多 样化和集成化，导致产品结构功能越来越复杂。此外，竞争还使同类企 业的产品在结构、功能和技术上相近或相差不大，但用户却对产品有着 更多乃至个性化的要求。因此这些新的发展趋势一方面要求企业不断增 加产品结构和功能的复杂性，并缩短产品的设计生产周期，以尽量减少 产品“订单交付”的时间，又能有效的降低成本；另一方面要求企业能 够根据用户的需求进行生产，不仅为用户提供个性化的产品，而且为用 户提供优质快捷的服务。因此，产品结构功能的复杂化，用户需求的个 性化，产品供货的敏捷化都迫切需要一种新的设计手段来适应这种趋势。 1 1 1 企业生产模式的转变 任何一种生产模式的产生、兴盛和衰退都存在相关技术与社会需求 的背景。信息技术的高速发展，使制造业市场环境发生了深刻的变化， 传统的以大批量生产模式为基础的相对稳定型市场逐渐演变为动态多变 山东大学博十学位论文 型市场，对制造企业提出了柔性和快速响应的要求。这种转变主要体现 在【2 1 ： ( 1 ) 产品多样化和个性化。客户需求的多样化和激烈的市场竞争， 要求企业必须根据客户需求和细分市场提供多样化、个性化的产品； ( 2 ) 产品交货期变短。技术的进步和市场需求的瞬息万变，使企 业改变批量、更换品种更加经济可行，新产品层出不穷，只有那些利用 快速设计技术以较短的产品交货期满足客户个性化需求的企业才能得以 生存； ( 3 ) 产品复杂性增加。当今客户订制产品复杂性越来越高，导致 产品成本和开发周期的增加，采取何种设计手段缩短开发周期已经成为 降低产品成本的关键问题。 综上所述，在新的市场面前，现有的大批量生产表现出了诸多的不 适应性3 】：一方面，多品种、小批量的市场要求使得大批量生产失去了 以规模获取效益的基础，大批量生产具有的生产率高的优点无法发挥； 另一方面，大批量生产模式中管理的僵硬性、产品的单一性、技术手段 的刚性使其在本质上缺乏自我调节以适应外部环境变化的机制，难以适 应快速多变的市场需求。因此，m c 生产模式应运而生，其目标是以接 近m p 的成本和速度，提供满足客户个性化需求和细分市场多样性的产 品和服务。 目前m c 尚无一个统一的定义，各国学者根据国情和自身对m c 的 认识对其有着不同的理解2 1 。总的说来，m c 是一种集企业、客户、供 应商和环境等于一体，在系统思想指导下，用整体优化的观点，充分利 用企业已有的各种资源，在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和 先进制造技术等的支持下，根据客户的个性化需求，以m p 的低成本、 高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式4 1 。 m c 不仅是一种指导企业参与市场竞争的哲学，一种企业组织和管 理的模式，还是指导企业进行客户订制产品设计和制造的准则，具有以 下特点1 5 - 7 】： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 以客户需求为导向。m c 与传统的采用推动型方式的m p 和采 用拉动型方式的定制生产不同，它是以客户及其个性化需求为中心，从 成本和个性化两方面为客户创造满意度，是一种推动、拉动方式相结合 的生产模式。 ( 2 ) 以敏捷性为标志。m c 企业按照订单组织生产，必须快速满足 动态多变的客户需求。这种敏捷性体现为生产设备的柔性化、人员多技 能化，组织结构的扁平化。因此一个有效的集成系统可以提供低成本、 高质量、客户化的产品和服务8 ，9 1 。 ( 3 ) 以集成优化为目标。m c 是一种先进的组织管理模式，要求企 业在充分利用有限资源的前提下，充分利用规模经济效应、经验经济效 应、联合经济效应和集成经济效应，通过合理配置资源、优化作业过程、 提高管理水平，以尽可能接近m p 的低成本和高效率，生产出高质量的 定制产品。 ( 4 ) 以模块化设计、零部件标准化为基础。在m c 模式下，产品 设计师面向产品族和产品平台，设计模块化构件和标准零部件，从而减 少产品定制部分的劳动力，实现规模经济。利用模块化构件配置和变型 技术可以大大缩短产品交货提前期，减少定制成本，实现产品的个性化。 ( 5 ) 以现代信息技术和柔性制造技术为支持。网络技术和电子商 务的迅速发展，使企业能够快速响应客户需求；p d m 系统能够根据订单 快速设计出符合需求的个性化产品；柔性制造系统保证迅速生产出满足 客户个性化需求的产品。 ( 6 ) 以竞争合作的供应链管理为手段。