（机械制造及其自动化专业论文）面向产品设计的参数网络建模技术及其应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本文将零部件关系转化为产品零部件的设计参数关系，并建立零部件参数网 络，利用网络理论及其算法，特别是复杂网络静态统计量和社会网络中心性的研 究，定量分析参数之间的各种影响关系，提出基于参数网络的设计导航策略并开 发了产品设计导航平台，最后以某柴油机的产品概念设计参数分配和修改作为应 用实例。 第一章，主要论述了参数网络的研究在产品概念设计、产品工程更改和模块 化设计与评价中的重要性，并指出了目前研究的不足之处。对网络理论的现状进 行说明，分析了复杂网络的静态统计量和社会网络中心性的研究现状。最后提出 了本文的研究内容。 第二章，提出了参数网络的定量指标并分析了计算算法。首先，对参数及其 关系进行分析；其次，阐述了参数网络的表示方法，提出了参数网络的定量分析 指标；最后，以深度优先算法和广度优先算法为基础对指标进行计算。 第三章，阐述了基于参数网络的产品设计导航。首先，利用参数池对参数进 行管理，使用参数关系池对参数关系进行管理，并将参数关系映射成参数网络； 其次，提出了广义产品结构的定义、描述和构建过程；最后，提出了产品概念设 计中两种设计导航策略。 第四章，基于前文所述的参数网络的定量分析和产品设计导航过程，开发了 面向产品设计的参数网络导航平台。以某柴油机的概念设计对参数网络的设计导 航进行应用验证。 第五章，对全文进行总结并提出了本文的创新点，对后续的研究工作进行展 望。 关键词：产品概念设计，工程更改，模块化设计，设计参数，参数关系，参 数网络，参数池，参数关系池，广义产品结构，设计导航 i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e l a t i o n s h i p so ft h ep a r t sa n d c o m p o n e n t sa l em a p p e di n t ot h er e l a t i o n s h i p s o fd e s i g np a r a m e t e r so fp r o d u c tp a r t sa n dc o m p o n e n t s t h ep a r a m e t e rn e t w o r ko f p r o d u c tp a r t sa n dc o m p o n e n t si se s t a b l i s h e d t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si n d i c a t o r so f t h ep a r a m e t e rn e t w o r ka r ep r o p o s e db a s e do nt h en e t w o r kt h e o r y , a l g o r i t h m s ，a n d e s p e c i a l l y , t h es t a t i c s t a t i s t i c so ft h ec o m p l e xn e t w o r ka n dt h ec e n t r a l i t yr e s e a r c ho f t h es o c i a ln e t w o r k t h en a v i g a t i o ns t r a t e g i e so ft h ep r o d u c td e s i g na r ep r o p o s e da n d t h en a v i g a t i o np l a t f o r mo ft h ep r o d u c td e s i g ni s d e v e l o p e db a s e do np a r a m e t e r n e t w o r k i nt h ee n d ，t h ea s s i g n m e n ta n dm o d i f i c a t i o no ft h ep a r a m e t e ra tt h es t a g eo f p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g no fad i e s e le n g i n ea r ea st h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e sf o r a u t h e n t i c a t i o n i nc h a p t e ro n e ，t h ei m p o r t a n c eo ft h ep a r a m e t e rn e t w o r kr e s e a r c hi np r o d u c t c o n c e p td e s i g n ，p r o d u c te n g i n e e r i n gc h a n g e sa n d m o d u l a rp r o d u c td e s i g ni sd e s c r