（计算机软件与理论专业论文）基于web的产品可视化定制系统的研究与实现.pdf

基于w e b 的产品可视化定制系统的研究与实现 摘要 当前用户需求的多样化和个性化促使企业由大规模生产方式转向大规模定 制方式。大规模定制模式在满足单个用户需求的同时可以保持产品的低成本和高 效率。文中分析了传统定制系统的技术缺陷，以上海某公司万转开关产品定制为 实例背景，实现了一种基于产品族模型的新型可视化定制系统，有效的解决了现 有定制系统的匹配度不够、灵活度缺失、浏览实时性较差等问题。提出了基于产 品族的数据组织以及基于多视图的产品配置思想，制定了设计流程以及定制和管 理工具。 论文在研究产品族设计理论和技术的基础上，结合规模定制产品配置技术的 应用研究及可视化技术的运用，针对在w e b 环境下如何实现面向客户的产品可视 化规模定制的问题，就以下方面进行了系统、深入的研究： l 定制系统中的产品族设计与管理 针对规模定制生产中客户需求的获取、分析及定义过程进行了深入的研究， 并就规模定制产品需求的数字化表征及描述方法进行了探讨，在此基础上，提出 基于w e b 的规模定制产品客户需求开发的概念，并结合应用实例开发了基于w e b 的规模定制产品客户需求开发工具，利用该工具实现规模定制产品的客户需求获 取、分析及定义。 2 基于w e b 的规模定制产品配置 通过对规模定制中产品配置的实现机制，包括产品配置原理和产品配置器设 计等的研究；结合论文支撑项目的需要，提出基于w e b 的规模定制产品配置方法； 在构建规模定制设计与p d m 集成的系统方案的基础上，实现基于w e b 的规模定制 产品配置。 3 产品模型数据可视化方法 通过对网络环境下的可视化技术及其实现方法的研究，提出了基于v r m l 的 产品模型数据可视化方法，实现对产品结构、部件模型和各部件间的装配关系等 的可视化浏览。 4 对上述研究成果进行了工程应用和验证。对全文的工作进行了总结，并 对今后的有关研究工作进行了展望。 关键词产品数据管理，产品族，产品定制，个性化服务，数据可视 化 r e s e a r c ha n di 田l e m e n 玑气t i o no fw e b b a s e d v i s u a lc u s t o m i z a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ev a r i o u sa n di n d i v i d u a l i z e dr e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r su r g et h a t e n t e r p r i s ec o n v e a si t sp r o d u c tm o d ef r o mm a s sp r o d u c t i o n t om a s s c u s t o m i z a t i o n m a s sc u s t o m i z a t i o nc o u l ds a r i s f yt h es i n g l ec u s t o m e r s d e m a n d sw h i l ek e e p i n gp r o d u c tl o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y t h i st h e s i s m a i n l ys t u d i e st h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fp r o d u c t f a m i l ym o d e lf a c e d t op r o d u c tc o n f i g u r a t i o n t h ed e f i c i e n c yo ft h ec u r r e n tc u s t o m i z a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ，a n d an e ww e b b a s e dv i s u a lc u s t o m i z a t i o ns y s t e mi sp r o v i d e du s i n gp r o d u c t f a m i l ym o d e lt e c h n o l o g yb a s e d o nt h ei n s t a n c e so fs w i t c hp r o d u c t c u s t o m i z a t i o n p r o b l e m ss u c ha si n e f f i c i e n tc o m p a t i b l e ，n o te n o u g h f l e x i b i l i t ya n dt e r r i b l er e a lt i m ea r es o l v e dw i t h i nt h es y s t e m t h et h e o r y o fp r o d u c tf a m i l yf o rd a t ao r