（机械设计及理论专业论文）面向设计的产品配置系统的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 满足客户个性化需求已成为现代企业的发展方向，如何快速设计以提供客户需求的 产品是困扰企业的难题之一。产品配置作为p d m 系统中的核心功能之一，能为设计重 用及快速设计提供良好的支持。本文以瑞恩p d m 的研究开发为背景，结合企业实际情 况并针对现有产品配置模型的不足，提出了一种新的产品配置模型并给出了具体软件实 施方案。 首先，本文简要介绍了产品配置的主要研究问题和研究现状，探讨了产品配置和现 代设计的相关理论，重点分析了现有的“构件配置一零部件版本选择”两阶段产品配置 模型及其特点。 其次，针对两阶段配置模型的不足，提出了面向方面的设计思想，统一了配置规则 的表达形式，抽象和简化了设计约束的表达，扩展了事物特性表的应用范围和取值类型， 并在此基础上，提出了一个面向设计的产品配置模型。该模型针对产品族建立产品模型， 结合了基于结构的方法和基于规则的方法来表达设计约束和配置规则等设计知识，并充 分利用组合模式和面向方面设计思想对产品结构进行灵活划分和组合，体现了面向产品 族设计、模块化设计、参数化设计、面向方面设计的思想，为产品配置设计、变型设计、 组合设计提供了良好的支持，并对产品创新设计提供一定的支持。 再次，基于本文提出的产品配置模型，探讨了该模型的实现机制，并根据分层思想 把系统划分为数据访问层、业务逻辑层、界面层，各层之间采用统一接口的形式进行数 据交换，从而保证了系统的稳定性与扩展性。应用企业级数据库系统s q ls e r v e r2 0 0 5 作为数据平台构建系统数据模型，采用a d o n e t2 0 技术进行数据访问，采用面向对象的 编程语言c 捍2 0 并结合各种设计模式对系统进行实现。 最后，本文采用理论结合实践的研究方法，对系统进行了全方位的测试。经过实例 测试验证，该产品配置系统支持设计知识的灵活表达及应用，能较好地支持设计重用和 快速设计，可以很好的满足实际需要。 关键词：产品配置；面向设计：产品数据管理；面向方面的设计 面向设计的产品配置系统的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fd e s i g n o r i e n t e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o n s y s t e m a b s t r a c t m e e t i n gt h en e e d so fi n d i v i d u a lc u s t o m e r sh a sb e c o m ead i r e c t i o no fm o d e me n t e r p r i s e h o wt od e s i g nf l e e t l yi so n eo ft h ek e yp r o b l e m s a so n eo ft h ec o r ef u n c t i o n s ，p r o d u c t c o n f i g u r a t i o ns u p p o r t sr a p i dd e s i g na n dd e s i g nr e u s ew e l l b a s e do nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fb r a i np d ms y s t e m ，c o m b i n i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no fe n t e r p r i s e s ，t h i sp a p e r p r o p o s e san e wp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d e la n dp r e s e n t sas o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i ns t u d yp r o b l e m sa n dc u r r e n ts t u d ys t a t u so f p r o d u c t c o n f i g u r a t i o n ，d i s c u s s e sr e l e v a n tt h e o r yo fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o na n dc o n t e m p o r a r yd e s i g n ， a n da n a l y z e st h ee x i s t i n g “c o m p o n e n tc o n f i g u r a t i o n p a r t sv e r s i o ns e l e c t t w o - s t a g ep r o d u c t c o n f i g u r a t i o nm o d e la n di t sf e a t u r