（机械制造及其自动化专业论文）基于gbom和cbr的产品配置方法研究.pdf

摘要 随着科学技术的发展和全球化大市场的成熟，市场更加动态多变，竞争空前 激烈，客户渴望低成本、高质量、能满足个性化需求的定制产品和服务，大规模 定制为企业提供了满足这些需求的一条途径。为了快速、高效、低成本地为客户 提供他们所定制的产品，在大规模定制中采用了面向大规模定制设计技术，以产 品族数据管理为平台，利用产品配置技术，在已经建立的产品族模型的支持下， 针对客户订单进行个性化的产品快速定制设计。这样既最大限度地重用了企业成 熟的产品资源，减少零部件的种类和数量，同时又缩短了产品设计时间，降低了 设计成本。 本文将发动机作为研究对象，对产品配置的理论和方法进行了以下几方面的 研究： ( 1 ) 研究了大规模定制、产品配置、产品族数据管理的相关概念，分析了 国内外产品配置设计研究的现状。 ( 2 ) 研究了产品族和产品族模型的基本理论，分析了传统b o m 结构的缺陷， 探讨了创成式b o m ( g e n e r i cb i l l o fm a t e r i a l ，g b o m ) 的特点和优势，并给出 了基于g b o m 的产品族模型的建模方法。 ( 3 ) 本文在基于g b o m 的产品族模型基础上，把基于实例的推理( c a s eb a s e d r e s e a r c h ，c b r ) 技术应用到发动机的产品配置中，针对发动机产品的特点，实 现了对客户需求的快速响应。 ( 4 ) 利用产品数据管理软件s m a r t e a m 作为开发平台，丌发了发动机产品的 快速配置系统。 关键词：g b o m ；c b r ；产品族；产品族模型：相似实例 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h em a t u r i t yo fg l o b a l i z a t i o n b i gm a r k e t ，t h em a r k e ti sb e c o m i n gm o r ec h a n g e f u la n dd y n a m i ca n dt h ec o m p e t i t i o n i sb e c o m i n gm o r ei n t e n s e ，t h ec u s t o m e rl o n g sf o rl o wc o s t ，h i g hq u a l i t yp r o d u c ta n d s e r v i c ew h i c hc a r l s a t i s f yt h ec u s t o m m a d eo fp e r s o n a l i z e d d e m a n d m a s s c u s t o m i z a t i o nh a so f f e r e dac h a n n e lw h i c hs a t i s f i e st h e s ed e m a n d sf o re n t e r p r i s e f o r f a s t ，e f f i c i e n ta n dt o wc o s to f f e r i n gt h ep r o d u c tf o rt h ec u s t o m e rw h i c ht h e m c u s t o m i z e d ，u s e dt h ed e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o nt e c h n o l o g yi nm c u n d e rt h e s u p p o r to fp r o d u c tf a m i l ym o d e lw h i c hh a se s t a b l i s h e d ，u s i n gp r o d u c tc o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o g y , a n dt h ep r o d u c tf a m i l yd a t am a n a g e m e n ta sp l a t f o r m ，i tc a r r i e d o u t i n d i v i d u a t i o np r o d u c tf a s tc u s t o m i z ed e s i g na c c o r d i n gt ot h ec l i e n to r d e rf o r m t h i s h a sp u tt h em a t u r ep r o d u c tr e s o u r c eo f t h ee n t e r p r i s ei na ni m p o r t a n tp o s i t i o nf a r t h e s t ， a n dr e d u c e st h es p e c i e sa n dq u a n t i t i e s 。