g a n i z a t i o na n dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nb a s e d o nm u l t i v i e ww a sp u tf o r w a r d d e s i g np r o c e s sa n dc u s t o m i z a t i o na n d m a n a g e m e n tt o o lw e r ea l s oi m p l e m e n t e d i ti sp r o v e db yt h ei n s t a n c et h a t t h ed e s i g nm e t h o do f f e r e di sag o o ds o l u t i o nf o rv i s u a lc u s t o m i z a t i o n s y s t e m 3 ( 1 ) p r o d u c tf a m i l yd e s i g na n dm a n a g e m e n ti nc u s t o m i z a t i o ns y s t e m t h ep r o c e s so fc u s t o m e r sd e m a n da c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dd e f i n i t i o n h a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h e d i g i t i z a t i o n a n d d e s c r i p t i o n o fm a s s c u s t o m i z a t i o np r o d u c to fc u s t o m e r sd e m a n df o rt h ec u s t o m i z e d p r o d u c t si sp u tf o r w a r d ，a n di t st o o lh a v eb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc a nb e u s e dt or e a l i z et h ea c q u i s i t i o na sw e l la sa n a l y s i sa n dd e f i n i t i o no f c u s t o m e r sd e m a n df o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ( 2 ) w e b b a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n b ym e a n so ft h er e a l i z a b l em e c h a n i s mo fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nf o r m a s sc u s t o m i z a t i o n ，t h er e s e a r c ho nt h e p r i n c i p l e o f p r o d u c t c o n f i g u r a t i o na n dw e b b a s e di m p l e m e n to fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，t h e a u t h o r p r o p o s e s w e b b a s e d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n o fm a s s c u s t o m i z a t i o nf o rt h en e e do fs u p p o r tp r o j e c to ft h ed i s s e r t a t i o n o nt h e b a s i so fd e s i g n i n gm a s sc u s t o m i z i n ga n ds y s t e m a t i cs c h e m ei n t e g r a t e d w i t hp d m ，w e b - b a s e dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o no fm a s sc u s t o m i z a t i o nh a s b e e nr e a l i z e d ( 3 ) s t u d y o nv r m l b a s e dp r o d u c t sm o d e ld a t av i s u a l i z a t i o nm e t h o d t h em e t h o do fv r m l b a s e dp r o d u c t sm o d e ld a t av