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產(chǎn)品設(shè)計過程中的改進(jìn)與優(yōu)化論文
產(chǎn)品設(shè)計過程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是一系列活動的集合，這些設(shè)計活動將市場需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，因此，對產(chǎn)品設(shè)計過程的規(guī)劃和持續(xù)改進(jìn)，實際上就是對設(shè)計活動的有效組織和管理。對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，主要集中在以下幾方面：對設(shè)計過程進(jìn)行優(yōu)化建模、規(guī)劃和重組；基于項目管理思想對設(shè)計過程進(jìn)行管理；基于工作流規(guī)劃實現(xiàn)設(shè)計過程管理等。上述研究主要是針對一般產(chǎn)品設(shè)計過程的改進(jìn)與優(yōu)化，提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。
實際上，企業(yè)實施的產(chǎn)品設(shè)計過程存在著很大的相似性，并且從對資源的依賴角度看，設(shè)計活動的執(zhí)行具有模塊化聚集特征，因此，可考慮從模塊化視角審視產(chǎn)品設(shè)計過程。當(dāng)前，模塊化技術(shù)己經(jīng)成為工程產(chǎn)品設(shè)計的主要趨勢之一，而產(chǎn)品的模塊化設(shè)計是模塊化技術(shù)最主要的應(yīng)用方面，相關(guān)研究集中在產(chǎn)品族部件和零件設(shè)計的模塊劃分、聚類和成本評估上。根據(jù)設(shè)計過程的過程工程思想，設(shè)計過程可以看成是一個特殊的產(chǎn)品，可以考慮將產(chǎn)品的模塊化設(shè)計思想引入產(chǎn)品設(shè)計過程，將設(shè)計過程劃分為一系列設(shè)計過程模塊，通過對設(shè)計過程模塊進(jìn)行有效規(guī)劃，構(gòu)建出優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計過程。韓國空軍研究院的HyeonjuSeol等人對設(shè)計過程模塊化進(jìn)行了研究，他們基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣(DesignStructureMatrix，DSM)定性地描述了設(shè)計活動之間的信息依賴關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，提出采用約束拓?fù)渑判蛩惴▽υO(shè)計活動進(jìn)行排序，進(jìn)而應(yīng)用模塊發(fā)現(xiàn)算法檢測設(shè)計過程中的模塊，這種方法為產(chǎn)品設(shè)計過程模塊化劃分提供了一種新的思路。然而，該研究采用布爾設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣定性地對設(shè)計活動之間的信息依賴進(jìn)行了描述，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)計過程模塊劃分，不能從量的角度進(jìn)行分析，降低了設(shè)計過程模塊劃分的精確性和可操作性，給設(shè)計過程的優(yōu)化管理造成了影響。
鑒于此，本文在己有研究基礎(chǔ)上，采用權(quán)重有向圖和模糊DSM對設(shè)計活動的信息依賴進(jìn)行定量表示，在此基礎(chǔ)上利用傳遞閉包法得到模糊等價矩陣，進(jìn)而將設(shè)計過程劃分為設(shè)計過程模塊，同時確定各個設(shè)計過程模塊的入出項（模塊之間以入出項進(jìn)行搭接)，為實現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計過程的規(guī)劃和管理提供有效支持。
1設(shè)計過程模塊化的原理及實施框架
1.1設(shè)計過程模塊化的原理及特點
絕大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計都是一個復(fù)雜的系統(tǒng)化過程，任何一個小的錯誤都可能給后續(xù)工作帶來無法估量的損失，這就要求設(shè)計人員在設(shè)計開始之前制定詳細(xì)有效的項目計劃，而傳統(tǒng)的項目計劃和管理工具，如計劃評審技術(shù)(ProgramEvaluationandReviewTech?nique，PERT)、關(guān)鍵路徑法（CriticalPathMethod，CPM)、甘特圖(GanntChart，GC)等都存在一定的局限，主要表現(xiàn)在：不能直觀描述設(shè)計活動之間的依賴關(guān)系；不能有效處理耦合迭代關(guān)系。