i b e d a n dt h ei n a d e q u a c i e so ft h ec u r r e n tr e s e a r c ha r ep o i n t e do u t t h ec u r r e n tr e s e a r c h a b o u tn e t w o r kt h e o r yi sd i s c u s s e d e s p e c i a l l y ，t h ec o m p l e xn e t w o r ka n di t ss t a t i c s t a t i s t i c sa l ea n a l y z e d t h ec e n t r a l i t yo fs oc ；i a ln e t w o r ki sa l s oi l l u m i n a t e d f i n a l l y , t h e d i s s e r t a t i o n ss t r u c t u r ea n dr e s e a r c hc o n t e n ta r ep u tf o r w a r d i nc h a p t e rt w o ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pi n d i c a t o r so ft h ep a r a m e t e rn e t w o r k a r eg i v e na n dt h ec a l c u l a t i o na l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d f i r s to fa l l ，p a r a m e t e r sa n d t h e i r r e l a t i o n s h i p a r e a n a l y z e d ；s e c o n d l y , t h ee x p r e s s i o na n dt h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pi n d i c a t o r so ft h ep a r a m e t e rn e t w o r ka r eg i v e n ；f i n a l l y , t h ei n d i c a t o r sa r e c a l c u l a t e du s i n gd e p t h f i r s ts e a r c ha l g o r i t h ma n db r e a d t h f i r s ts e a r c ha l g o r i t h m i nc h a p t e rt h r e e ，t h ed e s i g nn a v i g a t i o nb a s e do np a r a m e t e rn e t w o r ki sd e s c r i b e d f i r s to fa l l ，t h ep a r a m e t e r sa r em a n a g e du s i n gt h ep a r a m e t e rp o o la n dt h er e l a t i o n s h i p s o fp a r a m e t e r sa r em a n a g e du s i n gt h er e l a t i o n s h i pp o o lo ft h ep a r a m e t e r , a n dt h e r e l a t i o n s h i p so fp a r a m e t e r sa r em a p p e di n t o ap a r a m e t e rn e t w o r k ；s e c o n d l y , t h e d e f i n i t i o n ，d e s c r i p t i o na n dc o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h eg e n e r a lp r o d u c ts t r u c t m ea r e g i v e n ；f i n a l l y , t h et w od e s i g nn a v i g a t i o ns t r a t e g i e so ft h ep r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r ep r o p o s e d i nc h a p t e rf o u r , a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ep a r a m e t e rn e t w o r k a n dt h en a v i g a t i o nm e t h o do ft h ep r o d u c td e s i g n ，m e n t i o n e da b o v e ，an a v i g a t i o