（机械制造及其自动化专业论文）面向产品设计过程的方案评价方法研究.pdf

浙江大学学位论文 摘要 改进产品设计过程是缩短产品的交货或上市时间t ( t i m e ) 、提高产品质最q 【q u a l i l y ) 、 降低成本c ( c o s t ) 、以及改善服务s ( s e r v i c e ) 的关键，从而使企业的竞争力得到提升。 故进产鼎设计过群的一个有效途径就是提高产品殴计过群方案评价的有效性和效率。产品 ：! 计过群方案的评价是个复尔的动态过秽，评价的正确性与否商接决定产舳的最终成败。故本 文分析了国内外设计过程模型和方案评价方法的基础上逛剧模糊层次分析法( a h p ) 和效 用理论对产晶设计过程中的方案评价进行研究。 全文兆分为六章，较为系统地分析了产品设计过程荇阶段模型、相应的方案评价理论， 以及辅助软仆系统的开发。 第一章简要分析了新经济环境r 产品殴计过程的改进对政善t q c s 的重要性，综述j 产品设计过程利面向设计过程的方案评价的研究现状以及发展趋赞，进而指出面向产品殴计 过程的方案评价的重要意义以及本文的主要内容。 第二章归纳、总结了以前的产品设计过烈模型以及方塞评价方法并分析对比他们z 间的优缺点，提出本文的面向产品设计过程的方案评价方法及其总体框架，行指山它的刨新 所在。 第= 章对概念设计阶段的特点进行了分析，根据独立可加性和寻找设计目标解决方寨弈 易性两条原则对产品概念设计阶段的殴计目标进行分解，形成瀑布式的殴计目标结构，借以 提取方案中的指标值，然后以建立概念设计阶段方案评价指标体系，利h j 模糊层次分析法列 概念设计方案进行评价，最后结合实例进行运用。 第四章对详细设计阶段特别是结构设计阶段的特点进行了分析，接着对概念殴计目标剑 结构设计和参数设计的映射芙系进行了研究，运_ f ；f 效_ l = l j 理论对结构歧计方察进行了评价，最 后结合实例进行分析。 第五章在前述研究的基础上，研究基于w e b 的面向产品设计过科的辅助方窠评价系统， 分析了系统的功能需求，给出其体系结构，弗进行了原戮系统的开发。 第六章对全文的主要研究内容及成果进彳了了总结并展望了未米的研究r 作。 关键词：方案评价模糊层次分析法效用理论独立可加性目标分解概念设计结七勾设计 浙江人学学位论立 a b s t r a c t t h eh n p r o v e r u e n to fp r o d u c td e s i g np r o c e s si st h ek e yt os h o r t e nt h el e a dt i m e ( t ) ，e n h a n c e t h ep r o d u c tq u a l i t y ( q ) ，l o w e rt h ec o s t ( c ) a n di m p r o v et h es e r v i c e ( s ) ，t h e nm a k e se n t e r p r i s e m o r ec o m p e t i t i v e o n ee f f e c t i v ea p p r o a c ht oi m p r o v ep r o d u c td e s i g np r o c e s si st oe n t l a n c ct h e e f f i c i e n c ya n de f f e c t i v i t yo f e v a l u a t i o nm e t h o df o ra l t e l l n a t i v ei np r o d u c td e s i g np r o c e s s t h e e v a l u a t i o ni sac o m p l e xa n dd y n a m i cp r o c e s s ，a n di tw i l ld e c i d et h ep r o d u c t sp r o s p e c t b a s e do na w i d ee x p l o r a t i o no fp r e s e n ta c h i e v e m e n t sa n dd e v e l o p i n gt r e n di nt h ef i e l d so fp r o d u c td e s i g n m o d e la n da l t e r n a t i v ee v a l u a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sar e s e a r c h0 1 1e v a l u a t i o nm e t h o df o r a l t e r n a t i v ei np r o d u c td e s i 9 0p r o c e s su s i n gf u z z ya h pa n du t i l i t yt h e o r y t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n w h i c hi n c l u d e st h es