從集合論的觀點來看，產(chǎn)品設(shè)計過程是由一系列設(shè)計活辦旦成的復(fù)雜集合。設(shè)計過程中，上下游活動之間存在著不同程度的信息依賴關(guān)系。由于信息依賴強(qiáng)度不同，設(shè)計活動之間存在著一種集群關(guān)系，即呈現(xiàn)模塊化特征�？紤]設(shè)計過程這種內(nèi)在的模塊特性，可以將設(shè)計過程劃分為一系列模塊，以此對設(shè)計過程進(jìn)行有效規(guī)劃，構(gòu)建優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計過程。模糊DSM能夠簡潔、有效、定量地描述和分析信息流的交互關(guān)系，近年來被廣泛用于設(shè)計領(lǐng)域的實踐和應(yīng)用中。設(shè)計過程模塊化正是利用模糊DSM的這個特點，對產(chǎn)品設(shè)計過程進(jìn)行分解和規(guī)劃，以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程的優(yōu)化管理。
1.2設(shè)計過程模塊化的實施框架
產(chǎn)品設(shè)計過程本質(zhì)上可以從兩個維度進(jìn)行分析：i過程維，即從過程流(設(shè)計活動之間的信息依賴）的角度將每個設(shè)計活動看成是將一定輸入轉(zhuǎn)化為輸出的實體，上下游設(shè)計活動之間進(jìn)行設(shè)計信息的傳遞；°吾境維，描述了每個設(shè)計活動的設(shè)計規(guī)格和設(shè)計資源。設(shè)計規(guī)格規(guī)定了設(shè)計活動的設(shè)計參數(shù)、設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計所需要滿足的約束條件，是進(jìn)行設(shè)計活動的依據(jù)；設(shè)計資源表示設(shè)計活動完成所需要的設(shè)計人員、設(shè)計知識和設(shè)計工具。該實施框架包括以下幾部分：i將產(chǎn)品設(shè)計過程從過程維角度進(jìn)行分解，采用權(quán)重有向圖(WeightedDirectedGraph，WDG)、模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣（FuzzyDSM，F(xiàn)DSM)和傳遞閉包法（Transi?tionClosureMethod，TCM)將設(shè)計過程分解為設(shè)計過程模塊；④對分解的設(shè)計過程模塊進(jìn)行編碼，并存入數(shù)據(jù)庫；》從語境維的角度(設(shè)計規(guī)格和設(shè)計資源)對每個設(shè)計活動進(jìn)行分析，結(jié)合己分解的設(shè)計過程模塊，確定模塊屬性的相對重要度；根據(jù)設(shè)計過ing配置規(guī)則，形成設(shè)計過程模塊配置數(shù)據(jù)庫，結(jié)合設(shè)計過程模塊數(shù)據(jù)庫和配置數(shù)據(jù)庫，對變型產(chǎn)品的設(shè)計過程進(jìn)行有效規(guī)劃；^整個過程中，需要綜合運用各個步驟產(chǎn)生的過程信息。
2設(shè)計過程模塊
21相關(guān)定義
定義1設(shè)計過程模塊（DesignProcessMod?ule，DPM)，是一個表示設(shè)計過程邏輯單元的活動集合。以表示每個DPM包含的設(shè)計活動個數(shù)，若1，即表示DPM中至少包含一個設(shè)計活動。
定義2嵌套DPM(NestingDesignProcessModule，NDPM)，是指能被分解為子模塊的設(shè)計過程模塊。
定義3原子DPM(AtomicDesignProcessModule，ADPM)，是指不能被進(jìn)一步分解為子模塊的設(shè)計過程模塊。
根據(jù)系統(tǒng)論的思想，DPM可被層次化地分解為子模塊，直到無法再分為止。以圖2進(jìn)行說明，某產(chǎn)品設(shè)計過程可被分為五個一級DPM：DPMUDPM2，DPM3，DPM4和DPM5，它們位于最高層次。其中，DPMi和DPM5不能繼續(xù)分解，是ADPM，而DPM2，DPM3和DPM4可繼續(xù)分解為子模塊，為NDPM。DPM2，DPM3和DPM4可分別進(jìn)一步分解為子模塊(DPM21，DPM22，DPM23)、DPM31，DPM32，DPM33)和(DPM41，DPM42)。因此，子模塊組成更高層次的DPM，同時，子模塊還可包含子子模塊。
設(shè)計活動稱為DPM的入出項，記為AIO，是每個DPM和其他DPM之間進(jìn)行信息交互的接口，入出項AIO是入項AI和出項A〇的統(tǒng)稱。入項AI是位于DPM最上游的活動，與前一個DPM連接；出項A〇是位于最下游的活動，與后一個DPM連接。如圖3所示，AI(DPMi)=daii，A〇(DPMi)=da.2；Ai(DPM?i)=das，A〇(DPMi+i)=da^t，其中，day.(j=1，2，3，4，5)表示設(shè)計活動。
