（机械设计及理论专业论文）基于设计结构矩阵的产品设计过程建模和重组方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着开发新产品的迫切性和新产品自身结构复杂性的增加 作为产品开发中至关重 要的一个环节 产品设计技术已难以满足要求 由于产品设计是一个复杂的 高难度的 过程 因此通用的方法是对设计过程建模 通过模型来进行设计分析 本文对产品设计 过程的建模和重组中的一些关键技术进行了研究 提出了新的过程建模和重组方法 并 将新方法应用于引擎的开发设计中 取得了良好的设计效果 对现有设计过程建模技术进行了分析 研究和总结 针对数据流图在描述设计过程 的不足 提出了扩展数据流图 用以表达复杂的设计过程 介绍了设计结构矩阵的特点 和操作 指出了其在设计过程重组中的重要性和有效性 然后 对扩展数据流图和设计 结构矩阵进行了分析 实现了扩展数据流图向设计结构矩阵的映射 并提出了一种基于 扩展数据流图和设计结构矩阵的设计过程建模方法 然后 探讨了基于设计结构矩阵割裂算法的过程重组方法 指出了现行割裂算法的 不足之处 引入了传输时间的概念 用来刻画设计任务间在准备和接收信息传输和交互 所消耗的时间 并提出了基于传输时间的割裂算法 由于影响传输时间的因素有很多 为了获取较为客观的传输时间 采用了基于灰理论的专家群体评价法来评估各种因素对 传输时间的影响程度 分析了基于传输时间的设计结构矩阵割裂的特征 将设计结构矩 阵的割裂转换成求解赋权有向图的最短路径问题 在上述工作的基础上 给出了产品设计过程建模和重组的方法 用以建立产品设计 过程的模型及对过程模型进行重组 并基于此开发了产品设计过程建模和重组的原型系 统 该系统以可视化的形式实现了提出的方法和技术 包括设计过程的建模 设计过程 重组和结果分析等 然后 结合汽车引擎的设计 展现了整个原型系统 也对本文提出 的割裂算法的有效性进行了验证 最后 对全文工作和研究成果进行了总结 并指出了产品设计过程中的不足之处 提出了今后进一步研究的方向和建议 关键词l 扩展数据流图设计结构矩阵过程建模过程重组割裂算法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h p r e s s i n gf o r t h ed e v e l o p m e n to fn e w p r o d u c ta n d t h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo ft h e s t r u c n l r eo f p r o d u c t t h et e c h n o l o g yo f d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f p r o d u c t d d p w h i c hi sa p i v o t a lp r o c e s so f t h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t d o e sn o tm e e tw i 也t h er e q u i r e m e n t b e c a u s e t h ed d pi sac o m p l e xa n dd i f f i c u l tp r o c e s s t h eg e n e r a lm e t h o di st oa n a l y z et h ed e s i g n t h r o u g hm o d e l i n g t h e d e s i g np r o c e s s m a n yk e yp r o b l e m s w h i c h a r em e td u r i n gt h e m o d e l i n ga n dr e e n g i n e e r i n go ft h ed d r a r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h et h e s i s n e w m e t h o di sp r e s e n t e d a n da p p l i e dt ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee n g i n e a n d t h er e s u l tt n r r l so u tt ob es u c c e s s f u l t h ec u r r e n t g e n e r a lt e c h n o l o g i e so fm o d e l i n g t h e d e s i g np r o c e s s a r e a n a l y z e da n d d i s c u s s e di nv i e wo ft h el i m i t a t i o no f d e s c r i b i n gt h ed e s i g np r o c e s sw i t l ld a t af l o wd i a g r a m d f d e x t e n d e dd f d e d f d i sp r o p o s e