n p l a t f o r mo ft h ep r o d u c td e s i g nb a s e do np a r a m e t e rn e t w o r ki sd e v e l o p e d f i n a l l y , t h e p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g no fad i e s e le n g i n ei su s e da sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h e n a v i g a t i o nm e t h o db a s e do np a r a m e t e rn e t w o r kf o ra u t h e n t i c a t i o n c h a p t e rf i v es u m m a r i z e st h ea c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o n a n dp r o s p e c t st h ef u t u r er e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n ，e n g i n e e r i n gc h a n g e s ，m o d u l a rd e s i g n ， d e s i g np a r a m e t e r s ，p a r a m e t e rr e l a t i o n s h i p s ，p a r a m e t e rn e t w o r k ，t h ep a r a m e t e rp o o l ， t h er e l a t i o n s h i pp o o lo ft h ep a r a m e t e r , g e n e r a lp r o d u c ts t r u c t u r e ，d e s i g n n a v i g a t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得逝姿盘堂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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硒量踢 签字日期：纱f 。年；月 - - 弓一f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完4 , - r 解 逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江大堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：僭盈刃聊签名卅跏驺 l 签字日期：加fo 年芗月巧日 签字日期：b 砗专月5 自 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，我谨向过去三年多在学习和生活中给予我帮助、指导、 关心和鼓励的老师、同学、亲人和朋友表示衷心的感谢。 首先深深地感谢我的导师祁国宁教授。感谢三年多来祁老师在生活和学习上 给予我的谆谆教导。在论文选题、课题研究和论文的撰写过程中，他给予了极大 的帮助。正是在祁老师的指导之下，本人的毕业论文才得以顺利完成。祁老师学 识渊博、才思隽永、谦虚坦诚，有着儒雅的学者风度。他在科研方面严谨的治学 作风和勤勉的工作作风尤其值得我们学习，也将时刻鞭笞着我积极进取，锐意创 新。从祁老师身上还学到了很多做人做事的道理，能够得到祁老师的指导也必将 使我终身受益。 衷心感谢顾新建教授在学习、生活中所给予的指导和帮助。顾老师许多有益 的观点使我受益匪浅! 顾老师对祖国科学事业孜孜以求、废寝忘食的崇高献身精 神，将鞭策我在未来的人生旅途中求真务实、奋发努力。 感谢纪杨建副教授。在课题的研究过程和论文的写作过程中，特别是在技术 路线上，纪老师给予我极大的帮助和指导。 感谢已毕业的博士马军师兄，在我论文撰写时所给的帮助，在生活和工作方 面给我的有益建议。感谢实验室的博士生宋利伟和许静，与他们在学习、生活和 工作方面的交流使我受益颇多。还要感谢樊蓓蓓师姐、刘海强师兄、刘曦泽师兄、 博士生张勇、云晓丹师弟、丁昊师弟、王玢师妹、陈小斌师弟、汤天殷师弟和博 士生李浩等，感谢他们对我学习和生活上的悉心帮助。 感谢我的父母亲、姐姐和弟弟。他们在精神和物质上给予了我无尽的关怀和 无言的支持，是我永远的精神支柱。他们勤劳朴实、任劳任怨的品质永远激励着 我奋发向上，努力去学习、工作和生活。 最后，我要感谢在浙大求学过程中所有给予我帮助的老师、同学和朋友，感 谢他们对我的支持和鼓励。同时，谨向百忙之中抽出宝贵时间评审论文的专家、 学者致谢。 陈孟江 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 在产品开发设计过程中，如何有效地进行设计活动以适应不断变化的产品需 求，一直是产品开发设计技术研究和应用领域中的热点问题。