i s u a l i z a t i o nh a s b e e np r o p o s e dt h r o u g ht h er e s e a r c ho fw e b b a s e dv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y i n t e r a c t i v e a n dc o l l a b o r a t i v e v i s u a l i z a t i o nf o rp r o d u c t s t r u c t u r e ，p a r tm o d e la n di t sa s s e m b l yr e l a t i o n s h i p sh a sb e e nr e a l i z e d 4 ( 4 ) t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e na p p l i e d s u c c e s s f u l l yi na m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e k e yw o r d s ：p d m ，p r o d u c tf a m i l y ，c u s t o m i z a t i o n ，i n d i v i d u a l s e r v i c e ，v i s i b l e 5 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：么冲彳切 日期：d 孵2 月形日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：么碑 1 日期：伽嘭年易月台日 指导教师签名弱迭後 日期：瓣7 月以日 1 1 引言 第一章：绪论 随着市场经济的发展，商品种类越来越丰富，人们生活水平的普遍提高，人 们的消费观念也日趋成熟，选购商品向高品质、实用、个性化发展。在满足基本 物质生活需要之后。人们对商品的满足心理需求方面提出更多要求，开始追求个 性特色鲜明甚至是独一无二的产品。客户需求的多样化和个性化已经逐渐成为世 界的潮流。为迎合市场需求，产品生产已从大批量生产的效率向客户快速提供定 制产品的大规模定锘l j ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 方式转变。对客户而言，所得到 的产品是定制的、个性化的；对生产厂家而言，该产品是采用大批量生产方式制 造的。目前，这种既能满足客户个性化需求而又不牺牲企业效益的新的生产方式 在国外得到了较快的发展，并作为敏捷制造的一种有益补充逐渐被企业所采纳。 从产品定制技术的发展来看主要经历了三个阶段。第一个阶段主要是产品功 能和配件的选择，客户通过产品定制的网站选择产品带有哪些配件，这一阶段产 品定制的结果非常的不直观，甚至只能说是产品功能的选配阶段。第二阶段顾客 能对定制产品的颜色和尺寸大小进行参数选择，也可以对产品进行三维浏览，但 顾客看到的只是一个固定的产品外形，并不是他们真正所定制产品的外形。第三 阶段的产品定制能够让顾客看到定制产品的三维外形，但是产品的模型是通过服 务器计算后再返回客户端显示的，浏览的实时性差；同时，产品的性能也不能直 观地显示出来，也就是说顾客得不到他们所最关心的东西：实时的产品外观和性 能的可视化。 因此，我们提出要开发的产品可视化的协同定制系统，一方面要实现产品的 实时综合可视化技术，另一方面要在尽量满足顾客个性化需求的同时，顾客、产 品生产企业和企业的供应商之间可以通过系统的协同工具进行协商交流，确保产 品的技术可加工性和成本的可制造性。 1 2 研究背景 1 2 1 规模定制 1 规模定制的概念 规模定制是一种集企业、客户、供应商、制造环境等于一体，充分利用制造 领域现有最新研究成果的一种先进的企业生产与管理模式，它的核心思想之是 要求企业以类似大批量生产的时间和成本去生产出具有满足客户个性化需求的 产品。规模定制可从广义和狭义两个角度来定义。广义的概念是由s t a n ! e yd a v i s 定义的，他提出规模定制可作为一种能力，通过高度的过程敏捷性、柔性和集成 化来为每个客户提供个性化设计的产品和服务。规模定制系统能够在规模市场经 济环境下，通过考虑每个个别客户的所需，来赢得客户比1 。 规模定制的基本思想在于：通过产品结构和制造过程的重组，运用现代信息、 新材料、柔性制造等一系列高新技术，把产品的定制生产问题全部或者部分转化 为批量生产，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剑 任意数量的产品砷3 。规模定制是一种指导企业参与市场竞争的策略，要求企业从 长远利益角度来考虑与客户的关系，以让客户满意为目标，从两吸弓【并永久地留 住客户；同时，规模定制是企业组织和管理生产的种方式，要求企业在立足于 现有资源的前提下，通过资源的合理配置以及作业过程的优化等，以类似大批量 生产的时间、成本和质量等为客户提供任何品种、数量的定制产品或服务；另外， 规模定制是一种指导设计人员进行规模定割产品设计的准烈，要求设计人员在设 计过程中充分地考虑到如何在产品的整个研制过程中尽可能选用通用的零部件， 借用现有的各静工艺和结构等n0 | 。