e s s e c o n d l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa s p e c t o r i e n t e dd e s i g nt h i n k i n g ，u n i f i e st h ee x p r e s s i o no f c o n f i g u r a t i o nr u l e s ，a b s t r a c t sa n ds i m p l i f i e st h ed e s i g nc o n s t r a i n t s ，e x p a n d st h ea p p l i c a t i o n s c o p ea n dv a l u e st y p e so ft a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s c o m b i n i n gt h eb e t t e r m e n t s d i s c u s s e da b o v e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dad e s i g n - o r i e n t e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d e lo nt h e b a s i so f t w o - s t a g ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d e l t h em o d e la i m sa tb u i l d i n gm o d e l o f p r o d u c t f a m i l y c o m b i n e s s t r u c t u r e b a s e dm e t h o d sa n dr o l e b a s e dm e t h o d st oe x p r e s sd e s i g n k n o w l e d g es u c ha sd e s i g nc o n s t r a i n t sa n dc o n f i g u r a t i o nr u l e s ，a n da s e sc o m p o s i t ep a t t e ma n d a s p e c t - o r i e n t e dd e s i g nt h i n k i n gt od i v i d ea n dc o m b i n ep r o d u c ts t r u c t u r ef l e x i b l y n em o d e l s h o w st h et h i n k i n go f p r o d u c tf a m i l yo r i e n t e dd e s i g n , m o d d u rd e s i g n , p a r a m e t r i cd e s i g na n d a s p e c t - o r i e n t e dd e s i g n i tp r o v i d e sg o o ds u p p o r t st oc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , v a r i a n td e s i g na n d c o m b i n a t i o nd e s i g n , a n da l s os u p p o r t si n n o v a t i v ed e s i g ni nac e r t a i ne x t e n t t h i r d l y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h em e c h a n i s m sf o rt h er e a l i z a t i o no ft h em o d e l 1 1 l e s y s t e mi sd i v i d e dt od a t aa c c e s sl a y e r , b u s i n e s sl o g i cl a y e ra n di n t e r f a c el a y e r , a n dau n i f i e d d a t a - e x c h a n g ei n t e r f a c ei su s e db e t w e e nt h e s el a y e r s t h es y s t e md a t am o d e li sb u i l db a s e d o ns q ls e r v e r2 0 0 5d a t a b a s es y s t e m , a n da d o n e t2 0i su s e di nd a t aa c c e s s n 艟s y s t e mi s p r o g r a m m e db yo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a