（机械工程专业论文）大规模定制下基于实例的产品族配置实现关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着科学技术的不断进步和市场竞争的日益加剧，客户对产品的需求变得更 加个性化，传统的大规模生产模式不再满足制造企业的需求，新的生产模式 大规模定制取而代之成为目前的主流生产模式。产品配置作为大规模定制的重要 组成部分，是实现满足客户需求的产品快速定制的核心技术与关键使能手段。本 文针对大规模定制模式下的产品配置系统进行了分析研究，对产品族配置系统中 非结构化客户需求的转换技术、基于客户需求的配置评价方法以及产品族结构建 模和配置求解进行了深入研究，具体内容在以下几方面： 实现非结构化客户需求的结构化分解和映射。分析了客户需求在产品配置 中的重要性，将客户需求分解为结构化需求与非结构化需求并分析它们之间的区 别与特点。分析了客户需求获取存在的困难以及获取的方法。建立了非结构化需 求到结构化需求的转换机制，构建了非结构化客户需求与产品配置参数表之间的 映射关系，提出了基于灰色粗糙模型的客户需求转换方法实现对客户需求信息的 分析与转换，并运用实例进行论证。 构建基于客户需求权重约束的配置评价方法。为避免产品配置可行配置方 案多解性，减少不必要的数据处理，提高配置效率，建立了基于客户需求权重约 束的产品配置评价机制，检索与客户需求最为接近的相似产品实例。通过客户需 求指标与产品特性指标的映射关系，并根据客户需求各项指标的重要度分析，建 立权重约束的评价指标模型。采用基于可拓分类的评价方法实现相似实例的检索， 为后续基于实例的产品配置求解提供了产品实例依据。通过实例验证了该评价模 型的合理性以及评价方案的可行性。 构建产品配置中的数据资源库，并实现基于实例的配置的求解。构建了包 括产品族信息库、模块资源库和配置约束规则库的数据资源库，并说明其在产品 族配置中的作用。构建模块资源库，为配置提供基本数据资源；构建产品族信息 库，建立模块与零部件的上下级关系，保证配置的可行性，提高配置效率；构建 配置约束规则库，建立配置中模块间的约束关系，确保了配置的有效性。最后提 出了基于实例的多维关联规则的产品配置求解方法，通过数据资源库的支持，对 相似实例进行模块的替换或修改，生成满足客户需求的产品，实现配置求解，并 运用实例进行论证。 在快速响应客户的产品开发平台上，根据以上理论与关键技术的研究设计 并实现了面向客户需求的产品配置过程。以配置某汽车制造企业的自卸汽车产品 为实例，证明了本文中所研究内容的正确性与可行性。 重庆大学博士学位论文 关键词：大规模定制，产品族配置，客户需求，配置评价 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sp r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n di n c r e a s i n gm a r k e t c o m p e t i t i o n ，c u s t o m e rd e m a n df o ro u rp r o d u c t sb e c o m em o r ep e r s o n a l i z e d ，t r a d i t i o n a l l a r g e s c a l ep r o d u c t i o nm o d en ol o n g e rm e e tt h en e e d so fm a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s ，t h e n e wp r o d u c t i o nm o d e l - b e c o m er e p l a c e db ym a s sc u s t o m i z a t i o nt h ec u r r e n t m a i n s t r e a mp r o d u c t i o nm o d e l s p r o d u c tc o n f i g u r a t i o na sa l li m p o r t a n t p a r to fm a s s c u s t o m i z a t i o ni st om e e tc u s t o m e rd e m a n df o rp r o d u c t st oa c h i e v er a p i dc u s t o m i z a t i o n o ft h ec o r et e c h n o l o g ya n dk e ye n a b l i n gt 0 0 1 t h i sm o d e lf o rm a s sc u s t o 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 ns y s t e m sw e r ea n a l y z e d ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e mp r o d u c t f a m i l yp r o d u c tf a m i l ym o d u l a rt e c h n o l o g