t u d yo fp r o d u c td e s i g nm o d e l f ore a c hp r o c e s ss t a g e ，t h ec o lr e s p o n d i n gt h e o r yo fa l t e r n a t i v ee v a l u a t i o na n dt i l ed e v e l o p m e n to f s u p p o r t i n gs o f t w a r e c h a p t e ro n ea n a l y s e st h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c td e s i g np r o c e s si sk e yf a c t o rf o re n h a n c i n g t h et q c si nn e we c o n o m ye r a a f t e rs u r v e yo ft h ep r e s e n ta c h i e v e m e n t sa n dd e v e l o p i n gt r e n di n d e s i g np r o c e s sa n de v a l u a t i o nm e t h o d s ，i n d i c a t e st h er e s e a r c hm e a n i n g ，p u r p o s ea n dm a i nc o n t e n t o ft h i sd i s s e r t a t i o n c h a p t e r1 ；w o r e v i e w st h e p r e s e n tp r o d u c td e s i g n m o d e l s a n da l t e r n a t i v em e t h o d s ，t h e n c o n t r a s t st h e mr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，p u t sf o r w a r dt h ef r a m e w o r ko fe v a l u a t i o nm o d e lo fp r o d u c t d e s i g np r o c e s s c h a p t e rt h r e ea n a l y s e st h ep r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g ns t a g e ，d e c o m p o s e st h ec o n c e p t n a l d e s i g no b j e c t i v eb a s e do na d d i t i v ei n d e p e n d e n c ea n dw h e t h e rf i n ds o l u t i o nf o ro b j e c t i v ee a s i l yo i n o t ，t h e nf o r m st h ec a s c a d es t r l 1 c t u eo fd e s i g no b j e c t i v e a f t e rg e t sd i r e c t i v ev a l u e sf r o m a l t e r n a t i v e sf o rc o n c e p t u a ld e s i g n ，b u i l d su pt h ee v a l u a t i o nh i e r a r c h ys y s t e ma n de v a l u a t e st i l e a l t e r n a t i v e su s i n gf u z z ya h ef i n a l l y , g i v e sa ne x a m p l et oi l l u s t r a t e l o wt ou s et h i sm o d e li n c o n c e p t l t a ld e s i g n c h a p t e rf o u rp a r s e st h ed e t a i l e dd e s i g ns t a g e ，e s p e c i a l l ys t r u c t u r ed e s i g ns t a g e ，t h e ns t u d i e s t h er e l a t i o nb e t w e e nc o n c e p t u a ld e s i g na n ds t r u c t u r ed e s i g no rp a r a m e t e rd e s i g na t i e rt h a t ， e v a l u a t e st h es o l u t i o nu s i n gu t i l i t yt h e o r y a tl a s t ，e x a m p l ei sg