2.2設(shè)計過程模塊的圖示
如前所述，設(shè)計過程模塊分為ADPM和ND-PM。為便于形式化描述產(chǎn)品設(shè)計過程模型，給出設(shè)計過程模塊的圖形表示，如圖4所示。ADPM的表示如圖4a所示，采用結(jié)構(gòu)化表示方法，包括設(shè)計活動區(qū)、DPM序號區(qū)和原子標(biāo)志區(qū)。設(shè)計活動區(qū)包括DPM模塊的入項和出項，以及其他的設(shè)計活動；DPM序號區(qū)表明該DPM的序號，下標(biāo)用i表示（i=1，2，3，nn為設(shè)計過程中所有DPM的個數(shù))；原子標(biāo)志區(qū)用A表示，說明該DPM是ADPM。同樣地，NDPM也用三部分表示，分別是包含ADPM區(qū)、DPM序號區(qū)和嵌套標(biāo)志區(qū)。包含ADPM區(qū)包括組成該NDPM的所有ADPM，以及它們之間的內(nèi)在連接關(guān)系；DPM序號區(qū)表明該嵌套DPM在整個產(chǎn)品設(shè)計過程中設(shè)計過程模塊的序號，下標(biāo)用.表示(j=1，，，k，k<n)；嵌套標(biāo)志區(qū)用N表示，說明該DPM是NDPM。的改進(jìn)，其元素取值范圍是[0，1]，依賴模糊集的隸屬度，能定量反映出設(shè)計活動間信息依賴關(guān)系的強(qiáng)弱程度。
經(jīng)過以上分析，可結(jié)合WDG和FDSM的優(yōu)點，將設(shè)計過程中設(shè)計活動之間的信息依賴用WDG進(jìn)行表示，再將WDG定量化地映射為FDSM，在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)算法對設(shè)計過程進(jìn)行模塊化劃分。
3產(chǎn)品設(shè)計過程的DPM劃分
3.1權(quán)重有向圖與模糊DSM
要實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程的模塊化，首先根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，確定各項設(shè)計活動之間的信息依賴關(guān)系。然而，設(shè)計活動之間的信息依賴強(qiáng)度存在較大的不確定性和模糊性，因此，在表示設(shè)計過程時，可根據(jù)設(shè)計活動之間的敏感性和可變性來衡量設(shè)計活動之間的信息依賴強(qiáng)度，這種信息依賴的強(qiáng)度關(guān)系可采用0~0.9標(biāo)度的方法量化，分別用09，07，0.5，03和0表示依賴度很強(qiáng)、強(qiáng)、弱、很弱和無依賴情況。
WDG是一種能夠清晰表示出圖中各個節(jié)點之間相互影響程度的工具。這種特性使得WDG適合于對復(fù)雜設(shè)計過程中設(shè)計活動之間的依賴關(guān)系進(jìn)行表示。設(shè)計管理者在對產(chǎn)品的設(shè)計過程進(jìn)行初步分析后，可得出設(shè)計過程的WDG，但是這種圖形化的描述不能揭示出設(shè)計過程的結(jié)構(gòu)和規(guī)律，當(dāng)節(jié)點和有向弧的數(shù)量増多時，圖形規(guī)模會急劇増大，形成一個相互交叉的混雜網(wǎng)絡(luò)，不利于計算機(jī)進(jìn)行信息處理。
3.2設(shè)計過程的DPM劃分
3.2.1權(quán)重有向圖向模糊DSM的映射
假設(shè)產(chǎn)品設(shè)計過程中的設(shè)計活動daUda2，構(gòu)成一個論域U設(shè)計過程的WDG描述了論域U上設(shè)計活動之間的依賴強(qiáng)度，并由此得到設(shè)計過程的模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣。
3.2.2將模糊DSM轉(zhuǎn)化為模糊相似矩陣通常，設(shè)計過程中存在兩個設(shè)計活動之間的信息依賴程度不等的情況即rjXrj，，因此可采用效用理論構(gòu)建轉(zhuǎn)換函數(shù)x，y=(rj+〇；)/2，確定兩個設(shè)計活動之間的信息依賴關(guān)系，再利用夾角余弦法計算活動之間的相似系數(shù)。
3.2.3用傳遞閉包法劃分DPM模塊
定理1設(shè)S是n階模糊相似關(guān)系，則存在一個最小的自然數(shù)k(k<n)，使得S的傳遞閉包t(S)=Sk，且對于一切大于k的自然數(shù)I，恒有S'=Sk。
根據(jù)此定理，在不超過n次運算內(nèi)，即可求得L的傳遞閉包t(L)，從而得到一個模糊等價矩陣Lk。求得模糊等價矩陣后，給定DPM劃分粒度度量值(4)