ml a n g u a g ec 群2 o f i n a l l y ，t h es y s t e mi st e s t e ds t r i c t l y t e s tr e s u l t ss h o wt h i ss y s t e mc o u l de x p r e s sa n d a p p l yd e s i g nk n o w l e d g ef l e x i b l y , a n dc o u l ds u p p o r tr a p i dd e s i g na n dd e s i g nr e u s et om e e t a c t u a ln e e d sw e l l k e yw o r d s ：p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ；d e s i g n - o r i e n t e d ；p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ； a s p e c t - o r i e n t e dv e s i g u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：石：邃纽日期：丛翌；= l = 茎 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意人连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：冱：速笙 导师签名 马雅1 i i q 二盈4 年_ l 月日 大连理- r ；k q ! 硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和来源 据研究显示：设计虽只占产品成本的5 1 5 ，但决定了8 5 的产品成本【l 】；对于 一个企业内的产品而言，其中约2 0 的零件是标准件，约7 0 的零件是相似件，只有约 1 0 的零件是专用件；在新产品开发中，约4 0 是重用过去的部件设计，4 0 对已有部 件设计稍做修改，只有2 0 是完全新的设计【2 。3 l 。这些数据意味着设计是决定企业成本 的关键因素，且大多数设计过程是基于以前设计知识的重用，捕获这些设计知识是提高 设计效率的有效途径。因此，建立便于设计知识重用的产品配置模型，将相关设计知识 统一保存在模型中具有十分重要的意义。 作者参与开发的大连瑞恩生产管理系统在大连重工起重集团、大连冷冻机股份有限 公司得到了很好的利用，大大提高了企业计划、车间、采购、库存等部门的管理水平和 运营效率。但是由于企业没有采用p d m 系统，设计部门和下游部门存在着鸿沟，企业 现有如下问题急需解决：( 1 ) 缺乏产品族的概念，不能对产品族数据统一管理；( 2 ) 缺 少可变型的零部件模型；( 3 ) 缺乏有效的编码和分类系统，物料查找困难；( 4 ) c a d 系 统缺乏设计方法学的支持，设计效率不高；( 5 ) 设计知识没有得到良好组织，难以查找 和重用；( 6 ) 企业设计变更频繁，流程混乱。 鉴于如上问题，利用p d m 系统管理所有产品相关的数据成为这些企业下一步发展 的方向。而且前大部分p d m 系统中的产品配置功能较弱，缺乏这方面的深入研究。如 何建立一个既能充分表达产品设计信息又能满足企业实际的产品配置模型，以推进企业 的设计重用和快速设计，具有重大的意义。本文以瑞恩p d m 系统的研究与开发为背景， 提出了一个面向设计的产品配置模型，针对产品族将设计约束和配置规则等知识集成在 配置模型中，对物料的事物特性表进行了扩展，并结合了面向产品族的设计、模块化设 计、参数化设计、面向方面设计等思想，能对产品配置设计、变型设计、组合设计提供 良好的支持，并为产品创新设计中设计知识和经验重用提供一定的支持。 l 。2 产品配置简述 产品配置是指如何将一个产品或一个组件，按照内部的所有零件数量、性质及相互 关系进行编辑，并形成产品物料清单( b o m ) 的过程。其目的是：根据用户给出的配置需 求，基于通用的产品结构( g b o m ) ，选配出完全或部分满足需要的零部件及其产品结构 产品配置研究的两个领域是配置知识的表达和配置问题的求解。配置知识的表达主 要指对领域问题的知识表示，配置问题求解主要是寻求问题求解的方法，侧重点有所不 面向设计的产品配置系统的研究与实现 同。配置知识的表达是配置问题求解的基础和前提，由于产品信息的复杂性，目前还没 有一种通用的方法能完全满足实际需要。本文研究的主要问题是配置知识的表达。 配置知识的表达根据研究的着眼点不同和出发点的不同，有两种分类方法：一种从 配置模型的表示和求解是否明晰易懂为出发点进行分类，称为显式隐式表示分类法；另 一种是依据知识表示的不同为出发点进行分类，称为知识的表示和求解分类法。 显式模型中，通用产品结构由组件、层次关系结构、以及对组件可能的选择组成； 而在隐式模型中，表达的是组件问的相容性知识、组件的可连接性和其他一些约束。显 式模型可以很清晰地表达产品的层次结构和组成，但能表达的设计知识有限，而隐式模 型正好相反1 4 】。因此，本文提出的产品配置模型结合了显式模型和隐式模型以充分利用 两者的优点。 