y , c o n f i g u r a t i o nc o n s t r a i n t st ob u i l dt h er u l e b a s e ，c o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e sa n dc u s t o m e rd e m a n db a s e do nc u s t o m e rd e m a n dt o o p t i m i z et h ec o n f i g u r a t i o no fe v a l u a t i o nm e t h o d si n d e p t hs t u d yo fs p e c i f i cc o n t e n ti n t h ef o l l o w i n ga r e a s ： ，n l ei m p o r t a n c eo fc u s t o m e rd e m a n di np r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o nw a s a n a l y n i z e d ,a n dt h ec u s t o m e rd e m a n dw a sc l a s s i f i e d i n t o s t r u c t u r e dd e m a n da n d u n s t r u c t u r e dd e m a n d ，a n dt h ed i f f e r e n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s et w ok i n d so f d e m a n dw e r ea n a l y n i z e d t h ed i f f i c u l t i e sa n dt h em e t h o d st oa c q u i r ec u s t o m e rd e m a n d i n f o r m a t i o nw e r ea n a l y n i z e d t h em e t h o do ft r a n s f o r m i n gu n s t r u c t u r e dd e m a n di n t o s t r u c t u r e do n ew a se s t a b l i s h e da n dt h em a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nc u s t o m e rd e m a n da n d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r w a sb u i l t am e t h o df o rc u s t o m e rd e m a n d t r a n s f o r m a t i o nb a s e do n 掣a yr o u g hm o d e lw a sp r o p o s e d ，a n da l le x a m p l ew a su s e dt o p r o v et h em e t h o di sf e a s i b l e ac o n f i g u r a t i o ne v a l u a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec u s t o m e rd e m a n dw e i g h t c o n s t r a i n tw a sb u i l t t oa v o i dm u l t i p l es o l u t i o n sf o rf e a s i b l es c h e m eo fp r o d u c t c o n f i g u r a t i o na n dt or e d u c eu n n e c e s s a r yd a t ap r o c e s s i n gf o rr a i s i n gc o n f i g u r a t i o n e f f i c i e n c y , a l la s s e s s m e n ts y s t e mo fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nb a s e do nc u s t o m e rd e m a n d w e i g h tc o n s t r a i n tw a sp r o p o s e df o rr e t r i e v i n gt h em o s ts i m i l a rp r o d u c te a s ew i t l l c u s t o m e rd e m a n d s a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n c eb e t w e e nc u s t o m e rd e m a n dp a r a m e t e