i v e nt oi l l u s t r a t eh o wt ou s et h i s r o n d e li ns t r u c t u r ed e s i g n c h a p t e rf i v ea n a l y s e st h es o f t w a r ef u n c t i o nd e m a n d i n ga n di t sa r c h i t e c t u r e ，t h e nd e v e l o p sa c o m p u t e ra i d e dp r o t o t y p es y s t e m f o ra l t e r n a t i v ee v a l u a t i o ni np r o d u c td e s i g np r o c e s sb a s e d0 1 3 w e b i nc h a p t e rs i x t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n d t i l ep r o s p e c to ft h er e s e a r c hi so p e n e du p k e yw o r d s ：a l t e r n a t i v e ，e v a l u a t i o n ，f u z z ya h p , u t i l i t yt h e o r y , a d d i t i v ei n d e p e n d e n c e ， o b j e c t i v ed e c o m p o s i t i o n ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g n i i 第一章绪论 内容提要 本章首先概要性叙述了本课题的背景和意义，并总结了它们的进展和所遇到的挑战，指 出进行产品设计阶段方案评价研究的必要性；然后分析了产品设计过程及其评价方法的现 状，并指出它们现在存在的问题；最后提出本课题的研究意义、目标及主要内容。 1 1 课题提出的背景和意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，企业之间的竞争日趋激烈，主要体现在如何缩短产品的交货或 上市时间t ( t i m e ) 、提高产品质量q ( q u a l i t y ) 、降低成本c ( c o s t ) 、以及改善服务s ( s e r v i c e ) 。 其中产品的开发时间与成本成为企业成败的关键因素。虽然各种计算机辅助工具的出现使得 产品的设计开发周期( l e a d t i m e ，l t ) 被大幅度缩短，但是产品的获利时间。即u 结束到 产品消亡这段时间也由于竞争激烈而相应缩短。而对产品的t q c s 进一步改善的要求却越来 越迫切。正是在这一背景下，人们对产品设计开发过程空前关注。它在企业中所处的位置如 图l - 1 中所示，这个观点得到大多数人的认同。 圈i l产品设计开发过程在套业中所赴位置示意鹕川 产品设计开发过程是为了完成产品开发任务而进行的一系列工程活动，包括产品生命周 期内的用户需求分析、产品设计、工艺设计、产品制造、产品装配、性能测试以及使用维护 等多领域多层次的活动，其中用户需求分析、产品设计、工艺设计是作为产品设计过程的内 容。设计过程作为产品开发过程中最复杂最有创造性的一环，无疑是研究的重点。研究表明， 随着设计过程的深入，获得的知识逐步增加，结构与参数逐步确定，设计自由度逐步缩小， 不确定度也逐步降低。同时，产品的设计过程对最终的产品质量和成本有极大的影响，如 w e s t i n g h o u s e 曲线( 图1 2 ) 所示，可见设计早期的决策对设计过程乃自整个产品水平的影 响，产品设计开发所占总成本的6 却影响产品总成本的7 0 【6 ”；产品质量不但是制造出来 的，但绝大多数质量属性是在产品设计过程决定的：设计质量的好坏又直接影响到后继服务。 浙江大学硕士学位论文 预 算 分 配 l o o 产品生命周期 图1 2w e s t i n g h o u s e 曲线“j 因此产品设计过程的改进是改善t q c s 的关键。改进产品设计过程从两个方面进行，一 是运用先进的产品开发改进工具，从设计过程的整体上对产品设计进程进行优化和改进。比 如并行设计( c o n c u r r e m d e s i g n ) 、q f d ( q u a l i t y f u n c t i o n d e p l o y m e m ) 、d f m a ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l y ) 、田口稳健设计( t a g u e h i sr o b u s td e s i g n ) 、c p i ( c o n t i n u o u s p r o c e s si m p r o v e m e n t ) 以及t q m ( t o t a lq u a l h ym a n a g e m e m ) 等，这些工具已经在企业中得 到广泛和成功的运用；= 是提高产品开发的评价水平，产品设计过程是一个“设计一评价一 再设计”的过程，在设计的各个阶段，总是生成多个可选设计方案，出于成本、利益、企业 资源等多方面的考虑，企业必须选用一个最优的方案，其相应的评价过程如图1 - 3 所示，本 文主要从这方面考虑如何提高产品设计过程的质量。 