（机械制造及其自动化专业论文）产品自组织配置设计的评价技术研究.pdf

中文摘要 产品自组织配置设计是产品配置设计研究中的一个新方向；将产品自组织 配置设计应用于产品设计中，可提高产品设计的效率、缩短产品开发周期和降 低产品开发成本。目前，对产品自组织配置设计的研究还不够成熟，对相关评 价技术研究更是不多。但评价是产品设计的一个重要环节；通过评价，可修正 和改进产品自组织配置设计中的相关环节和方法，完善设计方法体系。为了充 实产品自组织配置设计理论，本文主要从以下几个方面对产品自组织配置设计 的评价技术进行了研究： ( 1 ) 从设计过程和设计结果两方面制定产品自组织配置设计的评价指标。 针对产品自组织配置设计的特点，构建设计过程的评价指标；针对机械产品的 共性和特殊性，构建设计结果的评价指标。 ( 2 ) 选用物元模型对产品自组织配置设计的过程进行评价。首先采用物元 法分别对产品自组织配置设计过程的效率、柔性、准确性、复杂程度和自动化 程度进行评价，最后综合评价产品自组织配置设计过程的优劣；同时，针对产 品自组织配置设计过程，制定评价反馈和修改意见。 ( 3 ) 选用模糊物元模型对产品自组织配置设计结果进行评价。通过模糊物 元模型可对产品自组织配置设计结果的多个方案进行评价，得出最佳配置方案。 论文以汽车钢板弹簧自组织配置设计为例，对汽车钢板弹簧自组织配置设计的 结果进行评价，研究了该方法的可信度。 ( 4 ) 运用v b 和a c c e s s 开发了较为简单的汽车钢板弹簧自组织配置设计结 果评价系统。 论文主要从产品自组织配置设计的评价指标和评价方法两个方面对产品自 组织配置设计的评价技术进行了研究，研究成果充实了产品自组织配置设计理 论和产品设计评价理论，同时具有一定的实践指导意义。 关键词：产品自组织配置设计，评价指标，物元模型 a b s t r a c t p r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，an e wr e s e a r c hd i r e c t i o no f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , i sa p p l i e dt op r o d u c td e s i g n ，w h i c h c a ng r e a t l yi m p r o v e t h ee f f i c i e n c y , s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e s ，a n dr e d u c ed e s i g nc o s t s a t p r e s e n t ，t h er e s e a r c ht ot h ee v a l u a t i o no fp r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , e s p e c i a l l yt ot h ee v a l u a t i o no f i ti ss t u d i e dr a r e l y h o w e v e r , e v a l u a t i o ni sa l li m p o r t a n t p a r to fp r o d u c td e s i g n i tw i l li m p r o v et h er e l a t e dl i n k sa n dm e t h o d so fp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g nt h r o u g he v a l u a t i o n i no r d e rt oe n r i c hp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g nt h e o r y , t h ep a p e rm a i n l y r e s e a r c h e st h e e v a l u a t i o no fp r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g na sf o l l o w s ： ( 1 ) e v a l u a t i o ni n d e x e sa r ec o n s t r u c t e df r o mt h ed e s i g np r o c e s sa n dd e s i g n r e s u l t so fp r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n f i r s to fa 1 1 a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，t h ee v a l u a t i o ni n d e x e s f o rt h ed e s i