r s a n dp r o d u c tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h ee a c hp a r a m e t e r sw e i g h to fc u s t o m e r d e m a n d ，ae v a l u a t i o nm o u l dw a sb u i l t a n dt h em o s ts i m i l a rp r o d u c tc a s ew a sr e t r i e v e d w i t he x t e n i cc l a s s i f ye v a l u a t i o nm e t h o d ；t h ec a s ew a su s e df o rt h en e x tc o n f i g u r a t i o n s o l u t i o nb a s e do np r o d u c tc a s e t h er a t i o n a l i t yo ft h ee v a l u a t i o nm o u l da n dt h e i i i 重庆大学博士学位论文 f e a s i b i l i t yo ft h ee v a l u a t i o nm e t h o dw e r ep r o v e db ya l le x a m p l e t h ed a t a b a s er e s o u r c e sf o rp r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni n c l u d i n gp r o d u c tf a m i l y i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，m o d u l er e s o u r c ed a t a b a s ea n dc o n f i g u r a t i o nc o n s t r a i n tr u l e s d a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d ，a n dac o n f i g u r a t i o ns o l u t i o nb a s e do np r o d u c tc a s ew a s p r o p o s e d t h em o d u l er e s o u r c ed a t a b a s ew a sb u i l tf o rs u p p o r t i n gb a s ed a t ar e s o u r c ef o r c o n f i g u r a t i o n ；t h ep r o d u c tf a m i l yi n f o r m a t i o nd a t a b a s ew a sb u i l t f o re n s u r i n gt h e f e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yf o rc o n f i g u r a t i o n ；a n dt h ec o n f i g u r a t i o nc o n s t r a i n tr u l e s d a t a b a s ew a sb u i l tf o re n s u r i n gt h ec o n s t r a i n tr e l a t i o nb e t w e e nm o d e l sf o ra v a l i b i l i t yo f c o n f i g u a r i o n ap r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm e t h o db a s e do nm u l t i - d i m e n s i o n a la s s o c i a t i o n r u l ew a sp r o p o s e dw i t ht h es u p p o r to fd a t a b a s er e s o u r c e sf o rm o d e l se x c h a n g i n go r d e s i g n i n go ns i m i l a rp r o d u cc a s e a n da ne x a m p l ew a su s e dt op r o v et h em e t h o di s f e a s i b l e a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g y , ac u s t o m e rd e m a n dr a p i d c o n f i g u r a t i o np r o c e s sb a s e do nr a p i dr e s p o n s ec u s t o m e rp r o d u c td e v e l o p m e n tp l