图1 - 3 设计过程中的评价 总之一句话，产品设计过程是一个设计自由度和不确定度越来越小、设计知识越来越丰 富、从抽象到具体、有定性到定量、反复分析、综合、评价的过程。产品设计方案的评价是 一个复杂的动态过程，应该综合考虑产品全生命周期的方方面面，做到评价的客观性、公正 性，对于改善企业的t q c s 有重要的意义。 2 慨晰鬟il焉嚣溅 浙江大学硕士学位论文 1 2 产品设计过程及其方案评价的现状与分析 1 2 1 设计过程研究现状 设计过程的优劣直接影响到产品开发的进度以及产品开发的质量，因此许多国内外学者 和机构对产品设计过程及其各种方法进行了研究，由于目前尚没有比较权威的分类，根据设 计过程的特点以及研究对象的不同多从以下四方面进行研究： ( 1 ) 对产品设计整体的串行性、并行性研究； 设计过程作为产品开发过程中最复杂最有创造性的一环，无疑是研究的重点。在同一个 时期，生产工具和人员素质相近，同一生产过程所耗时间、成本相近，工艺水平也相近，所 以实际的生产过程对t q c s 的改进作用不大，除非生产工具有了突飞猛进的发展、人员素质 有了极大的提高，但是这方面的改变都是缓慢的，具体到某一时期可以认为各个工厂之闻相 同。产品的生产过程一方面受制于生产工具和人员素质，这个是社会因素，但更主要受制于 设计过程，设计过程的好坏直接决定了产品的可制造性、可装配性、可维护性等，进而影响 t q c s 。这是作为上游的设计过程对下游的生产过程的直接影响。作为设计过程自身而言， 它也是分阶段的，可分为需求分析、概念设计、结构设计和参数设计四个阶段。阶段之间也 存在信息依赖，因此相应的有串行设计和并行设计之分。由图1 4 ，i - 5 可以看出，并行设 计的实质是串行设计的“设计一评价一再设计”的大循环变为多次的“设计一评价一再设计” 的小循环【3 1 1 4 1 【5 1 ，以尽可能早的发现设计中存在的问题。并行设计可表示成多个部件多个小 循环的叠加： 并行设计= 小循环a 科。 l l j = l 其中，i 为第i 个过程，j 为第j 个部件。并行设计是当前研究的热点，如赵晋敏对并行设计 的选代规划进行了研究l l l 。 一 反馈信息流 图1 4 串行设计图1 - 5 并行设计 ( 2 ) 对具体的并行设计的某个方法进行研究： 并行设计并不是一套崭新思想的创造。s m i t h t l g 追溯其起源指出，并行设计是诸如q f d ( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 、d f m a ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l y ) 、田1 2 1 稳 健设计( t a g u e h i sr o b u s td e s i g n ) 、c p i ( c o n t i n u o u sp r o c e s si m p r o v e m e m ) 以及t q m ( t o r a l 3 浙江大学硕士学位论文 q u a l i t ym a n a g e m e n t ) 等产品开发改进工具及技术的有机集成与总结。图4p j 表明了阶段化 设计、零部件和并行设计的方法之间的关系。许多学者对他进行了研究，如高琦对q f d 的 方法进行了研究”1 。 计 圈1 6 并行设计三维图 ( 3 ) 对产品设计过程某一阶段进行研究； 产品设计过程是一个复杂的过程，因此耍对每个过程同时进行深入的研究需要耗费很多 的人力，因此研究人员多深入了解其中的一个阶段，产品设计过程一般划分四个阶段：需求 分析、概念设计、结构设计和参数设计。其中对概念设计阶段最复杂，对它的研究也最多， 如韩晓建对产品概念设计阶段进行了研究1 7 j ：柴保明对机械系统概念设计阶段方案综合评优 决策方法进行了研究p 】。 ( 4 ) 对产品设计过程建模理论的研究，将在第二章详细讲述。 综上所述，当前产品设计过程的研究主要是并行工程的使用、具体产品设计方法或者某 阶段的产品设计的研究，还有就是针对于任何产品设计过程的建模理论的研究。 1 2 2 设计过程评价的研究现状 由于设计过程评价对于产品开发以及最终产品质量的重要性，国内外学者对其进行了大 量研究。对于这些研究目前还没有统一的分类，可根据其特点与对象大致分为六类p 1 进行讨 论： ( 1 ) 对应于具体设计方法学的评价研究 当前，及时生产( j u s ti nt i m e ) 、并行设计( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、精益生产( l e a n p r o d u c t i o n ) 、虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、质量功能配置( q u a l i t yf u n c t i o n d e p l o y m e n t ) 、保质设计( d e s i g nf o rq 吲姆) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、现代集成 制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 等现代制造模式的发展对涉及环境、设计方 式提出了新的要求，其中并行设计、保质设计、虚拟设计、质量功能配置等方法获得了巨 大的发展。