（机械电子工程专业论文）面向大批量定制的产品族进化理论与繁殖方法研究.pdf

浙江工业大学博士学位论文 面向大批量定制的产品族进化理论与繁殖方法研究 摘要 产品族设计是实现大批量定制的有效方法和关键技术。本文借鉴生物进化思想， 系统阐述了产品族进化理论以及产品族繁殖方法，对产品族繁殖模型、产品族功能基 因识别、产品族定向繁殖方法以及产品族繁殖快速报价等关键技术进行了深入研究， 并将上述理论和方法应用于具体机械产品族的设计平台中。论文主要包括以下几个方 面的工作： 阐述了产品族进化基本理论，提出了产品族定向繁殖的思想，论述了产品族进化 基本原理、进化中心法则及产品族定向繁殖过程，探讨了产品族繁殖若干关键技术， 形成了本论文的理论基础。 提出了产品族繁殖模型的概念，对繁殖模型构建、繁殖规则表达等进行了研究， 给出了产品族繁殖模型建模方法，介绍了一种繁殖模型合理性评价方法，并结合具体 机械产品对建模过程进行了说明。 建立了产品族功能基因识别的独立性准则，利用广义有向图对产品族功能基因识 别准则进行了形式化描述，提出了基于广义有向图的产品族功能基因识别方法，给出 了实现算法，并进行了有效性验证。 研究了基于实例推理的产品族定向繁殖方法，给出了产品族定向繁殖流程，基于 模糊优选的相似实例匹配实现了产品的遗传，基于规则约束实现了产品的变异；探讨 了产品族实例库的存储及其自适应性。 探讨了产品族定向繁殖快速报价策略，提出了基于实例库自主聚类及权重自学习 的快速报价方法，包括快速报价形式化描述、参数权重优化模型、实例库自主聚类， 实现了产品族定向繁殖快速报价算法。 最后，初步开发了起重机械产品族定向繁殖平台，主要包括起重机繁殖模型、起 重机报价实例聚类、起重机定向繁殖等模块，验证了上述理论和方法的可行性和有效 性。 关键词：大批量定制，产品族进化，产品族基因，繁殖模型，定向繁殖 浙江工业大学博士学位论文 e v o l u t i o nt h e o r y a n dp r o p a g a t i o na p p r o a c ho f p r o d u c tf a m i l yf o rm a s sc u s t o m i z a t l o n a b s t r a c t p r o d u c tf a m i l yd e s i 印i s 跹e 位c t i v ea p p r o a c ha i l da l s oi st 1 1 ek e yt of a c i l i t a t em a s s c u s t o m i z a t i o n ( m c ) n l i sd i s s e 似i o ni 曲的d u c e da i le v 0 1 u t i o nt h e o 巧觚dap r o p a g a t i o n 印p r o a c h 五贸p r o d u c tf 锄i l yb yu t i l i z i n gb i o l o g i c a le v o l m i o nn l e o s e v e r a lk e yt e c h i l i q u e s ， s u c h 嬲p r o p a g a t i o nm o d e l ，d i s t i n g u i s h 印p r o a c h 锄dp l 卸j 1 i n gp r o c e s so fp r o d u c tf 锄i l y g e n e s ，d h c t i v ep r 叩a g a t i o nm e t l l o da i l dp r o p a g a t i o nc o s tq u i c k 翻c u l a t i o 玛w e r ei i e s t i g a t e d a l s o ，as u p p o r tp l a t f o 册o fp r o d u c tf a m i l yd i r e c t 、，ee v o l u t i o nf o rc 砌ew 嬲d e v e l o p e d d e t a i l e dc o m e n t sa r ed e s c r i b e di 1 1m ef o l l o w i l l gp 盯a g r a p h e s f i r s t ，ab 髂i ce v o l u t i o nt l l e o r ) rw 嬲p r e s e n t e di n c l u d i l l gad h c t i v ep r o p a g a t i o na p p r o a c k a ne v o l u t i o np 血c i p l e ，a ne v o l u t i o nc e n t m ld o g m 钆觚dp r o p a g a t i o np r o c e d u r eo fp r o d u c t f 缸i l y s e v e r a lo m e rk e yt e c l l i l i q u e sw e r ea l s od i s c u s s e dt 0c a r 巧o u t l ee v o l u t i o no fp r o d - u c