在产品设计领域， 许多问题可以采用网络形式来描述。例如，零部件设计参数之间的耦合将会导致 产品设计过程中迭代次数过多，从而增加了产品的开发成本，延长了产品的开发 周期。因此，对参数及其之间关系进行研究，构建和分析参数网络并提供设计过 程的导航策略，对产品的开发设计具有重要意义。 ( 1 ) 参数网络的研究对产品概念设计有重要意义。产品概念设计的目的是 提供产品方案。研究表明，产品大部分成本在概念设计阶段就已确定。概念设计 不仅决定着产品的质量、成本、性能、可靠性、安全性和环保性，而且产生的设 计缺陷很难由后续设计过程弥补。在产品概念设计中需要将设计参数映射到产品 结构，并且需要对设计参数进行分配。由于设计参数之间的耦合，导致了产品概 念设计过程中迭代次数过多，并可能对后续设计造成问题。分析设计参数之间的 关系，在概念设计过程中具有重要的意义。 ( 2 ) 参数网络的研究对处理产品工程更改中的影响传播有重要意义。通过 企业的实际案例得知【l _ 3 】，在企业设计生产中工程变更存在很严重的问题。工程 变更会引起变更传播。目前关于工程变更影响传播的研究中，主要关注零部件之 间的关系，但更需关注零部件设计参数之间的关系，因为设计参数关系是零部件 之间关系的直接体现，而这方面的研究比较缺乏。 ( 3 ) 参数网络的研究对产品模块化的设计具有重要意义。产品模块化设计 是在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，满足市场不同需求的设计方法【4 】。模块化设计要求模块高内聚、低耦 合。模块设计参数之间的耦合是模块之间耦合的重要因素之一，对模块的设计有 重要影响。深入分析设计参数之间的关系对模块化的设计与评价都是非常有益 的。 浙江大学硕上学位论文l 绪论 1 2 论文相关领域研究现状 1 2 1 产品概念设计过程模型分析 f r e n c h 于1 9 8 5 年首次对概念设计进行了阐述，认为“概念设计首先是要弄 清楚要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解1 5 】 。德国学者p a h l 和b e i t z 将设计过程分为任务需求、概念设计、技术设计和施工设计等阶段，认为“在确 定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确 定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计【6 】 。 在概念设计过程中需要实现从功能模型到结构的转换。公理化设计【7 】模型是 典型的基于功能结构映射的概念设计模型。首先，将用户的需求转换成功能需 求和约束；其次，将功能需求转换成设计参数；最后，将设计参数映射到产品结 构。如图1 1 所示，功能需求树先转换成设计参数树，两棵树之间是同态的【舯】。 值得注意的是，在功能需求转换成设计参数的过程中，需要遵循相应的设计约束， 由于这些约束的存在，功能需求参数之间不是独立的，相应的设计参数之间也不 是独立的。图1 1 中仅仅是对设计参数的结构关系进行表达，而没有对参数之间 的具体约束进行表达，t a t e 详细地对约束进行了分类，包括关键性能约束说明、 接口约束、全局对象约束、工程约束和特征约束【1 0 】。 图1 1 功能一结构映射基本模型 在设计参数映射到具体的产品结构时，在设计参数与具体零部件之间存在 1 ：1 或n ：1 的关系。如何将设计参数映射到产品结构的零部件，需要仔细分析参 数之间的关系。参数之间的关系不仅仅是一个线性关系，参数之间的关系形成的 是一个有向网络，呈现出非线性结构，如图1 2 所示。在设计参数映射到产品结 浙江大学硕士学位论文1 绪论 构后，如何快速合理地分配各系统、零部件的概念设计参数，减少设计过程中的 迭代次数，使其协调一致地完成整个产品功能? 对于某一子系统或零部件，由于 此零部件对应的概念设计参数不满足要求，如何对其他设计参数进行修改? 这都 需要对概念设计过程中设计参数之间的关系进行研究。 参数树j，引 秀 图1 2 含参数网络功能一结构映射模型 1 2 2 产品工程更改过程现状分析 工程变更是指对产品及其组件的形态、装配、材料、尺寸和功能等所作的修 改。它可以是对文档的简单修订，也可以是对产品设计和制造全过程的重新设计。 从时间上讲，r o u i b a h t 】将产品开发设计过程中工程变更分成三类：( 1 ) 工 程变更发生在产品设计的早期，通常只需进行少量的更改，变更影响较小，一般 只局限于设计团队内。( 2 ) 工程变更发生在产品设计完成并通过审阅后，将进行 生产时。( 3 ) 在产品重建期发生的工程更改，这类变更可以视为产品版本的升级。 从来源上讲，e c k e r t 1 2 】将工程变更的原因分为两类：( 1 ) 紧急型变更，一般 是由设计中的情况引起。通常整个产品设计和产品生命周期中出现的问题会引起 工程变更。( 2 ) 发起型变更，这种类型的变更通常由外部因素引起。比如来自客 户的需求，来自认证机构的要求及生产厂商的要求都可能引起此类变更，企业开 发新产品的自主创新活动也会引起此类型的变更。 r i v i & e 等【”】归纳了六种引起工程变更的因素：需要和需求的变更、工程与 计划的相互作用、修复缺陷的需要、技术创新、法律法规的变动及工程进度的变 浙旺大学硕士学位论文 化。