d t h e n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d o p e r a t i o n so f d e s i g n s t r u c t i l r em a t r i x d s m w h i c ht u r n s t ob e i m p o r t a n t a n de f f e c t i v ei n m o d e l i n g a n d r e e n g i n e e r i n gd e s i g np r o c e s s a r e i n t r o d u c e d a r e rt h et r a n s f o r m a t i o nf r o me d f dt od s mi s i m p l e m e n t e dt h r o u g hm a p p i n g t h ee d f da n dd s m am o d e l i n gm e t h o db a s e do ne d f dt o d s mi sb r o u g h tf o r w a r d t h e nt h em e t h o do fr e e n g i n e e r i n gd e s i g np r o c e s s w h i c h i sb a s e do nt h e t e a r i n g a l g o r i t h m t a o fd s m i sd i s c u s s e d a n dd e f i c i e n c i e so f t h ec u r r e n tt ai sp o i n t e do u t t h e t h e s i s p r e s e n t st h e t r a n s f e rt i m e t t w h i c hi su s e dt od e p i c tt h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e r b e t w e e nt a s k so fd e s i g np r o c e s s b e c a u s et h et t i sr e l a t e dt os om a n yf a c t o r st h a tt h eg r a y a l g o r i t h mi se m p l o y e dt o c a l c u l a t ei t t h e r e f o r e am e t h o db a s e do nt ti sp u tf o r w a r d t h r o u g ht r a n s f o r m i n g t h e t e a r i n gp r o b l e m t oa p r o b l e m o f s h o r t e s tp a t ho nw e i g h t e dd i a g r a m b a s e do nt h ea b o v ew o r k t h em e t h o do fm o d e l i n ga n dr e e n g i n e e r i n gd d p i sp r e s e n t e d a n da c o r r e s p o n d i n gp r o t o t y p es y s t e m i s d e v e l o p e d t h e e f f e c t i v e n e s so ft h e p r e s e n t e d m e t h o di sv e r i f i e dt h r o u g ha p p l y i n gt h es y s t e mt od e s i g n t h ee n g i n e f i n a l l y as u m m a r i z a t i o no f t h ew h o l et h e s i si sm a d e s o m ed i s a d v a n t a g e so fd d pa r e p o i n t e do u t a n df b r t h e ra s p e c t so fs t u d ya r ep o i n t e do u t k e y w o r d s e x t e n d e dd a t af l o wd i a g r a m d e s i g n s 仇l c t u r em a t r i x p r o c e s sm o d e l i n g p r o c e s s r e e n g i n e e r i n g t e a ra l g o r i t h m i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 问墨的提出 1 绪论 2 0 世纪后期 随着世界经济一体化 科学技术的迅猛发展 以及人类对于保护生 态环境的迫切要求 制造业面临着前所未有的挑战 即如何赢得市场和最大限度地满足 用户需求 在这一过程中 各个企业采取的基本策略是通过缩短产品的研制开发和生产 制造周期 降低成本 