a tt h es a m et i m e ，i ts h o r t e n st h et i m ea n d r e d u c e st h ec o s tf o rt h ep r o d u c td e s i g n i n g t h ee n g i n ei st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a d e r , a n di th a sr e s e a r c h e do nt h e f o l l o w i n ga s p e c t sf o rt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y ( 1 ) t i f f sp a p e rr e s e a r c h e do nt h ei n t e r r e l a t e dc o n c e p t so fm a s sc u s t o m i z a t i o n ， p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，p r o d u c tf a m i l yd a t am a n a g e m e n t ，a n da n a l y z e dt h ep r e s e n t s i t u a t i o no f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lo 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 ( 2 ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep r o d u c tf a m i l ya n dt h e p r o d u c tf a m i l ym o d e l a n a l y z e dt h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lb i l l o fm a t e r i a l ( b o m ) s t r u c t u r e ，d i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fg e n e r i cb i l lo fm a t e r i a l ( g b o m ) ，a n dg a v et h em e t h o do fb u i l d i n gt h ep r o d u c tf a m i l ym o d e lb a s e d o n g b o m ( 3 ) i ta p p l i e dt h ee a s eb a s e dr e s e a r c h ( c b r ) t ot h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nf o rt h e e n g i n eo nab a s i so ft h ep r o d u c tf a m i l ym o d e lb a s e do ng b o m i nt h i sp a p e r , a n d r e a l i z e dt h ef a s tr e s p o n df o ri h ec l i e n td e m a n d i n ga i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e n g i n ep r o d u c t ( 4 ) u s i n gt h ep r o d u c td a t am a n a g e m e n ts o f t w a r es m a r t e a n a s t h ep l a t f o r m ，t h i s p a p e rd e v e l o p e dt h ef a s tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mo f t h ee n g i n ep r o d u c t k e yw o r d s ：g b o m ；c b r ：p r o d u c tf a m i l y ；p r o d u c tf a m i l ym o d e l ；s i m i l a r e a s e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注利致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞叠些太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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李为艰相 签字f i 期：五“年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些塞堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权丞洼王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。