f r i c k e 等“1 根据在德国工厂的寨例分析了工程变更的原因，确定了影响工程 变更的八种因素：需要及需求反馈和意见，复杂性、创新程度、变更影响，交 流和协调、时问及决策等因素 工程变更会引起变更传播，这是因为工程产品是一个零部件与系统交互影响 的复杂集合体。零部件之间彼此互相影响，系统之问也存在依赖关系，因此对一 个零部件或者系统的工程变更会引起其他零部件或系统的变化5 i 。产品的功能 及结构取决于一些设计参数，零部件之间的关系不仅仅是组合结掬关系，零部件 之问可以在物料、能量和信息等方面产生相互影响 6 1 在设计过程中，某一零部 件的设计参数的变化会直接影响到其他一些零部件的设计参教，这些零部件设计 参数的变化又可能进一步影响到其他零部件设计参数的变化，因此造成了产品零 部件设计参数之间的影响传播，相应的导致了零部件之间的更改影响传播。如图 13 所示，开发一个产品由相应的开发人员来进行，产品对应一个产品设计结构， 其中每个零部件具有相应的设计文档和设计参数，这些设计参数之间是相互约束 的，从而形成一个参数网络。在目13 中部件1 具有参数阳、p 4 ；零件i 具有参 数p 6 ；零件2 具有参数p 5 、p r ；零件3 具有p ，、p 2 。需要注意的是，参数与参数 之间的关系为n ：m 的关系：如参数p 2 、p 5 会影响到参数p 4 ，参数p 4 会影响到参 数p l 、p 3 ，等等。 图13 基于参数网络的工程豆改 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 现有的支持产品开发设计的工具及系统，例如产品数据管理系统( p r o d u c t d a t am a n a g e m e n ts y s t e m ，p d m s ) ，主要是对产品结构进行管理，并提供产品更 改的流程支持功能，但缺乏零部件设计参数之间的关系分析与管理【1 6 d 8 】。如果没 有对设计参数之间的关系进行分析，会导致零部件设计参数更改时存在更改来源 不明，更改影响被忽略的情况，最后导致更改问题推迟到产品设计的后续阶段， 产品设计过程迭代次数增加。根据统计，如果在产品设计过程中发生一个质量问 题，每当推迟下一阶段处理，相对上一阶段，需要增加1 0 倍的成本。因此，应 尽可能在产品开发设计的前期就处理好设计参数更改影响到的所有问题，以减少 更改迭代次数，缩短产品开发时间，提高产品质量，降低产品开发成本。 1 2 3 产品模块化设计与评价现状 目前，随着竞争环境的变化，模块化设计成为解决企业低成本满足客户多样 化需求的有效途径。 模块化是一个相对的概念，产品或多或少都存在一定程度的模块化。一个模 块化程度较高的产品，可能包含大量模块化的零部件，或者包含的零部件其模块 化平均程度比较高。基于不同的目的和过程，模块化的评价方法不同，许多模块 化的评价研究集中在度量组件相对其他模块的依赖性和相似性。但是，由于不同 的评价方法采用的模块化定义和研究方法的不同，以什么作为模块依赖性和相似 性的度量方法是不同的。在模块化评价中存在一定的主观性，模块化设计方法更 是存在很大的不同，而且这些评价方法都缺乏严格的校验和证明，在这些评价方 法之间也缺乏定量的比较 1 9 - 2 0 】。宋守许等【2 1 1 利用工程模糊理论和层次分析法对 产品和模块的模块度进行评价，该方法属于定量的方法，由于该方法在实施过程 中需要技术人员的许多经验，因此，其应用范围受到了许多限制。n e w c o m b 等【2 2 1 基于模块内的连接和模块之间的平均连接的相乘作为模块的评价指标。e r i x s o n 1 2 3 1 指出了产品的最佳模块数依赖于产品的零部件数和装配时间。目前，尚无比 较好的模块化程度比较方法和定量的评价方法。 不管怎样对模块进行划分，都要求设计出的模块是高内聚、低耦合的。模块 之间的相互关系形成了一个有向网络。每个模块都对应一些设计参数，这些模块 之间的耦合最终体现为设计参数之间的耦合，如图1 4 所示。因此，通过研究设 浙江大学硕士学位论文 i 绪论 计参数网络，能够为模块的设计和评价提供有效的支持。 1 2 4 研究存在的问题 图1 4 模块网络与参数网络 通过上述分析，设计参数及其关系在产品概念设计，产品工程更改以及产品 模块化设计与评价中都具有非常重要的影响。而目前的研究主要存在问题有： ( 1 ) 研究的对象主要集中在零部件，研究的零部件关系主要是零部件之间 的组合结构关系，缺少对零部件设计参数之间关系的研究。在产品概念设计过程 中，需要仔细分析各种设计参数之间的关系，以利于合理地进行参数的分配和修 改；在工程更改过程中，设计参数之间的耦合关系是零部件之间影响传播的重要 因素之一，只有详细分析设计参数之间的关系后，才能在工程更改时避免存在更 改来源不明，更改的影响被忽略的情况；在模块化产品的设计与评价中，参数关 系的分析有利于模块的设计，同时可以提供一种模块化的评价方法。 ( 2 ) 从网络的角度分析产品设计的相关研究比较少，特别是参数网络的研 究比较少。m a n u e le s o s a 等【2 4 】从零部件关系网络的角度分析了零件层的模块化 和产品零部件设计问题。