在未来市场中，竞争不仅 是企业之间的竞争，而且是企业供应链之间的竞争。m c 模式下的企业 通过与供应商建立起既竞争又合作的关系，共同满足客户的个性化需求。 1 1 2 实现大规模定制的关键使能技术 m c 的产品开发对象从单一产品转变为系列产品，产品多样性给 p d m 系统提出了新的需求，如何以较低的技术复杂性去满足较高的产品 3 山东大学博十学何论文 多样性，如何快速提供能够满足客户个性化需求的产品成为了产品设计 过程中的核心问题【1 0 】。产品配置管理由于能够根据预先定义的零部件集 合及其相互约束关系，快速形成满足客户个性化需求的特定产品，因此 成为实现m c 的重要方法【1 1 12 1 。 产品配置就是按照用户的要求，对预先定义的可配置产品的组件按 照相应的规则进行组合，最终得到一个用户满意的产品的过程。a g u n t e r 依据设计分类【13 1 ，将产品配置归为第3 类设计，即在对象的组成 结构、规范和性质已知的情况下，根据一定的策略找出满足规范的解的 过程，是一种受到约束的设计，而并不设计新的组件或组件间的规则【1 4 】。 而从人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的角度来看，产品配置系统 则相当于一个专家系统，产品配置系统将专家的产品配置知识存储于知 识库中，并用一定的产品配置方法根据用户需求对知识库中的知识进行 推理从而得到相应的配置结果并反馈给用户。 有些产品配置系统不仅能在企业的销售过程中根据用户的要求进行 配置来提供不同功能的产品，而且还可以用于企业开发新产品。对结构 复杂的产品，若要开发新系列的产品，仅靠人工完成，需要耗费大量的 时间和人力，而借助产品配置系统，则可以快速并正确地完成开发，产 品配置同时还将生成企业设计和生产所必需的各种视图的产品b o m 表， 为设计和生产人员提供有关产品的详细信息等。另外，产品配置不但能 应用于工业产品领域，还能用于软件产品、服务行业( 例如，旅行线路 配置) ，因此具有广泛的应用前景。 基于产品配置来组织生产，可以使企业按照用户对产品的不同需求 进行配置和生产，提供用户满意的产品，不同于只按照一种或几种固定 的产品结构进行生产的m p ，也不同于针对用户的需要单独进行设计和 生产的单件定做，而这种基于产品配置的生产已成为实现m c 的关键使 能技术【1 5 】。 4 第1 章绪论 1 1 3 课题来源 本课题得到了中国博士后科学基金的资助( 2 0 0 8 0 4 4 1 13 0 ) 。该基金 项目主要研究基于本体知识的产品配置建模与求解技术，本文为其主要 研究内容之一。 1 2 产品配置领域相关概念 可配置产品是模块化设计的产物，产品配置在产品族技术的推动下 实现了客户化定制的需求。 1 2 1 可配置产品 现代工业产品在结构和功能上都很复杂，例如飞机具有几十万个零 部件，相对简单的汽车有上万个零部件，甚至简单的个人电子产品也有 几百个零部件，同时这些零部件之间又存在着复杂的约束关系，因此对 其进行手工配置非常困难，而且很容易产生错误。那么在当前经济环境 的发展趋势下，企业通过设计可配置产品并利用计算机构建配置信息系 统来自动、快速地完成结构和功能都很复杂的产品的配置任务，就可以 实现按用户的需求进行生产，缩短产品的“订单交付 时间，同时也保 证了配置的正确性，从而有效地提高企业的竞争力和效率。 可配置产品包括了一些预先定义的组件和组件间的规则，在满足规 则的前提下对不同组件进行组合可以构成满足不同用户要求的产品。因 此企业在按订单生产的运行模式下通过设计可配置产品，并在销售过程 中经过用户和销售人员对可配置产品进行配置，可以获得并生产出满足 用户需求的产品。 可配置产品一般具有以下几个特点【1 6 】：1 ) 与m p 模式下生产的产 品不同，m c 模式下的产品能够实行客户化定制；2 ) 客户的不同需求通 常必须限制在一定的范围内，换句话说，企业并不能满足客户对产品的 所有要求；3 ) 可配置产品和单件定制产品( 原则上对每个客户都是从头 气 山东大学博+ 学位论文 开始设计) 相比，不需要创新设计，因此具有接近m p 模式下产品的成 本优势和效率优势。 1 2 2 模块化设计技术 可配置产品为模块化设计的产物，产品模块化设计方法建立在系统 分析原理和标准化理论基础上，它通过对一定范围内的产品进行功能分 析，划分并设计出一系列功能模块或结构模块，通过更换或加、减相应 模块以构成满足不同需求的产品，从而缩短产品开发周期，降低成本。 