t 缸n i l y s e c o n d ，ac o n c e p to fp r o p a g a t i o nm o d e lw a sd e f i n e d ，w m c hp r o v i d e ds o m em e t l l o d s a b o u t s e t t i n gu pap r o p a g a i o nm o d e l 锄de 鼬l i s l l i n gp r o p a g a t i o nm l e sb e 铆e e np r o d u c t i o n f 锄i l yg e n e s i no r d e rt oe v a l 瑚t en l er a t i o n a l i t i e so fp r o p a g a t i o nm o d e l ，孤e v o l u t i o na p p r o a c h 、嬲a l s o 西v e nb a s e d0 na m l 州ch i e r a r c hp r o c e s s ( a h p ) ，觚dt 1 1 鸭ac 嬲e 咖d y w a si l l u s n j a t e d t m 吐a n 印p f o a c ho f 如n c t i o i l a lg e n e i d e n t i 匆i i l g 、硒a d v 觚c e db a s e do nac o n c e p to f g e n e r a l i z e dd i r e c t e d 伊a p 也w 址c hw 嬲d e f m e d i i lag e i l e r a l i z e dd i r e c t e d 殍a p kv e c t o r sa r e u s e dt od e n o t en l ee d g e s ，w l l i c ha r ep a i r so fs u b - f h n c t i o nv e r t i c e sc o 皿e c t e db yar e l a t i o n - s 1 1 i p ，觚de l e m e n t s0 fn l ev e c t o r si i l d i c a t ed i 妇融r e n tt ) ，p e so fn o w so nw l l i c hs u b 一劬c t i o n s 0 p e 豫：t e t h r e em l e sa b o u ti d e n t i f i y i i l g 矗m c t i o l l a lg e n e sw e r ef o n n a l i z e db 嬲e do nt l l eg e n e r _ a l i z e dd i r e c t e dg r a p h t h ea 甜吼e t i cf o ri d e n t 蛳n gm o 叫e sb a s e do nm e s ef o m a l i z e d r u l e sw 嬲a l s od e v e l o p e d ，a n dac o m p f l l t e r - a i d e ds o r w a r et o o lw 舔c r e a t e dt 0f a c i l i t a t et h i s p r o c e s s t h e n ，t 1 1 ep r o p o s e da p p a c hw 酗v e r i f i e du s i i l gaf l 吼c t i o ns n m c t u r ef o rc r 觚e 浙江工业大学博士学位论文 f o u r m ，ad i r e c t i v ep r o p a g a t i o n 印p m a c hw 嬲p r c s e n t e db a s e do nc a s e - b 嬲e dr e a s o m n g ( c b r ) a 1 1 dw o r k 丑o w0 fn l ep r o p a g a t i o na p 弘o a c h 、懈a l s oe s t a b l i s h e d a n dt h e l l ，g e n ei n h e r i 协c ew a sr e a l i z e dt 1 1 r o u 曲v a g u ec a s em a t c h 吨a 1 1 dg e n ev a d a t i o nu i l d e rr c 嘶c tc o n s 仃a i n t s f i 劬，s 仃a t e g y 锄dm e t l l o do fr a l p i dp r o d u c tp r o p a g a t i o nq u o t i n gw e r es t u d i e d t h e p r o b l e mo fp r o d u c tp r o p a g a t i o nq u o t i n g 、) l 傩f o 珊a l i z e d t h e n ，廿l es n a t e g ) ，a l l da l g o r i t i l m