l 刊 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权晚明) 学位论文作者签名：韵礁糯 签字只期：肺g 年f 月膳只 导师躲溲瞅墨 签字f 1 期：0 口。g 彳ff 月，0 目 学位论文的主要创新点 一、本文主要研究了大规模定制产品设计中基于创成式b o m ( g e n e r i c b i l lo f m a t e r i a l ，g b o m ) 的产品族模型的建立方法和基于实例推理 ( c a s eb a s e dr e s e a r c h ，c b r ) 的产品配置方法，并结合发动机产品 的特点，将这些理论和方法应用到发动机产品的快速配置中，实现企 业对客户需求的快速响应。 二、本文结合发动机产品的特点，利用产品族数据管理方法，在产品 数据管理软件s m a r t e a m 平台上开发了发动机产抒陕速配置原型系 统，对企业快速响应市场需求能力的提高和有效地管理企业的产品数 据具有重要意义。 第章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展和全球化大市场的成熟，市场更加动态多变，竞争空前 激烈，客户渴望低成本、高质量、能满足个性化需求的定制产品和服务，大规模 定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，以下简称m c ) 为企业提供了满足这些需求的一条途 径。为了快速、高效、低成本地为客户提供他们所定制的产品，在m c 中采用了 面向大规模定制设计( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ，以下简称d f m c ) 技术， 即在已经建立的产品模型的支持下，利用产品配置等技术针对客户订单进行个性 化的产品快速定制设计。这样既最大限度地重用了企业成熟的产品资源，减少零 部件的种类和数量，同时又缩短了产品设计时间，降低了设计成本。 1 1 大规模定制与产品配置 1 1 1 大规模定铆的概念和内涵1 1 1 9 7 0 年，美国著名未来学家a l v i n t o f f l e r 在他的名著f u t e rs h o c k ( 未来的 冲击) 中曾经预言：“未来的社会将要提供的并不是有限的、标准化的商品，而 是有史以来最大多样化、非标准化的商品和服务。” 1 9 8 7 年，s t a n l e y d a v i s 在f u t e r p e r f e c t ( 未来的理想) 一书中将大规 模( m a s s ) 和定制( c u s t o m i z a t i o n ) 概念合成，提出了大规模定制的概念。认为大 规模定制模式克服了部分( 定制) 和整体( 大规模) 只能取其一的矛盾，同时获 得过去不可兼得的定制和大规模。 1 9 9 3 年，p i n e 在他的名著m a s sc u s t o m i z a t i o n ：t h en e wf r o n t i e ri nb u s i n e s s c o m p e t i t i o n ( 大规模定制：企业竞争的新前沿) 中通过大量的事例诠释和论 证了大规模定制的生产模式，认为大规模定制将改变2 l 世纪的制造业，这种现 象正如大批量生产改变了2 0 世纪的制造业一样，从而揭开了全球性广泛、深入 地研究和实践大规模定制生产模式及其才能过关技术的序幕。 m i t c h e l lm t s e n g 认为，大规模定制是以接近大批量生产的生产商品和服务 来满足个性化的客户需求，其目标是通过增加多样化和定制化提供令客户满意的 商品并提供相应的服务，但并不相应的增加成本和交货期。 概括地浇，大规模定制的概念可以表述如下： 第一章绪论 大规模定制是一种先进的生产制造模式，它是将定制产品的生产问题通过产 品结构重组和过程重组转化为或部分转化为批量生产问题，从而以大规模生产的 成本和速度，为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品。目前，m c 已被公认为是2 1 世纪最主要的生产模式。 面向大规模定制设计的概念是1 9 9 6 年由m m i t c h e l l 提出的，表述如下：采用 并行工程的流程管理方式和产品族的设计思想进行产品设计，以便能够有效地满 足客户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段，在考虑整体设计的同时， 考虑范围经济性和批量经济性。其重点为建立合理的产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 结构，不再每次只设计一个产品，丽是同时完成一组产品的设计，实现面向产品 族的设计；为了有效地实现大规模定制，设计就必须能够捕捉并定义个体客户对 产品的需求，设计过程就必须从传统的设计制造集成扩展到包括销售、服务等功 能的集成。正是出于在产品设计中采用了d f 骶技术，刁奠定了m c 生产模式的基础， 使得大规模定制生产成为可能。 为了通过设计达到大规模定制的目标，设计流程需要在以下几方面进行改 进： ( 1 ) 产品开发与快速设计分离。产品开发阶段对企业的客户群进行定位，分 析已经拥有的客户需求，建立相应产品族结构、形成完善的变型机制。