提高质量 改善产品性能 使得新产品能够尽早和尽快地进入市 场 从而赢得竞争的主动权和优势 l 换言之 及时地对外提供高质量的产品是制造业 企业的生命力之所在 众所周知 产品是制造业企业最终创造经济效益的载体 因此要 实现上述目标 就必须在产品设计上进行创新和突破 作为现代制造业企业生产的关键 性环节 产品设计在产品的整个生命周期中占有极其重要的地位 它从根本上决定着产 品的内在和外在品质以及成本 而且 现代产品日益复杂 其相应的设计 工艺 制造 检验过程也日益复杂 也 要求产品设计方法能解决这种复杂性的设计 此外 由于新产品的开发成为制造业企业 间竞争的决定性驱动力 新产品的开发在现代企业生产中显得尤为重要 然而直到现在 新产品开发的失误率仍然是很高的 2 3 1 虽然导致这一失败的原因多种多样 但指导产 品设计的理论和方法是诸多原因中最重要的一部分 这也使得对新的产品设计方法的需 求显得尤为迫切 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 是适应这一需求的管理方式和研究前沿 要求设计者从设计过程的开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废 包括 质量 成本 进程及用户要求的所有要素 产品设计的上游阶段及早地考虑下游阶段和 制造的需要 消除产品设计完成后的大返工 大更改的不良反复 从而达到缩短产品开 发周期 降低产品成本和提高产品质量的目的 随着科技及社会的不断发展 产品涉及 的领域愈来愈广 其复杂程度及技术水平愈来愈高 要想从产品的整个生命制造周期来 对产品设计过程进行考虑 必须借助设计模型 因此 对产品开发设计过程进行建模附 用模型来对产品开发过程进行仿真分析 实现企业生产的全局管理和协调这一思路就凸 现出来 在并行工程中 产品开发过程建模就是对产品开发过程的描述 抽象和提炼 并以此为基础完成对产品开发过程的规划 分析和仿真 进而达到从整体上对产品设计 过程进行分析和管理的目的 华中科技大学硕士学位论文 建立 个复杂过程的初始模型后 一般还要对模型进行优化和重组 重组是依据产 品开发设计过程的自身的复杂性和相关性 按照一定的理论和方法对设计过程中的耦合 和迭代关系进行处理 减少耦合 限制迭代 使得设计过程更趋向于并行化和串行化 从而达到缩短设计过程周期和优化设计过程的目的 尽管目前对于产品开发过程的重组 和改进尚无通用的理论或方法 但在设计过程中较为常用的方法是对设计过程的任务进 行分解和对循环进行割裂 减少设计过程的复杂程度 基于以上的认识 本文将对现行的产品开发设计中的建模 优化重组方法进行分析 和研究 提出一些具体的改进方法 并在理论上做出了稍许有意义的探讨 以期在产品 设计过程建模中做出进一步研究和探索 1 2 文献综述 产品设计是包含创新活动的复杂过程 正是由于设计过程的复杂性 要求利用模型 来对其进行系统的分析和改进 设计过程建模是用形象 模拟或数学模型描述设计过程 i 7 1 来对设计过程进行分析与控制 达到对设计过程的改进及优化 随着产品设计在企 业竞争中占据着越来越重要的地位 而且现代产品结构越来越复杂 产品功能需求越来 越多 就要求提供更好的设计手段和方法 产品设计过程建模正是针对现代产品的特点 利用模型理论的优势来完成对产品的复杂性和功能性设计 设计过程模型的构造以及构 造模型的目的都是为了研究问题的需要 都是为了满足对研究问题上的某种需要面建立 的 通过对建立的模型进行分析和研究 从更深层次上揭示研究问题的内在特征 从而 指导问题的研究 结合产品设计过程建模 即通过建立的模型来对产品的设计过程进行 分析和探讨 发掘产品设计过程中的内在复杂的特点 指导产品设计过程的进行 达到 缩短产品开发设计的周期和提高产品质量的目的 产品的设计过程中还应考虑各种各样的其他相关信息 如设计过程的管理 信息的 交互等 a s s i n e 将设计过程的管理分为四步完成1 3 1 建立设计过程的信息和关系结构 模型 2 对设计任务的执行序列进行规划 3 降低设计任务间大规模的迭代和循环 1 寻求缩短设计周期的可能性 近几十年来 针对并行工程产品设计过程 c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g p r o d u c t d e v e l o p m e n t p r o g r e s s c e p d p 的建模方法已经进行了多方面的探 讨 9 1 0 l 如工程评估和评审技术 p e r t f l l i d e f 方法 1 2 p e t r in e t s 1 3 1 有向图i m 值得注意的是西弗吉尼亚大学并行工程研究中心提出的 五类活动法 i l 它采用一种形 式化的方法 把并行工程中的活动分成五类 通过任务的分组 过程的分解和关键路径 2 华中科技大学硕士学位论文 法 确定时间最短的产品设计流程 而基于规则的产品设计建模方法提出了一种用规则 来组织设计过程信息 1 6 1 7 将一个过程描述为从已有的结果到项目管理提出的问题 此 外 由s t e w a r d 在1 9 8 1 年提出的设计结构矩阵 d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x d s m 是一 种广泛使用的 基于矩阵信息流的产品建模方法 l 钔 非常适用于非标准信息系统的建 