舢i a y a s s i n e 【2 5 】利用设计结构矩阵对复杂产品开发过程 中的项目管理进行建模和分析。j o ea b r a d l e y 等【2 6 】以产品协同开发为背景，利 用网络分析方法分析团队协同中的冲突消解。何睿等【2 7 】基于设计结构矩阵和图 论对零部件工程变更的传播影响进行预测。r o u i b a h l l l l 从设计参数的角度分析了 6 浙江大学硕士学位论文l 绪论 并行工程中产品开发的更改管理，对零部件的参数网络进行了定性的分析。如何 对设计参数进行建模? 如何用网络的方法来对参数关系进行分析? 如何定量分 析参数网络中参数之间的影响? 目前，这些方面的研究比较少。 ( 3 ) 缺少设计导航方法的研究。在产品开发的相应的阶段及过程中，基于 参数网络的分析，如何对设计过程进行导航? 目前这方面的研究也比较缺乏。 1 3 网络相关理论 参数之间的关系形成了一个参数网络。本文借助于网络理论，特别是复杂网 络中的静态统计量以及社会网络中关于节点中心性的研究对参数网络进行研究。 1 3 1 基本术语 网络是节点与边的集合。其中节点表示组成系统的元素，节点之间的边表示 元素之间的联系或相互作用，有边相连的两个节点在网络中被看作是相邻的。当 网络的边被赋予权值时，网络为加权网络；否则为无权网络。若节点之间的边是 有方向的，则形成的是有向网络。图1 5 表示一个有向网络的示意图。在现实世 界中，从社会领域到技术领域再到生物领域，都存在着大量的网络形式。例如， 在社会领域，存在电影演员合作网络、科学家合作网络和语言学网络等；在技术 领域，存在万维网、因特网和交通网络等；在生物领域，存在蛋白质相互作用网 络和神经系统网络等。 节点 边 环 网络树 图1 5 网络相关术语 网络中的路径为一个节点序列，其中每个后继节点( 除首节点外) 与路径中 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 前驱节点相邻接。在简单路径中，节点和边均不重复。环( 或回路) 为首节点和 末节点重合的简单路径。如果网络中每个节点都有到其他节点的路径，那么此网 络是连通网络。无环连通网络称为树2 引。 1 3 2 复杂网络 何谓复杂网络，目前为止尚无统一的定义。周涛等【2 9 1 认为，之所以称其为 复杂网络，大致上包含以下几层意思：首先，它是大量真实复杂系统的拓扑抽象； 其次，它至少在感觉上比规则网络和随机网络复杂，因为我们可以很容易地生成 规则和随机网络，但就目前而言，还没有一种简单方法能够生成完全符合真实统 计特征的网络；最后，由于复杂网络是大量复杂系统得以存在的拓扑基础，因此 对它的研究被认为有助于理解“复杂系统之所以复杂”这一至关重要的问题。史 定华认为，复杂网络是描述从技术到生物直至社会领域各类系统的骨架，是研究 系统拓扑结构和动力学行为的强有力工具【3 0 1 。一般来说，把节点数和边数较多， 且网络的拓扑不是规则网络的网络称为复杂网络。 目前，从事复杂网络研究的学者主要来自数学、物理学、计算机科学、生物 学、社会学以及经济学等领域。有关复杂网络的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 复杂网络拓扑结构的静态统计分析；包括更广泛的实证研究和更深入的理 论刻画，如加权网络的统计性质和描述方式，各种相关关系，给定度分布基础之 上的匹配模式，网络的聚类等【3 1 - 3 5 。( 2 ) 复杂网络的演化和机制模型；实证上可 以研究实际网络演化的统计规律，检验b a 模型的偏好连接假设，i 理论上则可以 发展完善的具有形成特定几何性质的网络机制模型【3 6 。9 】。( 3 ) 复杂网络中的动力 学研究，包括网络容错性和攻击鲁棒性，以及网络中的传播、同步与共振等各种 动力学过程 4 0 - 4 1 】。 目前，复杂网络应用研究主要集中在互联网的病毒传播和流行性疾病传播方 面【4 2 4 4 】，其他方面的应用研究则极为少见。 1 3 3 复杂网络的静态统计量 基于复杂网络的一些静态统计量，如节点的度，平均路径长度、节点积聚系 数和介数等p 6 4 5 4 7 1 ，可以对网络中的节点影响关系进行研究并应用。 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 3 1 节点的度 在复杂网络中，节点的度是指与该节点直接相连的边的条数。在有向网络中， 节点的度又可进一步分为节点的入度和节点的出度：节点的入度定义为指向该节 点的边的条数；节点的出度定义为从该节点出发的边的条数。对参数网络而言， 节点的度说明了参数造成的直接影响强弱程度。参数节点的度大，说明参数直接 影响到其他参数的程度较强；反之，则较弱。 1 3 3 2 平均路径长度 在网络中，最短路径是指两指定节点间所有路径中长度最短的那条简单路 径。如果是无权网络，最短路径就是两指定节点间经过的节点和边最少的那条路 径。如果是加权网络，最短路径是指经过的边的权重之和最小的那条路径。在复 杂网络的应用研究中，特别是网络寻优中，经常需要计算两节点间的最短路径。 最短距离是指两节点间的最短路径的距离值。在无权网络中，最短距离就等于最 短路径所经过的边的条数；在加权网络中，最短距离是指最短路径所经历的边的 权重之和。