由于现代的产品越来越复杂，上市时间越来越紧迫，对质量的要求越来越高， 并行工程和并行设计是当前研究的热点。在有关并行设计的评价研究中，杨培林、朱均等 4 浙江大学硕士学位论文 提出了面向并行工程的产品设计综合评价及决策| 2 】b u h a q u e 等利用机遇实例的推理对并 行工程下新产品的开发提供评价决策支持l l 。 ( 2 ) 面向产品设计过程各阶段的评价研究 虽然产品设计过程分类方法众多，产品设计一般分为需求分析、概念设计、结构设计和 参数设计等阶段，各个阶段有不同的特点，其中概念设计和结构设计主要进行评价决策； 而参数设计，主要进行参数优化。 在产品设计的各个阶段中，概念设计对最终的产品性能指标、成本指标和顾客满意度等 影响最大，同时概念设计阶段自由度较大，设计知识比较少( 图1 - 7 所示) ，定性属性太多， 因此评估的难度较大也最大，也是近期研究的热点。如韩晓建等对概念设计过程以及概念 设计方案评价体系进行了研究 1 1 1 ；r k p a a s s c h 等对机械产品概念设计的故障争端进行研 究，提出了在设计阶段应当遵循的一些原则 1 2 1 。对于机械参数设计，可以采用机械优化设 计提供的方法，对于其评价方法，也有很多相关的方法，比如杨小安提出的机械设计中参 数模糊评价决策方法【1 。面向分阶段的评价比较深入，但是对于整个设计过程的各个阶段 提出总体的评价方案却不多。 设计过程 图l 一7 设计过程中的不确定度和设计知识 ( 3 ) 对某类产品的评价研究 产品种类繁多，同一类产品都有其共性的东西，可以针对同类产品进行研究。产品大 致可分为硬件产品( 包括机械产品、电子硬件产品、化工产品、医学产品等) ，软件产品、 服务性产品以及综合类产品嘲。对于某一类产品的进行评价研究。可以突出同类产品共性 的部分，有利于比较同类产品间的差别。对于硬件产品的评价研究比较多，比如陈为提出 了农机产品设计质量的评定原则与评价体系，分析了影响农机产品质量的因素，建立了模 糊综合评价的数学模型口4 1 。对于软件产品进行评价的研究中，则有m m o r i s i o 等提出的以 多标准辅助决策方法为基础的i u s w a r e 软件评价方法学等。综合类产品如机电系统的评 价，则有机遇b o n d 图的性能分析帆等。随着设计理论的发展以及新产品的不断涌现， 对同类产品的评价研究将继续进行下去。 ( 4 ) 考虑不确定性的设计评价研究 不确定性是产品设计评价不可避免的问题，特别是概念设计阶段的方案评价，由于结 构和参数还没有完全确定，在进行评价分析时主观因素占有很大的比重，同时多属性多人 6 浙江大学硕士学位论文 评价时存在折衷，因此更加加剧了不确定性。目前处理这种不确定的工具很多，比如模糊 数学、概率论与数理统计、粗糙集论、证据推理、区间数学、效用理论等。在不确定性问 题的研究方面，许多学者做出了卓有成效的工作。如r e d d y 等使用严格的去见代数对不确 定的方案选择进行了建模，可处理指标登记的不确定及指标间相对重要性的不确定问题 【1 8 】；y a n g 将证据理论用于不确定性推理建模口o 】；m m e e k 等采用扩展的模糊层次分析方 法进行不确定建模分析口“。不确定性在设计中不可避免，目前对于设计评价中不确定性的 产生与传递缺乏研究，另外缺乏贯穿整个评价过程充分考虑不确定性的有关研究。 ( 5 ) 基于人工智能技术的评价研究 人丁智能技术在各个领域获得了广泛的运用。在设计评价中，由于处理的信息较多， 并且涉及到以前的知识和信息，所以和计算机技术、人工智能技术势在必行。计算机辅助 评价系统一般分为两类，一类侧重于对评价策略与步骤进行研究，适用范围较广，如： e u r o p e a nj o u r n a lo fo p e r a t i o n a lr e s e a r c h 在9 9 年第二期专门对多标准评价决策支持的专题 进行了研究；姜华等对多目标、多准则的评价决策系统进行了研究1 2 “。另外一类研究偏向 于系统设计层面，如王宏等人研究了面向机床产品的性能评估系统口】；戴宏跃等人进行面 向产品设计的智能评价决策支持系统研究 2 4 1 。目前对于产品设计评价研究比较成熟的软件 系统比较少，随着人工智能技术的进一步发展，计算机辅助评价系统将得到进一步壮大。 ( 6 ) 综合评价方法的研究 不同的评价问题有不同程度的信息和知识，并且要求、侧重点也不相同。因此不能指 望一种评价方法适用于所有情况，有时单一的一种评价方法不能适用于一个问题，需要综 合几种方法来进行评估决策。k l p o h 总结了十几种评价方法，开发出基于知识的方法的 选择系统，根据待评价的问题，利用系统选取最合适的评价方法1 2 5 1 。