模 并行工程要求耦合的产品设计阶段能够同时执行 2 0 1 因此 将产品设计中的串行 设计转换成并行设计就显得十分必要 这种转换的 种很重要的途径就是对设计过程进 行重组 2 1 产品设计过程建模和重组早在2 0 世纪6 0 年代就开始兴起 尽管目前对产 品设计过程模型建立和重组的研究还处于理论上探讨的阶段 但已经出现了很多设计过 程建模和重组的方法 如基于i d e f 系列的过程重组 埘 基于条件化有向图的过程优化 2 3 结合i d e f 模型的流分析方法来对过程分析和重组 2 4 等 随着产品的日益复杂和现代技术的进步 并行工程和虚拟制造将称为未来产品开发 设计的主导技术 而设计过程建模和重组正是其中的关键环节 本文将探讨设计过程建 模的诸多问题 并对建立的模型进行试探性的重组分析和研究 1 2 1 产品设计过程建模 本质上讲 产品开发设计过程建模及重组研究属于工程设计领域的研究范围 如同 原型在软件开发中的作用 设计过程模型为产品的开发设计提供了系统的指导和工程的 方法 因此 在产品的设计过程建模和模型重组中 可以广泛地借鉴工程设计的理论与 方法学 按工程设计的方法和步骤有条不紊进行产品的设计 由于企业产品竞争主要是围绕产品的时间 t i m e t o m a r k e t t 成本 c o s t c 和质量 q u a l i t y q 几个因素进行的 2 5 2 7 因此这三个因素都可能是选择设计过程模 型时的支配因索 按照选择这些支配因素的不同 可以把设计过程模型分为顺序过程模 型 s e q u e n t i a l m o d e l 设计为中心的模型 d e s i g n c e n t e r e d m o d e l 并行设计模型 c o n c r r r e n td e s i g nm o d e l 和动态过程模型 d y n a m i cm o d e l 四种类型 1 1 顺序过程模型 选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本 顺序过程模型中 新 产品设计在交给制造部门之前 按图中的顺序在不同部门内完成 经过试验 评估或后 续的制造发现设计的不合理之处 再返回到设计的某个阶段 进行再设计 一直到满足 华中科技大学硕士学位论文 要求为止 依据这一模型进行设计 其优点是过程比较简单 但对于复杂的设计过程 设计周期太长 而且 由于在设计过程中没有检测评估 当最终的设计方案不妥时 将 进行大范围的重新设计 f 2 设计为中心的模型 选择该模型的支配因素也是产品的质量与成本 与顺序过程模型不同的是 在设计 为中心的模型中 设计人员在设计阶段要更详细的考虑到制造 d e s i g n f o r m a n u f a c t u r e d f m 装配 d e s i g n f o r a s s e m b l y d f a 环境 d e s i g n f o re n v i r o n m e n t 和生命 周期的成本 l i f e c y c l ec o s t l c c 等因素 使设计反复的过程尽可能短 3 并行设计模型 选择该类模型的支配因素是产品质量及推向市场的时间 并行设计模型与设计为中 心的模型的侧重点在于 该模型为小组工作方式 小组成员要具有不同的知识结构 要 有产品开发的下游人员参加 为了共同的目的 尽快开发出新产品而共同努力 该类 模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业 也适用于不具备网络环境的小企业 4 动态过程模型 与并行设计模型相比 动态过程模型的各个设计阶段同时开始 小组之间的信息交 流更加重要 因此就需要更好的设计与过程的集成环境 选用这种模型的驱动力是产品 推向市场的时间 上述4 种产品设计过程模型都包括概念设计 技术设计 详细设计和原型试验等几 个阶段 概念设计主要从总体功能上对产品进行整体描述 技术设计则从技术的角度考 虑产品设计中将会面临的设计问题 并对这些问题进行分析和提出可行方案 详细设计 是在将概念设计和技术设计综合 整体 全面地对产品设计过程加以分析 研究和探讨 在详细设计的基础上 原型试验通过建立产品开发的原型系统 对产品设计过程进行测 试和评估 这四种模型针对的问题不同 其侧重点也不同 因此在具体的产品开发设计 过程中 可以根据实际情况选取模型 也可以将几种模型加以综合 以求用最有的模型 来表达设计过程 在选定了产品设计过程模型后 接下来就需要着重考虑过程建模方法的选择 设计 4 华中科技大学硕士学位论文 过程模型是一种通过组成活动及其活动之间的逻辑关系来描述设计活动的模型 所以有 很多方法都可以用来进行过程模型的定义和描述 具体而言可以分为两类 一是按照设 计过程的逻辑顺序结构 如顺序 分支 条件 循环等 一是采用传统设计活动的概念 和模型来表述设计过程 如p e r t 图及各种形式的网络图 下面就来讨论较为通用的建 模方法 1 c p m 与p e r t 方法 关键路径法 c r i t i c a lp a t hm e t h o d c p m 和工程网络技术方法 p r o g r a me v a l u a t i o n a n dr e v i e w t e c h n i q u e s p e r t 是2 0 世纪5 0 