a t f o r m w a sd e s i g n e d ，a n dac o n f i g u r a t i o ne x a m p l ef o rc a r sd u m pt r u c kw a ss t u d i e df o rp r o v i n g t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fr e s e a r c hc o n t e n t k e y w o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ，p r o d u c tf a m i l yc o n f i g u r a t i o n ，c u s t o m e rd e m a n d ， c o n f i g u r a t i o ne v a l u a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题背景 1 1 1 大规模定制的发展与特点 制造业作为国民经济的支柱产业，影响着其他行业的发展和进步，体现了一 个国家的综合实力和国际竞争力。制造业的发展程度是国家进步的重要标志，产 品的生产和制造是创造社会财富的主要手段。现代管理技术和信息技术的发展也 促使制造业进入了信息化时代，我国的制造业信息化也加入了飞速发展的阶段。 随着科学技术的不断进步和社会经济的持续发展，人们对物质的需求已经不 再满足于单一的模式而提出了越来越多的个性化需求，世界已经进入了一个多元 化个性化的时代。在这样的大背景下，企业间的竞争在经济贸易全球化的影响下 已经由传统的质量和价格的竞争转向为满足客户需求的多样性、个性化的需求能 力的竞争。能够在这样的竞争环境下生存的前提条件就是快速灵活地响应客户需 求并能实现个性化、快速性、低成本、高品质的定制式产品及服务。产品功能的 多样性导致了产品功能结构的复杂化，传统的大规模生产( m p ，m a s sp r o d u c t i o n ) 自身的产品品种单一、产品供不应求、产品结构固定等缺陷已经很大程度上限制 了企业的发展，也不再适应市场的需求。消费者不再仅仅满足于市场上所提供的 十分有限的产品品种，而是渴望得到满足自身需求的产品。因此，企业只有选择 生产更多品种的产品供消费者选择，从而保住自己在市场上所占份额。然后，多 样化的生产必然导致成本的大幅上升，同时多样化生产并非定制式生产，大量多 样化成品的出现导致库存紧缺、也导致产品交货期变长等问题出现。大规模生产 已经不在符合市场的需求，新的生产模式大规模定制( m c ，m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 由此应运而生。 大批量定制的基本思想是：基于相似性原理、重用性原理和全局性原理，将 定制生产通过产品结构重组和制造过程重组转化为或部分转化为批量生产问题， 通过灵活性和快速响应来实现多样化和定制化。对客户而言，实现了定制式、个 性化的产品的获取；对企业而言，采用了大批量生产的方式制造成熟产品，提高 了效率。近年来，国内外对大规模定制的研究较为深入。 1 9 7 0 年，a l v i n t o f f l e r 就在他的著作 f u t u r es h o c k ) ) 中提到了一种类似于标准 化和大规模生产的成本和时间，提供满足客户特点需求的产品和服务的生产模式 的构想。在19 8 7 年，s t a n d a v i s 在( ( f u t u r ep e r f e c t ) ) 一书中将这种生产模式认定为 是工业经济中大规模生产和工业前经济中定制化生产两个概念的合成，称为大规 模定制。随后在1 9 9 3 年，p i n e 在m a s sc u s t o m i z a t i o n ) ) 中通过大量实例对大规模 重庆大学博士学位论文 定制的概念进行详细全面的解释，认为大规模定制的核心是在不增加成本的基础 上实现产品品种的定制化和多样化，2 0 0 0 年，巴特维克托和安德鲁博音顿在创 新的价值中指出了实现大规模定制的重要基础工作是模块化，模块化可形成网 状结构实现能力的重组。 国内对大规模定制主要从技术和管理两大领域进行研究。从技术角度祁国宁【2 】 等提出大规模定制要实现以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品 和服务的生产方式可以从产品结构等方面进行设计研究，如模块化产品设计和制 造流程重构的方式来实现。模块化设计是在产品设计中将零部件进行模块化建立 产品族，根据客户个性需求进行配置设计时，可通过建立好的可共享的产品模块 的组合来满足客户的需求；制造流程重构是指为了更为快速的满足客户需求，实 现制造工艺和流程的共享而突破了传统的制造流程方式，直到最接近顾客需求的 时间和地点才进行某一环节的生产。这就足延迟制造( p o s t p o n e dm a n u f a c t u r i n g ) 的意义所在。从管理角度邵晓峰【3 j 等认为大规模定制可以根据定制过程将定制分为 设计定制、制造定制、装配定制和自定制等四个阶段定制技术。其中还包含了各 个阶段存在的资源、物料、工艺等方面的制约约束因素和策略问题。