综合评价方法已经得 到了多方面的重视，但是开发力度还不够，需要进一步进行研究。 根据以上对目前评价研究的现状分析可知，设计评价的发展趋势为： 和设计方法学紧密结合，针对不同的设计思想、方法，有相应的评价方法； 对产品设计评价分阶段进行，上游的概念设计阶段是研究的热点； 对处理设计评价的不确定性进行研究，使结果更加合理； 计算机技术以及人工智能技术在评价中的运用越来越广泛： 集中多种评价方法优点的综合评价得到了进一步发展； 设计评价逐步向基于知识、信息与定量化的方向发展； 评价的对象与指标不断扩展。 产品设计中尤其是初期的设计阶段对最终的产品性能、功能以及质量等影响最为深刻， 因此本文对产品的设计过程的方案进行评价。针对产品设计过程的复杂性、不确定性等特点， 分阶段进行，并根据不同设计阶段的特点对评价方法进行调整。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 论文的研究意义、目的与主要内容 1 3 1 论文的研究意义 面向产品设计过程的方案评价需要一个全面的系统的环境。全面性是指综合考虑产品全 生命周期的情况，改善上游的设计过程的同时，能够考虑到下游的制造性、安装性以及维护 性等方面，因此设计过程要考虑的东西很多而且很复杂；系统性则需要一套完整的理论利工 具，并在这个理论下进行系统开发，全面整合产品设计的各种工具，比如a u t o c a d 、p r o e 等，并根据设计阶段的不同特点提供评价工具。 同时，面向产品设计过程的方案评价是一个面向过程的评价，需要体现设计过程的不同 特点，并对过程进行建模。在信息技术的条件下，开发计算机辅助评价系统是一个必然的选 择，以有的过程建模软件比如工作流等对整合产品设计及其评价过程是一个很好的选择，但 是由于其在过程评价的运用还不多，还有很多不足，因此需要进一步扩展与实践。 面向产品设计过程的辅助方案评价系统，应该考虑到市场研究、设计开发、采购共性、 生产制造和销售服务的产品全生命周期，把先进制造技术、i t 技术与产品设计过程、设计 评价有机融合；角色参与、策划、监控和重新发布过程是过程模型的主要功用，实现设计过 程的优化，最终达到改善t q c s 的目的，因此具有重要的现实意义。 考虑了上述困境与实际的基础上，仔细分析方案评价体系与产品设计过程、方案评价方 法，建立了面向产品生命周期的方案评价基本框架如图1 8 所示： 设计评价 过程缀织 图i - 8 面向产品设计过程评价的基本框架 该框架以机械产品的设计开发为背景，建立了一套可行的、实用性很强的理论体系和计 算机辅助决策系统。考虑了三个基本原则： 符合企业产品开发的实际情况，充分考虑开发过程的组织架构； 充分吸收和参考具体工程技术，如保质设计，全面质量管理，顾客满意度等； 建立方案评价的理论体系，以工作流技术作为开发环境。能够对产品设计过程进行 浙江大学硕士学位论文 建模，根据产品设计不同阶段的特点对产品的设计方案提供评价支持。 在此框架图中，产品的设计评价维遵循“设计评价一再设计”的循环过程，直至达到 设计的理想值：过程组织维采用设计过程管理、产晶设计方案管理、资源信息管理对设计过 程涉及到的各方面信息进行有效管理：产品设计过程维( 进程维) ，以产品设计过程的各个 阶段来展开，覆盖整个设计过程。此框架作为面向产品设计过程辅助评价系统研究的基础， 满足产品设计过程的要求；在可操作层面上，更加关注设计过程规划、过程实施与决策支持 的融合，突出了设计评估决策的实用性。 以此基本框架为基础，建立面向产品设计过程的计算机辅助评价系统的总体框架如图 1 - 9 所示。 企业人员 建模人员设计人员评价人员 企业人员 。峰叫嶂刊峰刊。 叟 幕 w e b 服务器( j b o s s ) 一 统+ 口 a 功叫怔丑怔丑回 能 过程建模需求分析概念设计结构设计参数设计 功能模块及接口 业务对象：知识、企业人员、产品、资源、过程、报表、文档等 数据访问对象 - i x 1 册b c x j f 。h i b e r h 嘏e ；一， 数据库( o r a c l e ) 、知识库( k b ) 操作系统( w i n 9 x , w i n 2 0 0 0 , w l n n t , ) 计算机网络( i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t ) 表 现 层 中 间 层 支 持 层 图1 - 9 面向设计过程评价系统总体框架 该框架从整体上把面向设计过程的辅助方案评价系统分为三个层次，即表现层、中间层 和支持层( 数据层) 。表现层配置不同权限，可供企业内部成员( 如录入员、设计过程建模 人员、产品设计人员、系统管理员、企业领导等) 访问设计过程信息；中间层采用面向对象 技术，开发系统的主用功能模块，包括过程建模、发布与监控以及过程执行，评价系统的运 行，以工作流作为过程支撑环境，这是系统的核心部分；支持层是支持系统运行的软、硬件 环境，包括计算机与网络等硬件环境、操作系统和数据库，其中数据库的构建是关键，并考 虑系统的方便扩展与协同。 以设计过程建模、运行及改进为主的过程管理方法以及方案评价工具的开发是实现系统 功能的重要前提。