年代发展起来的用来管理和控制工程项目 实施计划的网络图方法 2 8 1 这两个方法都是先对项目中的活动及其顺序关系建立活动 网络 然后对其中的关键路径 完成时间 活动松弛时间进行计算 对关键路径上的活 动完成时间进行控制 并适当调整非关键路径上活动的开始时间 保证项目的按时完成 得到了设计活动的关键路径后 也就给出了设计过程 本质上 关键路径的思想就 是找出在当前状况下最优的设计过程 p e r t 方法和c p m 方法非常类似 也采用关键 路径方法来确定设计过程的关键活动 一个比较明显的区别是 c p m 中活动的持续时 间是一固定的值 而p e r t 方法中则采用参数来反映活动持续时间 在此不再赘述 2 i d e f 方法 i d e f 方法是一种基于设计功能建模和重组的方法 2 9 1 于2 0 世纪8 0 年代初由美国 空军集成化计算机辅助制造 i n t e g r a t e dc o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g i c a m 工程在 结构化分析方法的基础上发展起来的一套系统分析和设计方法 i d e f 0 将计算机系统和 软件工程应用中的技术引入到生产制作中 在另外的i d e f 技术中 i d e f l 被发展用于 信息分析 i d e f 2 用于动态分析 而i d e f 3 则用于过程建模 如前所述 i d e f 3 方法主要是用来获取 整理和管理设计过程的知识 尤其是与过 程相关的过程建模方法 i d e f 3 方法可用于描述依一个已有的或待建的系统活动 获取 一个过程方案的过程知识 它为构造一个分析和设计模型提供了结构化的知识 可以直 接建立结构化的描述模型 i d e f 3 中定义了两种描述方式 过程流和对象状态转移图 过程流描述设计活动中 活动如何工作 的信息 而对象状态转移图则描述一个特定的过 程中活动可能发生的变化 3 p e 砸网方法 华中科技大学硕士学位论文 p e t r i 网是德国学者c a p e 仃i 于2 0 世纪6 0 年代在其博士论文中提出来的 经过近 四十年的发展 p e t r i 网方法已经广泛应用于各个领域进行系统的建模 分析和控制 作为一种适用于多种系统的图形化 数学化建模工具 p e t d 网为描述和研究具有并行 异步 分布式和随机性等特征的复杂系统提供了强有力的手段 一个p e t r i 网可以看成是一种特殊类型的有向图 由三类元素 库所 变迁和连接 库所与变迁的有向弧组成 实际上 库所就是部件 变迁就是对部件的处理 而连接弧 则指出库所经变迁之后到库所的过程 用p e t f i 网来对产品设计过程建模和重组 一个首要的前提是建立产品开发设计过 程的p e t r i 网 一种方法是直接基于对设计过程的分析和p e t r i 网建立的通用方法来建模 模型 另外一种方法是先建立设计过程的i d e f o 图 然后将i d e f 0 图转换成p e t r i 网模 型 限于篇幅 在此不对p e t r i 网的建立作详细介绍 p e t r i 网的关联矩阵是基于p e t r i 网的设计过程重组的关键要素 p e t r i 网关联矩阵能 表达多种设计结构矩阵无法表达的关系 关联矩阵的每一行对应着某一库所与所有变迁 之间的关系 关联矩阵的每一列对应着某一变迁与所有库所之间的关系 4 d s m 方法 设计结构矩阵 d e s i g n s t r u c t u r em a t r i x d s m 是s t e w a r d 在引入的 在9 0 年代获得 广泛关注和发展 它是基于矩阵的信息流分析框架 用矩阵来描述设计活动之间的关系 并利用矩阵的特性来对设计活动的关系进行优化来达到重组设计过程的目的 d s m 的 形成有多种起源 一个典型的d s m 是一个n x n 有序方阵 很久以来就被系统工程师 用来描述结构组件和界面 3 0 3 2 1 质量功能描述矩阵f 3 3 的 顶 也显现了设计中的迭代 组织设计者也用基于矩阵的技术来建立信息网络的文档1 3 4 1 经济学家用矩阵来概括一 个产品属性的改变对其他产品的影响 3 5 直到s t e w f l d 3 6 3 7 1 用基于矩阵的技术来系统设 计过程的结构 并用 设计结构矩阵 来指代从六十年代起就用来管理工程 3 8 3 9 l 的 基 于时间的有序矩阵 设计结构矩阵一词才正式形成和得到确认 目前d s m 已发展为四种类型 基于元素的模型 基于参数的模型 基于行为的模 型 基于团队的模型 可以依据具体的设计问题来选取模型的类型 在d s m 中 关于 元素间关系的构造有三种模块 平行模块 顺序模块和耦合模块 因此 使用d s m 可 以对很多复杂的设计过程进行分析和研究 上述几种设计过程建模方法是常用的几种 除此之外 还有基于有向图 基于工作 流的设计过程建模等 在此不再赘述 6 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 设计过程建模存在的问题 由于产品开发过程的研究在理论上还处在探索阶段 相关的理论还有待于充实和完 善 此外现代产品的日趋复杂也对设计过程的模拟提出了更高的要求 因此 目前的产 品设计过程建模无论是在理论上 还是在方法上都存在着缺陷 随着虚拟制造的发展 将促对进产品设计过程模型研究的进一步开展和深入 