快速设计 阶段在产品开发阶段的基础上，以产品配置器为主要工具，结合定制设计，快速 实现随时到来的客户需求。 ( 2 ) 工作流程并行。并行工程是基于时间竞争自提下提出的缩短产品设计时 间，提供竞争力的一种方法，它通过产品设计、制造等领域活动的并行来缩短产 品的开发时间。为提高设计速度，并行也为大规模定制设计所需要，并成为大规 摸定制设计流程的重要一环，而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务领域， 成为产品全生命周期的并行。 1 1 2 产品配置的概念口1 产品配置设计的思想最早是由f r e e m a n 和n e w e l l 在1 9 7 1 年提出的，他们首 先利用功能推理的方法来细化设计，认为设计应分为两个主要问题，即识别问题 f i d e n t i f i c a t i o np r o b l e m ) 和选择问题( s e l e c t i o np r o b l e m ) 。识别是指利用组件 ( c o m p o n e n t s ) 的结构和行为知识说明要设计对象的功能，选择是挑选那些可以组 合在一起并能实现所希望功能的组件。这些实际上已经具有了一些产品配罱的思 想。 真正意义上的产品配置概念则是出m i t a l 和f r a y m a n 在1 9 8 9 年提出。他们 第一章绪论 把一个配置设计任务描述为： 给定：一个固定的、预定义的鲴件( c o m p o n e n t s ) 集合。 配置的需求定义描述。 一些优化配置的标准。 构建：一个满足所有要求的配置结果集合( 该集合可能为空) 。 这里：每一个组件都是由一个属性集、浚组件与其它组件进行连接的端日 ( p o r t s ) 及用来描述该组件和其它组件在端口上相互连接的端口约束集来描 述。 个配置( c o n f i g u r a t i o n ) 是一个描述了组件及组件之间连接关系 的集合。 m i t a l 和f r a y m a n 同时还指出了该定义的二个重要方面： f 1 ) 配置过程中不能产生新的组件。 ( 2 ) 组件之间的连接( c o n n e c t i o n ) 关系都是固定并提前预知的( 即组件不能被 修改以适合与别的组件连接) 。 ( 3 ) 配霞结果不但包含组件集，而且还包含组件之间的关系。 关于产品配置的定义还有很多，它们都各自从一定的角度反映了产品配置的 本质。有针对配置中设计河题研究产品配嚣定义的，如文献。”中t i i h o n e n 认为目 前对配置的组织和执行过程研究的较少，已经存在的定义只覆盖了配置的一些方 面，但还是忽略了一些，例如配置设计中参数化零件的设计；有从配置问题的求 解出发定义配置的，把产品配置定义为一个约束满足问题”( c o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o np r o b l e ! i l c s p ) 或动态约束满足问题( d y n a m i cc o n s t r a i n t s a t i s f a c t i o np r o b l e m - d c s p ) ；还有一些研究则把配置理解为一个资源平衡问 题”1 进行求解等等。 综合不同的实现角度对产品配景的定义，可以把产品配置的概念概括如下： 产品配罨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 一类产品设计活动。其中，配置模型描述可能出现在配簧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的约束；配簧结果则拙 述最终产品的组件构成及相互关系。 1 1 3 产品配置在大规模定制中的地位 大规模定制生产的产品设计可以分为新产品开发和变型设计两个循环，产品 配置是大规模定制生产中快速变型设计阶段的重要设计方法。产品配置是在按大 规模定制设计方法产生的设计资源的基础上，为销售人员定义客户的个性化需求 提供选项，根据客户选定的产品模型进行定型，为客户展示产品和提供价格。客 第一章绪论 户如果满意，它可继续生成生产部门使用的产品制造模型。因此，产品配置是企 业与潜在客户之间建立关系的纽带，同时也是一项使能技术。通过高效、直观、 简便的产品配置，企业可以建立与更多客户之间的联系，扩大客户量和客户群体， 增强企业在动态多变的市场环境中的竞争力。 1 2 产品配置与产品数据管理 1 2 1 产品数据管理1 6 i 产品数据管理p d m ( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t ) 技术最早出现在2 0 世纪8 0 年 代，目的是为了解决大量工程图纸、技术文档以及c a d 文件的计算机管理问题。 然后逐渐扩展到产品开发过程中的三个领域：设计图纸和工程文档的管理、材料 明细表的管理、工程变更与请求管理。随着网络、数据库技术的不断发展，以及 面向对象技术和客户机朋民务器技术的应用，p d m 技术在最近几年获得了飞快发 展，获得更多更广泛的应用。 产品数据管理( p d m ) 是- - 1 1 以信息技术为依托，以软件为基础，管理所有与 产品相关的信息( 包括电子文档、数字化文件、数据库记录) 和所有与产品相关的 过程( 包括审批流程、更改流程) 的技术。