依据知识表示的不同，产品配置的研究方法一般可以分为基于规则的方法、基于约 束的方法【5 1 、基于资源的方法1 6 1 、基于结构的方法r 玎、基于连接的方法i 引、基于本体的方 法一1 等。这些方法各有所长，也均存在不足：基于约束的方法和基于本体的方法缺乏直 观性；基于连接的方法由于很多产品并不一定具有明确的端口信息而应用范围有限：基 于资源平衡的方法不能很好地表达诸如结构、连接等部件之间的关系：基于规则的方法 缺乏模块化，且规则一致性检查和维护困难；基于结构的方法难以表达一些复杂的约束。 考虑到工厂实际和机械行业的特点，本文结合采用基于结构的方法和基于规则的方法进 行产品模型中设计知识的表达，这样一方面便于表达机械产品的结构层次，使得规则能 得到良好组织和维护，另一方面能充分表达各种设计信息。 1 3 研究现状 从2 0 世纪7 0 年代产品配置思想的诞生开始，到最近几年人们对产品配置理论和应 用的日益重视，产品配置的研究得到了巨大的发展。从产品配置研究的发展历程来看， 大体上可以分为三个阶段： ( 1 ) 第一个阶段是9 0 年代以前，这个时期主要是以特定行业领域配置系统的实现为 主，其标志是以x c o n 为代表的一批产品配置系统的诞生，这个期间理论上的研究不 是很多。 ( 2 ) 第二个阶段是大约到9 0 年代末的十年间。针对一些配置系统使用中出现的问题， 这个时期的研究相对进入了一个理论上的探索期。从m i t t a l 和f r a y m a n 提出产品配置的 概念l l o 】开始，人们对产品配置的各个方面，如对配置本体、配置建模、配置问题求解、 配置产品知识的表示等方面进行了研究，并取得了丰硕的成果。同时，配置这个概念的 外延也扩大到了软件产品的配置、业务过程中的销售配置等【1 1 】。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 第三个阶段是从9 0 年代末开始到现在。随着大规模定制生产 m c ( m a s s - c u s t o m i z a t i o n ) 的出现以及p d m 的广泛使用，产品配置的研究日益与m c 和 p d m 结合起来，这体现在把产品配置看作是m c 中的关键技术和使能器，以及越来越 多的p d m 系统集成了产品配置功能。y i n g l i e 研究了面向m c 和电子商务的产品配置 问题、u d o 研究了m c 中机电产品的模块化和面向功能的配置，并讨论了一些有用的配 置方法【1 2 1 。 目前国内对产品配置虽有一些研究，但总体上还比较落后，相应的研究文献和应用 报道也很少。这些年来主要形成了以下这些研究成果【1 3 19 j ： 清华大学的阴向阳从产品配置、产品结构和版本3 个方面分析了产品配置和产品结 构的联系与区别，利用两重递归实现了对子对象状态的查询和对产品配置对象进行转化 的两个子算法；苟凌怡等研究了i m a n 产品配置管理的方法；高磊实现了基于知识库和 规则的产品配置过程；汤文成等研究了面向敏捷制造的产品配置管理：顾新建等介绍一 种新的网上通用产品配置设计工具；谭建荣教授针对大批量定制生产的特点，提出了基 于产品功能结构单元的产品配置模板和求解策略，实现了对客户配置需求的快速响应； 刘晓冰教授通过引入客户需求域和特征表达域的概念，为实现从客户的定制条件映射和 转化到产品具体结构特征这一过程提供了理论和方法，并建立了相应的层次型产品配置 模型。以上这些研究都极大地促进了产品配置的在国内的研究和发展。 近年来，越来越多的p d m 集成了产品配置功能，从事这方面的应用研究的国内外 公司主要有美国e d s ( u g ) 公司、美国e d s ( s d r c ) 公司、美国p t c 公司、美国i b m 公司、武汉天喻、清华埃克斯特、清华同方等，其产品配置管理的内容如下【2 睨8 l ： ( 1 ) 美国e d s ( u g ) 公司产品i m a n i m a n 中的产品配置管理是基于配置管理的产品结构管理模块( p r o d u c ts t r u c t u r e m a n a g e m e n t , p s m ) 。p s m 能访问各种工程信息，并支持在c a d 系统中进行“虚拟装配”； p s m 通过制定不同的规则提供有效性管理；系统可以通过技术说明显示有多少零部件需 要进行配置管理；支持不同的配置规则，如版本规则、有效性规则和变量规则等。 ( 2 ) 美国e d s ( s d r c ) 公司的产品m e t a p h a s e m e t a p h a s e 的产品结构管理器执行工程材料明细表信息的捕捉，可以查看和操作图 形方式下正在设计的产品结构。高级产品配置模块可以提供系统产品结构的建立和管理 产品定义的多个视图。 ( 3 ) 美国p t c 公司的产品w i n d e h i l l 面向设计的产品配置系统的研究与实现 w i n d c h i l l 的产品配置过程为首先创建一个通用部件( g e n e r a lp a r t ) ，然后得到一个通 用产品结构( g e n e r a lp a r ts t r u c t u r e ) ，并在这个结构树上定义配置逻辑，最后通过配置得 到需要的产品。 ( 4 ) 美国i b m 公司的p r o d u c t m a n a g e r p r o d u c t m a n a g e r 中的配置管理模块能对产品定义中的数据、产品结构、变量以及有 效性进行维护。产品结构浏览器使得用户能够使用图形化界面查看物料清单及相关的产 品定义数据。 ( 5 ) 武汉天喻公司的i n t e p d m i n t e p d m 中的产品配置管理功能为：实现在产品结构上进行配置，生成具体产品的 配置b o m 表；定义零部件之间的互换、替换、可选和冲突等关系，定义产品配置规则， 根据配置规则自动生成产品的配置；实现对b o m 表的进行分类、汇总、统计等不同处 理以及配置有效性的管理。 ( 6 ) 清华艾克斯特公司的x t p d m x t p d m 中通过产品配置支持基于原有产品的变型设计，支持基于配置规则的自动 或半自动的参数化配置。 清华同方p d m 清华同方p d m 中的产品结构管理支持产品系列化设计和变型设计，实现产品结构 的动态编辑和比较。在基本构型建立后，通过填写配置文件，给出要增删改的配置，创 建出基于基本型的产品结构，可按照客户订单快速组织设计和生产，实现可选件、替代 件、产品系列管理和产品状态管理。 此外，出现了一些针对特定领域的专用的配置系统，典型产品有：d e c 公司用于大 型计算机系统配置的x c o n ；w e s t i n g h o u s e 电梯公司的电梯配置器；配置单板机的 实验性知识库系统m i 。 尽管产品配置的研究和实现已取得了一定的成果，但现阶段产品配置还存在如下问 题： ( 1 ) 规则和约束的表达没有充分利用机械行业产品结构的层次化特点，设计知识的 表达缺乏良好组织，管理和维护困难，表达方法过于抽象。 ( 2 ) 产品结构的划分和组合不够灵活，对模块化设计和参数化设计支持不够。 ( 3 ) 对设计知识的访问困难，影响了产品配置的速度和效果。 ( 4 ) 对产品变型设计和组合设计不够。 本文目的就是提出一个产品配置模型，将设计约束和配置规则等设计知识按照产品 模型结构组织起来，并能在产品配置时得以方便地访问和利用这些知识，在产品模型中 大连理工大学硕士学位论文 体现面向产品族的设计、模块化设计、参数化设计等设计思想，支持产品的配置设计、 变型设计和组合设计，并为产品创新设计时的知识重用提供一定的支持。 1 4 本文主要工作 本文以瑞恩p d m 系统的研究与开发为背景，将软件技术和产品配置相关理论相结 合，进行了产品配置系统平台的设计和开发，主要工作归纳总结如下： ( 1 ) 通过分析产品配置的研究和应用现状，明确了产品配置的主要研究问题；探讨 了产品配置的相关理论，重点分析了产品配置中的设计知识和现有的“构件配景一零部 件版本选择”两阶段产品配置模型，并指出了两阶段配置模型的优缺点；在此基础上提 出本文的研究重点，即基于两阶段产品配置模型的面向设计的产品配置。 ( 2 ) 提出了面向方面设计的思想，即用超级件包装一组跨越多个部件且相互耦合紧 密的一组物料，使模块化进一步细化的设计思想；在产品模型结构中结合使用基于结构 的方法和基于规则的方法表达设计知识，从结构上利用配置件、超级配置件、超级约束 表达必选、可选、依赖、互斥、组合、势约束和权约束等常见的约束，利用规则表达其 它设计知识，并将规则按产品模型结构树进行良好组织；扩展了事物特性表的使用范围 和取值类型，使其使用范围从零部件扩展到包括各种虚拟件在内的所有物料，取值类型 允许为变量和跨物料表达式；充分利用组合模式以将复杂约束分解为简单约束用配置件 和超级配置件表达，并支持产品结构的模块划分在各个粒度上灵活进行。 ( 3 ) 在两阶段配置模型的基础上，集成提出的改进方案：组合模式的利用、事物特 性表的扩展、设计知识的抽象和统一表达、面向方面的设计等，提出一个面向设计的产 品配置模型。 ( 4 ) 针对本文提出的模型，按照软件开发的原则，以s q l s e r v e r 2 0 0 5 为数据库平台、 v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 为集成开发环境、c # 2 0 为开发语言，结合分层结构的思想和各种设 计模式完成了产品配置系统的功能设计、数据库设计和程序实现，开发出完整的产品配 置系统，具体包括：产品模型管理、产品管理、配置件管理、零部件管理、超级配置件 管理、超级件管理、超级约束管理、产品结构配置等。 1 5 本章小结 本章介绍了课题背景和来源，分析了产品配置的研究现状和不足，并据此引出了本 文的研究重点，即提出一个面向设计的产品配置模型并实现基于该模型的产品配置系 统，最后总结了本文的主要工作。 - - 5 - - 面向设计的产品配置系统的研究与实现 2 产品配置和现代设计的相关理论 2 1 产品配置定义 产品配置是以配置模型和需求模型为输入，以最终产品的配置结果为输出的一类设 计活动【2 9 1 。产品配置为四个模型( 配置模型，需求模型，评价模型，配置结果模型) 之间 的相互关系。其中，配置模型描述可能出现在配置结果中的组件及其相互关系；需求模 型描述配置完毕的最终产品应该满足的特定约束；配置结果则描述最终产品的组件构成 及相互关系。如果配置结果与需求模型一致，则认为该配置结果是合适的。