（机械电子工程专业论文）基于设计仓库的产品敏捷设计技术及应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，消费者越来越希望得到个性化和定制化的产品或服务。企业要在 激烈的市场竞争中生存下来，就不得不快速响应市场的变化。目前，大部分企业没有产 品快速设计方法，设计知识( 如案例、零件、设计经验等) 重用率很低。这造成了产品设 计周期长，附加成本高。如何在短时间、低成本、高效率的提供给客户满意的产品已经 成为当前市场竞争的焦点。 针对上述问题，本文对目前产品设计现状和发展趋势进彳亍分析，通过对产品敏捷设 计系统体系结构的研究，指出设计仓库在产品敏捷定制设计体系下的作用。分析了敏捷 设计中产品知识管理和结构管理。重点研究了基于设计仓库的敏捷设计方法，即基于核 一t l , 部件的扩展定制方法，先根据各种规则确定产品的核心部件，然后配置细节部分，这 样使系统具有较高的敏捷性，实现客户驱动的敏捷定制设计。 在上述理论研究的指导下，本文利用当今流行的面向对象建模技术，应用m v c 设 计模式以及j a v a 和数据库等技术建立了基于w e b 的产品配置设计开发平台，实现了客 户驱动的产品敏捷定制设计。 最后，以大连冷冻机股份有限公司的产品压缩机为例开发了原型系统。系统运行结 果表明，产品敏捷设计技术能够合理、有效地对客户需求的产品进行快速定制设计，达 到降低产品设i ，十周期，缩短产品上市时间，提高企业市场竞争力的目的。 关键词：设计仓库；产品结构管理；产品知识管理；敏捷定制设计：扩展定制设计 茎王堡堕鱼壁塑主曼墼垫堡生垫查墨查望 t h e p r o d u c ta g i l ed e s i g nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n b a s e do nd e s i g nr e p o s i t o r y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y ，c o n s u m e r sa r en o r ea n dm o r ee a g e rt og e tt h e p r o d u c t sa n ds e r v i c e so ft h ei n d i v i d u a t i o na n dc u s t o m i z a t i o n i ft h e yw a n tt os u r v i v ei nt h e i n t e n s ec o m p e t i t i o no ft h em a r k e t t h e e n t e r p r i s e sh a v et or e s p o n dt h ec h a n g eo ft h em a r k e ta s s o o na sp o s s i b l e a tt h ep r e s e n tm o s to ft h ee n t e r p r i s e sh a v en ot h ep r o d u c ta g i l e d e s i g n m e t h o d s ，a n dt h er e u s er a t e o ft h e d e s i g nk n o w l e d g e ( s u c ha sc a s e s 、a c c e s s o r i e s 、d e s i g n - e x p e r i e n c ea n d s oo n ) i sv e r yl o w t h e s e p r o b l e m sm a k e t h ec y c l eo f t h e p r o d u c t sd e s i g nl o n g e r a n dt h ea d d i t i o n a lc o s th i g h e r h o wt op r o v i d et h es a t i s f i e dp m d u c t st ot h ec o n s u m e r si ns h o r t t i m e w i t hl o wc o s t sa n d h i g he f f i c i e n c yh a s b e c o m et h ef o c u s & t h em a r k e t c o m p e t i t i o n b e c a u s eo f s u c h p r o b l e m s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h ep r o d u c t sd e s i g n a n dt h et r e n do f t h e d e v e l o p m e n t t h r o u g h t h es t u d yo f t h e p r o d u c ta g i l ed e s i g ns y s t e mf r a r f l e ，i t p o i n t so u tt h ef u n c t i o no f t h ed e s i g n