它提供产品全生命周期的信息与过程管 理，为企业建立一个产品设计与制造的并行化的协作环境。 p d m 系统覆盖了产品生命周期内的全部信息，为企业提供了一种宏观管理 和控制所有与产品相关的信息的机制。一个完整的p d m 系统至少包括以下基本 功能模块：电子仓库与文档管理( d a t av a u rm a n a g e m e n t ) 、工作流管理( w o r k f l o w m a n a g e m e n t ) 和项目管理( p r o j c c t a n dp r o g r a mm a n a g e m e n t ) 、产品结构与配置 管理( p r o d u c ts t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ) 。在所有功能模块中，电 子仓库处于核心基础地位，为工作流管理、产品结构与配置管理等模块提供同样 的数据存储、查询和共享等服务。它们之间关系如图1 1 所示： 图卜1p d b l 的功能模块之间的关系 4 第一章绪论 1 2 2 产品族数据管理的提出 大规模定制下的快速响应给p d m 提出了新的需求。在大规模定制模式下， 客户对产品的交货期要求很高。不同产品不同客户对交货期的要求差别较大，但 总的说来，客户总是希望尽快看到自己定制的产品。在产品的丌发过程中，产品 设计将消耗大部分的时间。因此，提高设计效率是实现快速响应的关键。p d m 能够有效地管理和组织产品设计过程中所涉及的信息，因此将在大规模定制的产 品设计过程中扮演重要的角色。但是，传统的p d m 方法是面向大批量生产模式 的。在大批量生产模式下，企业更注重产品的质量和成本，而在大规模定制生产 模式下，虽然质量和成本也是竞争的必要条件，成败的决定因素却转移到时问上。 传统的数据管理方法是以单个设计产品为核心来组织产品丌发过程的，整个过程 包括需求分析、概念设计、详细设计、样机测试等，一般要消耗几年的时间。如 果在大规模定制模式下依然采用这种数据管理方法，针对每一个定制产品组织一 个开发过程，并都从需求分析做起，将无法满足大规模定制快速响应的需求。 大规模定制产品开发的有效方法是产品平台和产品族，因此大规模定制下的 产品数据管理应该是产品族数据管理( p r o d u c tf a m i l yd a t am a n a g e m e n t ，p f d m ) 。 p f d m 是以产品族为管理的核心，以产品族的通用结构为基础，以产品族为丌发 过程组织单元，通过配置实现定制和多视图管理的数据管理方法。其主要功能模 块包括产品族规划、产品族建模、文档管理、产品族配置管理、工作流管理、项 目管理和零件分类管理。p f d m 可以大大降低数据冗余，提高数据管理和产品设 计的效率，为实现大规模定制下的快速响应提供方法和工具。 1 3 产品配置的国内外发展现状 近年来，出现了不少关于产品配置的方法和理论，主要研究产品配置知识的 表达，配置模型的建立和配置问题的求解等方面。 在产品配置知识的表达上”，比利时的p l a v e n c y 和m v a n h o e d e n a g h e 在1 9 8 8 年提出了基于知识的配置管理思想。他们认为高级配置管理系统需要许多不同种 类的知识表达来支持。这些知识不仅仅用来跟踪构件不同版本的使用，而且还用 来支持版本选用以及描述不同版本之间的兼容性规则和约束。文中提出了一种描 述版本选择和版本约束规则的描述语言。t i m os o i n i n c n 和i l k k an i c m c l a 针对产 品配置过程提出了一种基于规则的配置知识描述语言，该语言通过一种描述性语 义定义对产品配置的主要概念例如配置模型、需求以及合法配置进行形式化定 义。这种语义使用h o m 子句的可推导性束保证配置中每个元素的合理性，从而使 笫一章绪论 之具有较强的可计算性。 对配置模型的研究主要有以下几类：( 1 ) 基于规则的配置建模陋】：配置模型 的建立依据元件间的规则定义，但随着规则的增加，产品元件之间的关系将变得 复杂，规则维护成为不容忽视的问题；( 2 ) 基于模型的配置建模 9 】：将元件蕴含 的知识与知识的使用进行分类，提高了可维护性，但配置模型鱼建模方法密切相 关，不同建模方法下建立的配置模型之间具有较大差异，配置模型共享性不强； ( 3 ) 基于约束的配置建模【j0 】：配置模型根据组件间的相互约束关系建立。这种 模型虽在特定产品复杂深层参数求解问题中具有一定的优势，但由于变量问的各 种约束关系构建复杂，通用性受到限制；( 4 ) 基于本体的配置建模1 1 l 】【1 2 】：通过 定义构件，资源和接口等配置本体含义构建配置模型。该方法提高了模型的共享 性，但在表达配置模型中的层次结构方面存在不足。 配置问题的复杂性，使得它的求解方案也是多种多样的“。c s p 是传统的一 致性约束求解方法，但是并不能很好的适应产品配罱问题的动态特性，因此研究 者就引入d c s p 和e c s p 方法，两者都是c s p 方法的扩展，主要改进是通过引入约 束，比如资源约束、活动变量约束等来缩小搜索空间，提高搜索效率。r b 、p s 、 p c 则是在很大程度上依赖于一些很重要的领域概念：端口、资源以及部件关系， 其求解方法直接反映配置知识的表达方式。