网络直径是指网络中所有节点两两之间的最短路径中路径长度的最大 值。 网络的平均路径长度可以定义为： ，= 办 去刀( ，z + 1 ) 睑7 二 其中，z 表示网络中的节点数，以表示了节点f 和节点的最短距离。 一般研究中，若节点f 和节点，之间不存在最短路径时，常常定义d , j - - - - 0 0 ， 这时用上式计算就会出现，= o o 的问题。为此，定义平均最短距离为所有节点对 之间的“调和平均”最短距离，即倒数平均值的倒数： 厂1 = 产办_ 二n ( n + 1 1 、， 二 对于规模不大的网络，以上计算方法均可以采用。当网络规模较大时，这些 算法就不适用了。a l b e r t 等【4 8 】在对w e b 网络研究时发现，得出网络的平均最短路 径与网络的规模行可以用下式表示： 9 浙江大学硕士学位论文l 绪论 z = o 3 5 + 2 0 6 1 9 ( n ) 注意，这是一个近似公式，不一定适合各种大规模网络。 在参数网络研究中，最短路径说明了参数之间间接影响的强弱程度。若最短 路径距离值小，则参数之间间接影响关系较强；若最短路径距离值大，则参数之 间间接影响关系较弱。 1 3 3 3 节点积聚系数 在复杂网络中节点的积聚系数( c l u s t e r i n gc o e f f i c i e n t ) 是指邻居的邻居仍然 是邻居的概率，或朋友的朋友仍然是朋友的概率。具体的计算表达式为： 2 e , c = j l 一 t ( 砖一1 ) 式中c ，表示节点i 的积聚系数；砖为- 9 节点i 有边直接相连的邻近节点数，即 节点i 的度；互是节点i - 9 砖个邻居节点中彼此直接相连的边的条数。 在参数网络中，参数的节点积聚系数说明了参数直接影响到的参数之间相互 影响的程度。参数的节点积聚系数大，形成的影响较强；反之，则较弱。 1 3 3 4 介数 介数分为节点介数( v e r t e xb e t w e e n n e s s ) 和边介数( e d g eb e t w e e n n e s s ) 。节 点介数定义为网络中的所有最短路径中，通过节点i 的最短路径的条数称之为节 点i 的介数。边介数定义为在网络的所有最短路径中，通过某条边的最短路径的 条数称之为该边的介数。节点介数反映的是节点在网络中的枢纽性，节点的介数 越大，表明这个节点的枢纽性质越强。 在参数网络中，主要关心节点介数。参数的节点介数越大，说明参数在参数 网络中对影响的传播影响所起的作用越大；参数的节点介数越小，说明参数在参 数网络中对影响的传播影响所起的作用越小。 1 3 4 社会网络中心性相关研究 网络理论很早就已经用于社会网络的分析。在社会网络中，从个体或次团体 的层次，研究已提出各种度量网络关系结构的指标，特别地，提出了个体行动者 l o 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 在社会组织中的中心性指标。个体中心性指标越大，说明个体在社会组织中的地 位越高，在网络中影响力越大。中心性指标具体包括中心性包括接近中心性 ( c l o s e n e s sc e n t r a l i t y ) 、中介中心性( b e t w e e n n e s sc e n t r a l i t y ) 和度中心性( d e g r e e c e n t r a l i t y ) 。因此，借助于社会网络中关于节点中心性的研究，对于本文对参数 网络中参数的影响进行分析有极其重要的作用。 早在1 9 7 0 年，w h i t e 就尝试运用网络研究的方法来分析社会结构如何影响 组织内劳动力的社会行为。随后，g - r a n o v e t t e r t 4 9 5 1 1 和k r a c l d a a r d t 5 2 1 等人进一步用 网络理论来揭示非正式组织人际关系和个人在网络结构中的地位，从而推动了网 络理论在组织行为学、管理学以及经济学中的运用。社会网络分析发展如图1 6 所示。 图1 6 社会网络分析发展简图【5 3 1 对于社会网络中非正式组织成员的关系地图，可以用网络分析法对其进行结 构均衡分析( s t r u c t u r a le q u i v a l e n c e ) 、集簇分析( c l u s t e r s0 1 c l i q u e s ) 、结构洞分析 ( s t r u c t u r a lh o l e s ) 、连接状态分析( p a t t e r n so fc o n n e c t i v i t y ) 和非正式组织图的 描绘。但不管用于何种分析，都是关于“行动者”( a c t o r s ) 和“关系”( r e l a t i o n ) 的，“行动者”和“关系”是社会网络分析的最基本的单元，“行动者”是网络的 节点，“关系”是网络的边。在社会网络中，行动者是关系的主体，它可以是个 人、小团体、组织和单位等。对“行动者”之间的“关系进行分析，可以用关 系强度( s t r e n g t h ) 、对称性( s y m m e t r y ) 、相互性( r e c i p r o c i t y ) 和多样性( m u l t i p l i c i t y ) 来表达 5 4 1 。 