g np r o c e s sh a v e b e e nc o n s t r u c t e d a n dt h e nf r o mc o m m o na n d p a r t i c u l a r i t yo ft h em e c h a n i c a lp r o d u c t s ，t h ee v a l u a t i o ni n d e x e sf o rt h ed e s i g nr e s u l t s h a v eb e e na l s oc o n s t r u c t e d ( 2 ) m a t t e r - e l e m e n tm o d e li sc h o s e nt oe v a l u a t et h ep r o c e s so fp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n a tf i r s t ，m a t t e r - e l e m e n tm o d e li s u s e dt o e v a l u a t et h ee f f i c i e n c y , f l e x i b i l i t y , a c c u r a c y , c o m p l e x i t ya n da u t o m a t i o no fp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o ns e p a r a t e l y a n dt h e n ，t h ep r o c e s so fp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni se v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l y b e s i d e s ，al o to f f e e d b a c ka n ds u g g e s t i o n sa r em a d eb a s e do nt h er e s u l t so fe v a l u a t i o n ( 3 ) f u z z ym a t t e r - e l e m e n tm o d e li sc h o s e nt oe v a l u a t et h ed e s i g nr e s u l t so f p r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n t h ef u z z ym a t t e r - e l e m e n tm o d e lc a n e v a l u a t ean u m b e ro f b l u ep r i n t so f p r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，a n d o b t a i nt h eb e s ts c h e m e t a k ev e h i c l el e a fs p r i n ga sa ne x a m p l e ，f u z z ym a t t e r - e l e m e n t m o d e li su s e dt oe v a l u a t et h eb e s tb l u ep r i n to fi t sd e s i g nr e s u l t s ，a n dt h e ns t u d yt h e r e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d ( 4 ) t a k ee x a m p l ef o rv e h i c l el e a f - s p r i n g ，as i m p l ee v a l u a t i o ns y s t e mo fp r o d u c t s e l f - o r g a n i z i n gd e s i g nr e s u l t si sd e v e l o p e db a s e do nv ba n da c c e s s t w oa s p e c t so fp r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n g c o n f i g u r a t i o nd e s i g n i s m a i n l y r e s e a r c h e dw h i c ha r et h e e v a l u a t i o ni n d e x e sa n dm e t h o d s i ti sn o to n l ya s u p p l e m e n t a r yt h e o r yo f t h ep r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dp