而在大规模 定制中最大的制约因素就是产品的成本和交货期问题，同时提出了解决这两大问 题的模块化设计与延迟制造两大策略。 总体来说，大规模定制式一种集企业、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，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式【4 】。 大规模定制生产要求企业在产品设计与产品制造方面有相应的运作方式，它 的特点如下【5 j ： 以现代信息技术和制造技术为支撑。大规模定制必须对客户的需求做出快 速反应，这要求有现代信息技术作为保障。网络技术和电子商务的迅速发展，使 企业能够快速地获取客户的需求；c a d 和p l m 系统能够根据在线订单快速设计出 满足客户需求的个性化产品；e r p 系统能够有效地组织生产，通过柔性制造系统 迅速生产出高质量的定制产品。 以客户为核心，满足客户的多样性和个性化的需求。商品物质的日益丰富 使得市场环境又卖方市场转向了卖方市场，客户能够按照个人的喜好去选择自己 心仪的产品。大规模定制不同于大批量生产，它指导企业参与市场竞争就要求企 业时刻以客户为核心，满足客户的各种需求，以让客户满意作为最高的追求目标 快速响应客户需求，从而吸引并“永久地留住客户，在市场竞争中占据优势。 以模块化设计、零部件标准化为基础。大规模定制要求设计人员在设计过 1 绪论 程中充分地考虑到如何在产品的整个研制过程中利用标准化技术、模块化设计技 术、成组技术和并行工程等现代设计技术。通过产品结构的重构，尽可能重用现 有的设计资源和制造资源，从而可以批量生产模块和零部件，减少定制产品中的 定制部分，大大缩短产品的交货期和减少产品的定制成本。 以敏捷制造为目标，并实现低成本、高质量、定制化的产品和服务。在传 统的大批量生产方式中，企业与消费者是一对多的关系，消费者的需求靠企业的 提供来决定。而在大规模定制中，企业与消费者是一对一的关系，企业要按照不 同消费者提出的各式各样的需求来提供服务。因此，大规模定制要求企业在立足 于现有资源的前提下，通过制造系统的重构( 如资源的合理配置以及作业过程的 优化等) 以及组织机构的重构，合理地组织生产，以类似于大批量生产的成本和 质量快速地为客户提供任何个性化的定制产品或服务。 以供应链管理为手段。在未来市场经济中，竞争不是企业与企业之间的竞 争，而是企业供应链与供应链之间的竞争。大规模定制企业通过与其供应商建立 起既竞争又合作的关系，共同来满足客户的需要。 大规模定制就是个性化定制产品和服务，它将满足客户的个性化需求放于企 业的首要位置，同时又保证不牺牲生产效率和企业的效益，是定制生产与大规模 生产的有机结合，是取两种生产模式长处的新型生产模式。大规模定制生产模式 与传统大规模生产模式之间存在许多包括管理思想理念上的不同甚至是质的变 化。两种生产模式的特点比较如表1 1 所示田j 。 表1 1 大规模定制模式与大规模生产模式的比较 t a b 1 1c o m p a r i s o n sb e t w e e nm a s sc u s t o m i z a t i o na n dm a s sp r o d u c t i o n 大规模定制模式大规模生产模式 低成本、高品质、定制产品 多元化细分的市场 多样化和个性化的需求 产品开发周期、生命周期短 柔性生产 低成本、质量稳定、标准产品 统一的市场 稳定、同一的需求 产品开发周期、生命周期长 刚性生产 大规模定制模式与市场需求的个性化、多样化、层次化的特点相适应，能够 针对客户的特殊需要提供相应的产品与服务。与以往大量生产的、不针对具体客 户的多品种多规格的系列化产品不同，更能令客户感到满意。 大规模生产建立在市场稳定、需求增长可预测的基础上，但缺乏对市场变化做出 快速反应的能力。而大规模定制是真正面向客户，为客户定制生产，无需根据预 重庆大学博士学位论文 测组织生产。大规模定制生产能够随市场和客户需求的变化而快速变化的柔性生 产制造系统，与大批量生产的刚性流水线不同。 1 1 2 大规模定制产品的特点 大规模定制生产模式是面向细分市场的客户个性化定制模式，它既具有大规 模生产的特点有具有个性化生产的特点。大规模定制下的产品在满足多数客户共 性需求同时也能满足的客户的个性化需求，大规模定制下的产品主要具有如下的 特点： 产品具有系列化的特点 客户需求的个性化促使了产品向系列化方向发展。随着客户需求的多样性和 个性化，企业为了迎合市场需要，满足不同客户群体的需求，又保证企业自身利 益同时，出现了派生产品。派生产品是在一定的基型产品的基础上，丰富了产品 的局部功能和性能，使之成为满足同一客户群体下不同客户需求而派生出的新产 品。派生出的产品继承了基型产品的功能、性能、结构等特点，派生出产品之间 也具有较大的相同性和相似度，使之成为具有同一产品派系的系列化产品。如表 1 1 为华晨宝马3 系列汽车的部分配置参数表【1 0 5 1 。 图1 1 华晨宝马3 系列汽车配置参数表 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e rl i s tf o rb m w3s e r i e sa u t o m o b i l e l 绪论 组成产品的零部件具有模块化的特点 同一细分市场下的个性化客户需求促使了大规模定制模式下的产品结构向模 块化方向发展。