社会中心网络( s o c i o c e n t r i cn e t w o r k ) 和自我中心网络( e g o c e n t r i cn e t w o r k ) 浙江大学硕士学位论文l 绪论 是从不同的角度来观察网络关系结构。 ( 1 ) 社会中心网络就是圈定范围内所有行动者的相互关系、密度、联系特 征和次团体( s u b g r o u p ) 的数量等，范围可以是组织、团体、部门、小组甚至车 间。通过解剖整体网络可以发现网络内不同地位的个体角色，如明星、联络人等。 名声和中心指数是研究社会中心网络的重要指标。名声是指网络内不同的个体得 到的直接或间接的连接( t i e s ) 的数量，包括向内和向外两种。中心指数是指通 过行动者的连接数占总体连接数的比例。社会中心网络可以比较网络中不同个体 的相对重要性，以及由此对资源和信息的控制力，从而网络结构不同位置上的个 体有不同的地位( s t a t u s ) 。社会测量学者用密度( d e n s i t y ) 、度( d e g r e e ) 、距离 ( d i s t a n c e ) 和中心性( c e n t r a l i t y ) 对社会网络关系进行量化研究【5 5 - 5 6 。其中，中 心性是非常综合的指标，中心性特征体现行动者权力( p o w e r ) 的大小，描述了 行动者在网络中的影响力。中心性包括接近中心性( c l o s e n e s sc e n t r a l i t y ) 、中介 中心性( b e t w e e n n e s sc e n t r a l i t y ) 、度中心性( d e g r e ec e n t r a l i t y ) 。f r e e m a n 【5 5 】给出 了相应的数学计算公式。 ( 2 ) 自我中心网络从焦点( f o c a l ) 个体出发，研究与之直接或间接存在关 系的个体，找出由中心向外扩展的关系网络。不同焦点行动者( f o c a la c t o r ) 的 关系网络的特征、相似性和差异性通常可以用自我中心网络分析来探索【5 7 1 。 1 4 本文研究内容与结构框架 本文首先将零部件关系转化为产品零部件的设计参数关系，并建立零部件参 数网络，利用网络理论、算法及其复杂网络静态统计量和社会网络中关于节点中 心性的研究，定量分析参数之间的各种影响关系，提出基于参数网络的设计导航 策略，最后以某柴油机的产品概念设计参数分配和修改作为应用实例。 本文的研究内容与结构如图1 7 所示。具体研究内容如下： 第一章主要论述了参数关系的研究在产品概念设计、产品工程更改和模块化 设计与评价中的重要性，指出了目前研究的不足之处。对网络理论的现状进行说 明，分析了复杂网络的静态统计量和社会网络中心性的研究现状。最后提出了本 文的研究内容。 浙江大学硕士学位论文 i 绪论 1 绪论 1 2 论文相关领域研究现状 1 2 1 产品概念设计过程模型分析 1 2 2 产品工程更改过程现状分析1 2 3 产品模块化设计与评价现状 参数网络研究的重要性 l 1 3 网络相关理论 i 1 4 本文研究内容与结构框架 l 2 面向产品设计的参数网络建模 2 1 1 参数分析卜一2 1 2 参数关系分析卜一2 2 参数网络的分析 一、 2 3 1 基于深度优先搜索的环检测 3 2 基于广度优先搜索的最短路径 l 3 基于参数网络的产品设计导航 3 1 1 参数池的构建h 3 1 2 参数关系池的构建 t 邙，3 参数网络的构刮+ 2 广义产品结构建剖一3 3 产品设计导航策略与过程 l 4 面向产品设计的参数网络导航系统开发与应用 4 1 系统开发技术li4 2 系统的结构与功能i- i4 3 应用案例说明 l 5 总结与展望 图1 7 本文研究内容与结构框架 第二章对面向产品设计的参数网络建模进行研究。具体内容包括： ( 1 ) 对参数和参数关系进行分析 对参数的类型进行分类，对参数的特点进行分析，以确定构建参数关系的参 数是哪一阶段的哪些类型的哪些主要设计参数。参数之间的影响是多样化的，如 何获得参数的关系尤其重要，这是分析参数网络的基础。为此，本文提出了具有 可操作性的调查表对参数关系进行挖掘和提取。 ( 2 ) 对参数网络进行定量分析 参数之间的关系形成了一个参数网络，对此参数网络中的参数影响进行定量 浙江大学硕士学位论文1 绪论 分析非常重要。本文基于复杂网络理论中的静态统计量和社会网络中心性的研 究，提出了参数网络的各种定量分析指标，这些指标从不同角度全面地分析了参 数在参数网络中对其他参数造成的影响。最后基于深度优先算法和广度优先算法 对这些指标进行计算。 第三章对基于参数网络的产品设计导航进行研究。具体内容包括： ( 1 ) 对参数及其关系进行管理 参数池是对参数信息管理的对象；参数关系池是对参数之间关系管理的对 象。首先对参数池及参数关系池的属性进行描述，并对参数池和参数关系池的作 用进行阐述，指出其构建过程中应注意的问题。最后，提出了如何将参数关系池 中的参数关系映射成参数网络并进行计算的方法。 ( 2 ) 广义产品结构的建模 一般的产品结构没有考虑到零部件之间的各种关系，为此本文提出了广义产 品结构的定义，并采用业务对象与数据对象的方式来对广义产品结构进行描述， 业务对象重点研究其中的参数记录对象。最后阐述了基