o fp r o d u c tp d 叩a g a t i o nq u o t i l l gw e r ei n v e s t i g a t e d w e i 曲t so fr e q u e s t c l 均腮c t e r i s t i c p a - r a l l l e t e r sw e r ed e t e m 缸e dt l l r o u g has e l f - s 砌y i n gm o d e l 锄d s e l f - c l u s t e 咖gs 仃a t e g ) ，o fc 船e l i b r a r yw a sa l s op r o p o s e d t h ep r o p o s e d 印p r o a c hw a sd e m o n g n a t e de 自f e c t i v ei na ni 1 1 s t 锄c eo fc 姗eq u o t i i l g f i n a l l y ，as u p p o r tp l a d o mo fp r o d u c tf a m i l yd i r e c t i v ep r o p a g a t i o nf o rc r a n ew a sd e v e l o p e da n dd e m o l l s 仃a t e dt l l ef e a s i b i l 时a n d 廿l ee 虢c t i v e n e s so ft h ee v o l u t i o n 廿l e o r ) ra i l d p r o p a g a t i o na p p r o a c h 1 ( 呵w o r d s ：m a s sc 似o m i 刎。玛e v o l u t i o no fp r o d u c t 钿n i l y ，p r o d u c t i l yg e n e ， p r o p a g a t i o nm o d e l ，d c t i v ep r o p a g a t i o n 浙江工业大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着信息技术的快速发展，经济全球化，市场一体化，世界范围内的市场竞争进一 步加剧，传统的通过规模提高竞争力的方法不再满足快速多变的市场需求，全球性的竞 争要求制造企业对市场变化做出迅速精准的反应，即以最短的时间开发和生产出高质量、 低成本的产品，并能提供优质个性化服务。企业市场竞争的焦点已经从规模、成本、质 量转移到主要围绕着时间( t i m e ) 、质量( q 砌i t ) r ) 、成本( c o s t ) 、服务( s e n ，i c e ) 和环境 ( e n v 拍n m e n t ) 而展开i l j 。快速多变、不断细分的市场以及多样化、个性化的需求形成了 新的动态竞争环境： ( 1 ) 全球买方市场形成。2 1 世纪末世界经济变化的特点之一是全球买方市场的形 成。在买方市场条件下，消费市场已由过去的卖方市场转变为买方市场，企业为了争夺 市场份额，竞争愈加剧烈，对市场信号的反应更加敏感，生产越来越紧密地围绕着需求 的变动而变动。 ( 2 ) 需求多样化和个性化。用户需求的多样化和个性化使得市场趋于动态多变、不 可预测，这是买方市场形成的标志性特征。人们不再满足于功能单一的标准化产品，常 常以挑剔的眼光去选择购买产品，企业为了满足用户多样化和个性需求化，采取创新产 品、降低价格、提高服务等多种措施来满足客户，其中，根据客户的个性化需求来进行 产品定制，这就是大批量定制生产理念的雏形。 ( 3 ) 产品更新换代快速化。这是2 1 世纪末世界经济变化的另一个特点。由于全球 化市场与买方市场的形成，客户对于产品的挑选余地越来越大，客户的需求越来越呈现 个性化，导致企业为了满足这一需求的变化不断研发新产品，企业研发新产品的周期也 是越来越短，产品更新换代速度的日益加快，生命周期进一步缩短。以最快的响应速度、 最低的制造成本、最好的服务生产出满足用户个性需求的产品已成为企业生存和发展的 关键。 ( 4 ) 绿色制造与可持续发展。传统的制造模式是一个开环系统，人们注重最终的产 品质量，轻视了对零件加工成形过程中各种废弃物的处理。随着生产技术的不断发展和 社会的进步，产品更新换代和废弃的速度加快，降低制造过程废弃物，提高产品回收利 用，实现人类社会的可持续发展，成为制造业激励竞争中面临的新问题。绿色技术应运 浙江工业大学博士学位论文 而生，绿色技术是指减少污染、降低消耗、治理污染或改善生态的技术体系，绿色制造 则是这一技术体系的重要支撑，绿色制造模式是一个闭式循环生产模式。 为了应对上述新的市场环境，各类现代产品设计方法应运而生。 ( 一) 现代产品设计方法日趋成熟 现代设计就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统产品的设计方法，从而建 立起一套适用于现代社会的产品设计方法，其发展趋势具有以下特征【2 】【3 】： ( 1 ) 数字化。