可見，截矩陣為0-1矩陣。DPM劃分結(jié)果取決于劃分的粒度值KK越大，劃分結(jié)果越細(xì)，即給定DPM劃分粒度K，就可對設(shè)計過程進(jìn)行模塊劃分，確定相應(yīng)的DPM劃分結(jié)果。當(dāng)DPM劃分粒度最細(xì)時，每個設(shè)計活動作為一個DPM，模塊數(shù)量増加，決策時間長，決策成本提高，而且DPM之間的入出項増多，引起設(shè)計成本提高；當(dāng)DPM劃分粒度最粗時，整個設(shè)計過程作為一個模塊，若設(shè)計過程中的活動略有變化，則整個設(shè)計過程模塊就要發(fā)生變化，設(shè)計過程規(guī)劃的復(fù)雜度高，設(shè)計成本同樣會提高。實際應(yīng)用中，可以根據(jù)所設(shè)計產(chǎn)品的創(chuàng)新程度（即變型設(shè)計程度)，具體確定DPM劃分粒度度量值。33DPM入出項的確定設(shè)計過程模塊的入出項是每個DPM和其他DPM之間進(jìn)行信息交互的接口，因此，在得到DPM之后，需要確定其入項Ai和出項A〇，為建立設(shè)計過程模塊之間的連接關(guān)系奠定基礎(chǔ)。假設(shè)DPM有n個活動，其中每個活動da，DPM(1，2，…，n)的信息輸入和信息輸出關(guān)聯(lián)程度分別表示為Fi(i)和FO(，)，F(xiàn)I(，)的值可以由權(quán)重有向圖中設(shè)計活動da，向該DPM的其他設(shè)計活動輸入的權(quán)重之和得到，F(xiàn)o(i)的值可以由權(quán)重有向圖中該DPM的其他設(shè)計活動向設(shè)計活動da，的輸入權(quán)重之和得到。現(xiàn)給出確定A’和A〇的具體步驟：
步驟1確定DPM中每個設(shè)計活動的輸入信息FI⑴與輸出信息F〇(i)之比，計算尸，=作為DPM中設(shè)計活動i的信息依賴度指標(biāo)。
步驟2若min{P，}，1，2，...，n則設(shè)計活動da*成為DPM的入項JPAi(DPM)=da'；若Pi=max{P，}，V，=1，2，…，n，則設(shè)計活動dai成為DPM的出項，即A〇(DPM)=da。
步驟3若有多個設(shè)計活動的信息依賴度指標(biāo)P相等則讓FI小的設(shè)計活動成為入項，大的設(shè)計活動成為出項。將嵌套DPM劃分為ADPM之后，對各個ADPM繼續(xù)采用上述方法求解其入出項。
4實例分析
以某鋁型材產(chǎn)品設(shè)計過程為對象，說明DPM的形成以及基于DPM的設(shè)計過程規(guī)劃方法。鋁型材產(chǎn)品設(shè)計過程包括產(chǎn)品設(shè)計、可靠性分析、裝備選擇和外形設(shè)計等19個設(shè)計活動，根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗分析可知，該產(chǎn)品設(shè)計變型程度為中等級別。
4.1鋁型材產(chǎn)品設(shè)計過程的DPM劃分
(1)根據(jù)鋁型材產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗，得出各個設(shè)計活動之間的相互依賴強(qiáng)度，用WDG描述。DPM，這些DPM對設(shè)計活動之間的信息流關(guān)聯(lián)進(jìn)行了清晰的表達(dá)，各個設(shè)計活動的串、并行及耦合關(guān)系都由DPM體現(xiàn)出來。同時，在鋁型材產(chǎn)品設(shè)計過程中，基于DPM進(jìn)行過程的規(guī)劃和管理，能夠?qū)υO(shè)計活動之間的優(yōu)化執(zhí)行次序進(jìn)行確定，從而有效減少設(shè)計過程的反復(fù)與迭代，加速新產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)程。實踐表明，這種模塊化的設(shè)計過程規(guī)劃對于企業(yè)組織設(shè)計活動，以及合理配置設(shè)計過程中的人員、設(shè)備、時間等資源，都起到了很好的作用。
5結(jié)束語
從過程信息流角度將產(chǎn)品設(shè)計過程分解為DPM，便于設(shè)計管理者對復(fù)雜設(shè)計過程進(jìn)行分析、規(guī)劃和管理。本文結(jié)合權(quán)重有向圖和模糊設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，實現(xiàn)了對設(shè)計過程中設(shè)計活動之間信息依賴的定量表達(dá)，在此基礎(chǔ)上對設(shè)計過程進(jìn)行DPM劃分，為新產(chǎn)品設(shè)計過程的有效規(guī)劃和管理提供支持。實際上，設(shè)計活動之間的信息依賴強(qiáng)度是動態(tài)變化的，如何確保設(shè)計過程中DPM劃分結(jié)果不產(chǎn)生較大漂移，以更有效地支持設(shè)計過程規(guī)劃和管理，是進(jìn)一步研究的問題。
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