r o d u c t d e s i g ne v a l u a t i o n ，b u ta l s oc a np r o v i d es o l t l ep r a c t i c a lg u i d a n c es i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：p r o d u c ts e l f - o r g a n i z i n gc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , e v a l u a t i o ni n d e x e s ， m a t t e r - e l e m e n tm o d e l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 捌：、玎砩铷( 唧日期叫以 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 产品自组织配置设计介绍 随着经济贸易的全球化，科技、信息业呈现出一种快速发展的状态，客户 对产品的需求由过去的单一化和批量化转化为现在的多样化、个性化需求，因 此企业必须开发更多的产品来满足客户的需求；同时面对市场的竞争，必须缩 短产品开发的周期、降低产品开发的成本、提高产品的质量。为解决产品结构 多样化、客户需求个性化、产品开发周期短的矛盾，产品配置设计应运而生。 而产品自组织配置设计是在产品配置设计基础上发展起来的设计技术。 1 1 1 产品配置设计介绍 简单地理解产品配置设计就是预先定义一些组件和组件间的规则，根据需 求对这些组件按照组件间的规则进行组合，最终得到一个用户满意的产品。产 品配置设计只是对组件进行组合，而不需要对组件进行重新设计，因而节约了 大量的设计时间和成本。第一个商用产品配置系统r i x c o n 用于配置v a x 计 算机，系统根据客户的需求将不同组件按照一定的空间或逻辑关系组合起来， 从而生成满足客户需求的最终产品。r f x c o n 系统进行自动配置时间只需o 5 s 左右，而人工配置则需3 h ，大大减少了配置的时问。 产品配置的思想诞生于2 0 世纪7 0 年代，相关研究开始于8 0 年代，其发展 可以主要分为三个阶段： 第一个阶段是2 0 世纪8 0 年代，其阶段主要是配置系统的研究。著名的配 置系统有x c o n 系统、v t 电梯配置器、s i c o n f e x 配置系统和m m c k o n 配 置系统等。正是配置系统的实现给制造业带来了许多便利，才促进了配置理论 的研究与发展。 第二个阶段是2 0 世纪9 0 年代初到9 0 年代末。这个时期配置设计的研究进 入了一个理论上的探索期。其问许多学者对配置设计进行了理论研究，同时提 出了许多的配置方法，如基于结构的产品配置方法、基于资源的产品配置方法、 基于连接的产品配置方法、基于约束的产品配置方法、基于功能的产品配置方 法、基于逻辑的产品配置方法和基于事例的产品配置方法等。这一阶段是产品 武汉理工大学硕士学位论文 配置设计的理论发展阶段，期间许多产品配置设计理论只是处在一个开创阶段， 还没有通过实践来验证，但这种理论的研究促进了配置设计的推广。 第三个阶段是从9 0 年代末开始到现在。这期间理论研究与实践相结合，利 用w e b 网络、客户驱动模型等对产品配置设计进行研究，将产品配置的理论运 动到实践中，并对产品配置设计的发展趋势进行了探讨，使产品配置设计在大 批量生产和数字制造中的应用越来越广泛。同时也对产品配置设计的配置建模、 实现方法和知识管理等进行了深入的研究，使得产品配置设计在理论上更为成 熟。 国内外大量的学者对产品配置设计进行了理论和实践研究，尽管许多学者 均提出了产品配置设计的定义，但关于产品配置设计的定义目前还没有形成统 一的定义。比较成熟的定义有1 9 7 1 年f r e e m a n 和n e w e l l q 把产品配置设计定义 为一个根据预定义的零部件集合以及它们之间的相互约束关系，通过零部件之 间的合理组合，形成满足客户个性化需求的产品设计过程。另外1 9 8 9 年m i t t a l 和f r a y m a n 以及1 9 9 8 年b r o w n 也对产品配置设计进行了定义，受到了许多学者 的认可。 对产品配置设计进行定义时，大多学者认为产品配置设计是以需求为出发 点，按一定规则、标准或约束对组件进行组合的过程。从而可知：产品配置设 计是在对象的组成结构规范和性质己知的情况下，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，设计期间不产生新的组件或组件间的 规则，因此，产品配置设计称为日常设计。但产品配置设计同时又属于一种智 能设计。智能设计是基于知识的设计过程，是对知识的重用和创新，而产品配 置设计是利用现存的组件和组件规则，根据约束对组件进行配置，从而产生新 的产品，组件和组件规则都属于知识的范畴，因而产品配置设计也属于一种智 能设计。 