r e p o s i t o r yi nt h ea g i l ed e s i g np r o d u c ts y s t e ma n da n a l y s e s t h ek n o w l e d g ea n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n to f t h ea g i l ep r o d u c td e s i g n t h em e t h o d so f t h e a g i l ed e s i g nb a s e d o nt h ed e s i g nr e p o s i t o r yi se m p h a s i z e d , n a m e l y ，a n e x p a n d e d c u s t o m i z a t i o n d e s i g n m e t h o db a s e do nt h eb a s i cp r o d u c t p a r t s i tm e a n s t h a tb a s i c p r o d u c tp a r t sa n dt h ed e t a i l s a r ec o n f i r m e d a c c o r d i n g t ot h ec o n f i g u r a t i o nr o l e s ，w h i c hc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea g i l i t yo f t h es y s t e ma n da c h i e v et h e a g i l ec u s t o m i z a t i o nd e s i g n o f c u s t o m e r - d r i v e nd e s i g n b a s e do nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o ns y s t e mb a s e do nw e bi s b u i l tb y u t i l i z i n gt h ep o p u l a ro r i e n tt oo b j e c tm o d e l i n g ，m v cd e s i g np a t t e r n ，j a v aa n d d a t a b a s e e t c n ec u s t o m e r d r i v e nd e s i g no f t h ea g i l ep r o d u c t d e s i g n i sa l s oa c c o m p l i s h e d f i n a l l y ，w ee x p l o i tt h ea n t e t y p es y s t e mw h i c hi su s e di nt h ec o m p r e s s o rp r o d u c to f t h e d a l i a nr e f r i g e a t i o nc o l t d t p r a c t i c a lt e s ts h o w st h a tt h ea g i l ep r o d u c td e s i g nc a i la c h i e v e t h ea g i l ec u s t o m i z a t i o nd e s i g no fc u s t o m - d r i v e nd e s i g nr e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l y ，d e c r e a s e t h e d e s i g nc y c l ea n d t h et i m eo r lm a r k e ta n d p r o m o t e t h ee n t e r p r i s e s c o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t k e yw o r d s ：d e s i g nr e p o s i t o r y ；c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ；k n o w l e d g em a n a g e m e n t ； a g i l ed e s i g n ；e x p a n d e dc u s t o m i z a t i o nd e s i g n ，i i 独创性说明 作者郑重声明：本博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：型垒 日期： 川j 3 大连理j ：大学硕十学位论文 l 概述 1 1 课题的背景 。 1 1 1 产品设计技术现状 工业革命以来，世界各国陆续走上由市场导向的经济发展道路。到了20 世纪米， 世界经济最大的变化是全球买方市场的形成和产品更新换代速度的只益加快。