产品生命周期数字化建模是现代设计方法的关键技术之一，它包括： 产品信息的全过程定义，即用计算机能理解的方式给出产品生命周期全过程的数字化定 义；产品信息的数字化工具，即广义的计算机辅助工具，它能将产品信息自动数字化； 产品信息的数据管理，即用计算机对产品开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全 面的管理与监控。 ( 2 ) 并行化。并行是基于传统的串行而提出的，是指在产品设计一开始就考虑到产 品整个生命周期所有因素，充分利用企业内的一切资源，最大限度满足用户要求的一种 现代设计方法与手段。运用并行开发产品的关键因素包括群组协同合作、设计过程的并 行性、系统集成与整体优化、设计过程的管理、计算机仿真技术等。 ( 3 ) 智能化。智能化是现代设计方法的重要发展方向之一，智能化设计系统具有 专家的知识和经验，能模仿人的行为进行思考和推理，提出和选择设计方法和策略，支 持设计过程的各个阶段，它使设计开发人员不必了解设计开发的全部细节，而由计算机 智能地设计并最终制造出满足需求的产品。 ( 4 ) 集成化。现代设计系统不再是单一的c a d 、c a m 或c a p p 系统，而是支持产 品生命周期全过程的现代设计集成系统。现代设计集成系统是在新的生产组织原理指导 下形成的一种新型生产模式，是当前c a d c a p p c a m c a e 集成化技术发展的主要目标， 是提高企业产品设计和制造的自动化程度的重要手段，从根本上解决产品在设计、生产、 质量控制和组织管理等各个环节的数据交换和共享。 ( 二) 现代产品设计理念日益更新 为了以最快的响应速度、最低的生产成本制造满足用户多样化个性化需求的产品， 企业工程师以及学者对传统的产品设计制造展开了研究，提出了许多先进的制造理念， 如精益生产( l e a l lp r o d u c t i o n ) 、并行工程( c o n c u 玎e me n g i i l e e r i n 曲、柔性制造( f 1 e ) 【i b l e m 锄u 最l c t u i i n g ) 、敏捷制造( a 西l em a l l u f a c n l r i n g ) 、虚拟制造( v i r t l 场】m a l l 诚l c n i n g ) 、延 迟制造( p o s 印o n e dm a l l u f a c t u 】曲g ) 、网络制造( n 咖o r km a l l u f - a c n l r i n g ) 和快速原型制造i ( i 泖i dp r o t o t ) ，p i i l gm 籼f - a c t u l 曲g ，l 冲m ) 等。许多学者和研究人员从设计角度发展了计算 机辅助计划( c o m p u t e 卜a i d e dd e s i 印，c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p m e r - 加d e d 2 浙江工业大学博士学位论文 m a l l l l f - a c t u l 姐g ，c a m ) 、产品数据管理( p r o d u c td a t am a l l a g e m e 砖p d m ) 、计算机辅助 工艺规划( c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sp l a n i 血g ，c a p p ) 、稳健设计限o b u s td e s i 驴) 等等，以 支持现代产品设计。这些制造理念和设计方法极大地提高了企业设计生产的效率，减低 了产品的制度成本，提高了市场的响应速度。 1 2 大批量定制设计 1 2 1 大批量定制概念 以计算机技术、互联网技术的发展为特征的信息技术，正在改变着全球工业经济的 生产与运营配置模式，与此同时，传统企业泰勒式的大批量生产模式己不能适应复杂、 多变、充满不确定因素的市场竞争，以低成本、低生命周期及高度定制化将成为未来制 造业的基本形态。 在新的市场环境中企业迫切需要一种新的生产模式，大规模定制( m 嬲sc 戚o m i z 致 t i o n ，m c ) 由此产生。1 9 7 0 年美国未来学家阿尔文托夫( a l v i nt o m e r ) 在未来的冲 击( f u t l l e rs h o c k ) 一书中首先提出了一种全新的生产方式设想，即以类似于标准化和大 规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务。预言美国将开展极其多样化 的产品生产，并从不同的角度阐述了大批量定制的基本设想。 1 9 8 7 年，d a v i s 在未来的完美( 1 1 1 ef 劬】r ep e m c t ) 【4 j 中对t o 用e r 的观点进行了发 展，将t 0 m e r 设想的生产方式称为大批量定制生产( 1 a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) ，给出了 更具体的含义，即以高效率和低成本提供客户需要的定制产品。此后，在美欧日等发达 国家的学术界和产业界兴起一股研究和实践大批量定制的热潮。 1 9 8 9 年，p l l i l i pk o t l e r 【5 】对大批量定制概念进行了较为系统的研究。