1 1 2 产品自组织配置设计的定义 产品配置设计如果能识别客户的需求，进行自动的配置和优化，即实现产 品的自组织配置设计，那将大大的缩短产品设计的时间。本文研究的正是产品 配置设计中的产品自组织配置设计，这是产品配置设计发展的一种趋势。 产品自组织配置设计是模拟大自然生物系统的自组织和进化机理，针对基 因良好的自适应性、自组织性、遗传性的特点，运用基于单元基因的配置设计 2 武汉理工大学硕士学位论文 方法。它通过构建产品单元基因模型，确定基于单元基因的配置设计合成规则， 使各个配置单元具有自组织性和智能性，从而实现产品配置设计的高效率、高 智能、高精度和多样化。另外人工神经网络能模仿人脑结构及智能行为，由于 其强大的并行处理、分布式信息存储、自组织自适应及学习能力，因而基于神 经网络的产品设计方法也可用于产品自组织配置设计中。 产品自组织配置设计【2 】是根据外部需求的变化，按照所建立的内部机制，从 无序逐渐转为有序，自适应地进行配置建模、推理和优化，以最终达到快速和 准确求解的目的。 目前，也有一部分学者对产品自组织配置设计进行了研究，如浙江大学的 谭建荣院士于1 9 9 9 年对基于自组织的产品信息建模理论进行了初探研究；清华 大学的范文慧博士提出一种基于特征单元的产品自组织配置设计方法；山东理 工的董小娟对面向用户定制的自组织装配技术进行了研究：浙江大学的雍国恩 对基于自组织建模的大规模定制生产产品设计进行了研究等。但产品自组织配 置设计的研究还处于初级阶段，国内外对其也只是一个摸索的阶段，因而产品 自组织配置设计的研究还有待进一步加深。 1 2 产品配置设计评价现状 1 2 1 常用的评价方法 很多学者对机械产品设计的评价技术和产品配置设计的评价技术进行了研 究。江苏大学的顾寄南【3 】等以装配单元为研究对象，从技术特性、成本特性和社 会特性三个方面考虑，提出并构造了可装配性评价的指标体系，建立了可装配 性评价系统模型。朱永梅【4 】等构建了面向并行工程的产品设计综合评价的系统模 型，对产品设计五大模块：信息获取模块、方案评价模块、结构设计评价模块、 详细设计评价模块和信息反馈模块进行了综合评价系统。大连理工大学的魏晓 鸣【5 】博士等对产品配置设计的评价模型进行了研究，以递阶层次结构建立了产品 配置设计的评价指标体系，采用层次分析法构建产品配置设计的评价模型。南 京大学的李建文【6 】对基于本体建模的产品配置及评价系统进行了研究与开发，同 样也是利用层次分析法对配置结果进行了评价和确定；利用基于本体建模的方 法开发了一个摩托车产品配置原型系统，并对配置结果进行了评价。薛立华【7 】 对机械产品概念设计方案生成及评价方法进行了研究，采用线性物理规划多属 3 武汉理工大学硕士学位论文 性评价模型对评价指标可以量化时的概念设计方案进行评价和决策，提出了一 种基于r a o g a 的模糊神经网络模型对评价指标值无法量化时的概念设计方案 进行评价和决策。合肥工业大学的刘志峰【8 】博士对绿色产品综合评价及模糊物元 分析方法进行了研究，论文根据绿色产品的特点和评价指标体系的构成，将模 糊物元分析方法引入绿色产品评价，不仅解决了模糊数学和经典数学应用在评 价过程中难以克服的一些缺点，而且使评价结果更客观、更精确，并以定量化 的数值表示评价结果，能够较完整地反映产品的综合性能指标水平。鲁聪达等【9 】 提出一种以客户需求为驱动的配置方案评价方法，实现了面向客户需求的产品 配置方案综合评价。 虽然在产品设计方法和产品配置设计的评价技术方面多有研究，但常用的 评价方法有以下两种： ( 1 ) 模糊综合评价法。模糊综合评判过程是首先选取评价因子集( 所谓评 价因子集就是评价指标) ；接着确定评语集，即把评价对象分为好、中、差多个 等级；再确定评价因子权重；然后根据综合评定法，或概率统计法，或专家打 分法，或隶属函数法可建立因子评判矩阵；最后通过模糊运算模型对方案进行 评价。罗罡等【l o 】对企业大规模定制能力进行了模糊综合评价研究；赵红等【】等 对产品生命周期的模糊综合评价模型进行了研究；王庆国【眩】对“4 d 产品质量 进行了模糊综合评价研究，因此模糊综合评价法的应用还是比较广泛的。 ( 2 ) 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 。层次分析法是由 美国著名运筹学家、匹兹堡大学教授萨蒂( t l s a a t y ) 于2 0 世纪7 0 年代初 期提出的，是目前用得最多的一种评价方法。a h p 法的基本思路是：首先找出 解决问题涉及的主要因素，将这些因素按其关联、隶属关系构成递阶层次模型， 即构造除了一个评价指标的层次结构，然后通过对各层次中各因素两两比较的 方式确定诸因素的相对重要性，最后进行综合判断，确定评价对象相对重要性 总的排序。合肥工业大学的张利【l3 】根据m c 下配置方案评价的目标，利用层次 分析法的相关理论，对配置方案评价优选方法进行了探索，通过实例验证，达 到预期的效果。层次分析法将决策者的经验给予量化，特别适用于缺乏目标数 据的情况。 