所以，现 代制造企业所处的竞争环境也与以往不同，主要表现为1 1 1 2 1 ：产品生命周期缩短、客户 需求多样化、交货期成为主要的竞争因素、多品种小批量个性化定制生产模式、以知识 为基础的新产品的竞争、全球化集成制造。 在这样的竞争环境下，企业要想生存下去企业必须不断加快产品的更新换代步伐， 快速响应市场以满足客户的多样化需求。这对产品设计技术提出了新的要求。目前，以 信息技术为支撑的计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺 规划( c a p p ) 、计算机辅助工程( c a e ) 和制造资源规划( m r pi i ) 等各种计算机辅助( c a x ) 技术自七十年代以来在产品设计和制造过程中得到广泛的应用，提高了设计效率。但 是，产品设计还存在着一些问题，主要有以下几点： c a d 系统缺乏设计方法学的支持，仅作为绘图工具使用。不能很好地满足新 型生产模式和设计方法的需求。 缺乏产品快速设计的手段，产品设计周期长。 缺乏完善的数据管理和过程管理系统。 缺少有效、完善的分类编码系统，不能充分利用已有的零部件资源。 知识的重用率不高。我国企业知识资源信息化程度较低，继承性差，企业知识 资源流失严重。 这些问题已经成为制约企业发展的关键。因此，企业在立足于发展先进制造技术和 推进信息化建设的进程中，必须重视企业的产品开发能力和创新能力，进一步整合和优 化现有的设计流程和产品开发方法，通过先进生产模式、信息技术等手段不断提高企业 的市场竞争力，使企业能在新经济浪潮的冲击下，仍能扬帆远航。 1 1 r 2 现代设计技术的发展趋势 随着计算机网络和通信技术的发展，产品设计技术j f 迎来一场变革。传统的设计方 法正在被新的设计方法所取代。这主要表现在： f 1 ) 设计手段的计算机化 基于设计仓库的产品敏捷设计技术及廊用 目前，传统的设计计算、绘图已经实现了计算机化。在此基础上，设计手段的计算 机化突出反映在数值仿真或虚拟现实技术以及现代产品建模理论在设计中的应用，并且 向智能化设计方向发展。 产品从设计到加工的过程中，单凭经验和反复的实物试验验证的传统方法，已经远远 不能适应降低成本、减少设计，生产周期、快速适应市场变化和增强市场竞争力的需要 了。虚拟现实技术作为一项新技术正越来越受关注并越来越得到广泛应用。虚拟现实技 术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，集成了计算机图形学、多媒体、人工智 能、传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果，制造行业需要通过数值仿真工 具，快速获得设计、加工过程全方位、全过程的准确模拟，从而进一步优化设计过程。 产品建模是产品信息的计算机描述与处理手段。随着市场竞争的变化，不再停留在 低层次信息模型上( 几何模型、特征模型) ，产品建模应该支持产品的整个生命周期的信 息，不仅有几何信息，也有特征信息，更为重要的是市场信息和设计、制造中的知识、 经验和实验数据信息。 智能设计( i n 艳l l i g e n td e s i g n ) 是在运用知识化、信息优的基础上，建立基于知识仓库 的敏捷设计系统，它能及时准确地向设计人员提供产品丌发所需的信息与帮助，利用 w e b 机制，可以实现信息共享与交换，解决了产品设计中对知识的需求的问题。 ( 2 ) 新的设计和思想方法不断出现 在网络和计算机技术的支持下，出现了许多新的设计思想和方法。如并行工程 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g , c e ) 、面向“x ”的设计( d e s i g nf o rx ，d f x ) 、健壮设计( r o b u s t d e s i g n 】、反求工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 等。 并行工程的思想是在1 9 8 6 年首次提出，主要目的是针对串行模式的不足，串行模 式各阶段的工作是按顺序方式进行的，每个阶段都有自己的输入和输出，前一阶段的工 作不考虑后续阶段，一旦发生错误就引起较大循环。而并行设计要求产品开发人员一开 始就能考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有因素，包括质量、成本、 作业调度以及客户需求等。 厩向“x ”设计是一种设计哲理，隐于产品及其工艺的设计过程中。这里的“x ” 可以是制造、装配、检测性、可靠性、服务、再利用性等，则d f x 即是面向制造的设 计、面向装配的设计等等，表达了设计是为了“x ”( 制造、装配、检测性、可靠性、 服务、再利用性等) 的意图。d f x 的哲理表现了在产品的设计阶段就尽早的考虑与产品 相关的“x ”因素的约束。在设计初期即做到针对性的优化，从而使产品的开发周期缩 短、成本下降”j 。 一2 大连理一j ：人学硕十学位论文 健壮设计的系统理论是1 9 7 8 年由日本教授田口玄一提出的，是在系统工程观念的 基础上发展完善起来的一套新的方法。