大规模定制模式下为了实现低成本高质量生产方式，产品之间共 享大量的零部件资源和生产技术，这些具有共享性的零部件和生产技术使得模块 化技术应运而生。不同系列的产品针对不同的客户群体，同一系列下的产品之间 在外形、功能、性能等方面具有极大的相似性，只有少部分特征各不相同，因此， 同一系列下的多数产品零部件均相同，少数零部件具有差异性。为了实现零部件 的标准化和统一化，节省产品的开发时间和成本，实现企业利润的最大化，产品 中的零部件具有模块化的特征，产品结构由模块组合而成，图1 2 为车床的模块化 结构u 0 6 l 。 l 、基本变速范围的主轴箱；2 、小变速范围的主轴箱；3 、大变速范围的主轴箱；4 、可调变速范围的主轴箱： 5 、进给与车螺纹机构：6 、无螺纹进给机构；7 、单速进给机构；8 、气动夹紧装置；9 、液压夹紧装置；l o 、 电磁夹紧装置；l l 仿形刀架：1 2 、转位刀架；1 3 、立轴式转塔；1 4 、卧轴式转塔；1 5 、气动尾座；1 6 、液压 尾座；1 7 、钻孔用尾座；1 8 、双轴尾座；1 9 、快速行程机构；2 0 双刀架用的快速进给机构；2 1 双刀架用的床 身；2 2 、双轴主轴箱。 图1 2 车床的模块化结构 f i g 1 2m o d u l es t r u c t u r eo fl a t h e 根据不同客户需求之间的共性和个性的区别，构成产品的模块也相应地分为 共用模块、部分共用模块和专用模块。系列产品中满足所有客户共性需求的模块 成为产品的共用模块，整个产品系列的所有产品均共享此模块；满足部分客户共 性需求的模块是产品的部分共用模块，在产品系列中的某几个产品中通用；满足 个别客户需求的模块是在某个产品中使用，是产品的专用模块。如图1 3 所示【1 l 8 】 是某系列复印机产品的功能模块组成结构图，其中包括了共用模块、部分共用模 块以及专用模块。模块化的产品结构将产品的设计与生产变得简单，在保证产品 高质量的基础上提高了生产效率并减低了生产成本。 5 重庆大学博士学位论文 圉叵 二亟王， i警色、纸张、传真、扫描| |彩色、纸张、传巍、搬f l尘墟氆：幽挂邈j 【丕地蹬：选盐幽i 自动酗像质毓 ( ；( 0 0 d p i 6 0 0 i2 0 ( r t p i i4 0 0 d p i18 0 0 d p 图1 3 某系列复印机产品的模块组成 f i g 1 3m o d u l es t r u c t u r eo fa s e r i e so fd u p l i c a t o r s 部分产晶 典j 幸j 棱块 所有 t u i i 用模块 产品的系列化和构成产品结构的零部件模块化使得大规模定制模式下的产品 开发和生产模式由面向单一产品转变为面向产品族。产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 是 一组定位在相互关联的市场范围并共享通用技术的产品，利用有限的开发、制造 与服务资源充分发展产品的多样性，它是在产品平台基础上高效开发的一系列派 生产品【1 1 4 】。其中，产品平台( p r o d u c tp l a t f o r m ) 是一个由多个可共享的子系统、 接口和制造过程组成的集合，并且该集合能有效地开发和生产一系列派生产品的 服务平台。产品族中的产品是针对同一细分市场和客户群需求的产品，这样的产 品具有结构相似的特点，能够运用通用结构进行描述，产品族结构中同一节点的 零部件具有相似的功能和相同的接口。将产品族中的单个产品称为产品实例，产 品实例之间存在着一定的差异性，通过产品实例的参数化结构表示反映出来，不 同的参数取值对应不同的产品实例并且针对的客户需求有所不同。因此，产品族 中的每个产品都是满足同一细分市场领域中一部分消费者对产品的特殊需求。 产品族是同一系列下所有产品零部件的有机组合，产品族继承了产品的结构 特点，可表示族内任一产品的结构内容，但产品族又不是一个具体产品。产品族 与产品不同，产品族具有通用性、模块性、多样性、可制造性和可装备性的特点。 通用性和模块性是产品族的基本特性。产品族的通用性强调产品实例与零 部件之间的性质和特点，大规模定制模式的特点是以尽可能少的零部件来生产出 满足多种客户需求的多样化的产品。产品族是系列派生产品，族内的产品实例之 6 1 绪论 间的具有很大的相似性，体现了产品实例在功能、结构、特征和零部件方面，因 此使得产品实例之间的零部件具有通用性。产品族的模块性强调产品族自身的性 质和特点，模块是构成产品的功能组件，是由多个零件或部件构成的整体集合， 模块具有一定的独立功能，产品结构由确定的模块类型组合而成，产品族中产品 实例结构都具有相同的模块类型，通过选取模块类型中的不同模块体现产品实例 之间的差异性。 产品族的多样性。产品族的多样性是指产品族中的产品实例具有差异性， 包含功能的多样性和技术的多样性。功能的多样性是为了满足不同的客户需求而 产生的，与客户对产品的满意度紧密相关，例如：在汽车原有的泊车雷达基础上 增加视频功能。应该不断增加功能的多样性来适应多变的市场需求。技术的多样 性是指为了满足客户的个性化需求，产品族内的产品实例已经不能满足需求，需 要进行产品部分内容的重新设计和开发，这必然会增加产品的设计和制造成本。 