1 模型理论直到目前为止 还没有一种通用的产品开发设计过程模型 两方面 的原因导致了现在的状况 其一 是建模理论本身 产品设计过程的研究属于工程设计 研究领域 而关于工程设计理论与方法学在2 0 世纪6 0 年代才逐步开始发展起来 到 8 0 年代后期9 0 年代初期逐渐掀起一个高潮 其标志是1 9 8 6 年发表在机械工程杂志上 的两篇文章 d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d o l o g y an e wd i s c i p l i n e 和1 9 8 9 年的 r e s e a r c hi ne n g i n e e r i n gd e s i g n 4 0 o 所以建模理论的不完善是不可避免的 其二 是 现代产品的复杂性和多样性 科技的发展 人们对产品的需求越来越多样化 越来越复 杂化和精美化 这给产品的设计提出了更高的要求和难度 2 1 产品设计技术和方法在出现 产品设计 这个词之前 就出现了产品设计技术 和方法 从古到今 设计方法和技术是不断进化 不断完善和不断发展的 类似地 现 代产品设计技术也会随着时代的进步而进化和发展 现代产品设计方法和技术 是当今 人们在现有科学技术水平下的反映 确 f f l 能还没有达到最优 因此 应尽可能将新的 技术 新的发明和新的知识运用的产品设计过程中来 提高设计技术和方法 3 模型功能和描述对于 个待开发的产品 如何描述其设计过程是至关重要 的 只有先对产品本身有了清晰的认识 才能决定采用什么样的模型 反过来 模型的 功能决定了模型对产品系统描述的精确程度 用模型直接来描述产品系统在现在还显得 很不充分 尽管面向对象的模型提出了可能的解决方案 但还处于探索阶段 1 2 4 产品设计过程建模的应用 产品设计过程建模及重组优化的产生本身就是为了适应现代产品制造的需要 满足 对产品设计的各种需求 因此 从一开始出现 它就是与实际生产制造领域是紧密相关 的 目前 产品设计过程建模及重组优化都是包含在大型系统集成开发环境中的 如计 算机辅助制造系统 c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c i m s 1 4 1 2 1 虚拟制造 v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g v m 和敏捷制造 a g i l em a n u f a c t u r i n g a m 1 4 3 这些技术 7 华中科技大学硕士学位论文 正是当前制造领域的研究热点和前沿技术 许多国家和研究机构都对设计过程建模及重 组在这些技术中的应用进行研究 在实际生产中 1 9 7 8 年由美国空军提出的i d e f 方法被用于集成化计算机辅助制造 中进行系统分析和设计 1 9 9 0 年由h u g h e s 飞机公司提出的 国际上应用最为广泛的设 计过程信息建模方法是在i d e f l 基础上发展起来的 d s m 的研究和工业应用在9 0 年 代得到了广泛的关注 d s m 已经用来建造建筑物 设计半导体1 s o 5 1 1 设计汽车 5 2 5 5 规划照相流程i s 6 设计航天航空设备 5 7 4 1 1 优化车间装配1 6 2 和设计电子产品 6 3 1 除 此之外 p e t r i 网 条件化有向图等设计过程建模和优化技术也应用在实际产品设计过 程中 1 3 研究工作概述及意义 两年来 针对复杂产品设计过程建模及优化中的种种问题 作者进行了分析 探讨 和研究 结合产品开发设计的实际情况 把设计结构矩阵 数据流图 灰理论等方法和 理论应用到实际的产品设计开发中 深入分析和探讨了设计过程的优化重组 并在 b o r l a n dc b u i l d e r6 的平台上 对整个产品系统的设计过程建模 模型的重组优化进 一步了可视化的仿真演示 在完善系统的同时 发现并解决了部分过程建模中的问题 在攻读硕士学位期间 参与了国家自然科学基金项目 基于共进化决策的沉浸式支 持环境系统研究 编号 7 0 1 5 0 0 0 1 的研究工作 重点探讨和研究了复杂产品设计过 程中的重组优化问题 提出了新的重组算法 并结合产品设计实例 展现了整个设计建 模和重组过程 进行上述项目研究的基础上 针对一些理论和研究作了进一步的深化与拓展 在已 有研究的基础上进行了进一步的探索 主要开展了以下工作 1 对现行结构建模技术进行了深入的探讨 分析了存在的问题 借鉴数据流图的 描述功能 提出了扩展数据流图 e x t e n d e d d a t af l o wd i a g r a m e d f d 并对d s m 进 行了深入的学习和分析 在这些工作的基础上 提出了基于e d f d 和d s m 的产品设计 过程建模的新方法 2 研究了基于设计结构矩阵划分和割裂的设计过程重组过程 针对割裂算法中存 在的问题 提出了基于传输时间的设计结构矩阵割裂算法 在传输时间的计算中 引入 了基于灰理论的专家群体评估法 然后 将割裂问题转换成求解赋权有向图的最短路径 问题来求解 该方法较好的考虑了产品设计过程中的诸多因素 尤其是考虑到了设计后 华中科技大学硕士学位论文 的实际设计制造过程中的因素 3 结合上面提出的方法 给出了一整套产品设计过程建模及重组的体系方法 通 过建立产品设计过程的模型 