它以充分满足用户的需求( 含潜在需求) 为宗旨， 在常规设计的基础上，对设计的不同阶段，将质量功能展开( q f d ) 、阳口方法( t a g u c h i m e t h o d ) 、实验设计( d o e ) 、方差分析( a n o v a ) 、回归分析( r e g r e s s i o n ) 、工艺稳定性 优化设计、制造过程中的s p c 等方法有机地结合起来，形成一种系统性的设计方法体 系。 目前我们一般所说的设计指正设计，它是以市场需求为导向，根据设计目标和技术 要求进行功能和结构的设计，是由未知到己知的过程。而反求工程是从已有的产品有关 信息( 如硬件、软件、情报等) ，反求这些信息的科学依掘( 如合理性、技术性、经济性 等) ，并在此基础上进行改进和再创造。与低级的模仿不同，反求工程是一门开拓性、 综合性和实用性很强的技术。它以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为 基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、 深化和再创造，是已有设计的设计【4 】。现在，这项技术在国内外已有大量成功经验。 ( 3 ) 向以信息集成为基础支持产品全生命周期的产品设计发展 传统的设计只限于产品设计，全生命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计转 向复杂的总体的设计和决策，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、 报废等阶段的产品的整个生命周期。目前许多企业已经建立了c a d 、c a m 、c a e 、 c a p p 、p d m 、e r p 等软件平台对产品设计的全生命周期管理，c a d 系统用于产品的设 计，c a e 系统用于产品分析，c a p p c a m 系统用于产品的加工生产。但是目前这些系 统相互独立，较难发挥企业的整体效益。随着企业生产的发展，需要进行以产品为核心 和以企业经营流程为核心的集成环境，这就需要c a d 、p d m 、e r p 集成系统的支持 吼 如何保证产品数据的有效性、完整性、唯一性、最新性及共享性，是集成系统的核 心问题。这就要求建立集成产品信息模型，它能够容易地在产品生命周期的不同环节间 进行转换。要求能支持集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程，帮助产品开发人 员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、 进度计划和用户要求扣j 。 目前c a d 软件大都提出了c 艄觥a e 伊d m 软件集成的解决方案。 ( 4 ) 强调顾客参与产品设计以取得顾客的最大满意度 随着经济的发展，顾客的需求正朝着多样化、个性化方向发展。为了争取顾客最大 满意度，赢得市场竞争，顾客参与产品设计成为了一种趋势。目前许多公司都在其门户 3 基于设计仓库的产品敏捷设计技术及应用 网站上提供产品网上定制系统，如戴尔公司，通用汽车公司等。用户通过选择自己喜爱 的产品模块，制造商根据其选择快速制造用户满意的产品。实现了“客户设计、厂家制 造”的现代设计方式。 ( 5 ) 设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素 随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的要求也越来越高。从单纯的 追求性能上的满足转向了对产品外观、安全、节能等方砸的综合要求。这就驱使设计不 能只是单纯追求某项性能指标的先进和高低、而是注意考虑市场、价格、安全、美学、 资源、环境等方面的影响。 1 1 3 产品敏捷设计技术 新的市场环境带来了设计技术的变革。为了缩短产品设计的周期快速响应市场 的变化，许多国内外的专家学者从设计的准备到设计的过程对产品设计技术进行了探 索，出现了许多新的生产模式来代替现有的大规模生产方式。尽管这些新的生产模式 在入手点以及特征上有所差异，但其目标都是为了实现产品的敏捷设计。 产品敏捷设计旨在以短时间( t i m e ) 、高质量( q u a l i t y ) 、低成本( c o s t ) 提供满足客户 个性化要求的产品。配置设计和变型设计是实现产品敏捷设计的两种主要策略，设计中 要使用大量设计知识，并尽可能重用设计实例和设计师的经验，以缩短产品设计了_ f = 发周 期。 1 1 3 1 客户驱动的敏捷定制设计 客户驱动的敏捷定制设计的目标是为相对大的市场提供具有特色的产品和服务，并 能尽力满足每个客户在功能、交货期、价格等方面的需求。目前，国内外的一些企业已 经开发了一些能实现简单产品的敏捷定制设计的系统，如美国d e l l 计算机公司让用户按 照自己的爱好配置个人计算机和服务器。m o t o l o m 公司的推销商利用便携式计算机同客 户共同完成客户想要的传真机设计或颜色选择等。在国内，海尔集团也推出基于订单的 个性化定制系统。 一般来说，一个运转良好、功能强大的敏捷定制系统应具有4 层体系结构，如图 1 1 所示： 4 大连理二 ：大学硕士学位论文 客户配置向导l u l智能配置系统 u f m p d m + c o r b a 协作管理数据转换安全管理 土 产品数据中心 应用层 系统层 网络层 数据层 图l i 客户驱动敏捷定制系统体系结构 f i g u r e1 1t h e f r a m e w o r ko f t h e a g i l ed e s i g ns y s t e md r i v e db y c u s t o m e r s 客户配置向导是人机交互的平台。