为了节约成本，企业应该采用标准化、模块化以及柔性生产、成组技术等手段尽 量减少技术的多样性。 产品族的可制造性和可装配性，这是指产品族由于具有通用性和模块性的 特点，产品族中拥有大量产品结构相同的共享的零部件和模块，产品族中的产品 实例则可以同一条生产线上制造和装配，从而缩短产品的生产周期降低产品的生 产成本。 1 1 3 大规模定制下的产品配置 自从提出大规模定制的概念以来，基于大规模定制的产品设计技术一直是人 们关心和研究的重点，其中包含了成组技术、产品族设计、模块化设计和并行设 计等设计方法。 产品配置作为大规模定制的一个重要的组成部分，是能实现产品快速定制的 核心技术和使能手段【6 】。产品配置建立在模块化和标准化的基础之上，通过模块的 不同选择及合理的匹配来实现满足客户需求的个性化产品。大规模定制技术的实 现是保证企业满足客户个性化需求、提高生产效率、减低产品成本并能优化产品 结构的前提条件。产品配置设计技术的应用是实现大规模定制、提高企业竞争力 的核心技术和主要手段，它对大规模定制的实施起着直接的作用。 产品配置技术的有效运用对大规模定制技术的实现起着重要的作用，研究产 品配置设计技术和应用是近年来国内外研究的热门课题。本课题的研究正是在这 样的背景下提出了，结合“面向典型离散制造业的快速响应客户的产品开发平台 基金项目，围绕产品配置设计中的主要过程和关键技术展开深入研究，为基于大 规模定制的产品配置研究提供一些新的方法与思路。 7 重庆大学博七学位论文 1 2 国内外相关领域研究现状 1 2 1 产品配置研究分类与研究现状 产品配置设计的启蒙思想最早由f r e e m a n 和n e w e l l 在1 9 7 1 年提出岱j ，他们认 为可用功能推理的方式可对设计进行细分，将设计分为两大部分：识别和选择。 识别是运用构件的结构和行为说明设计对象的功能，选择是挑选按照希望的功能 可以组合在一起的构件。到了2 0 世纪8 0 年代初的第一个商用产品配置系统x c o n ( e x p e ac o n f i g u r a t i o n ) 诞生【9 j 。x c o n 系统是一个用于配置大型计算机的产品配 置系统，它能根据用户的订单需求将不同的计算机构件按一定的空间或逻辑关系 进行组合，形成满足用户需求的最终产品。x c o n 系统的成功运用让人们看到了 产品配置的潜力，促进了产品配置技术的发展和研究。1 9 8 9 年m i t t a l 和f r a y m a n 正 式提出了产品配置的概念【1 0 1 。首先将配置条件设定为一个预先定义的、固定的组 件集合，该组件集合中组件由一个属性集合、组件与其他组件的连接的端口、以 及描述这些端口的端口约集来构成；然后对配置需求进行定义和描述，确定配置 优化的标准；然后按照己知条件最终构建一个能够满足所有配置要求的结果集合 ( 该集合可能为空) 。在整个配置过程中不产生新的组件，并且组件之间的连接关 系已经预先设定，不能随意修改，最终配置的结果中包含组件集合以及组件间的 关系。到了1 9 9 2 年，y o s t 和m a r c u s 为w e s t i n g h o u s e 电梯公司开发了专用的商用 v t 配置系统【1 1 1 ，采用了提出并修改( p r o p o s ea n dr e v i s e ) 的配置方法，解决了电 梯这一设施的配置问题。2 0 0 2 年，u d o 等【1 2 1 对机电产品模块化进行研究，提出了 面向功能的产品配置方法；2 0 0 3 年，a r d i s s o n ob 3 建立了自适应产品配置模型；2 0 0 4 年，f e d e f i c o 1 4 】构建了基于约束的产品配置系统；2 0 0 5 年，a c k e m a n n l l 5 】提出了集 成产品全生命周期管理的机械产品配置系统。2 0 0 6 年，c a r s t e m b 6 1 提出了基于逻辑 表达的汽车零部件选择方法。是指企业在实现大规模定制式的生产过程中所有与 可配置产品相关的活动，其中包含了设计可配置的产品及可配置产品模型，并按 照客户需求对产品进行配置并实现客户满意的产品的过程。 按照知识表达方式与推理机制的不同，目前常用的产品配置方法主要分为基 于特征的配置方法、基于规则的配置方法、基于实例的配置方法、基于模型的配 置方法和基于本体的配置方法。 基于特征的配置方法 基于特征的配置方法【1 1 “1 刀是最早的简单直观的配置方法。该方法在产品族中 定义几个相互独立的特征变量，并为每个特征变量设定几个选项值。客户通过对 每个特征变量选取一个选项值来表达自身的需求，并实现一个新的配置产品。这 种配置方法通常只适用于较少的离散选择项的情况，一旦选择项过多，对数据库 中选项数据的维护和更新则难以完成。 8 1 绪论 基于规则的配置方法 基于规则的配置方法【2 5 讲1 运用配置规则来进行推理，使用规则作为表达配置 知识和控制策略的机制。规则表现为i f ( 条件) 和t h e n ( 处理) 的形式。输入 信息和处理结果均保存在知识库中。r 1 x c o n 系统就是最早使用基于规则进行配 置的专家系统，该系统以部件数据库和一系列配置规则为基础，在规则中定义了 各个部件配置的原则。