模塊化產(chǎn)品變更系數(shù)的多尺度建模技術

模塊化產(chǎn)品變更系數(shù)的多尺度建模技術

0模塊化設計方法考慮到全球市場競爭，公司只有持續(xù)縮短開發(fā)時間，提高質量和成本，才能贏得競爭。模塊設計通過重組產(chǎn)品結構和項目流程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質量和成本，降低產(chǎn)品成本。它不僅可以快速響應市場變化的需求，而且可以加快產(chǎn)品創(chuàng)新和新產(chǎn)品推出速度。因此，基于產(chǎn)品生命周期的開發(fā)設計已成為現(xiàn)實的需求。根據(jù)不同的模塊化產(chǎn)品設計目標,學術界提出了許多支持模塊化設計的產(chǎn)品信息表達的方法。在結構模型方面研究文獻主要有:Hwai-EnTseng和YasushiUmeda提出的產(chǎn)品模型由產(chǎn)品幾何結構模型和零部件關系圖組成;劉建剛等給出了聯(lián)系信息流量的計算方法;錢曉明等提出一種基于裝配拓撲樹和零件拓撲樹的產(chǎn)品結構模型。在模塊模型方面,徐載齊等將模塊化產(chǎn)品模型分解為產(chǎn)品方案模型、模塊模型和接口模型三種模型;劉紅良提出以模塊模型為結構單元進行全局模型的構建。在產(chǎn)品服務模塊化的研究方面,P.P.Wang等將產(chǎn)品服務系統(tǒng)分為六個維度,并將模塊化開發(fā)分為功能、產(chǎn)品、服務三個模塊化過程;王忠杰等以超圖作為描述工具,提出了分層的價值依賴模型,并將其表示為價值依賴超圖的形式。但上述方法仍存在如下不足:1)過分依賴產(chǎn)品的結構和功能,對產(chǎn)品開發(fā)過程的研究較少,離開功能結構的前提就無法進行下去;2)大多數(shù)用于開發(fā)新產(chǎn)品的模塊化結構,不適用于對已有產(chǎn)品的模塊化變型設計。針對這些不足,作者借鑒了文獻中超圖工具的思想,引用關聯(lián)超圖描述產(chǎn)品的模塊化開發(fā)過程,建立服務流關聯(lián)模型,并利用結構化超圖建立了零部件和模塊模型;為了描述各模型之間的聯(lián)系,引入了多尺度分析理論,將各個尺度上的信息進行最優(yōu)綜合。1模塊化產(chǎn)品模型建立如圖1所示,本文引用了超圖理論和多尺度思想將模塊化產(chǎn)品模型分解為過程服務模型、模塊模型和零部件模型三種模型。本文所提的模塊化產(chǎn)品模型主要是針對已有產(chǎn)品的變型設計,利用關聯(lián)超圖建立模塊化設計的過程模型,并引入結構化超圖來構建相應的結構化模型,為變型設計提供零部件關系和模塊結構層次關系。同時引入多尺度信息融合技術對零部件和模塊模型進行數(shù)據(jù)融合,為變型設計提供重要的約束數(shù)據(jù)源。1.1服務流關聯(lián)超圖網(wǎng)絡產(chǎn)品的模塊化設計過程是一個從抽象不斷進行細化的過程,要經(jīng)過不同的階段。作者定義了產(chǎn)品服務流的概念,并將模塊化設計過程分為需求分析、功能分析、結構分析、模塊分析、產(chǎn)品族分析等幾個階段。定義1產(chǎn)品服務流S是與客戶需求相呼應,為滿足客戶對產(chǎn)品本身的功能模塊、結構模塊等需求而提供的一種帶有連續(xù)流動性質的一種服務形式;在本文中,作者將需求流R、功能流F、結構流ST、模塊流M、約束流C等定義為產(chǎn)品子服務流。本文以產(chǎn)品變型設計的模塊化過程為例,圖2、圖3是利用關聯(lián)超圖網(wǎng)絡來表示功能分析和模塊分析兩個階段所對應的服務流的方法。圖2是頂層關聯(lián)超圖網(wǎng)絡的頂層關系圖,Mt1.1和Mt′1.2分別代表模塊分析階段的舊產(chǎn)品模塊流和變型后產(chǎn)品模塊流,s-Mt′1.2代表從舊產(chǎn)品到變型后的模塊流路徑,C4.1是約束流對象。圖3是單元服務關聯(lián)超圖網(wǎng)絡,有4個單元模塊的子服務流s-M1t′1.2、s-M2t′1.2、s-M3t′1.2、s-M4t′1.2。服務流關聯(lián)超圖網(wǎng)絡中的頂點對應于模塊化產(chǎn)品設計過程中各種實體服務對象(主要是業(yè)務對象),超邊對應于產(chǎn)品模塊化設計過程中的聯(lián)系對象。