规模定制生产模式结合了定制生产和大规模生 产两种生产方式的优势，在满足客户个性化需求的同时，保持较低的生产成本和 较短的交货提前期。规模定制与大规模生产的区飘见表l l 。 表卜l 规模定制与大规模生产的区别1 比较内容火规模生产定制生产 管理导向 以产品生产为中心以客户需求为中心 以生产驱动为模式根据市场预测安排生产，推动根据客户定单安排生产， 式生产方式定单拉动式生产 战略成本领先战略差异化战略 通过降低成本，提高生产效率通过快速反应、提供个性 获取竞争优势化的产品而获得竞争优 势 主要特征产f ；l 单一产赫随客户需求而变 产品开发周期长 产品开发周期短 产品生命周期长产品生命周期短 机器设备专用，设备调整时间柔性得机器设备，设备调 长、调整费用高整时间短、调整费用低 适用范同 需求稳定、市场统一需求动态变化、市场离散 2 规模定制的特征 制造业在几百年的发展历史中，创造了多种多样的组织形式，特别是自从福 特提出大规模制造以来，世界制造业得到了前所未有的发展，但是，到了2 0 世纪 6 0 年代，由于只能提供干篇一律的产品，大规模生产方式开始衰落，这时，大规 模定制适应了市场的需求，应运两生。大规模定制既满足了大规模制造下顾客低 成本的要求，又满足了顾客需求多样化的定制要求，它是信息技术和市场双重推 动的结果。大规模定制之所以被称为2 l 世纪制造业的前沿，是因为它适应了时代 的要求，并且具有如下显著特征。玎： ( 1 ) 以客户需求为导向。在传统大规模生产方式中，企、监为了降低成本，先 生产，后销售，是一种拉动型的生产模式；大规模定制生产企业真j 下将顾客视为 “上帝”，企业以颓客的个性化需求为起点，生产出来的是顾客真正需要的产品， 因而大规模定制是一种需求拉动型的生产模式。 ( 2 ) 以现代信息技术和柔性制造技术为支持。一方面，大规模定制企业面临 的不再是局部的小市场，而是全球化的大市场，顾客可能分布在全球各地，要对 顾客的需求做出快速的反应，没有现代信息技术作为支撑是不行的。i n t e r n e t 网络技术和电子商务的迅速发展，使顾客能快速获取客户订单，并且可以及时的 和客户进行交流；c a d 系统能够根据在线订单迅速设计出符合顾客需求的产品； 柔性制造系统能够保证迅速生产出高质量的定制产品。 ( 3 ) 以模块化设计、零部件标准化为基础。大规模定制企业通过模块化设计、 零部件标准化，可以批量生产模块和零部件，减少定制产品中的定制部分，在顾 客订单到达后，可以迅速根据订单的要求装配出顾客需要的产品，从而实现以内 部很少的多样化来应对外部的干变万化，对企业来说，可能是标准的零部件，而 对顾客来说，却可能是满足需求的定制产品，从而大大缩短产品的交货期和降低 产品的定制成本。 ( 4 ) 以敏捷为标志。在传统的大规模生产中，企业与顾客是一对多的关系， 企业以不变应万变，顾客可选择性很小，买的都是标准化的产品。在大规模定制 生产中，企业面临的是千变万化的个性化需求，大规模定制企业必须快速满足不 同顾客的不同需求。因此，大规模定制企业是一种敏捷组织，这种敏捷不仅体现 在柔性的生产设备，多面手的员工，而且还表现在组织结构的扁平化和精炼。 正因为大规模定制具有以上特点，它适应了时代发展的要求，虽然目前全面实施 大规模定制还存在许多问题，但随着技术的进步，它的优胜必将越来越明显。 3 定制系统的类型 企业采用的定制类型会由于产品性质、企业的技术水平、供应商的参与程 度及顾客要求的不同而不同。因此，企业面临着选择何种定制化方式的问题。 b j o s e p h p i n e 厮口g i l m o r e ，协黾出了4 种不同的定制方法n 羽： 合作型定制( c o l l a b o r a t i v ec u s t o m i z a t i o n ) ：定制企业通过与客户交流，帮助 客户澄清其需要，准确设计并制造出能够满足客户需要的个性化产品。 透明型定制( t r a n s p a r e n t c u s t o m i z a t i o n ) ：企业为客户提供定制化的商品或服 务，而客户并没有清楚地意识到这些产品和服务是为其定制的，也就是说客 户并没有参与商品的设计过程。这种定制方式适用于定制企业能够预测或简 单推断出客户的具体需要的情况。 装饰型定制( c o s m e t i cc u s t o m i z a t i o n ) ：企业以不同的包装把同样的产品提 供给不同的客户。这种定制方式适用于客户对产品本身并无什么特殊要求， 4 但要求包装符合其特定要求的情况。 适应性定制( a d a p t i v ec u s t o m i z a t i o n ) ：企业提供标准化的产品，但产品是可 定制的( c u s t o m i z a b l e ) ，客户可根据自身需要对产品进行调整。 l a m p e l f 和m i n t z b e r g 脚艮据客户改变产品的能力以及定制活动在企业价值链中 发生的位置，提出了5 种策略n3 1 。 策略1 ：纯标准化( p u r en o r m a l i z a t i o n ) ：它忽视客户的个性需要，采用标准化的生 产过程，把标准产品推向市场，根据定制活动在设计、制造、装配到销 售的价值链中发生的位置开始定制。 