这些概念实际上是表达配置领域知识 的重要实体。基于实例的配置问题求解方法是c b r 技术在产品配置中的具体应 用。其中匹配一修改一测试是标准的c b r 方法，它通过相似性匹配得到候选结果， 根据相应的修改算子进行改进，然后钡试，直到成功退出或失败终止。启发式分 类则对实例按一定的需求条件进行组织，从而提高了实例的命中率。提议一评价一 修改( p c m ) 是一个反复迭代的方法，当作出决策后，要进行约束一致性和需求一 致性测试，如果冲突，则选择另一方案，当所有可选方案失败后，则按顺序回溯， 取消原定的决策，这样反复迭代直至结束。 本文在深入研究了以上理论的基础上，将建立一个基于创成式b o m ( g e n e r i c b i l l o f m a t e r i a l s ，g b o m ) 的产品族结构模型，并结合模型给出了基于实例的 配置求解方法。 1 4 本课题的研究背景 本课题是以某发动机公司作为研究背景的。该公司不但秉承了国外悠久的历 史和独到先进的生产技术，而且还利用六个亿的世界银行贷款建造了现代化的厂 房，先后自英国、美国、德国、法国等世界先进的机床制造厂家和国内著名厂家 购入八条现代化的生产线，拥有生产高品质发动机所需的机加工、装配、试车、 第一章绪论 完整的全套先进设备。 公司的产品可广泛的应用于汽车、农业装备、工程机械、船舶、发电、建筑 等各个领域。主要产品为l o o o $ 日飞驰两大系列。缸径为2 7 m m ，一缸排量是l l ，有 四缸机和六缸机两种。 目前，公司生产的柴油机产品产量小，但品种系列多，每年生产近百种机型， 属于多品种、小批量的生产模式。由于客户需求的多样性和个性化，就必须有与 之相对应的产品配置方法。企业在配置发动机时，是根据销售配套技术科同客户 签订的技术协议来配置发动机的明细表。在配置明细表时，多数情况下是依靠配 置设计人员的经验来进行配置的，这些经验都积累在配套设计人员的头脑中，对 于其他的没有接触过这些产品的人来说，产品配置的过程是很困难的。 企业在产品配置中主要存在以下问题： 相似产品没有提取和对比机制，完全依靠设计人员的经验和印象去寻找相似 的产品来进行改动。 相似产品的明细表对比完全依靠设计人员的手工完成，费时费力，失误增多。 销售科和产品配套科的人员手工进行产品配置，其结果不能自动转化为对设 计和生产有用的明细表。 没有有效的审批、更改流程。所有的技术通知书都是纸面下达的形式，管理 混乱，审批、更改、校对的周期过长。 没有实现有效的版本管理，使得每一个机型产品的细微变化都产生一个明细 表。造成了明细表的种类过多。 缺乏适合公司需要的信息分类编码。对零部件没有一个完整、有效的信息编 码制度。 依靠手工配置明细表，容易出现错误，这些错误很多时候是在样机装配时y j 发现，这样不仅浪费太多的时问、降低了效率，而且给企业带来巨大的损失。 产品明细表频繁更改，目前企业罩都是采用向各部门下达技术更改通知书的 形式。去年一年的技术通知书就多达1 0 8 0 份。如此繁杂的文件给各项工作带 来了诸多的不便。 1 5 课题的提出和本文主要研究内容 1 5 1 课题的提出 发动机是一种重要的、使用广泛的基础设备。广泛的应用于汽车、农业装备、 工程机械、船舶、发电、建筑等各个领域。随着科学技术和国民经济的发展，市 第一币绪论 场的需要，发动机的需求量越来越大，客户的需求也越来越趋向于多样化和个性 化，这就给企业和设计人员提出了更高的要求，要求能够缩短设计周期，提高设 计效率，降低产品成本，而且还要能够将设计方案迅速反映给客户，交付给客户 所需要的产品。 通过对发动机生产企业的调研发现，企业采用的是传统的设计方法，设计周 期长、设计成本高，不能充分利用已有的设计资源，设计出的产品品种多、规格 多、数量少，使生产难以形成规模效益，并且随着客户对产品个性化要求的强化， 重复劳动日益增多。 企业迫切需要能够利用企业长期生产中积累的设计资源，把它们转化为对设 计有用的可以重用的设计资源，从而当客户产生新的需求时，能够快速的做出响 应，在现代设计方法的支持下，迅速地找出完全满足或者部分满足客户需求的产 品，并通过一定的变型设计，设计出满足客户需求的产品。因此，本文提出了一 种利用产品配置技术使企业实现快速响应客户需求的解决方案，并应用到发动机 产品中。 作为人工智能一个成功的应用领域，关于配置的研究主要集中在配置知识的 表达、配置模型的建立和配置问题的求解方面，并提出了很多方法，如基于规则 的方法、基于结构的方法、基于逻辑程序的方法、基于约束的方法、基于资源的 方法、基于实例的方法等。以上这些研究的侧重点有所不同，有些侧重于问题的 求解，而有些则主要是针对问题的表示和管理。实际上，问题的求解方法往往是 和表示它的模型紧密联系在一起的，不同的表示模型可能会采用不同的求解方 法。大规模定制生产模式下的产品品种往往十分庞大，其间的约束关系错综复杂， 这些都增加了配置的时间复杂性，以及配簧方案不致的可能性。因此，如何准 确、迅速地配置出满足客户需求的产品，并且保证配置方案的可制造性和可装配 性成为一个关键问题。解决这个问题的核心在于建立一个高效、低冗余、易配 置的产品族结构模型，以及相应的配置方法。为此，一些学者进行了相关的研究， 如基于概念化配置域的产品族建模方法、类产品结构模型( g e s ) 和基于约束的 配置方法等，但上述模型和方法存在数据冗余、不易于实现和更新、复杂产品的 配置耗时多等问题。