丽使用评价 模型来描述配置结果与需求模型是否一致性满足，如果配置结果是合适的，并且与配置 模型一致，则认为该配置结果是正确的。其配置的框架图如图2 1 所示。 系 统 输 入 产 品 配 置 系 统 输 出 图2 1 产品结构配置框架 f i g 2 1f r a m e w o r ko f p r o d u c ts t r u c i m r ec o n f i g u r a t i o n - - 6 - - 大连理工大学硕士学位论文 产品配置p r o d u c t c o n f ：= ( c m ，r m ，c r e ) 是一个四元组，其中：c m ( 配置模型) 描述可 能出现在配置结果中的部件及其相互关系的集合；r m ( 需求模型) 描述配置完毕的最终产 品应该满足的特定约束集合；c r ( 配置结果) 描述最终产品的部件构成及相互关系：e ( 评 价模型) 描述配置结果与配置模型、需求模型间的一致性满足评价规则集。 上述几种模型中，配置模型是中心，它表达了产品模型的基本结构，包含了各种可 能的产品配置结果，将物料的各种特性、配置规则和设计约束集成在一个模型中描述， 是整个产品配置的基础。因此，产品配置模型的建立是本文的中心内容。 判断一个模型是否为正确的配置模型，已经被确定为n p 难题( n o n d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a lp r o b l e m ) 。因此在目前的技术条件下，无法给出一个算法来精确判定配置模 型。可以根据实际经验来组织一个产品的配置模型，同时考虑所建立的配置模型的效率 性。配置模型设计中有如下要点【3o 】：( 1 ) 静态和动态的结合；( 2 ) 确定有限的配置项类型： ( 3 ) 使用缓存，保存例示搭配。 2 2 产品配置相关概念 2 2 1 事物特性表 事物特性表【3 1 1 ( t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ) 是指表征产品( 包括部件、零件) 的功能、几何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映出来的信息集合。在产品 配置过程中，事物特性表具有重要的参考作用。事物特性表定义了从对象组中表征和区 分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使产品的特性数据能够方便地 在不同的系统之间交换。g b t1 0 0 9 1 1 1 9 9 5 规定了一个事物特性表的格式，如表2 1 为 齿轮的事物特性表。 通过表2 1 可以发现，同一物料的特性之间可以存在着联系，其联系可用表达式来 表达。通过事物特性表，配置人员在产品配置可以很快地找到所需的零部件。 表2 i 事物特征表( o w t1 0 0 9 1 1 1 9 9 5 ) 示例 t a b 2 1a e x a m p l eo f t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ( g b 厂r1 0 0 9 1 1 - 1 9 9 5 ) 面向设计的产品配置系统的研究与实现 2 2 2 配置规则 产品配置是以配置模型和需求模型为输入，以最终产品的配置结果为输出的一类设 计活动，这里面的从输入到输出是得遵循一些规则的，这些规则就是配置规则。配置规 则的定义实际上是对产品信息知识的获取、加工和抽象，通常在产品配置模型中予以描 述。在产品配置管理中，配置规则的良好表达和利用是关键。 配置规则可以分为五类：变量配置规则、可替换配置规则、发放状态( 版本) 配置规 则、有效性配置规则和选择性配置规则。 ( 1 ) 变量配置规则 当产品结构树中的零部件的某些属性具有多个可选项时，可将些属性视为选项变量。 按照这些选项变量取不同的值来确定具体的产品结构配置，称为变量配置。变量配置是 产品配鹭最常用的配置规则。 变量配置规则是配雹条件组与可供选择零部件的组合，表示在符合某些条件的情况 下可以选择哪些零部件。所谓配置条件组是指由一个或多个配置条件组成的复合条件。 如“生产厂家= 本田o r 功率 5 0 0 ”就是一个配置条件组。相关的多条变量配置 规则可以组合起来在一个决策表中描述。如表2 2 中描述了三条配置规则。 表2 2 变量配置规则决策表示例 t a b 2 2d e c i s i o nt a b l eo f c o n f i g u r m i o nr u l e s ( 2 ) 可替换配置规则 可替换配置规则是描述产品部分零部件的可替换性的配置原则。考虑到实际的生产 当中客户使用产品的环境或客户需求的变化以及采购成本变化等因素，可替换性的配置 规则的设计为产品结构的选择提供相对的灵活性。 ( 3 ) 有效性配置规则 有效性规则有多种，如结构有效性、时间有效性、地域有效性等。有效性约束可以 保证产品结构数据的存在性、一致性、完备性和正确性等。在进行配置时，可以把这些 配置规则经过逻辑组合而使用，得到同一产品的不同配置。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 发放状态配置规则 一个零部件的资料可能具有多个不同的版本，这些版本在产生的过程中具有不同的 状态，如工作状态、提交状态、发布状态、冻结状态等。