策略2 ：纯定制( p u r ec u s t o m i z a t i o n ) ：从产品设计开始定制。 策略3 ：特制定制( t a i l o r e dc u s t o m i z a t i o n ) ：从产品的制造阶段开始制。 策略4 ：定制标准化( c u s t o m i z e ds t a n d a r d i z a t i o n ) ：选择标准化的零部件进行定制 装配。 策略5 ：分割标准化( s e g m e n t e ds t a n d a r d i z a t i o n ) ：为各细分市场提供不同产品，也 即多样化生产。 祁国宁等人按照客户需求对企业生产的影响程度的不同，把规模定制划分成 4 种类型：按定单销售( s a l et oo r d e r ) 、按定单装配( a s s e m b l et oo r d e r ) 、按定单制 造( m a k et oo r d e r ) 和按定单设计( e n g i n e e r i n gt oo r d e r ) 。由于企业的生产过程 通常被划分为设计、制造、装配和销售四个阶段，根据产品定制活动与企业生产 过程的相互关系，本文将规模定制划分为以下4 种类型n 1 ： ( 1 ) 设计型定制：根据客户的具体要求，设计能够满足客户特殊要求的产品。在 这种定制方式中，开发设计及其下游的活动完全是由客户订单所驱动的。 ( 2 ) 制造型定制：接到客户订单后，在已有的零部件、模块的基础上进行变型设 计、制造和装配，最终向客户提供定制产品。在这种定制生产中，产品的结构设 计是固定的，变型设计及其下游的活动出客户订单所驱动。大部分机械产品属于 此类定制方式。一些软件系统如m r p i i er p 等也属于这类定制方式，制造商根据 客户的具体要求，在标准化的模块上进行二次开发。 ( 3 ) 装配型定制：接到客户定单后，通过对现有的标准化的零部件和模块进行组 合装配，向客户提供定制产品。在这种定制方式中，产品的设计和制造都是固定 的，装配活动及其下游的活动是由客户定单驱动的，个人计算机是装配定制型的 典型例子。 ( 4 ) 客户自定制型：产品完全是标准化的产品，但产品是可客户化的，客户可从 产品所提供的众多选项中，选择当前最符合其需要的一个选项。因此，在自定制 方式中，产品的设计、制造和装配都是固定的，不受客户订单的影响。常见的自 定制化产品是计算机软件应用程序，客户可通过工具条、优选菜单、功能模块 对软件进行自定制。 1 2 2 可视化技术 信息可视化是近年来国际上提出的一项新课题。它结合了科学可视化、人机 交互、数据挖掘、图像技术、图形学、认知科学等诸多学科的理论和方法。主要 应用于没有几何属性的抽象信息，揭示信息之间的关系和信息中隐藏的特征。目 前的研究重点在于，设计和选择什么样的显示方式，才能便于用户了解庞大的多 维数据和它们相互之间的关系，其中更多地涉及心理学、人机交互技术等问题。 确切地说，可视化技术是指利用计算机图形学、图像处理技术和人机交互技 术，将数据转化成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法 和技术。 数据可视化技术的主要特点是b 3 ： ( 1 ) 交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可 以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 ( 3 ) 可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维动画来显示，并可对 其模式和相互关系进行可视化分析。 数据可视化可以加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效 利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据 中隐含的现象；可以实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过 程所依据的条件，并观察其影响。可视化查诲作为一种新兴的查询方式，采用图 文并茂的方式，以属性数据为后台支持，将数据形象直观地、丰富多彩地呈现出 来，实现数据和思维的完美结合，可以为用户展示出产品的属性信息和图形信息 的有机联系，用户可以借助其独有的可视化表现功能，方便快捷地查询所需要的 信息。 1 2 3 课题背景及研究意义 协同定制生产是以接近大批量生产的效率和成本提供能满足各个客户特殊 需求的一系列产品并提供相应的服务的生产模式，因此受到学术界和工业界越来 越多的关注。在国外，尤其是在制造业比较发达的美国、德国和日本，许多领先 的高技术公司都在实施大规模定制生产，以保持和争取新的竞争优势；在国内， 也有不少企业实施了协同定制的生产方式，比如，一汽、海尔集团、大连机车车 辆厂等在采用不同的方式实施大规模定制生产，并且取得了卓越的成效。 目前，数据可视化在各个领域应用也是十分广泛。美国华盛顿大学利用可视 化软件系统和心脏超声诊断技术，可以获得心脏的三维图像，并用于监控心脏的 形状、大小和运动，为综合诊断提供依据。