以及对过程模型进行重组 得到一个优化的设计流程 来 指导产品的开发设计 1 4 论文体系结构 本文主要研究的是产品设计过程中的建模及重组问题 针对其中存在的某些问题和 缺陷提出了自已的观点和解决方法 在本文结构中 三 四两章构成了本文理论研究的 主要内容 五 六章是对上述理论分析的实现 第一章是绪论 综述了产品设计过程建模及重组技术的现状和研究进展 分析了现 行产品设计过程建模及重组中的常用方法和存在的问题 指出了设计过程建模在产品开 发中的重要性 并对作者的研究工作进行了总结 第二章给出了产品设计过程建模及重组的方法体系结构 第三章提出了一种新的设计过程建模技术并探讨了基于设计结构矩阵分解的过程 优化 通过对数据流图进行分析 提出了扩展数据流图来加强和扩展数据流图的描述能 力 然后强扩展数据流图跌射成设计结构矩阵 依据设计结构矩阵来达到对设计过程 尤其是复杂设计过程的建模 第四章是基于割裂的模型重组 对现有的模型重组技术和方法进行了探讨和研究 根据设计结构矩阵的特点 在对现有的割裂算法的缺陷进行分析的基础上 引入了传输 时间的概念 提出了一种新的割裂算法 第五章构建了一个设计过程建模和重组原型系统 第六章结合一个应用实例 对整个产品设计过程进行了演示和分析 第七章是对全文的一个总结以及对将来研究的展望 本文结构如图1 1 所示 9 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 全文组织结构 华中科技大学硕士学位论文 2 产品设计过程t 模和重组体系框架 2 1 产品设计过程建模和重组的总体思路 产品设计过程的建模和重组涉及到工程研究领域的建模理论和产品设计技术 虽然 现在建模和重组理论 方法和技术都不是很成熟 但其在实践中的应用和已经取得的成 果使得越来越多的研究机构和团体加入到这一领域中来 本文旨在对产品设计过程建模 和重组优化中的一些问题进行分析和探讨 提出了一种新的建模技术 并在过程模型重 组方面做出了值得关注的探讨 结合上述研究线路 给出本文的总体研究思路如下 1 利用提出的描述能力更强的扩展数据流图对复杂设计过程进行描述 可以描述 过程中的并行 串行和选择关系 2 通过对扩展数据流图的分析 将其映射成为设计结构矩阵 并简单介绍了映射 得以实现的关键因素 有向图 此外 由于扩展数据流图可能对应多个设计结构矩阵 因此简单的介绍了关于设计结构矩阵模型的评价 f 3 经扩展数据流图映射来的设计结构矩阵是一个顶层的矩阵 相当于设计过程中 的概要设计流程 对此 采取对设计结构矩阵进行逐步细化分析的方法 将设计任务 或 活动 逐一细化 直到达到设计要求为止 在这一过程中 还要始终保持各个设计活动 之间的联系和层次关系 在得到最后设计结构矩阵的各个活动的同时 也得到了这些活 动之间的关系 4 建立了细化后的设计结构矩阵后 其中的设计活动之间的关系显得杂乱无章 通过对设计结构矩阵实旌划分 使得整个矩阵尽可能下三角化 将设计活动中的循环控 制到最少 达到缩短设计周期的目的 5 对于建立的设计过程模型 要进行重组优化 在设计结构矩阵中 一般是通过 割裂算法来实现重组的 但目前并没有成熟通用的割裂算法 本文提出了基于传输时间 的设计结构矩阵耦合集割裂算法 传输时间的度量不仅考虑了设计过程中任务间传输信 息的时间 还考虑到了实际生产制造中可能消耗的时间 由于影响传输时间的因素很多 为了较客观评估各个影响因素对传输时间的重要性 采用了基于灰理论的专家群体评价 方法来对各个影响因素进行评估和计算 最后 将耦合任务集的割裂问题转换成求解赋 权有向圈的最短路径问题 华中科技大学硕士学位论文 2 2 产品设计过程的方法体系 根据上述思路 参考1 2 1 中描述的四种设计过程模型 给出一种新的设计过程建 模方法 并针对这种建模方法提出了新的设计过程重组优化算法 下面分两个部分来加 以讨论 2 2 1 基于e d f d 和d s m 的设计过程建模 e d f d 是对d f d 的描述能力进行扩充形成的 通过将e d f d 转换成d s m 来建立 设计过程的d s m 模型 整个过程的概念框架如图2 1 所示 具体的步骤如下 1 分析待设计的产品系统 找出其中的设计任务和关系 2 利用e d f d 描述产品设计过程的设计任务及其关系 3 将e d f d 映射成为d s m h 从多个可能的d s m 中评选出当前最优的一个 5 依据评选出的d s m 对设计过程进行细化 图2 1 基于e d f d 和d s m 的建模框架 在图2 1 的框架结构中 产品设计过程的e d f d 描述和d s m 映射是本文讨论的重 点 在下一章中将详细叙述 对于产品分析 有专门的方法和技术手段 本文并不作仔 细分析 由e d f d 映射到d s m 可能存在多种可能的结构 因此要对多个d s m 作简 要的评估 选出在当前条件下最合理的一个 本文将对此作简要的分析 建模框架中的 最后一步是任务细化 如前所述 由e d f d 映射得到的d s m 多是顶层d s m 还需将 其逐步分解细化 直到达到要求 华中科技大学硕士学位论文 一 2 2 2 基于d s m 的设计过程重组 基于d s m 的设计过程重组分两个步骤完成 第一步是d s m 的分解 第二步是d s m 的割裂 此外 还引入了传输时间 依据传输时间对d s m 的割裂算法进行改进 综合 上述思路和想法 给出基于d s m 的设计过程重组框架如图2 