因此可以按照版本所处的不同 状态进行产品结构的配置。版本状态变化如图2 2 所示。一般说来，只有发布版本或归 档版本才能引用，但特殊情况下也有例外。 图2 2 版本状态变化流程图 f i g 2 2t h ef l o wc h a r to f l a b e ls t a t u st r a n s f o r m a t i o n 厂 归档叫竺竺竺! l ( 5 ) 选择性配置规则 产品结构中零部件常用的选择状态有可选件、必选件和冲突件。可选件是指根据用 户需求可以被选取的零部件；必选件是指配鼍结果中肯定被选取的零部件；冲突件是指 在本次配置中一定不会选用的零部件。 产品模型结构b o m 中包含可选件和必选件。对产品模型树进行配置，选择所有的 必选件，按照用户需求选择可选件，避免选择冲突件，通过层层选择，可以生成最终的 产品结构树，得到具体的产品结构b o m 。 2 2 3 设计约束 设计约束反映了产品设计参数之间关系中的依赖性，体现了产品开发过程中各层次、 各功能活动间对应的产品结构中各种参数的依存关系。产品配置过程中应严格遵守这些 设计约束。设计约束按层次分可以分为对象层约束和属性层约束，按内容可分为设计性 能约束、结构约束、装配约束、可制造性约束、资源约束和时间约束。设计约束的表达 形式有方程约束、定性约束、推理约束、隐式约束、列表型约束等【3 2 】。 2 3 产品配置主要内容 ( 1 ) 产品族的管理 面向设计的产品配置系统的研究与实现 现在的产品配置一般不再针对每个具体产品而是针对产品族进行，因此，对产品族 的管理是产品配置的基本部分。 ( 2 ) 定义物料特征和选项 配置人员将通过不同的物料特征来区分物料，通过不同的选项来区分产品的结构。 物料特征即物料的参数，其为变量时可用来表达产品或零部件的一些可选特性。用户通 过给物料特征赋予一定的值表示希望得到特定功能的产品。产品选项确定了具体产品中 可以选用哪些物料，给产品结构选择带来了一定的自由度。 ( 3 ) 定义配置规则 用户选定了可选参数的值以后，根据特征取值选择具体零部件就由配置规则决定。 如何管理这些配置规则，使其能方便地得以利用，是产品结构配置成功的基础。 ( 4 ) 定义通用产品结构 通用产品结构是针对产品族建立的模型，统一管理产品族的结构、选项和特征。用 树状形式建立产品族的结构，把产品选项、产品相关物料的物料特征、设计约束和配置 规则统一表达在通用产品结构中，是产品配置管理的关键部分。 ( 5 ) 生成具体的产品结构 按照配置规则和设计约束，在通用产品结构的基础上选择符合需求的特征、选项和 数量得到具体产品结构，是产品配置管理的目标。 ( 6 ) 检查用户的配置结果 用户在产品配置的过程中或者产品配置完成后，配置器根据通用产品结构模型中的 设计约束和配置规则，检查用户配置的产品结构和选择的物料特性是否满足要求，是产 品配置的重要内容。对不满足设计约束或配置规则的配嚣要给予适当反馈。 2 4 现代设计方法 现代的产品设计方法，主要包括以下四种 3 3 1 ：( 1 ) 在已有产品结构和模块基础上的 产品配置设计；( 2 ) 在已有产品结构和模块基础上，根据用户需求对模块的尺寸进行变 化的产品变型设计；( 3 ) 根据用户需求选择产品结构和模块的产品组合设计；( 4 ) 用户 需求变化较大时的产品创新设计。表2 t 3 是四种设计方法的比较。 从配置设计到变型设计再到组合设计最后到创新设计，设计周期越来越长，设计成 本越来越高，产品变化越来越大，对设计的要求越来越高。大部分产品配置系统都能较 好地支持产品配置设计，但对产品变型设计和组合设计提供的支持有限，对创新设计基 本不能提供支持。 大连理工大学硕士学位论文 本课题研究的产品配置系统除了对产品配置设计提供良好支持外，还应很好地支持 产品变型设计和组合设计，另外对产品创新设计也能提供一些支持。 表2 34 种不同层次的设计方法之比较 t a b 23c o m p a r i s o nb e t w e e nf o u rd e s i g nm e t h o d si nd i f f e r e n tl e v e l s 2 5 产品配置设计思想 为了对设计能提供较好的支持，产品配置必须结合一些先进的设计思想来实现。下 面介绍产品配置中的几种先进设计思想： 2 5 1 面向产品族的设计 产品族是指共享通用技术并定位于相关市场应用的一组产品。每一族中所有的产品 都具有相似性，它们共享相同的结构和产品技术。一个产品族对应一个市场区段，而产 品族中的产品变量是满足这个市场区段中的一部分消费者对产品的特殊需要。 面向设计的产品配置系统的研究与实现 面向产品族的设计是指在设计过程中，通过对企业现有顾客定单进行系统的分析， 并预测将来的产品需求，提取符合顾客群需要的产品变型参数，同时对整个产品族进行 设计的方法。 面向产品族的设计与传统产品设计方法最不同的是，其设计结果后不再是得到一个 产品实例而是形成可变型的动态产品模型。在此动态产品模型的支持下，当针对单个客 户需求进行设计时，可以快速配置出满足客户需求的产品【3 ”。 产品族设计是实现产品快速组合设计的关键，好的产品族能够以最少的零部件覆盖 最多的订单产品。设计产品族的原则是尽量减少产品的内部多样性，增加产品的外部多 样性。