k o t l e r 在文献 【1 6 2 】中提出了大批量定制市场的概念，并认为，大批量定制生产对制造企业来说是一种 全新的机遇，先进制造技术的出现使得制造企业以大批量生产的成本为客户提供个性化 定制的产品成为可能。 1 9 9 3 年，美国哈佛大学p i i l e 【6 】系统地阐述了大批量定制生产的概念，认为大批量定 制是能够以大批量生产的低成本、高效率生产出足够多的产品与服务，并为客户最大程 度提供个性化定制的一种生产模式。w b m a c k 【7 】认为p 硫在大批量定制生产的定义中忽 视了产品多样化与产品客户化之间的区别，认为多样化并不能取代客户化。b e 哪【8 】、 e a 咖o o d 【9 】等认为大批量定制是以批量生产的低成本和高效率来满足客户的个性化需求 浙江工业大学博士学位论文 的一种生产模式。r e b e c c a 【1 0 1 认为大批量定制是一种按客户的要求生产产品，并采用模块 化组件来获得规模经济效益的生产模式。 1 2 2 大批量定制研究现状 目前，关于大批量定制的研究主要包括以下几个方面：面向m c 的策略研究、面向 m c 的应用实践以及面向m c 的设计技术研究等。 ( 1 ) 面向m c 的策略研究 m c c u t c h e o nd m 【1 1 】等提出，针对复杂、多变的现代市场环境，企业可以采用面向库 存的制造( m t s ) 、面向订单的制造( m t o ) 、面向订单的装配( a t o ) 、面向预测的生产( b t f ) 等策略和方法，满足客户个性化需求，缩短产品交货期，提高企业应对市场环境变化的 能力。 s u r e s hk o t m a 细致分析了日本松下自行车公司q m i c ) 实施大批量生产和大批量定 制的策略与方法。k o t n l a 认为大批量生产和大批量定制各具特色，大批量生产主要是面 向统一的预测大市场，而大批量定制主要面向越来越细分的个性化市场。 l 锄p e lj 【2 】认为定制化和标准化是企业生产制造策略中相互包容、相互补充的两个不 同方面，而大批量生产和定制生产则是生产制造理念的两个极端，为此，可将产品市场 相应地分为整体化产品市场和个性化产品市场，其中，整体化产品市场采用面向库存的 大批量生产方式，个性化产品市场则采用面向客户订单的定制生产方式。 g i l n l o r ej h 【3 j 将企业大批量定制生产模式分为协同定制、调整定制、装饰定制和预 测定制四种方式，并探讨了企业如何选择适应自身发展的大批量定制生产模式的策略。 d a v i dm a n d e r s o n 用大量事实说明大批量定制是一种强有力的、可持续发展的竞 争策略和必然趋势，并指出了全球制造企业生产方式已经由大批量生产向大批量定制生 产转变的现实。 美国华盛顿大学h a l a l 领导的预测专家组对2 0 0 0 2 0 3 0 间的8 5 项重要新兴技术进行 了预测，大批量定制技术作为重要新兴技术之一位列其中【1 4 1 。c a r s t e ns v e n s s o n 等【1 5 】认 为追求客户的满意度已经成为绝大多数制造企业所关注的焦点问题之一，大批量定制策 略和方法因为可以将较低的产品价格与产品的外部多样化和适应性有机地结合，已成为 提高客户满意度的有效手段之一。t o m o l l i k os a l ( a 0 等【1 6 】认为通过设计服务可为客户提供 更高的价值，增加客户的满意度，为此实现大批量定制不仅要关注物理产品的设计特性， 同时要重视服务工程。 4 浙江工业大学博士学位论文 ( 2 ) 面向m c 的应用实践 心s 仃o mp 等【1 7 】通过大量的调查研究，发表了一篇关于大批量定制经营管理的论文， 该文对大批量定制有关问题特别是经营管理方面的问题展开了研究，分析了促进大批量 定制产生和发展的市场原因，提出了定制产品大批量定制生产的方法，对大批量定制所 带来的正反两方面影响，以及实施大批量定制过程中所遇到的困难、存在的主要问题进 行了论述。 r e b e c c a 等1 0 1 认为大批量定制打破了传统定制生产与大批量生产的界限，使得以大 批量生产的高效率和低成本生产出个性化的产品成为现实，虽然学术界还没有对这种新 兴的竞争模式进行足够充分的调查研究，但它广泛存在于企业的实际生产、经营管理中 已经是不争的事实。 j a i rp a n 锄e n 等【1 8 】以电子工业为案例提出了大批量定制的快速生产模型。fs a l v a d o r 等针对产品配置中的信息不够充分、活动重复以及错误率高等问题，指出为了充分发 挥产品配置的潜在优势，需要开发支持组织机构的变革、订单获取和其他执行过程的信 息系统。 p e t e rf r e 越k s s o n 等【2 0 1 认为实现大批量定制需要对整个生产过程进行分析，确定哪 些可以定制，哪些不能定制，并指出模块化和面向订单生产是实现大批量定制的关健技 术，并以沃尔沃轿车的大批量定制生产为例与以往生产方式作了详细比较。 ( 3 ) 面向m c 的设计研究 礤 研究表明【2 1 1 ，产品设计阶段的实际投入费用只占产品总成本的5 ，却决定了7 0 8 0 的产品成本以及8 0 以上的产品特性，包括产品功能特性、产品加工特性、产品装配特 性、产品使用特性等，同时，在产品设计阶段所犯的错误将在产品试制阶段付出3 0 7 0 倍的代价。