在这里，用户可以选择不同的产品类型，选择其 中的不同零部件。对于不了解太多专业知识的客户来说，只需要回答系统提出的问题即 可；而对于专业人员，可以自行设计产品结构、零部件结构，以及产品的一些主要参 数。 用户选择的这些参数将提供给系统层一智能配置系统。该系统自动产生产品设计方 案，包括产品实体结构、工程图纸、性能仿真曲线、产品报价、生产进度、交货期、订 单合同等信息，同时将有关信息传送到企业内部或合作伙伴，以便安排、组织生产。客 户可以在他所定制产品生产出来之前，就能观看未来产品各个方面的属性，如产品整体 结构、部件结构、某一个零件的结构，产品性能，甚至可以观看产品的装配过程、产品 的工作过程、产品的性能曲线等信息。 智能配置系统的核心技术是配置设计技术。产品配置器是一种利用企业现有的资源 配置出满足用户要求的定制产品的工具。它是快速设计阶段的重要手段。设计过程中频 繁用到与配置设计和变型设计相关的大量知识，如设计原理、知识表达、专家启发性知 识、推理机制等【7 j c 。 产品配置器根据客户选定的选项对产品模型进行变型，它可以生成可供制造的产品 模型，投入生产部门进行制造。如果客户需求不能得到满足，它向设计人员提供最好的 5 基于设计仓库的产品敏捷设计技术及应用 设计实例，使定制设计有较高的起点，缩短工作时间。产品配景器还能够为设计、制 造、销售等不同的部门提供满足其不同需求的b o m 视图嘲【1 0 1 。 网络层的主要作用是对产品数据( 如案饼、图文档等) 统一管理。c o r b a 技术实现 了异地协同设计、异构环境集成( 包括异构硬件、异构操作系统、异构c a x ，p d m 等) ， 支持分布式构件软件“即插即用”的开放管理技术。 产品数据中心是为了解决设计中的知识需求问题，产品数掘中心的信息支持产品全 生命周期的开发活动，包括设计手册、零部件的几何与拓扑信息、材料物理特性等产品 设计、工艺、制造和经营管理过程中所涉及的各类信息。 1 1 3 2 敏捷产品开发的知识管理与知识重用 产品的开发需要不断的使用现有的知识，并可能开发出新的知识。因此，对设计知 识有效的管理并重用这些知识，对于提高设计效率，减少设计准备时间是很重要的。 与产品数据管理( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 不同，p d m 系统的重点在于产 品的数据管理，而在知识的分类、表达、存储、组织和传递等方面比较欠缺。产品知识 管理( p k m ，p r o d u c tk n o w l e d g em a n a g e m e n t ) 重点研究的是对p d m 系统对所管理的产品信 息有意识地进行分析、优化和组织，使之能够在新的产品开发过程中得到重复利用，进 而上升为企业的产品知识，形成企业的智力资产，并利用内联网与互联网优势，使全企 业的员工分享，并使用它去创新，其核心是把信息变成知识，用知识指导仓q 新l 】”。 产品的敏捷开发，设计知识必须实现共享和获取，这是实现知识重用的一个主要途 径。共享知识的获取方式是通过知识搜索引擎和知识共享网络。这方面的技术比较成 熟。i n z e r n e t 经过近1 0 年的发展已经成为巨大的知识库；流行的3 大搜索引擎 ( g o o g l e 、b a i d u 、m s n ) 为知识的获取提供很大的便利。企业内部也可以通过自己局域 网，利用流行编程语言建立知识搜索引擎，使设计人员可以高效的从企业的知识库中查 找所需的设计资料。 1 1 3 3 敏捷产品开发的协同机制 在现代的产品设计中，为了充分发挥集体智慧，将设计人员从无序的数值计算、判 断、知识的检索、存储中解放出来，把这些工作交给计算机完成，必须借助于分布式计 算机协同设计环境。 敏捷产品的协同开发就是根据用户需要，在信息处理基础上，利用数字化建模技 术、基于知识的c a d 技术及分布式计算机协同环境来实施产品的协同设计，最终达到 以敏捷的方式满足用户对产品的需求。 6 大连理：e 大学硕士学位论文 计算机支持的协同工作( c s c w ，c o m p u t e rs u p p o r tc o l l a b o r a t i v ew o r k ) 是在1 9 8 4 年 麻省理工学院的i r e n eg r e i f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 组织的研讨会上提出的。他 作为一项支持并行工程的使能技术，构造一种“虚拟工作空间”，开发成员围绕一个共 同任务协同地进行工作。这要求协同设计系统解决设计过程中的同步问题和冲突消解问 题。 c s c w 经过2 0 多年的发展，在理论和实践上都取得了巨大的成果。目前，国外已 经有一些比较成熟的协同设计系统，如德国f r a u n h o f e r 图形研究所在1 9 9 4 年开发的分 布式c a d 系统“d i s t r i b u t i o ns k e t c h p a d ，该系统利用了c s c w 思想，在一定程度上支持 多个合作者的协同设计。