设计产品族时有以下三个原则1 35 】：( i ) 产品族中的产品具有相同的市场定位和客 户群需求：( 2 ) 产品族中产品具有相似的产品结构，并可用通用结构来表述；( 3 ) 产品 族结构树中相同位置节点上的零部件具有相似的功能和相同的外部接口关系。 2 5 2 模块化设计 模块化设计是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进 行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成 不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法1 3 6 】。 利用模块组合成不同的产品可以促进设计重用和节省设计成本，从客户角度看，模 块化设计能够定制自己的特定需求；从企业角度看，使用规划好的或已标准化易于变型 的零部件模块进行组装，就容易实现成本的降低和速度的提高【3 7 j 。模块化设计已成为一 项主要的设计技术。 一般来说，并没有完全统一的模块划分方法，研究对象和侧重点不同，划分的功能 模块也不相同。但是在模块划分过程中需要注意几个原则1 3 s ：( 1 ) 功能独立原则；( 2 ) 结 构独立原则；( 3 ) 部件原则；( 4 ) 基础件原则：( 5 ) 粒度适中原则：( 6 ) 可配置原则。 模块划分是后续产品配置工作的基础性条件，模块的合理划分是保证产品配置顺利 进行的前提。 2 5 3 参数化设计 参数化设计是指对形状上比较定型的零件( 或部件) 用一组参数约束该几何图形的一 组结构尺寸序列。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时， 就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型口9 】。参数化设计通 过研究零件层次上的二维图纸、三维零件实体、产品层次的装配关系、产品特征等，使 得不同层次之间的数据变更的传递变得唯一和及时【柏】。 大连理工大学硕士学位论文 参数化设计思想为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户 可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模 型，生成新的系列产品。 2 6 两阶段配置模型 现有p d m 系统中的广泛采用的产品配置模型将配置过程分为构件配置和零部件版 本选择两个阶段，本文称其为“两阶段配置模型”。该模型结构清晰、思想简单，有较 好的实用性和借鉴意义。 ( 1 ) 两阶段配置模型概述 如图2 3 所示，两阶段产品配置模型在产品模型结构中包含构件、零部件和零部件 版本。构件、零部件、零部件版本之间的关系如图2 1 3 右下角所示：构件为零部件的抽 象，其中零部件为零部件版本的抽象。 图2 3 产品模型结构示意图 f i g 2 3s k e t c hm a po f p r o d u c tm o d e ls t r u c t u r e 在配置产品具体结构时，通过如下两个阶段来实现：针对构件根据零部件的主要 参数选取零部件，得到产品的非精确结构；针对零部件根据零部件版本的具体参数 选取零部件版本，从而得到精确的产品结构。配置完后的产品结构如图2 4 所示，由零 部件的具体版本组成，可以交付制造。 面向设计的产品配置系统的研究与实现 莎国 ，圆垦 一、 闺一一函 7 一一黪建溺 臣酞国 一醚幽 、：l ! ，：i ；i 弼，、黟露霜雾溺，人墼奎! ：岁 图2 4 产品结构示意图 f i g 2 4s k e t c hm a po f p r o d u c ts t r u c t u r e ( 2 ) 两阶段配置实现的过程分析 两阶段配置模型中，产品配置的整个过程如图2 5 所示1 3 7 ： 图2 5 两阶段产品配置模型的配置流程图 f i g 2 5t h ef l o wc h s r to f c o n f i g u r a t i o ni nt h et w o - p h a s em o d e l 一1 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 算法对于产品模型上的每一个节点，首先判断它的类型是构件还是零部件，如果是 构件，根据配置规则决定它的选配情况，如果配置规则不能确定，交由用户确定，一旦 确定了构件保留，则必须确定参数，确定参数是根据用户输入的要求求解，从参数系列 中选择一个，这个求解过程也是对构件所对应的零部件族进行搜索，如果求解失败，要 求用户重新输入，直到成功为止，否则提示配置失败。如果节点是零部件，由配置规则 决定是否选择装配，如果配置规则不能确定是否选装，交由用户决定。此时的零部件还 不能用于生产，必须由有效性来确定零部件的版本，确定了具体版本的零部件才是可用 于生产的零部件。 ( 3 ) 两阶段配置模型的优点 “构件配置一零部件版本选择”两阶段配置模型作为一个广泛使用的产品配置模 型，具有如下优点： 将产品模型的建立和产品结构的配置分离开来，两者可以由不同的人员操作，极 大地降低了产品配置实施的难度； 构件和零部件的两级抽象机制，产品树状结构上的差