可以帮助用户建立、发布、监控、改进以及评价设计过程；从软件系统整 8 浙扛大学硕士学位论文 体来说，过程建模的建立及运行是软件实现的基础，而工作流系统的运作则是软件系统的关 键，然后才是评价工具的开发。系统的开发对于加快产品设计开发的进度，更好的响应客户 的需要以及设计评价水平的进一步提高都有重要的意义。 1 3 2 研究的目的和目标 分析概念设计、结构设计、参数设计三个阶段的特点，建立相应的设计目标分解体系以 及评价指标体系，并采用合适的方法对设计方案进行更加合理准确的评价，为产品设计过程 提供全面的评价支持：对产品设计过程建模，运用工作流技术对过程进行发布、监控，开发 一个软件框架为产品设计过程提供评价支持；同时，研究一下它对提高企业t q c s 的贡献。 本文的目标是通过分析设计过程的特点以及设计过程建模的总体技术，初步建立面向产 品设计过程的方案评价指标体系以及相应的评价方法，开发辅助软件系统原型，并进行实践 运用。 1 3 3 主要研究内容和章节安排 本文分析了面向产品设计过程方案评价的背景、方案评价的方法、产品过程建模理论、 辅助软件体系结构及开发和运用。主要内容包括： 1 ) 简要分析了新经济环境下产品设计过程的改进对改善t q c s 的重要性，综述了产 品设计过程和面向设计过程的方案评价的研究现状以及发展趋势，进而指出面向产 品设计过程的方案评价的重要意义以及本文的主要内容。( 第一章) 2 )归纳、总结了以前的产品设计过程模型以及方案评价方法，并分析对比了他们之间 的优缺点，提出本文的面向产品设计过程的方案评价方法及其总体框架。( 第二章) 3 ) 对概念设计阶段的特点进行了分析，根据独立可加性和寻找设计目标解决方案容易 性两条原则对产品概念设计阶段的设计目标进行分解，形成瀑布式的设计目标结 构，利用它从概念设计方案中获得指标值，然后建立概念设计方案评价指标体系， 利用模糊a h p 对概念设计方案进行评价，最后结合实例进行运用。( 第三章) 4 ) 对详细设计阶段特别是结构设计阶段的特点进行了分析，接着对概念设计目标到结 构设计和参数设计的映射关系进行了研究，运用效用理论对结构设计方案进行了评 价，最后结合实例进行分析。( 第四章) 5 )在前述研究的基础上，研究基于w e b 的面向产品设计过程的辅助方案评价系统， 分析了系统的功能需求，给出其体系结构，并进行了原型系统的开发。( 第五章) 论文的章节安排如图1 1 0 所示。 9 浙扛大学硕士学位论文 1 4 本章小结 图1 1 0 论文章节总体结构 本章首先概要性的叙述了设计过程改进以及方案评价对于改善企业t q c s 的意义，然后 分析了设计过程、以及方案评价的研究现状和发展趋势，指出了方案评价的复杂性以及难度； 进而提出本课题的研究意义、目标、主要工作以及章节安排。 l o 第二章面向产品设计过程的方案评价研究 内容提要 本章主要任务是对设计过程建模和方案评价方法的相关研究进行总结并指出他们的优 点和局限性。在此基础上提出本文的面向产品设计过程的方案评价模型及其工作流程，同时 指出文章的创新点。 2 1 引言 本论文的研究主题是面向产品设计过程的方案评价方法，与这个主题相关的研究主要有 三方面：设计过程建模，方案评价理论和系统研究( 系统研究将在第五章进行) 。首先，研 究人员总是希望开发一定的模型和框架为设计者在整个设计周期中提供指导，提高设计的效 益和效率。从另一个更广泛的角度讲，设计过程可以认为是开发设计方案满足设计需求的过 程。另外，国内外学者和机构对方案评价框架和技术也做了很多工作，提出了许多方法和工 具帮助设计人员做出更好的评价。本章之所以较详细地对过去的设计过程模型方面和方案评 价方法进行研究，一方面是为了比较指出他们的优缺点，提出一个基于模糊a h p 和效用理 论的面向产品设计过程的方案评价模型来克服这些缺点，另一方面是，以前的设计模型和方 寨评价有很多东谣可以融入本文的模型中。 2 2 产品设计过程分析 研究人员对产品设计过程尤其是机械产品设计过程的研究已经进行了很多年，他们试图 通过过程建模来解释设计师怎样设计和开发汽车、飞机等有成千上万的相互作用零件的复杂 机械产品。早期的研究对象是一些具有4 ，s 个零件的简单产品，一方面是简单产品设计过 程就能理解设计师的心理想法；另一方面是因为零部件过多，产品组合的可能性数目以数量 级增加，导致难以建模。因此现存的设计模型难以为过于复杂的产品进行分析和建模。尽管 如此，人们依旧对设计过程建模进行不断的探索。 2 2 1 产品设计过程的概念模型 产品设计一般分为三种不同的类型1 【蚓： 创造型设计：没有现成的设计方案、设计原理可参考，从抽象的设计要求开始设计 出满足要求的产品。 适应型设计；总的方案原理不变，对已有的方案根据新需求的出现进行局部的改变。 浙江大学硕士学位论文 变参数型设计：方案原理和和功能结构都不改变，只是对结构配置和尺寸进行更改。 研究人员试图寻找一个通用的规则对这些不同类型的设计进行建模。