基于规则的配置方法采基于规则的配置方法所需要解决的 问题是：想要获取正确合理的配置方案应该进行什么样的处理活动，并且这些处 理活动按怎样的顺序执行。为解决这一问题，基于规则的配置方法通常采用向前 推理或向后推理的单向搜索方式进行配置，每执行一步处理活动，都需要对规则 库进行检查。当知识库中的当前状态信息满足规则库中的某规则条件时，该规则 被激活，相应的处理活动被执行，这些处理过程通常会修改规则库中的状态，处 理过程结束后，规则库中的状态已改变，此时需要再次搜索一个规则，依次反复 直到形成最终的配置方案。 基于模型的配置方法 基于模型的配置方法建立在系统模型的基础上【4 0 1 。系统模型由实体和实体之 间的关系共同组成，也可称为系统实体模型。从大量的产品结构中抽象出一个共 有的产品结构模型，将众多产品由一个通用的产品模型、一个配置规则库和一个 构件基本信息库来共同表示。基于模型的配置方法是依据客户需求、结合产品模 型、在配置规则库和构件基本信息库的支持下对产品模型中包含的所有节点分别 赋值，最终形成具体的产品的过程。根据不同模型的描述，可将基于模型的配置 方法细分为三种：基于逻辑推理的配置方法、基于资源的配置方法和基于约束的 配置方法。 1 ) 基于逻辑推理的配置方法【4 。基于逻辑的配置方法是在产品配置研究中 较早被运用的方法之一。该方法通常采用描述逻辑来表达产品知识。系统主要的 推理方法是包含推理和分类推理。描述逻辑具有较强的表达能够，能够对产品知 识进行较好地描述，便于对知识的获取。通过包含推理和分类推理能够将产品知 识进行清晰地分类表达。该配置方法通过一些简单的问题来引导客户，让客户按 照引导来输入需求并对输入的需求进行初步选择。通过一系列的引导性问题来实 现对客户需求的分类细化，实现产品组件的选择，形成最终的配置产品。 2 ) 基于资源的配置方法。基于资源的配置方法中，产品的组件之间没有明显 的直接联系，而是将构成产品的要素组件用资源来进行描述，并且将组件与 组件之间以及组件与外部系统之间的结构都用资源来进行描述【4 2 ，4 3 1 。基于资源的 配置中形成了一个资源产生和资源消耗模型，模型中的每个组件都被描述为具有 一定数量的某类型的资源，客户需求被描述为外部系统的某类型资源。产品配置 9 重庆大学博士学位论文 问题就转换成资源平衡问题，配置的目标是搜索一系列组件来达到整个系统的资 源平衡。配置基于资源的配置方法从客户的需求资源入手，在所有的组件资源中 搜索满足某个需求资源的组件，加入到配置方案中。该过程不断重复，直到整个 系统的资源需求小于所提供的资源。该方法适用于以满足客户的功能需求为目的 的配置，在该类配置中，每个组件为客户提供部分的功能需求，所有组件的有机 结合满足客户所有的功能需求。 3 ) 基于约束的配置方法。基于约束的配置方法将产品族模型中具有功能性、 结构性等的约束问题进行专门的定义和描述，把配置问题转换成约束满足问题进 行求解。该方法将产品中所有可配置组件对象作为有一定的取值范围的变量，变 量不同的取值表示选择不同类型的组件对象，将组件对象间的取值限制用约束的 形式进行表示，从而，满足所有约束条件的组件变量的取值组合就是配置结果。 因此，基于约束的配置方法将配置知识转换为各个组件变量间的约束关系，求解 过程因此转化为变量取值组合的搜索过程，直至所有约束条件得到满足l 4 4 舶j 。该 方法将对问题的描述与对问题的求解分成两个独立的部分，定义组件、参数和接 口等为变量，约束条件由组件选择、参数关联等方式进行表示。配置过程中，通 过输入各个变量与相应的取值来完成配置任务。 基于本体的配置方法 基于本体的配置方法是近些年来主要研究的配置方法之一，是目前研究的热 点。本体论是指事物的本源【5 0 1 。本体描述在不同领域中具有相同研究目标的共享 知识，通过构建领域本体间的映射关系，来构造该领域知识的语义对应关系，实 现知识在语义层面上的互联关系，提高知识的派生能力，增强知识的相互操作性， 深层次地解决知识正确沟通的问题，从而达到知识的共享与重用，减少知识的冗 【5 l ，5 2 】 q、0 文献f 5 3 】中，s o i n i n e n 提出以o n t o l i n g u a 当中的框架本体作为基础，描述了产 品配置本体的概念。构造了配置本体的结构，将配置知识分解为独立在配置求解 问题以外的配置模型、配置方案和需求知识三个部分。并指出，本体的建立依旧 沿袭所有产品配置的相关概念，如产品的几何尺寸、配置最优化的相关知识等。 基于本体的配置中配置本体是主要概念的综合，其中包括配置模型、构件连接和 资源平衡等问题，它们由表达配置知识和配置约束的知识集及其相互关系组成。 该配置方法通过构建产品的配置本体，以及求解配置模型来获取满足客户需求的 产品。配置本体结构具有构件分层结构特点，使其模型结构进行不断被扩充，增 加新的配置知识实现对模型的更新和修正。基于本体的产品配置方法虽能够有效 的共享配置模型，正确理解模型语义并重用配置知识，但仍然在表达配置模型中 的层次结构关系存在不足。 1 0 1 绪论 基于实例的配置方法 基于实例( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c s r ) 的配置方法是一种在某认知模型上通过 采用现有的成功配置实例来解决当前配置问题的方法，是一个类比推理方法。主 要包括实例的分类、提取、修改和评估四个步骤来完成 2 9 -