电子束c t ( e b c t ) 由电子束扫描替代 了x 线管与检测器的机械扫描，因而扫描速度提高近百倍，检查运动的器官( 如心 脏大血管) 能得到清晰的图像，实现了电影c t ，是c t 技术的一次革命。英国的p o s t i g r e s s 有限公司开发了数据的可视化软件，已在全世界许多油f f l 和天然气开发 中得到广泛的应用。利用这种软件，可以进行地震数据处理、测井多井评估、模 拟油气的储存和生产过程。不仅能确定油气储存的位置，而且可以跟踪油气的运 动，便于确定开采油气的最优路径。 基于网络的产品定制系统是规模定制生产方式实现的重要支持环境，它为顾 客、供应商、生产商以及其他商业活动参与者提供一个产品知识共享和交流平台， 从而通过快速的消息传递和响应完成产品定制。但是我们发现目前很多产品定制 系统中有关产品的定制、设计和制造过程仍存在许多具体问题有待解决： ( 1 ) 顾客能对定制产品的颜色和尺寸大小进行参数选择，有些也可以对产品 进行三维浏览，但顾客看到的只是一个固定的产品外形，并不是他们真正所定制 的产品。 ( 2 ) 一些复杂产品在定制过程中，客户、生产商之间达成对产品的一致描述 表较困难，常借助传真、电话等系统外交流手段辅助完成，降低了工作效率。 ( 3 ) 由于需要对一些复杂产品进行参数处理，浏览的实时性较差。 本文通过建立产品族模型，进而将可视化产品配置引入规模定制中来，利用 可视化技术的优点，解决一般定制系统的弊端，开发的定制系统具备如下优点： ( 1 ) 该定制系统将不是简单的功能选配，而是自由化程度非常高的产品设计 系统。顾客面对的将是包括产品外观以及产品功能和产品结构的可视化自定义视 图，生产商内部同时可得到客户所定产品的原理视图。 ( 2 ) 在客户端实现产品模型的复杂变型。即模型变型过程完全在客户端实 现，而无需访问服务器，从而实现可视化浏览的实时性。 ( 3 ) 充分实现网络化制造的过程并行和信息共享的思想。 1 3 研究内容和组织结构 本文以上海松江区科研创新项目“面向敏捷制造的产品可视化定制系统研 究”课题为背景，根据上海t a y e e 有限公司的具体应用环境，提出了适合该公司 l w 4 2 系列万转开关产品可视化定制的平台，为低压电器企业的规模定制生产提供 良好的基础。 全文围绕面向大批量定制的低压电器产品开发平台研究与实现，其主要研究 内容和结构如下： 第一章绪论。简要阐述了大规模定制产生的背景，概念、特征与相关技术 并对可视化技术做了介绍，最后给出了该技术的应用前景。 第二章对产品族，产品族模型的概念，产品族模型的表达技术进行了综述； 研究了产品族的设计流程，并给出了基于g b o m 的产品族结构模型的建立与其多视 图管理的方法。 第三章阐述了p d m 系统中产品配置的概念设计，分析了规模定制产品设计中 的产品配置的实现机制，最后给出了配置器设计的一般流程及解决方案。 第四章介绍了可视化技术的相关概念及技术的特点，并研究了如何将其合 理的运用在面向低压电器产品的p d m 系统的定制平台体系结构中。 第五章平台实现。结合前文研究的技术，以实例的形式展示了面向低压电 器产品的p d m 可视化定制系统的实现。 第六章总结与展望。对全文的工作进行总结，对进一步的工作进行展望。 1 4 本章小结 本章介绍了大规模定制的背景、理论和应用情况。阐述了产品定制技术的国 内外研究现状和发展趋势。对论文的研究背景进行了简单的介绍，提出本项目是 针对低压电器行业的大批量定制研究。最后介绍了本文的内容和组织结构。 9 第二章定制系统中的产品族设计与管理 在大规模定制环境下，单个产品设计将转变为产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 设 计，定单实现过程将转变为产品族配置过程。产品族设计的目的是建立一个可配 置的产品族模型。产品族配置的任务则是在j 下确地理解了用户需求的基础上利用 可配置的产品族模型迅速地配置出满足用户需求的产品。本章从产品族模型的概 念出发，介绍了产品族模型的组成、设计流程等产品族基本原理；重点讨论了构 建基于b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ) 的产品族结构模型的关键技术。 2 1 规模定制设计中的产品族 2 1 1 产品族概念 买方市场的出现要求制造公司适应客户的不同需要。为达到这个目的，公司 提供大量可供选择的产品以使客户能从中选出满足自己个性化需要的产品。这就 造成同一产品往往存在多个变体的现象盯1 。因为变体产品间具有很多相同的部 分，为了避免数据冗余，不可能将所有产品变体都独立地保存在数据库中。此外， 为了有利于产品知识的查询、重用和共享，需要对产品数据进行合理的组织。产 品族技术可以在提高经济多样性的同时限定开发、制造和服务的费用，它是建立 在技术复用的基础之上的。产品族是共享通用技术并定位于一系列相关联的市场 应用的一组产品。也是一种利用有限资源来开发、制造、服务经济的发展产品多 样性的一种方法。综上所述，产品族定义为：具有相同或相似基础功能结构或性 能，共享主要的特征、元件和子结构，并能通过变型配置来满足一定市场变化的 相关产品的一种聚类。