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