在国内，已经有一些实验系统建成，如清华的“综合业务多媒 体通信终端和系统”、英华公司的“协作9 8 ”以及西安交大的 d m c s 系统”等。 1 2 产品设计仓库的提出 设计仓库( d e s i g nr e p o s i t o r y ，d r ) 一词最早是n i s t 以d e s i g nr e p o s i t o r y 为名设立了 研究项目。n i s t 设计仓库项目解决知识表达和信息模型的一系列问题，对设计功能分 类，并建立界面。n i s t 资源仓库主要研究t n 造工艺规划和装配过程，现已包括2 5 0 0 个零件模型【l 。 文献 u 】为了解决产品设计中对知识的需求、产品开发敏捷化、协同化等问题，构建 了一个名为设计仓库的产品开发信息平台，在产品全生命周期过程中建立产品知识管理 系统。将重复的设计和工程任务自动化，从而缩短产品上市时间，将设计、工程和制造 集成起来，并利用w e b 机制，进行信息共享与交换，实现协同并行的工作。 设计仓库是面向主题、具有很强的产品数据分析和产品知识发现能力、以“产品为 中心”的知识仓库，将解决产品开发全生命周期中知识管理与知识重用问题，将重复的 设计和工程任务自动化，面向企业及和企业间的产品协作、信息集成与共享，目的是实 现敏捷产品开发。具体内容包括产品知识获取、整理、组织、表达、存储、共享和重用 等，以便及时准确地向产品开发人员提供产品设计、制造、装配、加工等各方面知识与 帮助，并支持产品的敏捷定制设计、并行协同设计等。 与以前的p d m 系统不同，设计仓库将从对信息的管理转向对知识的管理，是管理 与产品相关的知识( 包括相关的产品数据、文档等) ，贯穿于整个设计的价值链中。设计 仓库存储信息异质多样、支持设计过程信息( 动态信息源) 、实现知识驱动自动化，可以 对多个系统产生的数据进行管理、控制、交叉引用、搜索，为用户提供了友好直接的界 面，在设计仓库的支持下，利用产品开发工具软件，设计人员可以进行并行协同产品设 7 苎王堡盐垒壁塑! = ! ：曼墼垫堡茎垫查墨堕塑 计。这种数字化设计信息平台能及时准确地向设计人员提供产品设计、制造、装配、加 工等各方面信息与帮助。 1 3 课题的意义 进入2 1 世纪以来，世界市场的一个突出变化是“买方市场”的形成。这就需要企 业以客户需求为中心，快速响应市场。然而目前，制造企业的产品开发与设计过程仍然 沿用传统的经验设计方法，企业的知识资源继承性差、知识资源( 如图纸、设计经验等) 信息化程度低，可重复利用率不高、产品设计周期长、缺乏实现快速变型设计和快速全 新设计的技术手段，再加上现有的c a d 系统无法支持产品开发全过程集成，使设计师 只关心产品的功能和性能，而不去考虑产品的制造、装配、质量控制等方面的问题，往 往使设计与制造过程脱节。 产生这些问题的主要原因是因为缺乏现代设计方法学的支持。因此，如何解决产品 设计中知识的重用问题，建立起快速变形设计和快速全新设计技术手段是非常必要的。 本文的研究力图改变产品开发人员的传统工作方式。通过对反映设计特征的知识信 息化，进行信息建模、重组和集成，使开发人员可利用的信息资源( 如企业原有成熟的 图纸、工艺和工装等) 大大增加。基于知识管理的现代设计学方法和技术体系，向产品 开发人员提供一种实现快速变型设计和快速全新设计的技术手段来最大限度地提高产品 开发的工作效率、提高产品的质量、降低产品成本。 为了解决上述问题，本文将针对产品丌发中存在的设计需求问题，将现代设计技 术、数字化设计模式、信息、网络和管理等技术有机地结合起来，结合现代配置理论， 实现产品快速设计与开发，为产品建模、分析、多学科仿真及优化奠定基础。这对于解 决我国大中型企业普遍面临产品结构调整的难题，提高企业的产品自主开发能力，缩短 产品的设计开发周期，节约产品开发成本提高企业的竞争能力具有现实意义。 本论文在冰山集团企业委托项目( ( 8 a s l 7 型活塞压缩机机体三维建模与分析的背 景下，在机电产品知识库的建立和产品敏捷设计方法学等方面进行了深入的探讨。 1 4 相关研究现状 多年来，人们对产品敏捷设计方法的研究从未间断。国内外的专家学者从基于配置 的产品设计，基于知识的产品开发、产品数据管理等方面对产品敏捷开发进行了全面的 研究。下面对与本课题相关的研究进行综述。 基于配置的产品设计 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 产品配置设计是基于知识的智能设计。它不仅是大规模定制的使能技术，也是人工 智能技术的成功运用。最早的商业化配置系统是x c o n ，它是由d e c 开发的一种基于 知识的系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ，k b s ) ，用来配置v a x 计算机。 产品配置器是产品配置系统的核心【l4 1 。对它的开发有2 0 多年的历史，目前已经有 一些商业化的产品配雹器，如c l a s s y sc o n f i g u r a t o r ，x p e r t r u l ec o n f i g u r e r ，o r a c l e c o n f i g u r a t o r ， i m a nc o n f i g u r a t o r 等 1 5 】1 1 6 】。