并且，对产品族有以下界定： 产晶族中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，并能用通用结构来表达。 组成产品族的每个单元模块具有相似功能、相似结构和相同外部接口。 产品族一般指实现相似功能的有同样内部接口的产品。一个产品是否是产品 族唯一的决定因素是部件之阍的接口。它不依赖于产品族部件的单独结构，电不 依赖于产品族的外部接口。以产品族为核心的配置模型是利用产品族的概念对产 i o 品数据的分类和组织，它对设计重用、配置、管理、产品标准化都具有重要的意 义。在大规模定制生产模式下，产品设计技术始终围绕一个核心问题，即尽可能 减少产品的内部多样化，增加产品的外部多样性，由于传统的产品设计是面向单 一产品的，没有考虑产品之间的联系。因而不能适应大规模定制生产模式产品族 设计和传统产品设计各具特点，且传统的产品设计考虑范围只是涉及面向制造的 设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，d f m ) 及面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ， d f a ) ，而产品族设计涉及了整个产品的生命周期的所有内容。两者的差异见表 2 1 。 表2 一l 产品族设计和传统产品设计的区别阳 比较内容传统产品设计 产品族设计 适用生存模式 大批量生产大批量定制 对象单一产品系列产品 目标满足客户单一需求满足客户多样化需求 实现手段 零件的标准化刹通用化产鼎、t 艺j l ：程相似性、 规模化和零件通用化和 标准化 方法 串行工程并行j i ：栏 考虑范恩 强，d f a恧向整个产品生命舄甥 产品族就是共享一个产品平台的一系列产品。它是以产品平台为基础，不断 扩展和衍生出来的，是企业推向市场的最终产品。同一产品族包含的产品越多， 就越能满足市场的多样化需求，具体数量根据细分市场的情况和成本效益分析确 定。产品族的更迭出产品平台的更新决定。与一次只开发一种单独产品的策略相 比，基于平台的产品族开发战略适应于大规模客户化定制的生产式。m e y e r i h 】 与u t e r b a c k ( 1 9 9 3 ) 通过实证研究认为，核心能力与企业绩效之阊存在正相关关 系，其联系的纽带就是产品平台与产品族。 2 1 2 产品族模型的相关概念 1 产品族模型的定义 文献 5 将产品族定义为在功能域、行为( 技术) 域和结构域中，每个域中的 接口必须标准化，以方便变型模块之间的完全替换。文献 4 依据设计方法学中 的原理模型将技术域进行重新命名为原理域，产品族模型由功能模型、原理 模型和结构模型三个视图组成，三个视图之间具有映射关系。其中，产品族结构 模型是保证配置方案一致性和f 确性的关键。 2 产品族模型的组成 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 快速变型的机制。产品族模型般分为以下三个域n 刊： 功能域：产品对象所具有的功能、功能组成和性能等，由产品基本技术要求 和客户需求而来，是产品设计的基础。 技术域：满足功能域要求的产品设计技术解决方法和方案的集合，如设计约 束、设计计算和设计知识等。 结构域：对产品具体存在对象的抽象表达，重点描述了产品族组成模块的结 构，以及产品的装配层次关系。 产品族模型涵盖了一族产品的信息，信息种类很多而且之间的关系相当复 杂。根据功能、技术、结构三个域的不同内容和特点，产品族模型有着不同的表 达方式“引。产品族模型的上述三个域描述了模型的不同方面，从应用角度来看： 功能域面向定制客户，用以表达客户的定制需求信息；技术域和结构域均面向配 置设计即产品实例推理，其中技术域表达了推理相关的领域知识，而结构域包含 了推理本身的技术依据u 6 1 。 图2 - 1 产品族功能域、结构域、技术域之闻的关系 图2 - 1 表示了产品族的模型三个域之间关系。由于功能域反映客户需求空间，而 技术域和结构域反映设计空间，这样就在客户需求空间和设计空间之间建立了关 系，使得设计可以直接反映客户的需求。图中可以看到，功能域和技术域之间存 在映射关系，而技术域和结构域之间也存在对应的关系，从而使得功能域和结构 域也存在关系。再从本文所提的产品族模型构建的角度看：客户需求直接驱动生 成功能域；技术域需由设计人员构造：结构域的信息一部分( 元件对象) 由设计人 员构造，另一部分( 产品实例等) 由系统的自动推理产生。由于本文的研究目的和 思路的原因，后面章节中重点讨论的内容主要属于结构域“引。 3 产品族建模的关键技术 ( 1 ) 准确理解顾客需求 要向市场提供顾客满意的个性化产品，必须对顾客的需求有准确的理解，如 果没有正确理解顾客需求，即使有较高的产品质量和较低的产品成本，也不能满 足顾客的需要，当然，这样的产品也就没有市场空间刖。大规模定制的原则之 是增加外部多样性和减少内部多样性。准确理解顾客需求是体现企业外部多样性 的关键。 ( 2 ) 标准化、规范化技术 标准化、规范化技术是减少内部多样性的关键技术之一，也是确定产品族基 本模块的基础。标准化、规范化包括的方面很多，通常有零件、特征、工具、原 材料、工艺的标准化与规范化等：对于产品族而言，还包括产品需求、基本功能、 基本原理、结构模块以及工作流程等的标准化与规范化。