这两种方法需要依靠专家的经验知识来评价，如模糊综合评价法和层次分 析法在建立评判矩阵时均需要专家的经验知识，这在一定的程度上就具有一定 的主观性，会导致评价的结果与实际有一定的差距。因此，许多学者同时也在 探索不同的研究方法，如灰度关联法、信息熵评价法、基于物元模型的评价方 4 武汉理工大学硕士学位论文 法、基于属性识别的评价方法等等，并把这些方法应用到评价技术中，一定程 度上弥补了层次分析法和模糊综合评价法的一些缺陷，使评价结果更加客观可 靠。 灰度关联法主要有两种途径：其，在效果空间将已给定的点为中心的某 一个区域作为满意灰色目标集，只要效果点在此区域内便可认为它所对应的方 案是满意的；其二，确定理想方案，通过分析待评方案与理想方案的关联度， 关联度越大则方案越优。灰色决策对灰色信息和白色信息区别对待，这样有效 地保证了信息的完整性和准确性。 信息熵评价法利用熵值法从样本数据的信息中挖掘出各项指标的权重，因 而运用信息熵法需要大量的样本数据【l4 1 。信息熵法由于完全根据样本数据来确 定指标权重，因而可信度比层次分析法高；但对于定性指标，不像定量指标那 样有具体的数值，所以处理不方便。 基于物元模型的评价方法是蔡文院士提出的。物元用“事物的名称 、“特 征”、“量值 三要素来描述。物元模型评价方法具有可拓性，因而在评价方法 中越来越受到学者的重视。 基于属性识别的评价方法一般用于环境质量中，通过对评价对象划分成有 序的属性集，然后通过属性测度和置信度判别评价对象所属的级别【l5 1 。基于属 性的识别方法因采用置信度的思想，因而具有一定的可靠性，并且简单易操作， 因属性识别理论是近年来提出的，所以目前未用于产品配置设计的评价。 上述的各种评价方法均有各自的优缺点，因而需针对评价对象的特点，选 用合理的评价方法，构建合适的评价模型，才能使评价体系更全面、更科学、 更客观。 1 2 2 产品配置设计评价技术存在的问题 产品配置设计的研究主要集中在配置知识的表达、配置求解等方面，对于 产品配置设计的评价技术也有一部分研究，但不是主体研究内容。目前评价技 术存在的一些不足主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 产品配置设计的评价技术大多是针对配置设计的结果进行评价，而对 于产品配置设计的过程评价研究较少。由于产品配置设计的过程好坏对产品配 置设计的结果有着重要的影响，如果一个配冠设计不合理，那么它得到的配置 设计结果将很难满足客户和企业的需求，因此对产品配置设计的过程评价非常 5 武汉理工大学硕士学位论文 有必要，但这部分的研究做得不多； ( 2 ) 评价指标缺乏柔性。大部分的配置设计评价技术研究都是针对具体的 产品而言，评价指标确定后便不能改变，不能增加和删除。这样评价指标缺乏 动态性，评价指标也不能满足客户需求，因而需要解决评价指标的动态性这个 问题非常有必要。 由于产品自组织配置设计的研究不多，因而如何针对产品自组织配置设计 的特点，将产品配置设计的评价方法用于产品自组织配鹭设计的评价技术中， 是一个值得探讨的问题；而面对产品配置设计的评价技术存在的不足，提出改 善这些不足以避免产品自组织配置设计的评价技术出现类似问题，将成为产品 自组织配置设计评价技术研究的一个非常重要方面。本论文将主要针对上述问 题进行探讨和研究，针对产品自组织配置设计的特点，来建立合理的产品自组 织配置设计评价指标和评价方法。 1 2 3 产品自组织配置设计评价方法的选择 产品自组织配置设计的评价分为对过程评价和对结果评价。对过程的评价 即评价产品自组织配置设计系统的优劣，这是一个单目标优化问题。通过对常 用评价方法的比较，同时结合产品配置设计中评价方法存在的问题，本文拟采 用物元模型来对产品自组织配置设计过程进行评价。 物元模型是蔡文教授于2 0 世纪8 0 年代提出来的，其主要是用于可拓学中， 但也有许多学者将物元模型应用于评价中，并取得了可喜的成绩。基于物元模 型的评价法具有以下优点： ( 1 ) 该方法对评价对象样本数目没有限制，因而评价时具有可拓性； ( 2 ) 该方法的评价结果可以排列先后顺序，因而为评价反馈更为方便； ( 3 ) 该方法把数学中距的概念引入到评价中，属于目标识别问题，而且评 价中不带有主观性，评价结果客观合理。 ( 4 ) 该方法简单易操作，便于评价系统的开发。 产品自组织配置设计结果的评价是针对配置设计所得到的多种配置方案， 评价出一种最优方案，这是一个多目标优化问题。通过对常用评价方法的比较， 本文拟采用模糊物元评价法对产品自组织配置设计结果进行评价，模糊物元评 价法具有以下优点： ( 1 ) 该方法将模糊理论和物元理论结合起来，既具有模糊评价方法的处理 6 武汉理工大学硕士学位论文 方式，可统一不同量纲的指标；又具有物元理论的处理方式，具有可拓性，对 评价方案的数目没有限制，因而评价既方便又科学； ( 2 ) 该方法评价中不带有主观性，评价结果客观合理。 ( 3 ) 该方法评价方法简单易操作，便于编程，因而对于评价系统的开发很 方便。 1 3 课题研究的意义和内容 1 3 1 课题研究的来源和意义 本课题来源于湖北省科技计划自然科学基金一般项目“基于基因合成的产 品自组织配置设计方法研究( 项目编号：2 0 0 8 c d b 2 9 1 ) 。