国内外的些公司也根据企业实际自主开 发了一些在线配置系统。 o r a c l ec o n f i g u m t o r 由o r a c l e 公司开发，集成了客户关系管理和供应链管理功能， 因此，能主动收集客户需求并据此形成一系列的产品和服务选项供用户选择。它支持网 上销售、电话销售以及其他一些销售方式，并实时产生复杂产品的报价。 a n t a l y s 公司开发的c l a s s y sc o n f i g u r a t o r 支持复杂产品的自动配簧并为产品和服务 产生报价。u s 模式的解决方案可以在供应链的范围内开发客户需求的产品以及零部 件，从而缩短交货期。 m o t o l o r a 公司的推销商利用便携式计算机同客户共同完成客户想要的传真机设计或 颜色选择等。然后将其送至生产车间，自动生成数控程序驱动设备完成订单。 戴尔公司可以让客户根据自己的喜好，在其网站( w w w d e l l c o m ) a z 配置自己的个人 计算机和服务器。配置过程中，系统可以向客户提供兼容性等问题的提示。 国内家电企业海尔集团将产品分为许多的功能模块，用户在网站( w w w e h a i e r c o m ) 上自由的将这些功能模块进行组合，从而设计出个性化的产品。 现有的产品配置系统还仅限于解决本地的配置问题，随着经济的发展，需要对分布 式配置问题提出解决办法。文献1 7 1 提出了一种分布式配置技术的算法，来确保在几个 配置平台协同配罱过程中，配置结果的正确性和完整性。 解决动态约束满足问题是解决选项变量分布式配置的关键。为此，文献1 1 w 提出一 种算法来解决该问题。 产品知识管理 知识管理的目标是提高企业整体协作水平，使知识管理的主体一用户能够快速而 方便地访问到所需要的信息和知识，通过把最恰当的知识在最恰当的时间传递给撮合适 的人，实现最佳的决策。 “知识管理，是一个比较新的概念。国内目前似乎还没来得及对其加以深入研究， 但在国外的企业运营中，已开始发挥越来越重要的作用。据世界著名的咨询公司一毕马 9 基于设计仓库的产品敏捷设计技术及应用 威咨询公司( k p m g ) 统计，到2 0 0 0 年，国外只有1 5 的公司没有知识管理措施或根本 没听说过知识管理。而到目前，我国的企业知识管理还处于起步阶段。 德国对设计知识获取与运用的研究，尤其是在设计理论方面已成为世界发源地。提 出的设计方法学主张将专业设计人员长期的设计实践中归纳总结出来的各种方法，作为 支持工程设计流程各个环节的技术手段，贯穿到整个设计过程中，并且通过实际的再应 用加以发扬和完善。同时，将归纳和总结出来的、大量的工程设计知识经过系统化的整 理，以设计目录( d e s i g nc a t a l o g ) 的形式得以保存、传递和运用。比如r o t h 提出的包括 功能定义、物理原理、物理效果等方面的设计目录已在设计实践中得到普遍使用。 福特汽车公司由内部网络开发者和两位经营专家在1 0 天内开发出了套知识管理 系统一最优经验答复系统。并在1 9 9 6 年到1 9 9 7 年问成功地为企业节约了超过2 4 亿 美元的费用。 动态文档系统( a c t i v ed o c u m e n ts y s t e m ，a d s ) 是一个基于w e b 的设计知识管理系 统，它可以帮助设计者检索关键的设计信息，a d s 把设计知识按产品功能和产品结构 进行分类管理，实现诸如k n o w h o w 等非结构化产品知识的系统管理p g l 皿0 1 。 文献叫提出一种面向设计、知识网络开发和基于多智能体系统( m u l t i - a g e n t s y s t e m s ，m a s ) 技术共同记忆( c o r p o r a t em e m o r i e s ) 的方法。这种共同记忆被概念化为 a g e n t 网络，它面向i n t r a n e t s 和i n t e m e t 对用户提供知识服务。他们给出知识管理引入企 业组织的应用案例，并开发完成k i n a 系统以说明这一思想的应用。 知识管理之所以成为配置系统的关键问题，原因之一在于产品知识难于表达。为 此，文献瞄】建立了一个知识获取平台，并采用u m l o c l 建模语言作为知识表达的工 具，该平台支持标准化知识的相互转换，从而解决了不同配置环境的协同问题。 文献】提出一种形式化定义配置知识的概念、模型的方法。该方法基于重要约束 规则语言，有效地实现了配置知识的表达。基于该方法，可以很容易的实现配置目标。 国内对产品知识管理的研究还处于起步阶段，但也已经取得了相当的成果。文献【2 4 l 将知识分类成显性知识和隐性知识，并设计出四个专门用来描述知识的建模方法。 文献f 2 5 】提出了一种知识管理系统的分层框架模型，在保证与传统信息系统兼容的 前提下简化了系统的实施过程，实现从信息管理向知识管理在技术上的平稳过渡。 文献口8 以产品数据管理为例，提出一种在虚拟企业中面向信息共享的知识管理方 法。该方法不同于传统的知识管理系统，它包括元数据、企业本体和数据转换。