通常，设计可定 义为描述出能满足一定功能、形状要求的对象，包括设计过程和结果：d c s i 鲫= i6 】；d o o 为设计对象模型初始集，空集表示创造型设计，非空集表示适应型或变参 数型设计 d q 为设计模型对象结果集，空集表示没有找到合适的设计方案；d c 为设计约 束集，d p 为从d o o 到d o t 的一个进化过程，d 0 0 通过许多步骤进化到d o r 如图2 - 1 所示， 其中，d t i 为各步骤的进化活动，每一个活动都需要设计人员运用知识( 常识、专业知识、 方法学知识) 、推理方法( 定性、定量、直觉等) 、设计工具来完成，因此需要有经验的设计 人员来进行，对于工作经验不足的设计人员将花费很多时间进行返工和迭代；d o i 为设计对 象的各种中间模型。由于各个设计阶段的设计人员的知识结构、思维习惯和经验等都有很大 差别，导致最后有多个d o r ，即多个设计方案的出现。 2 2 2 产品设计过程模型 图2 - 1 设计过程的概念模型 人们根据实际需要不断对上述的设计过程概念模型进行具体化，得出各种各样的设计模 型。尤其是最近的2 0 多年里，计算机的引入和新模型工具的不断改善和发展，研究人员对 设计建模和新模型的研究投入了更多的精力，并取得了很多成果。可以根据设计过程的三维； 过程维、决策维和信息维f 2 7 】，将现存的产品设计过程模型分为三类； 2 2 2 i 过程维 这类设计模型的研究人员主要对设计人员开发产品原理的过程感兴趣。对于机械产品开 发而言，研究重点主要有两个：( 1 ) 设计人员怎样进行产品设计；( 2 ) 试图寻找隐藏在设计 者设计行为后的思维。这类设计模型现在较为流行和普遍为大家所接受的主要有：公理设计 模型、系统设计模型、全面设计模型和质量功9 b 配置( q f d ) 。 ( 1 ) 公理设计模型 公理设计模型【6 1 2 8 】【2 ”认为设计过程是一个要取得的目标( w h a t ) 和如何达到目标 浙江大学硕士学位论文 ( h o w ) ，两个相互作用的持续过程，并定义了四个域：客户需求域( c n ) 、功能域( f r ) 、 设计参数域( d p ) 和工艺变量域( p v ) ，域之间的映射过程必须遵循下列两个公理： 曲独立性公理：保证f r 里元素之间的独立性。 b ) 信息公理：保证设计所需信息最小化。 独立性公理要求在功能域f r 映射到参数域d p 的时候，一个功能元素只能影响相应的 一个设计参数。符合这个要求得设计叫做松散设计，与之相反的设计叫做紧密设计。信息公 理则指在满足独立性原则的设计中，所需信息最少的设计为最佳设计方案。在公理设计中， 信息是指在某一个功能层次中满足某一个f r 所需知识的量度；垂直尺寸代表从最顶层属性 到最低层属性的分解度。公理设计模型如图2 - 2 所示。 映射 w h a t - _ - - - - - i - l _ - - _ h o w 层i 抽象 i 层i i l i 层i i i i i 鼬 具体 层v 詹n 客户需求 功能 设计参数工艺变量 图2 - 2 公理设计模型 公理设计模型通过四个不同的域以及系统到子系统的层层分解为组织设计过程提供了 独特的视角：( 1 ) 公理a ) 定义了设计需求并为达到最佳设计提供了指导；( 2 ) 公理b ) 选择 需求信息最少的设计为最优设计。但是它也有局限性：过强的框架严重限制了设计者进行开 拓性设计；不能明确的说明最优问题：对可选设计方案不能明确的给出判断。同时，公理设 计对于如何满足复杂产品设计问题有很大的困难。 ( 2 ) 系统设计模型 系统设计模型p 0 1 从机械产品设计必须精心的安排和细心的执行出发，设计模型应该能 够考虑到产品的方方面面。在每一个设计过程中遵循下列四个步骤： a )计划和细化任务 b 1 概念设计 c ) 结构设计 d ) 详细设计 第一阶段有两部分组成：( 1 ) 计划阶段设计者或者公司通过系统地搜索和选取客户调查核实 厂去求得来的产品需求信息，制定目标产品；( 2 ) 设计者综合考虑设计任务的所有相关需求， 1 3 浙江大学硕士学位论文 系统设计模型提供了系列标准帮助设计者选出必须执行的设计任务。笫二阶段主要是产生 概念设计方案。设计者使用模型提供的方法开发基本的功能结构。接着，功能结构被转换为 工作结构，这是功能结构的物理实现，然后使用形态图组合这些结构，产生解决方案并评估 和选择。结构设计和详细设计阶段是设计过程的物理实现，系统设计模型提供了传递、任务 划分等原则帮助设计者完成设计。 系统设计模型来源于设计问题的实际解决过程，因此，和公理设计不同，它允许设计者 自由思考，但是思考必须具有系统性。同时，系统设计模型从设计早期就考虑到设计过程的 方方面面，考虑到下游的结构设计和详细设计，以及制造、装配等。尽管概念设计模型全面 考虑了设计过程的不确定性，但是它的评价过程并不好。例如评价工作结构，系统设计模型 使用选择表方法，每完成一个设计过程，和预先制定偏好相比，使用+ 和_ ，标示结果。 这样的评价需要回溯，浪费大量资源，代价昂贵。所以系统设计对设计方案的有效性进行了 一定的研究，但是一个方案到底优越于另一个方案多少没有提供一个方法，设计者需要运用 经验来确立最后的方案。因此，运用系统模型进行设计还需要开发更多的支持和导向机制， 同时还必须提供处理设计不确定性的方法。 ( 3 ) 全面设计模型 全面设计模型9 1 】有点类似于系统设计模型，它的定义是“从市场、客户的需求定义一 直到满足需求的产品销售的