本项目是为促进我国 先进制造技术的发展，对产品配置设计进行的理论研究，期间调查了一些中小 型离散制造型企业，可以作为企业进行产品配置设计的参考资料。 制造业的突飞猛进，使得顾客对产品的要求越来越高，要求产品个性化、 价格低、周期短、质量好，这与企业的生产能力和经济利益有着一定的矛盾， 因而企业面临着很大的挑战。但随着产品配置设计理论的出现，这一矛盾得到 了很好的缓解。利用产品配置设计不仅可以满足企业和顾客的个性化需求，还 可以减少设计中许多重复冗余的设计，使设计变得简单轻松，大大地提高设计 的效率。 近年来，产品配置设计的理论和方法得到了较快的发展，但也存在着一些 问题： ( 1 ) 如何实现配置过程自动、合理的优化以便得到最满意的设计结果； ( 2 ) 当外界需求发生改变时，产品配置系统如何在配置方法和策略上及时 地做出有效、合理的自我调整，以便配置设计系统重新快速地对产品进行设计； ( 3 ) 如何使配置系统在保证柔性的前提下，实现配置的快速性、有效性和 准确性。 因此，建立一套完善、灵活的配置规则和决策机制，能对需求的变化进行 识别，并能根据不同的需求有针对性地进行配置选择、组合、调整、优化和评 价。产品自组织配置设计j 下是着力研究一套这样的配置系统。很显然产品自组 织配置设计将会比产品配置设计效率更高，智能化更强，实用性更广，因此研 究产品自组织配置设计有重要的实际意义。 7 武汉理工大学硕士学位论文 设计过程总是伴随着大量的评价和决策，因此设计评价是设计的一个不可 缺少的环节，也是一项重要的工作。首先，设计评价贯穿于产品设计的整个过 程中，及时有效的评价可以在设计早期发现设计中的一些不足，对设计进行改 进，避免在设计后期发生重大的设计失误和大量的反修工作，从而节约设计成 本和时间；同时，设计评价可以针对同时满足设计要求的多个方案，综合考虑 各个因素，评价出最佳方案，使产品的性价比和市场受欢迎度最高。 基于此，产品自组织配置设计的评价对产品自组织配置设计而言就显得非 常重要。因一个产品自组织配置设计过程会影响产品配置设计的结果，如果设 计过程出现问题，那么得到的配置结果再多也不能得到企业或客户满意。所以 针对产品自组织配置设计的特点，必须对产品自组织配置设计过程进行评价， 判断产品自组织配置设计过程的柔性、有效性、准确性等是否达到配置设计的 要求。而通过产品自组织配置设计得到的设计结果可能有多种或几十种，为了 从众多满足企业和客户需求的方案中挑选一种最佳方案，也必须对各方案进行 评价。因此，对产品自组织配置设计的评价在产品自组织配置设计的理论研究 中显得尤为重要，这也是本课题研究的意义所在。 1 3 2 课题研究的内容 本课题拟针对产品自组织配置设计，通过建立与之相适应的评价指标和方 法等来构建评价模型对其进行评价，以此修正和改进产品自组织配置设计中的 相关环节和方法，完善产品自组织配置设计方法体系。研究的主要内容包括： ( 1 ) 拟定产品自组织配置设计的评价指标 产品自组织配置设计分为设计过程和设计结果，设计过程会影响设计结果， 因此本文从产品自组织配置设计过程和设计结果两个方面来研究产品自组织配 置设计评价指标。 ( 2 ) 确定产品自组织配置设计的评价方法 针对产品自组织配置设计中建立的评价指标，研究产品自组织配置设计中 的评价模型和评价方法。 ( 3 ) 开发典型实例的评价系统 针对产品自组织配置设计结果的评价，以汽车钢板弹簧为实例，运用v i s u a l b a s i c 和a c c e s s 软件开发钢板弹簧的评价系统，实现钢板弹簧的多种配置方案 的优选评价。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 论文的内容安排 论文针对产品自组织配置设计的特点和机械产品的特点，对产品自组织配 置设计的评价技术进行了深入探讨和研究。论文的内容安排如下： ( 1 ) 绪论 介绍产品配置设计的发展和定义及产品自组织配置设计的定义，分析了产 品配置设计评价技术的发展现状，描述产品自组织配置设计拟采取的评价策略， 最后阐述了论文的课题来源和研究内容。 ( 2 ) 产品自组织配置设计的评价指标 根据评价指标的制定原则，针对产品自组织配置设计的特点，提出产品自 组织配置设计过程的评价指标；针对机械产品的共性，构建产品自组织配置设 计结果的评价指标模型，并以汽车钢板弹簧为例，提出产品自组织配置设计结 果的评价指标。 ( 3 ) 产品自组织配置设计过程的评价方法 从设计过程和设计结果两个方面来建立产品自组织配置设计的评价方法。 对产品自组织配置设计过程，构建产品自组织配置设计的评价模型，采用物元 模型评价法进行评价。 ( 4 ) 产品自组织配置设计结果的评价系统 对产品白组织配置设计结果，以汽车钢板弹簧为例，采用模糊物元评价法 进行评价。通过汽车钢板弹簧的评价实例，介绍了采用模糊物元评价法对产品 自组织配置设计结果多方案评价的整个步骤和策略。 ( 5 ) 产品自组织配置设计的评价系统 运用v i s u a lb a s i c 和a c c e s s 软件对产品自组织配置设计评价系统进行开发； 以汽车钢板弹簧为例，开发了汽车钢板弹簧的自组织配置设计结果的评价系统。 ( 6 ) 结论和展望 对论文的工作研究进行了总结，以及对产品自组织配置设计及其评价技术 的未来发展和进一步工作进行了展望。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章产品自组织配置设计的评价指标 2 1 产品自组织配置设计简介 2 1 1 产品自组织配置设计的实现过程 产品自组织配置设计就是根据外部需求的变化，按照所建立的内部机制，从 无序逐渐转化为有序，自适应地进行配置建模、推理和优化，以最终达到快速 和准确求解的目的。产品白组织配置设计的实现过程主要由以下四个阶段组成。 1 预处理阶段 预处理阶段主要是对客户需求和设计要求等进行预处理，便于计算机识别 处理；其主要有两种形式： 。 ( 1 ) 编码系统对有关的客户需求和设计要求进行编码处理。客户需求如果 用文字叙述则必然冗长和累赘，而且会带来概念多样性、多义性和非标准化等 问题，所以采用规定的字符编码表达，可使复杂的表达字符化或代码化，这样 便于计算机识别【l6 1 。因而，采用编码技术来表达客户需求得到了广泛的应用。 ( 2 ) 约束转换器将有关的客户需求和设计要求等输入信息转换成设计约束。 在产品自组织配置设计中，有许多设计约束，如轴和孔之间的配合约束，机械 产品的高度约束等；往往有些设计约束客户可能没有提出，但按照生产要求， 必须考虑在内。因而，在预处理阶段需要将必要需求约束根据约束转换器转换 成规范的设计约束，便于计算机识别处理。 通过对输入信息进行预处理，便可把客户需求和设计要求转化成计算机可 识别的信息，为计算机下一步的设计做准备。 2 组合阶段 当输入信息预处理后，就进入配置单元自主组合阶段了。首先，根据需求 与配置单元中对应信息的匹配度，利用神经网络求解器和遗传算法求解器等确 定初始配置单元，其匹配度最高者为最佳初始配置单元。 初始配置单元按照自身所包含的规则进行识别，然后和其它的配置单元进 行组合。配置单元在组合中，会存在多种组合方案，每一次组合都要自动与待 配置单元进行自相似度的计算，自相似度可反映出输入需求的匹配和约束的满 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 足情况。当自相似度和约束情况都满足规定范围时，则输出最终组合后的设计 解，存入到临时数据库中。 3 求解阶段 产品自组织配置系统在配置单元自主组合阶段后，配置得到的机械产品还 有许多参数( 如结构尺寸、应力大小) 需要确定1 7 1 。参数快速求解阶段主要针 对配置单元自主组合阶段中得到的机械产品，进行参数确定，从而得到完整的 配置方案，进而得到满足客户需求的机械产品。 4 评价阶段 通过参数快速求解可得到满足客户一定需求的机械产品，但产品的满意度 如何，或者有可能产生多个满足客户需求的设计解，哪个产品最优等这些问题 都需要通过评价来处理。产品自组织配置设计的评价主要是针对配置设计解， 根据机械产品的特点来进行评价，使得输出的最终解能体现客户和设计人员的 最佳满意度。 另外，针对产品自组织配置设计过程，对设计过程的全面评价，可得出产 品自组织配置设计过程中的不足之处；通过反馈机制起到对局部环节的修正和 完善的目的，从而提高设计的效率和准确性。 2 1 2 产品自组织配置设计的特点 从产品自组织配置设计的简介可看出产品自组织配覆设计的四个阶段和产 品配置设计的过程类似。但产品自组织配置设计的自动化程度却应比产品配置 设计的自动化程度高，人工参与量也应比产品配置设计少。产品自组织配置设 计主要是通过以下单元来实现的这种自组织性。 1 产品自组织配置单元 产品自组织配置单元是产品自组织配置设计的主体部分。对于配置单元所包 含的知识和信息采用六元组来表示，即c u = ( m ，f ，t ，p ，c ，d ) ，其中m 表示设计需求关联集，f 为结构特征集( 包含的结构特征) ，t 为材料特征关联 集( 可选的材料) ，p 为参数关联集( 关联的参数及取值范围) ，c 为约束规则集， d 为待组合配置单元集【l 引。配置单元包含的信息量很大，而且在产品自组织配 置设计中，配置单元不仅仅是组合单元，而且是决策单元；同时，配置单元内 部的知识和信息不是一成不变的，可以根据外部需求的变化进行动态地替换和 更新。 武汉理工大学硕士学位论文 2 自相似原则 产品自组织配置设计中配置单元的组合主要是根据自相似性原则来实施的。 自相似性是指系统或结构的局域性质或局域结构与整体类似。在产品自组织配 置设计中，并不是所有的机械产品均能进行产品自组织配置设计，能进行产品 自组织配置设计产品必须满足一定的相似特性。如汽车钢板弹簧产品结构类型 相对固定，在结构、性能等方面具有较高的相似性【1 9 1 ，因而同级别的配置单元 具有一定的相似特性，根据相应的约束和需求设计，便可完成产品的自组织配 置设计。 自相似性通过自相似度来度量。在产品自组织配置设计中，自相似度的度量 包括结构需求关联集的自相似度、结构特征集的自相似度、材料关联集的自相 似度、参数关联集的自相似度和约束规则集的自相似度等五个方面的度量。