针对这些问题，本文将建立一个基于创成式b o m ( g e n e r i c b i l l 一o f m a t e r i a l s ，g b o m ) 的产品族结构模型，并结合模型给出了基于实例的 配蜀求解策略。 1 5 2 本文的主要研究内容 本文以发动机作为研究对象，主要研究了大规模定制生产环境下，产品配置 设计技术中基于创成式b o m ( g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ，简称g b o m ) 的产品族 第一章绪论 模型的建立方法和基于实例推理( c a s eb a s e dr e s e a r c h ，c b r ) 的产品配置方法， 并结合发动机产品的特点，将这些理论和方法应用到发动机产品的快速配置中。 提出了发动机产品配置过程中的二级匹配策略，达到对客户需求的快速响应。传 统的产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 已经不能适应大规模定制 环境下的产品设计要求，因而现代的产品数据管理必须是面向产品族的数据管理 ( p r o d u c tf a m i l yd a t am a n a g e m e n t ，p f d m ) ，本文结合发动机产品的特点，利 用p f d m 的数掘管理方法，在产品数据管理软件s m a r t e a m 平台上，1 ：发了发动机 产品快速配置系统，提高了企业的快速响应市场需求的能力，有效地管理企业的 产品数据。 章节主要内容如下： 第一章：简要介绍了大规模定制与产品配置的概念和它们之间的关系，阐述 了研究产品配置的意义；介绍了产品数据管理的概念，阐述了现代的产品数据管 理方法应该是面向产品族的数据管理方法；研究了产品配置的国内外发展现状； 提出了本课题研究的必要性和研究背景。 第二章：b o m 是p d m 中重要的数据，分析了传统b o m 的缺陷，阐述了创成式b o m 的优点，研究了建立基于创成式b o m 的产品族模型的方法，并建立了发动机产品 的产品族模型。 第三章：研究了产品配置设计的概念和产品配置的方法，提出了本文采用的 研究方法是基于约束满足和基于实例推理相结合的产品配置方法：研究了基于 g b o m 和c b r 的产品配置模型，提出了为了快速响应客户需求，将产品配置过程分 解为二级匹配策略；针对发动机产品的特点，研究了发动机产品的配置过程。 第四章：研究了c b r 的原理，c b r 与产品配置的关系。并针对c b r 中的几个关 键环节：实例的表示、实例的检索、实例的修改和实例的保存等方面做了研究； 第五章：提出了发动机产品快速配置的概念，开发了基于s m a r t e a m 软件的发 动机产品配置系统，介绍了系统的功能，给出了运行实例。 第六章：结论与展望。对全文作了总结，并对今后的研究工作和研究方向作 了展望。 笫二章基于g b o m 的产品族挫模技术研究 第二章基于g b o m 的产品族建模技术研究 大规模定制的产品配置设计技术就是在一个或若干个能覆盖产品类中既定 型号和规格变化的动念产品族模型的支持下，根据客户定制产品的要求，通过对 产品族结构树中的零部件进行选配，以及对局部零部件功能、结构和尺寸的相应 变型来快速设计出满足客户需求的定制产品。因而，产品族模型能否最大限度的 降低结构冗余，能否方便高效地确定出满足客户需求的产品将决定产品配置设计 的效率。本章将建立一个基于创成式b o m ( g e n e r i cb i l lo fm a t e r i a l ，简称g b o m ) 的产品族模型。 2 1 产品族模型的基本理论 2 1 1 产品族的概念 产品族( p r o d u c tf a m i l y ) i i 】是指共享通用技术并定位于相互关联市场应用的 一组产品。产品族中所有产品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，而产品族中的产品是满足这个市场区段中一部分消费者对产品的特殊 需要，反映了客户的定制要求。它是一种利用有限的开发、制造和服务来经济地 发展产品多样性的方法。产品族的界定有如下3 个原则：产品族中的产品具 有相同的市场定位和客户群需求；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；产品族中产品叶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 1 2 产品族模型 产品族模型是对产品族的抽象表示，它是对产品族所蕴涵的设计知识、关系 和经验的提取和表达。 产品族模型作为一类产品的模型，必须充分考虑设计知识的重用和产品模型 快速变形的机制，由以下三个部分组成： ( 1 ) 功能模型；描述产品对象所具有的功能、功能组成和性能等。功能模型的 作用除了为原理模型的构造提高设计要求外，还存储了设计过程中概念层 的知识。设计者可以利用这些知识，迅速地进行知识重组和新的产品定义。 ( 2 ) 原理模型：原理模型描述了由功能模型获得结构模型而进行的设计过程中 所使用的解原理( 或方案) ，以及体现该解原理( 或方案) 的各种设计约 第二章甚于g b o m 的产品族建模技术研究 束、分析计算关系和对设计过程的控制等设计知识。 ( 3 ) 结构模型：结构模型描述了产品族的装配层次关系及所有可能的组成模块 的结构。结构模型是根据功能模型通过设计过程而获得的，其作用是描述 产品对象具体存在的形式，确定产品物质处理的具体目标。 产品族模型表达了与产品族描述、配置、客户需求相关的所有信息。它覆盖 了具有相同客户群需求的一族产品的功能、原理、结构信息，是产品族设计知识 的表述。产品族模型的组成单元和它们的变形单元具有相同的接口，能够在约束 规则下实现变形单元的完全替换，从而完成产品的快速设计。产品族模型具有以 下特征：产品族的组成单元能够为特定的客户配置出最终产品；能够让销售、设 计、制造和服务部门采用一致的方式反映企业能力和客户需求。能够作为信息集 成平台实现产品设计全过程的集成。 产品族模型3 个模型之间存在映射关系”“，其中，产品族结构模型是保证配 置方案一致性和正确性的关键。产品族结构模型应该满足以下要求：模型应该 具有丰富的表达能力，同时保持模型的概念集的最小化。模型能够根据客户需 求确定出产品b o m ，并及时地验证配置方案的一致性。模型应该具有描述和配置 大量产品品种的能力。这要求模型降低结构冗余，提高配置效率。模型能够对 现实对象进行形式化描述，并能够根据客户需求的改变而扩展更新。这就要求模 型中组件的定义独立于模型。模型应该能够被非专业人员( 如：销售人员、客户) 理解、使用。 2 2 基于g b o m 的产品族模型 2 2 1g b o m 的概念” b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ，物料清单) 常用来表示产品结构信息，它反映了零 部件、原材料与产品之间的构成关系、数量关系以及装配顺序。b o m 是p d m 中最重的数据结构，它的准确性和科学性将直接影响p d m 系统的运行和效率。 但是传统的企业信息系统大都是采用确定b o m ，在这种b o m 中，产品是由一些零 部件构成，其中的部件又有各自的b o m ，因而整个b o m 是一个层次结构，所有零 部件位于这个层次结构的不同节点上。位子最底层叶节点的是采购件或者原材 料。在确定b o m 中，每个节点上的零部件都是确定的，用一个唯一的标识符来表 示。因此，每一个产品都对应一个b o m 。当产品品种增加时，将导致b o m 结构冗 余，并带来管理的低效。 g b o m 提供了一种用有限数据描述大量产品品种的方式，避免了结构冗余， 第二市抹于g b o m 的产品旗矬模技术研究 同时保持了b o m 的结构信息。g b o m 由一个b o m 结构和一个选择树构成。其 中，b o m 结构是一个由零部件类组成的层次结构，它表示了产品系列中的通用 产品结构。选择树是一个由变量、变量值和配置规则构成的层次结构，g b o m 利用选择树来管理具体产品，通过展开选择树，并逐层确定变量值来确定产品 b o m 。不同产品的差异通过叶节点上零件的差异来体现，零件独立于具体的产 品。具体产品b o m 在被确定之前不需要存储。因此，只需要存储底层的零部件 实例，而不是存储具体产品的b o m ，从而最大限度地降低了产品结构的冗余。 2 2 2 基于g b o m 的产品族结构模型 并f l d 4 ，零件e 1 和e 2 ，及其相应的部件b l ， 围 l x 厂五 l x 匪自豳豳 l x ll l x 困困 围 州| | x 函园 p 3 ，p 4 仅仅是叶节点上的零件d l ，d 2 ，d 3 b 2 ，b 3 和b 4 具有差异。 图2 一l 传统的b o m 结构 若把零件d l ，d 2 ，d 3 和d 4 组成一个集合，用类零件d 来表示。把零件e l 和e 2 组成一个集合，用类零件e 来表示。把部件b l ，b 2 ，b 3 和b 4 组成一个集合，用类 部件b 来表示。分别记为d = f d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，e = e l ，e 2 ) ，b = b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 ) 。分 析产品族b o m 结构中类零部件的属性，找出除了零件编号或零件名称之外能够作 为类零部件中实例的唯一标识的最小属性集。这些类零部件的属性组成的集合就 是类零部件的变量集。用p ( x ) 来表示类零部件x 的变量集。在上面的例子中设类 零件d 的变量集p ( d ) = p a r l ，p a r 2 ，类零件e 的变量集p ( e ) = p a r l 。变量集中每 一个变量都有一组变量值。设p a r l = v a l v a l 。) ，p a r 2 = v a l 。v a l ” 。一般的， 第二章摧十g b o m 的产品族矬模技术阳 究 所有的类零部件都有与之相关联的变量集。当类零部件的集合中只有一个实例， 且该实例不是结构可选件时，变量集为空，如p ( a ) = o 。变量集中变量的值的任意 被允许的组合都能唯一确定类零部件集合中的一个实例。例如，在类零件d 的变 量集中，p a r l 取值v a l ，p a r 2 取值v a ：就能唯一确定类零件d 的实例d 1 。在类零 件e 的变量集中，p a r l 取值v a l 儿，就能唯一确定类零件e 的实