其中元 数据提供了企业数据向导的功能，企业本体对企业数据的语义进行说明，数据转换则实 现了不同系统间的术语与格式的转换。 1 0 大连理： 大学硕士学位论文 产品结构管理 产品结构管理主要管理产品的结构和配置。文献【2 7 】设计了一种基于a m o c a d 2 0 0 0 图形文件的产品结构管理系统，在网络环境下，实现了工程图样中产品信息的建 立和提取以及数据库系统与图形文件的信息交换与集成，并按s t e p 标准定义了产品结 构模型。 文献口8 1 设计并开发出w e b - p s m 的原型系统。支持应用面向对象的建模方式构造 与管理系统的类模型，管理对象的数据字典，提供类、对象关系模型的转换器、对 象管理器、以及通信接口等。它除了支持整个系统的运行外，还提供了足够的开放性， 让用户能根据自己的需求扩展系统原有模型，建立用户自己的应用模型，同时还可加入 自定义方法，来增加用户需要的系统行为。另外它还维护整个系统运行时数据的保存， 使上层不同应用之间能共享数据。 文献 2 9 1 解决了a u t o c a d 图纸b o m 信息与企业e r p 、m r p i i 等软件孤立的问题， 建立了在c a d 系统与其它管理系统之间的桥梁，实现了产品结构的可视化管理从而实 现企业材料明细信息的共享，t 保证了企业数据的完整性。 上述研究工作为产品设计仓库的研究奠定了较好的基础，也使敏捷产品开发的系统 化方法研究成为可能。 1 5 本文的主要内容 本文研究如何组织和管理产品敏捷定制设计及其过程知识。通过构建敏捷产品开发 平台、设计仓库、检索引擎，实现知识的检索和客户定制设计时约束问题的求解，从而 有效的支持敏捷产品开发。 本文共分为6 章，具体安排如图1 2 所示。 第一章绪论部分。通过对设计技术的现状和发展趋势的研究，指出了研究敏捷设 计技术的意义，并给出了相关研究现状。 第二章构建了产品敏捷设计系统的三层体系结构：用户层、网络层、数据层。并 指出各部分在系统中的作用。 第三章结合实例研究了敏捷设计系统中的知识管理与重用问题。 第四章结合实例研究了产品敏捷定制设计的过程和方法。 第五章原型系统的开发。 第六章全文的结论与展望。 基丁设计仓库的产品敏捷设计技术及庸_ 【； j i 一 、i 艮鳙鬻薰瀚罐警i 问题提 li 。 【第三章产晶被挺设计系统 l体系结构备部分的功能 u 黼黼黼黼黼黼鞫黼黼碧目 埋论 扎 概述各模块功能设计 il 。始酒鬃产品敏捷定制毋计 概述t 详细的设计方法和过程 - p - l n一 ； 、t _ ? i ：i ；。第煎荤源型系绒韵舞发 1 琢型系统开发 ii - i“| 卜第式毒绪论 - i 令文总结 图1 2 本文的总体结构 f i g u r e 1 2t h ef r a m e w o r ko ft h et h e s i s 1 2 。 大连理工大学硕士学1 1 ) = 论文 2 产品敏捷设计系统 2 1 引言 市场竞争的加剧不断的促使企业快速响应市场，并满足用户多样化的需求。这就需 要减少设计时间提高设计效率。然而，传统的设计方法存在许多弊端。这就促使人们不 断的探索新的设计方法来提高设计效率。 在这里，我们通过构建一个敏捷产品开发平台，并在设计仓库系统的支持下，充分 利用企业现有的设计资源，缩短设计准备和设计过程的时间，从而提高设计效率。 2 2 产品敏捷设计系统体系结构 如图2 1 所示，整个产品敏捷设计系统共分三层：用户层、网络层和数据层。这三 层在系统中分别实现不同的功能。 蹦贼开发、懈露 f 产品敏捷定、 i 制甲台 l 。1 曩r 一 囱囱豳 u 【知识搜索( i - n e t ) j 上 l 议汁仓厍( 严晶数据中心)| f 丽丽犀j j ； 户层 刚络层 数据层 图2 1 敏捷设计系统体系结构 f i g u r e 2 1s t r u c t u r eo f t h ea g i l ed e s i g ns y s t e m 2 2 1 产品敏捷开发平台 在用户层是一个产品的敏捷开发平台，它包括产品敏捷定制平台、案例管理平台、 结构管理平台和零部件管理平台。产品敏捷定制平台是这一层的核心，实现产品的敏捷 定制设计。在这里，客户把自己的需求提供给系统，系统会为客户提供满足其需求的基 1 3 基于殴计仓库的产品敏捷设计技术及应用 型产品。在基型产品的基础上，用户可以对可选部件进行选择，从而设计出满足用户需 求的产品。 案例管理平台、结构管理平台和零部件管理平台通过对数据层的信息进行统一的管 理，以达到知识重用的目的。一方面，设计人员可以通过它们方便快捷的检索自己所需 的设计资料，使设计资源得到很好的利用。另一方面，它们也为产品敏捷定制平台作技 术支撑。例如，在产品定制时首先进行基型产品选择，这就需要检索基型产品案例库。 在对可选配零部件定制时，需要通过产品结构树与零部件的映射关系来检索产品零部件 库。因此，产品案例管理、产品结构管理、零部件库管理与产品敏捷定制设计是一个统 一的有机体，缺一不可。 2 2 2 知识搜索网络 计算机网络在设计领域的应用促进了设计技术的发展，基于网络的知识搜索使设计 时对知识的获取无比方便快捷。计算机网络技术作为产品敏捷设计平台的支撑技术之 一，其主要功能有： ( 1 ) 知识搜索作为敏捷设计平台和设计仓库之恻的桥梁，获取设计仓库中的知 识信息。 ( 2 1 安全管理通过w e b 提供的身份认证