在m c 生产中，以模块化设计方式取代传统的产品设计，在尽可能避免 新设计的基础上丰富产品系列、满足客户需求，可以提高m c 模式下企 业的定制能力和竞争实力。 分析表明，产品的模块化具有以下意义： ( 1 ) 产品的模块化能够缩短产品的设计周期、降低设计成本，同 时，可以实现模块的并行制造，这些都可以缩短产品的交货期。 ( 2 ) 产品的模块化使新产品的质量得到了充分的保证。设计新产 品时尽量采用已有的成熟模块或者在原有模块的基础上进行变型设计， 有利于保证产品质量。同时，通过模块的分离也可以更容易地诊断和隔 离生产中的质量等问题。 ( 3 ) 产品的模块化能够更好地满足客户的个性化需求。 因此，基于模块化设计技术，可配置产品才得以产生，模块化设计 技术为可配置产品的设计与改进提供了技术支持。 1 2 3 产品配置 产品配置设计的思想最早是由f r e e m a n 和n e w e l l 1 7 1 在1 9 7 1 年提出 的。f r e e m a n 和n e w e l l 首先利用功能推理的方法来细化设计，认为设计 应分为识别问题和选择问题。识别是指利用组件的结构和行为知识说明 要设计对象的功能，选择是挑选那些可以组合在一起并能实现所希望功 能的组件。这些实际上已经具有了一些产品配置的思想【1 8 1 。 6 第1 章绪论 产品配置概念则是由m i t t a l 和f r a y m a n 在19 8 9 年明确提出【19 1 。他 们把一个配置设计任务描述为： 给定条件： 一个固定的、预定义的组件集合； 配置的需求定义描述； 一些优化配置的标准。 要求构建： 一个满足所有要求的配置结果集合( 该集合可能为空) 。 其中： 每一个组件都是由一个属性集、该组件与其它组件进行连接 的端口、以及用来描述该组件和其它组件在端口上相互连接的端口约束 集来描述； 一个配置是一个描述了组件及组件之间连接关系的集合。 m i t t a l 和f r a y m a n 同时还指出了该定义的三个重要方面： ( 1 ) 配置过程中不能产生新的组件； ( 2 ) 组件之间的连接关系都是固定并提前预知的( 即组件不能被 修改以适合与别的组件连接) ； ( 3 ) 配置结果不但包含组件集，而且还包含组件之间的关系。 产品配置的定义还有很多，研究人员和系统开发者往往采用能更好 的适合他们具体应用的定义【2 0 1 和配置方法，它们都各自从一定的角度反 映了产品配置的本质。有针对配置中设计问题研究产品配置定义的，如 t i i h o n e n 认为目前对配置的组织和执行过程研究的较少，已经存在的定 义只覆盖了配置的一些方面，但还是忽略了一些，例如配置设计中参数 化零件的设计【2 1 】；有从配置问题的求解出发定义配置的，把产品配置定 义为一个约束满足问题( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ，c s p ) 2 2 - 2 4 1 或 动态约束满足问题( d y n a m i cc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ，d c s p ) 2 5 】； 还有一些研究则把配置理解为一个资源平衡问题1 2 6 - 2 9 进行求解。 7 山东大学博十学位论文 1 2 4 产品族技术 每一种生产模式的提出都基于一定的设计方法。产品族设计 ( p r o d u c tf a m i l yd e s i g n ，p f d ) 即为面向m c 的产品开发方法，是实现 m c 生产的有效途径【3 0 ，3 1 1 。 产品族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。 产品族中的单个产品叫做产品变量，不同变量间具有相似性，共享产品 结构和相关技术。产品族的界定有以下三个原则3 2 】： ( 1 ) 产品族中的产品具有相同的市场定位和客户群需求； ( 2 ) 产品族中的产品具有相似的产品结构，可用通用结构来表示： ( 3 ) 产品族中节点上的零部件具有相似的功能及相同的外部接口 关系。 用户需求的多样性使得可配置产品具有系列化的特点。这些系列产 品的产品模型具有相似的基本结构。为了支持系列化产品的配置管理， 企业需要采用标准化产品和变型设计的方法建立一个变型的产品结构， 它实际上是一个包括了替换件和可选件的产品族结构模型【1 0 】。利用这种 基于产品族技术的模型，产品配置任务才得以实现。 1 3 产品配置的国内外研究现状综述 1 3