因此，先进、有效的面向m c 的设计方法和技术是实现大批量定制生产的关 键。 t s e n g 等【2 2 1 比较系统地论述了面向大批量定制的设计方法，认为虽然大批量定制己 经引起了企业界的巨大关注，但目前还没有有效的工程方法能够在不增加产品成本的情 况下满足客户的多样化需求。为此，可在概念设计和初始开发阶段，通过科学的产品设 计来有效地实现大批量定制，并提出了大批量定制设计( d e s i 四f o rm a l s sc u s t o m i 净 t i o 玛d f m c ) 的概念和方法。 f e i t z i l l g e re d w u d 等例通过深入剖析h p 公司实现大批量定制的案例指出，企业可 以通过大批量定制快速和低成本地向客户提供定制产品，定制点的后移是有效实现大批 s 浙江工业大学博士学位论文 量定制的关键，同时，定制产品的模块化、制造过程的模块化和供销网络的模块化是实 现大批量定制的基本准则。 s 皿n gm 等【2 4 】系统的总结了基于文献资料分析和案例研究的产品定制和制造策 略。认为现有文献中有关产品定制和制造策略的研究还不够系统和完整，同时，也缺乏 用于描述企业定制、制造、市场以及组织机构等环节的总体框架， f 删【l kt p i l l e r 【2 5 】认为现代信息技术和柔性制造技术已经成为大批量定制最主要的 使能技术，信息技术不仅能够提高大批量定制各个环节的效率，而且，能够将客户集成 到整个大批量定制生产的价值链中。 国内学者也对d f m c 进行了大量研究，顾新建等对汽车大批量定制闭、工业汽轮机 的大批量定制2 7 】以及服装的大批量定制【2 8 】等进行了广泛的研究。潘双夏等【2 9 1 提出综合考 虑客户需求、产品的装配、成本和维修等因素的模块划分方法和策略。刘飞等【3 0 】提出了 面向大批量定制的用户需求协同配置思想。祁国宁等在文献【3 1 3 5 】中提出了面向大批量 定制的产品建模方法、大批量定制的二维优化模型、大批量定制的原理与关键技术、面 向大批量定制的产品开发设计方法和面向大批量定制的产品数据管理技术等。 上述研究表明，实施d f m c 的关键在于产品族设计、模块化设计、配置设计和产品 平台的研究。下面将对这些关键技术的研究情况进行分析和归纳。 1 2 3 面向大批量定制的产品族设计 产品族设计因为快速响应客户需求、缩短产品开发周期、降低企业生产成本等特点 成为制造企业实施大批量定制生产的有效方法。在过去3 0 年间，各国学者围绕产品族展 开了大量的研究工作。 t s e n g 等【2 2 1 提出了面向大批量定制设计的产品族体系结构基本原理( p r o d u c tf 锄i l y 觚l l i t e c 骶，p f a ) ，它由积木块( 模块) 、产品线分类、配置规则、经济性评价等四部分 组成，并提出了包括模块化、模块通用性、模块之间的配置结构等在内的p f a 系统规划 方法。 e r e i l s 等【3 6 】提出了由功能域、技术域和物理域组成的p f a 体系结构。y u 等3 刀从客户 需求、功能结构、物理体系等角度探讨了p f a 的开发方法。s t o n e 【3 8 1 指出取得模块化与 通用性之间的一种平衡是p f a 开发过程的关键。 祁国宁【3 9 】认为新产品开发要在分析客户定制需求和企业定制能力的基础上，确定产 品族的工作原理，进行产品族的概念设计，同时，面向产品族全生命周期进行模块化和 6 浙江工业大学博士学位论文 标准化工作，建立产品族主结构。 产品族模型是产品族规划和产品快速定制设计的核心，它是产品族规划的结果，是 产品快速定制设计的基础。p e t e 0 1 等以对象表达产品族构成模块。孟凡力【4 1 】以功能实体 表达产品族构成，以有利于产品族的装配。冯毅雄【4 2 】提出了设计单元的可重用规则，以 反映产品族设计意图。 客户需求建模是产品族建模和配置设计的基础。谭建荣【4 3 】提出了适合描述广义需求 的需求信息元方法，以提高需求信息表达的规范化和系统化。j i a o m 】以数据挖掘来捕捉 和理解客户需求，并以此为需求选择最优的配置产品。郑华林【4 5 】提出了一种面向大批量 定制的产品需求建模方法，该方法利用领域专家的知识建立产品需求模板，通过对以往 产品设计的变异来实现产品需求分析。 a o v a i l i m 等人认为，如果产品可变，从而能够满足在一定范围内变化的客户需求， 则产品将更具竞争力，这种思想在产品族设计中经常采用。m a n i i l 【4 7 1 提出了一种面向产 品变型的产品族设计方法。朱斌【4 8 】等人应用线性回归分析方法对设计变量与性能指标之 间的隐含和不确定关系进行分析，然后，根据各设计变量对性能指标贡献的大小，规划 产品平台参数及个性参数。王爱民【4 9 】等通过质量功能配置( q f d ) 矩阵实现了功能和部件 层次的关联表达。a g a r d 【5 0 】用数据挖掘确定客户需求间的关联，然后根据客户需求差异 的根源，确定满足不同客户需求的选项和变量。王红军刚将超图理论与q f d 相结合， 实现客户差异化需求向产品族工程技术特征的信息映射，以支持产品族规划。 