關聯(lián)超圖網(wǎng)絡中的約束流C14.1、C24.1、C34.1、C44.1的具體內容將在結構超圖中進行表達。1.2多模型的跟蹤和管理在基于結構化超圖的多尺度建模過程中一個重要方面是合理構建各種實體對象和數(shù)據(jù)對象以及它們之間的各種聯(lián)系。本文所提出的多尺度模型的特點是對模塊化設計過程中不同設計階段的產(chǎn)品信息進行分類、組織和管理,多尺度模型所包含的產(chǎn)品信息不僅適用于一個產(chǎn)品模型,而且適用于多個產(chǎn)品模型,因此在多尺度模型中一個對象的改變會引起其他模型的相應變化,需要對這些動態(tài)的聯(lián)系進行跟蹤和管理。零部件模型用一個關聯(lián)矩陣A和一系列約束規(guī)則f(Ei)描述:關聯(lián)矩陣A中aij等于0或1;當aij=0時,表示xi沒有在約束f(Ei)的作用范圍內,當aij=1時,則相反。產(chǎn)品的模塊模型可用結構化超圖和對應的超圖集合矩陣Q={bij}來表達,即:上式中bij的值為0或1,當xiuf0ceHj時,bij=1;反之bij=0;根據(jù)定義當超圖Hi中的頂點集合全部包含在Hj中相應的其所含有的頂點的聯(lián)系即超邊也必在Hj中則Hi是Hj的子超圖,則通過超圖集合矩陣Q推出M(28)uf07bH0,H1,...,Hkuf07d中的包含關系,即父子關系。1.3鋼板彈簧的模塊化超圖模型本文以汽車鋼板彈簧的結構化模型為例,構建零部件模型和模塊模型。汽車鋼板彈簧的零部件用超圖的頂點來表示,每個頂點都是一個集合,包含了零部件的所有信息。用x1,x2,…,x12分別代表相關的零部件,各零部件之間的約束關系以超邊表示。零部件之間的約束關系用超邊表示,這樣就得到了基于超圖的零部件模型,如圖4中左圖所示。假設約束規(guī)則已給出,零部件模型的關聯(lián)矩陣A可表示為:利用結構化超圖理論,通過對鋼板彈簧的超圖模型進行結構化處理,可以得到如圖4中右圖所示的鋼板彈簧的模塊超圖模型。從圖中可以看出,鋼板彈簧的模塊層次可以分為三級,即一級模塊層(H0),二級模塊層(H1、H2、H3),基礎模塊層(H4、H5、H6、H7)。根據(jù)圖3,模塊超圖集合矩陣Q可表示為:綜上,盡管超圖集合矩陣Q={bij}能夠表達模塊與零部件之間的對應關系,但卻不能充分表達模塊之間的約束關系,需利用多尺度建模來把零部件之間的約束映射在模塊模型層上,進而表達模塊之間的約束。2多尺度估計算法根據(jù)上節(jié)得出的零部件關聯(lián)矩陣A和模塊超圖集合矩陣Q進行多尺度數(shù)據(jù)融合,首先建立動態(tài)模型為:A(sa)表示各零部件的狀態(tài)向量,Q(s)表示模塊的狀態(tài)向量。他們分別由矩陣A和Q表示,式中的Φ(sa)表示矩陣A和Q之間的動態(tài)關系。這里引用文獻中的多尺度估計算法經(jīng)過向上濾波和向下平滑估計算法,可以把零部件之間的約束關系信息映射到模塊層上,得到約束對象C14.1、C24.1、C34.1、C44.1的具體表達:其中C代表了各模塊間的約束內容,為下一步的變更影響分析提供依據(jù)。變更影響范圍的分析過程為:首先判斷受到影響的模塊的可更改度,若滿足要求則根據(jù)結構模型將需求映射到零部件需求,若不滿足則直接從模塊庫中挑選新的匹配模塊,那么根據(jù)模塊結構模型將這個模塊下的所有零部件納入變更范圍。根據(jù)結構模型將模塊需求映射到零部件模型,然后根據(jù)零部件之間的約束關系判斷需要更改的零部件,這樣就可以得到具體的變更范圍。變更范圍的確定遵循從上到下的原則,整個流程是在多尺度分析的基礎上將過程模型和結構模型有機融合到一起,從上到下的確定變更范圍的流程。3模塊化產(chǎn)品設計過程的形式化描述本文在對模塊化產(chǎn)品形成過程分析基礎上,引入關聯(lián)超圖網(wǎng)絡的概念對模塊化產(chǎn)品形成過程進行形式化描述,表達了模塊化產(chǎn)品變型設計過程中信息在各零部件和模塊之間的關系,采用關聯(lián)超圖網(wǎng)絡對模塊化產(chǎn)品設計的過程進行形式化描述。引入結構化超圖分別對零部件模型和模塊模型進行形式化描