2 基本步骤如下 1 d s m 分解 2 获取待割裂的耦合任务集 3 计算耦合集中任务问的传输时间 4 将耦合集割裂问题转换成求解赋权有向图最短路径问题 5 求解最短路径 并依此割裂耦合任务集 图2 2 基于d s m 和传输时同的设计过程重组 在图2 2 的框架结构中 设计过程重组的d s m 分解是将d s m 任务细化后杂乱无 章的设计任务进行整理和安排设计顺序 其目的是尽可能减少设计过程中大范围的迭代 和循环 也为获取割裂模块做准备 割裂是将设计过程中存在的大循环中的小迭代解开 达到避免无限循环和缩短设计和制造周期的目的 因此 割裂模块的选取可以直接从分 解后的d s m 中得到 基于传输时间的耦合集割裂算法将在第四章重点讨论 在此不再 赘述 值得注意的是 图2 2 中耦合集任务间的传输时间的计算 是本文提出的改进割 华中科技大学硕士学位论文 目 一 裂算法的基础 关于传输时间的分析和计算在第四章详细介绍 图2 2 中最后 步是整 个过程重组算法的目的之所在 2 3 设计过程的基本实现技术 依据上一节中的思路和方法 并经过对相关思路和方法的分析和研究 提出设计过 程建模和重组的实现技术框架 如图2 3 所示 募藉h e d f i 设 计 过 程 流 程 分析i i 映射原则 多 个 设 计 信 息 流 程 多 个 d s m 苴 个 d s m 分 解 d s m 基于 传输 时间 割裂 d s m 优化的 设计流 程 信息建模评估重组优化 图2 3 设计过程建模和重组实现技术总体框架 图2 3 从整体结构上给出了设计过程建模和重组的实现技术 针对其中的一些细节 问题 下面给予迸一步讨论 由设计过程流程到多个设计信息流程是通过分析得到的 一般而言 这一转换过程 是比较复杂的 尤其是涉及到很多设计信息的大型设计过程 因此需要借助于分析工具 来实现 考虑到本文涉及的复杂设计过程不是很庞大 因此可以依据设计流程直接对可 能存在的设计信息进行分析 得到可能存在的多个设计信息流程 图2 3 中的映射原则涉及到图论中的知识 e d f d 类似于有向图 而d s m 的转置 矩阵就是有向图的邻接矩阵 基于这些认识和图论中的一些理论 给出了由e d f d 到 d s m 映射的一般规则 d s m 的评估属于模型评价的范畴 在这方面的理论和方法已经有很多研究和探索 就具体的某些过程模型而言 通用的评选方法可能并不是太适用 因为具体的产品设计 系统的设计要素 时间限制 资源限制和产品要求都是不同的 而评选的依据和标准应 和这些因素有关 因此 在讨论d s m 模型的评估问题时 将结合具体产品开发设计过 1 4 华中科技大学硕士学位论文 程来进行说明 基于传输时间的d s m 耦合集割裂算法是本文的一个研究重点和难点 传统的d s m 割裂算法 都是基于某些给定的条件来割裂大循环中的小迭代 虽然这些给定的条件在 某种程度上反映了迭代中的任务之闯的关系和相互联系的程度 在通常情况下都是能使 割裂后的设计流程满足既定的要求 但这种割裂算法并没有完全反映出迭代中各任务间 的属性及其关联程度 尤其是在需要精确割裂的产品设计过程中 将会使产品的设计流 程存在较大的缺陷 直接影响产品制造和质量 本文提出的基于传输时间的割裂算法 在传输时间的评估和计算上考虑和分析多种因素 使得在此基础上的耦合集割裂更加符 合产品实际设计过程 2 4 本章小结 本章首先给出了产品设计过程建模和重组的总体思路 依据这一思路 对产品设计 过程中的两个重要方法进行了介绍 并描述了实现步骤 并对其中的一些问题和步骤进 行了简单的叙述 最后结合总体思路和两个关键的方法 给出了产品设计过程建模和重 组基本实现技术框架 针对实现技术中的几个问题 进行了简要的分析和说明 在后续章节中 将结合产品设计的一般过程 产品系统分析 设计过程建模和设计 过程重组等 对本章提到的方法和问题进行探讨和分析 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 基于设计结构矩阵的产品设计过程t 横 3 1 产品设计过程麓模概述 设计复杂产品的困难不仅与产品的技术复杂性有关 而且还与管理不同的工程设计 方法间的交互的复杂性有关 后者给设计过程增添了另外的困难 研究复杂问题的一个 十分可行和有效的方法是对复杂问题建模 通过模型来对复杂问题进行分析和认识 一 般来说 产品设计过程模型应包含产品本身的系统设计及组成该系统的子系统或部件的 设计 因此制造业企业对产品设计过程建模一般采取的设计策略有两类 硎 策略1 设 计过程产生多个可能的解 经过分析 比较与评价 确定一个较好的解 然后基于该解 建立模型来完成后续的设计过程和优化 策略2 设计过程中只产生一个解 依据该解 建立设计过程模型 然后对模型进行修改 完善和评价 如果该解是一个较好的解则进 行后续的设计 反之 产生另一个新解 直到找到一个较好的解为止 第 类策略是 以问题为中心 p r o b l e mf o c u s e d 的设计思想的体现 通过对问题 如产品功能和质量需求 的抽象 产生一系列可能概念 即多个解 然后依据产品系 统的特征来评价确定一个解 该策略特别适用于新产品开发设计 即产品的核心技术采 用了全新的原理 该策略可通过第一章中介绍的四种设计过程模型之一来实现 第二类策略是 以产品为中心 p r o d u c t f o c u s e d 的设计思想的体现 即待设计产