具体而言，产品族设计主要包括如下关键技术： ( 1 ) 模块化设计 模块化设计是实现d f m c 的重要技术之一，一直受到各国学者和企业的关注。 u l r i c h 【5 2 1 认为模块化设计首先要保证模块的功能、结构的相对独立性，即模块之间 相互影响要最小，这要求合理分析产品设计过程中功能域、结构域以及二者之间的映射 关系。p a u l 吲认为模块化设计是从需求域到功能域的映射。e r e 璐【3 6 】将模块定义为功能域 中一个或多个功能的物理或逻辑实现。s t o n e 【3 8 】将模块定义为产品物理结构块，它与一组 功能元素一一映射。 e p p i n g e r 等【矧将各零部件之间的物理关系作为它们之间的相似准则，并采用启发式 交换算法实现了模块划分。m i s 骶e 等【5 5 1 认为模块化设计就是要努力降低各独立模块之间 的相互依赖并增强其独立性。e 血o n 等【蚓提出根据技术革新、计划、技术参数、样式、 维修服务、通用性等影响因子构造模块指示矩阵，从而提出一种基于模块驱动的模块划 7 浙江工业大学博士学位论文 分方法。g u 等5 7 1 提出了一种面向产品全生命周期的模块划分方法，该方法针对生命周 期各阶段的要求构造相关矩阵，由设计师对每一个要求的模块划分结果进行对比与综合， 得到最终的模块划分的结果。s t o n e 等f 5 8 】提出了基于主流规则、支流规则、流转换规则 的启发式功能模块划分方法。 在模块化的定性分析方面，与e p p i n g e r 等提出的模块划分算法相反，u l r i c h 等【5 9 】 建议通过将产品功能结构中的相似子功能识别出来构成模块。l 沁i a l 【等【删提出了一种充 分考虑产品成本对性能影响的一种定性模块划分方法。e r i x o n 等【5 6 】提出的m 蹦矩阵给 设计师进行模块划分提供了一种定性参考。s t o n e 等【5 8 ，6 1 ，6 2 】提出的功能模块划分方法为启 发式方法，只是提出了一些定性的原则，没有解决产品功能结构的建模问题，同时没有 考虑客户需求对于产品纵横向模块化可能带来的影响：另一方面，由于功能模块之间有 重叠，一种定性的评价方法也被开发出来用以判断哪些模块被实现更有价值。k u r t a d i k a r 等【6 3 】以客户需求为划分准则提出一种定性的启发式模块划分方法。 在模块划分的定量分析方面，g u 等瞰】提出了一种面向产品全生命周期的模块划分 方法。潘双夏等【6 5 】提出了一种模块划分方法，其结构元素之间的相关准则包括客户需求、 功能、几何和物理等，模块划分方案评价模型则重点考虑装配、成本和维修等因素。高 飞等f 6 6 】提出一种考虑客户需求的功能模块划分方法。m c a d 锄s 等【6 刀引入一种新的定量 矩阵方法在一组相关的产品中识别公共的装配模块。心e n g 等【6 8 】提出一种基于q f d 的线 性整数规划方法用于聚类结构模块。m 0 0 n 等【6 9 】提出一种模糊c 均值聚类方法用于识别 产品族中的通用模块。 还有部分学者从系统设计方法学的角度对模块化设计展开了研究。p a u l 【5 3 】从工程设 计学的角度分析了模块化产品开发的一般进程。潘双夏f 7 明系统地定义了系列、组合( 模块) 产品及其派生产品等相关概念。候亮【7 1 1 提出了广义模块化设计的概念，研究了模块化系 统规划方法，并将这些理论和方法用于液压机模块化设计的实践。 ( 2 ) 配置设计 在大批量定制设计中，配置设计是产品快速设计的主要内容。国内外学者关于配置 设计的理解包括： b r o w n 认为产品配置是一种根据零部件实例及其相互约束关系，通过合理的搭配 组合，形成满足客户个性化需求的产品设计过程。j i a 0 【7 3 】认为配置设计是通过对预定义 的构造模块的不同选择和组合获得多样化的产品，从而满足不同客户的定制需求。王世 伟等【硎认为产品配置是指以产品配置模型和客户需求参数为输入，以产品的最终配置结 r 浙江工业大学博士学位论文 果为输出的一类产品设计活动。产品配置中的活动可能包括零件或模块的选择、参数值 的确定、连接关系的确立、产品价格的确定、技术说明的准备、完整性检查和一致性检 查等。 配置设计方法是以产品族建模和产品平台为基础的，c 锄d u 硝7 5 】基于设计过程的演 化本质，提出一种基于版本管理的配置管理模型，使设计者能够存储有用的配置并跟踪 配置的演化。楼健人【7 6 】实现了基于客户需求相似性判别的产品配置方法，该方法以客户 需求到产品结构的过程式层次描述模型为基础。刘明周【7 7 】研究了产品配置b o m 的构造 方法和分解算法，以提高系统的运行效率。 几乎所有现有的设计方法都可以用于配置设计问题求解，其中基于知识的方法应用 最为广泛。谭建荣将神经网络引入设计检索的研究之中，通过建立客户需求和产品详 细设计方案之间的非线性映射关系，在产品设计资源库中找出符合客户需求或最接近需 求的待选方案。d i e t e rr 0 1 l e r 【7 9 1 和s e h y u n 删等将基于知识的配置技术与c a d 系统相结 合，以支持设计过程中零部件及其参数的选择。高磊【8 l 】研究了在分布式产品数据管( p d m ) 基础上基于知识库和规则的产品配置过程。