通 过比较自相似度，可找出满足设计需求和约束的最佳配置单元。产品自组织配 置设计中，定义了一套自相似度度量的规则，在组合中，配置设计系统可自行 进行自相似度的计算，从而使配置组合顺利进行。 2 2 评价指标的制定原则 产品自组织配置设计的评价应能综合反映配置设计过程和配置结果的优劣， 并以体现产品配置的快速性和准确性，获取最佳的配置结果为目标。有效合理 的评价指标是反映评价对象综合性能的标志；为达到产品自组织配置设计评价 的目的，评价指标的构建非常重要。而评价指标的构建需遵循一定的原则： ( 1 ) 全面性原则。指标体系应能全面反映评价对象的综合情况，应能从配 置的效率、柔性、准确性、自动化程度等方面进行评价，制定充分全面的评价 指标，以保证评价的全面性和可信度。 ( 2 ) 科学性原则。在产品自组织配置设计的评价指标体系中，其相关指标 的物理意义应明确，力求客观、真实、准确地反映被评价对象的属性。同时， 指标的测定方法应准确，统计方法要规范。 ( 3 ) 可操作性原则。制定的指标体系必须可测、可知、可比、可控，如果 评价指标太抽象，或不能定性化或定量化，那么评价指标就没有可比性，制定 的评价指标就没有实际意义。 ( 4 ) 针对性原则。产品自组织配置设计既有配置设计的一般特点，又有自 身的独特特点，而且制定指标时应将两者结合起来，需制定一些能体现产品自 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 组织配置设计的特点的评价指标。 ( 5 ) 合理性原则。评价指标太多太细，会增加评价的难度，使评价过程过 于复杂；评价指标太少又不能全面的反应评价对象的综合性能。因而评价指标 数量的选取应适当合理。 2 3 产品自组织配置设计过程的评价指标 2 3 1 产品自组织配置设计过程的评价指标模型 产品配置设计的研究主要集中在配置建模【2 0 。2 4 】和配置求解等问题上，而对 产品配置设计的评价技术研究大又多集中在对配置设计结果的评价。评价指标 的制定主要是针对产品本身而制定的，如产品的结构、性能、社会效应等，通 过这些评价指标对产品的多种方案进行评价，从而筛选出最佳的设计方案。但 产品配置设计过程对产品配置设计解有着直接的影响，设计过程的优劣直接关 系着设计解的准确性。对产品配置设计过程的评价研究在国内不多见，本节针 对产品自组织配置设计的特点，拟定关于产品自组织配置设计过程的评价指标。 本文拟用层次结构来构建产品自组织配置设计过程的评价指标：首先拟定 产品自组织配置设计的目标层；为使目标可测，再将目标层细分成几个评价要 素；如有需要，可继续将评价要素再向下细分成下一级评价要素。如此类推来 构建评价指标。 目标层日 一级评 价要素日 二级评 价要素日 图2 1 产品自组织配置设计过程的评价指标构建模型 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 根据评价指标的制定原则及产品自组织配置设计的特点，从产品自组织配 置设计的效率、柔性、准确性、自动化程度和自组织配鼍设计过程的复杂程度 等五个方面作为评价目标层来构建产品自组织配置设计的评价指标，再将这五 个目标层向下细分评价要素，如图2 1 为产品自组织配置设计过程的评价指标构 建模型。 2 3 2 产品自组织配置设计过程的评价指标体系 产品自组织配置设计过程的评价指标可根据产品自组织配置设计过程评价 指标的构建模型来制定。结合评价指标的制定原则和产品自组织配置设计的特 点，制定产品自组织配置设计过程的评价指标如下表2 - 1 所示。 表2 1 产品自组织配置设计过程的评价指标体系 评价目标评价要素 1 可行配置设计结果的数量与配置过程中计算量的比值 自组织配置设计的效率 2 产晶配置设计中组合过程的时间、求解与优化的时间 1 配置单元的可拓性 自组织配置设计的柔性 2 配置单元的互换性 需求关联集的匹配度 特征结构集的匹配度 自组织配置设计的准确性1 配置的匹配度材料关联集的匹配度 参数关联集的匹西己度 约束规则集的匹配度 1 整个过程所涉及到配置单元的数量 自组织配置设计过程的复 2 组合过程递归的深度 杂程度 3 组合过程的计算量 人机信息交互量与计算机处理信息总 量的比值 1 人工作业量 人机信息交互时间与计算机配置设计 自组织配置设计的自动化时间的比值 程度需求识别智能程度 2 配置过程智能组合过程智能程度 程度 配置求解智能程度 配置优化智能稃度 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 产品自组织配置设计过程的评价指标分析 下面分别对产品自组织配置设计的效率、柔性、准确性、自动化程度和自 组织配置设计过程的复杂程度等五个评价指标加以分析。 1 产品自组织配置设计的效率 效率包含效果和速率两方面的含义。产品自组织配置设计相比配置设计的优 越性就在于它的快速性，因而必须把产品自组织配置设计的效率作为产品自组 织配置设计过程的一个重要评价指标，效率越高越好。产品自组织配置设计的 效率可从下面两个方面来度量。 可行配置设计结果的数量与配置过程中计算量的比值【2 5 1 。这个评价要素 是从效率中的效果这一因素来制