这些标准化与规范化工 作有利于简化产品设计、生产组织等方面的工作，对于缩短交货期、降低成本、 保证产品质量等都有非常重要的意义n 9 1 。 ( 3 ) 模块化设计 模块化设计是建立产品族的基本设计方法，它是指把产品族的结构设计成许 多相互独立的模块，各模块可以容易地装配成不同形式的个性化产品，而模块本 身可能是己经标准化、规范化的零部件。因此，模块化设计把产品的多变性与零 部件的标准化有机地结合起来，充分利用规模经济和范围经济的效应。在产品族 建模中，模块化水平越高，定制产品中模块和零部件的标准化程度也越高。同时， 它也为实现将产品的定制活动推移到供应链的下游进行提供了基础。因此，模块 化设计对于大规模定制的成功实施起着举足轻重的作用心训。 2 1 3 产品族的设计流程 为了满足目标市场上不同的客户需求，产品族的内部视图( 即产品族的技术 和结构视图) 中需有“变化”，和“不变”的属性心。即产品族的某些属性相对于 变化的客户需求来说需要是变化的或可配置的，以获得产品族外部视图( 郎产品 族的功能和性能需求视图) 的多样性。在此将这些变化的或可配置的属性统称为 可配置属性，而将对所有客户需求来说不变的属性称为共同属性。可配置变量是 产品个性化和多样化的来源，共同属性是产品族的基础。产品族变型规划的核心 是将组成产品族的可配置属性和共同属性通过改变一个或多个可诵因子值束形 成产品族中的不同产品。 对于一般机械电子类产品，满足客户性能差异的最有效办法，是在构成模块 集的基础上进行快速变型设计，从而以尽量少的改变获得多样化的产品性能。然 而，传统的、自发的变型设计并不能保证产品的快交货、高质量和低成本，甚至 相反n5 1 。主要原因是企业生产零部件的多样性和缺乏可重用性，导致新零部件数 目的失控。当新的零部件被源源不断地设计出来，紧接而来的还需要动用过多的 人力、物力、财力和时间，去支持后继的工艺、工装、试制和试验等一系列技术 准备过程口胡。从另一个方面来说，在产品族设计中并非所有的变型对客户来说都 是必要的。因此，为提高产品族设计的效率和降低成本，应该尽量减少不必要的、 非增值的变型，从而以较少的变型、更大的产品族共性来满足客户需求6 1 。 产品族变型规划的关键在于将产品族中的可变型属性和在变型中不变的属 性识别出来，并规划可变型属性的变化范围，从而在保证个性化产品性能的同时 提高产品族的效率和共性。产品族变型规划是实现大批量定制设计要求的重要保 证，因为它直接决定了企业产品的覆盖范围、产品的性能以及成本、效率等因素， 其目标包括： ( 1 ) 使产品族范围尽可能覆盖整个目标市场； ( 2 ) 使单个产品的性能能够被客户所接受： ( 3 ) 保证整个产品族的共性最大化； 产品族信息模型作为具有相似属性的一类产品的基本模型，能够通过变型来 满足客户的需求。在设计模型时，要反映出客户的各种需求，所以必须覆盖同一 产品族内所有产品的功能特征、结构特征和实物特征，有时还需为生产商提供原 理技术参数，同时还必须充分考虑设计知识的重用和产品模型快速变型的机制。 由于产品族模型由功能域、技术域、结构域三部分组成，产品族模型的设计过程 就是实现功能域、技术域、结构域的过程。因此产品族的设计过程可看作是从客 户需求向产品族结构模型的映射求解过程乜3 3 。 本文提出采用的产品族设计流程如图2 2 所示。 图2 - 2 基于可调节变量的产品族设计流程 其设计过程可分为以下4 步： 收集用户需求，并从中提取共性需求和个性需求；将用户需求转化为产品族 的设计要求并建立相应的功能结构。 通过功能一原理映射单元对每一功能单元进行解原理映射，进而组合成产品 族的原理模型。 产品结构规划，针对功能原理树中的每一原理结点，分析采用该原理实现所 要求功能的结构。 在动态产品族基础上提取可变型的参数，确定产品族的定制参数，并进一步 规划产品族的覆盖范围。即确定产品族的定制范围。其中建立一个易配置、 支持产品的变型设计的产品族结构模型是产品族设计的核心，本文将重点研 究产品族结构模型的设计方法。 2 2 产品族结构模型的建立和管理 大规模定制生产模式下的产品品掰往往十分庞大，其闯的约束关系错综复 杂，这些增加了配置的时间复杂性、以及配置方案不一致的可能性。因此，如何 准确、迅速地配置出满足用户需求的产品，并且保证配置方案的可制造和可装配 成为一个关键问题。1 。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瞳引。 产品族结构模型应该满足以下要求： 1 6 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，并能够根据用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、用户) 理解、使用。 针对上述要求，我们利用h e g g e 等人提出的通用物料清单( 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 ) 心踟来表达产品族的结构，提出了基于g b o m 的产品族配 置模型，进而实现了产品设计的多样性。 2 2 1 通用物料清单g b o m 物料清单是一种产品结构化的信息表，反映产品结构的信息以及与产品相关 的其