战培志【8 2 】研究了基于实例的产品快速配置与 成本计算方法，通过对相似产品实例的修改以获取定制产品的制造清单，然后在制造清 单的基础上计算产品的制造成本。 配置设计也是一种综合优化问题。张建军【8 3 】通过客户驱动参数描述、参数映射、模 块特性参数编码规则的建立，使产品定制问题转变为模块的组合优化问题。h e m i 瞰】将仿 真技术应用于配置选项和数值类参数的优化，以获得最优的系统配置。k h o o 【8 5 】用免疫 算法解决配置设计中的装配组合问题。j i a 0 1 8 6 】以设计定制指标和工艺定制指标来分析产 品定制的成本和效益，以使客户获得的定制综合有用性最大。 在产品配置设计中，如何快速报价是其中涉及到的关键问题之一，为此提出了许多 不同的方法，主要包括统计法f 3 刀、线性回归方法【8 8 8 9 1 、人工智能法如专家系统蚓与神经 网络【9 1 观】等等，自8 0 年以来更多研究集中在实例法( c 弱e b a l s e dr e a s o n i i l g ，c b r ) 或参数 法口嬲u n l e t e r - b a s e d ) ，如应保胜等【9 3 】基于初始方案设计结果与实例的相似进行推理实现 快速报价，该策略在m e t 上实现异地报价，主要用于桥式起重机快速报价；王新等f 舛】 通过建立报价规则与产品模块报价的映射实现快速报价，并应用于电梯产品报价中；陈 欢等【蚓基于模糊聚类方法找出相似度最大的三个工程进行近似报价；姜少飞等【蚓利用主 参数进行聚类分析，实现对新产品的成本区间估计；王明凤等【9 7 j 基于灰色关联预测模型 实现待估工程报价的快速预测；r o y 等【9 8 】在概念设计阶段根据功能分解识别出与成本相 o 浙江工业大学博士学位论文 关联的产品参数，并根据先验知识和原有成本数据进行报价；a n 掣叫基于c b r 实现成 本估算，并利用层次分析法( a n a l 如ch i e r a r c h yp r o c e s s ，趾口) 确定实例匹配中参数的权重 设置，等等。 ( 3 ) 产品平台 基于产品平台进行产品族开发是目前面向大批量定制产品族开发的研究热点之一。 产品平台优点包括：提高产品开发速度，降低产品开发成本，增加产品可靠性，增加产 品变型并减少管理的复杂性，增加企业经营的柔性等。当然，从实际应用来看，基于产 品平台的产品族开发也存在一些风险。 从产品设计的角度，学者们对产品平台提出了如下几种定义和理解： m e y e r 【1 叫认为产品平台包含被一组产品所共享的设计和组件。m a u c d 嘶e 【1 0 1 】将汽车 设计的产品平台作为其基础设计的底盘或基板，以满足多种需求。r o b e n s o n 【1 0 2 1 认为产 品平台是被一组产品所共享的所有资源的集合。 m e y e r 等【1 0 3 - 1 叫提出产品平台是一个公共结构，该公共结构由若干个子系统和若干 个接口组成，基于该公共结构可以开发和生成一组派生产品，其中的接口是产品平台的 连接界面，解决零部件、子系统或者模块之间的约束关系。 秦红斌f 1 0 5 1 认为产品平台应具备以下基本特征：( 1 ) 通用性和标准化；( 2 ) 模块化；( 3 ) 适应性，产品平台具有对市场和环境变化的快速响应和应变能力，产品可以方便地从产 品平台派生而来；( 4 ) 健壮性，当条件发生微小变化时，产品平台的形式和功能不会改变， 从而确保根据产品平台派生产品的可靠性。 s i i i l p s o ntw 等【1 嗍人提出一种基于参数比例缩放的产品平台。刘芳1 0 刀基于不同产 品存在的功能相似性确定各产品的共享功能和个性功能，并建立一种具有功能相似性模 块的产品平台。 苏少辉【1 0 8 1 研究了c a d 系统与p d m 系统相集成的技术，采用三层系统集成框架将 c a d 系统，p d m 系统和事物特性表进行了集成，以支持面向大批量定制的产品设计。 何升9 】以美国e d s 公司的p d m 软件m 协n 为基础进行二次开发，构建了支持产品快 速配置设计的产品平台。 s b i n 等【1 1 0 1 基于图论来表达产品平台中的组件及其配置关系。 l o 浙江工业大学博士学位论文 1 3 产品进化设计 1 3 1 产品进化设计概述 进化设计借鉴了生物进化思想，它将人工智能和设计方法学相结合，开拓了设计研 究的新领域，它根据自然界生物进化过程来求解产品设计问题，将生物进化的原理与最 优化技术和计算机技术结合起来，创造了一种全新的优化设计方法。 产品进化设计被应用于许多领域，尽管目前还没有形成统一的定义，但归纳起来， 目前所提出的产品进化设计有以下几种观念： h o l l 趾d 【1 1 l 】最早提出产品进化设计的概念，认为产品进化设计就是设计基因在一定规 则下的演变过程，侧重于设计模式的变化，将设计归因于基因演化的结果，并给出了相 应的演化方法，其核心内容是基于多种进化算法来实现产品设计。该观点将进化计算的 概念在某种程度上与进化设计的概念进行了等同，具有一定的局限性。 冯培恩【1 1 2 1 提出进化设计是一种设计进程的演化，强调设计过程的变化，并指出其核 心是设计思维的演化，该理念将设计进程的变化认为是思维机制作用的外在表现，相对 比较抽象。 滕弘飞【1 1 3 】从