模块化的毛衫产品族设计及评价指标

刘艳梅， 王花娥

(嘉兴学院 设计学院, 浙江 嘉兴 314001)

模块化的毛衫产品族设计及评价指标

刘艳梅， 王花娥

(嘉兴学院 设计学院, 浙江 嘉兴 314001)

针对毛衫产品族设计中的模块划分规则不清晰、可操作性不强等问题，提出一种模块化的毛衫产品族设计方法。根据毛衫结构的特点，设计了模块划分规则:突出变型设计的方便性和产品族设计的通用性；将基于区域结构的横向模块、纵向模块与独立于区域结构的全身结构、装饰结构有效结合在一起，构成毛衫产品族的基本设计单元。另外，设计了一套模块化产品族设计的评价体系，根据多样性、通用性和新颖性3个指标计算出平均设计时间成本，并给出了评价指标与时间成本的关系、时间成本与企业收益之间的关系。验证结果表明，所设计模块化方法在不降低产品族通用性的同时，可提高产品族的新颖性，进一步提升产品族的多样性，从而降低设计时间与成本。

模块划分； 产品族设计； 评价指标； 大规模定制

随着社会的发展和生活水平的提高，人们不再满足于选择企业提供的标准产品，个性化、多样化需求越来越旺盛。对于企业来说，能够快速响应市场，在最短时间内开发出满足客户需求、定制的个性化产品极为迫切。在这种背景下，大规模定制生产方式成为取代大规模生产的新生产方式[1]。产品族设计是大规模定制的关键技术之一，因其能有效地实现大规模定制的思想而成为过去十几年来一个非常活跃的研究课题，并受到越来越多的关注。产品族设计的研究主要有2种类型[2]：基于组件或模块的产品族设计和基于参数尺度变化的产品族设计。模块化设计方法有利于实现标准化和规模化经济，已成为工程产品的主要发展趋势。

目前在产品族模块化设计方法和实施上，国内已有一定的研究。陈陌等[3]将产品族模块分为必选模块和可选模块，设计主从对策模型处理2类模块的组合问题。涂建伟等[4]提出一个基于模糊设计结构矩阵的模块化设计方法，基于模块功能部件间关联矩阵确定模块化设计任务的执行顺序。Koschke等[5]从模型演化的角度提出模块之间的转化关系。以上方法更多注重的是模型本身的描述，没有从产品整体结构上给出模块划分规则。李达等[6]根据领部件功能及几何相关性分配相应权重，对产品族等模块进行划分，吴永明等[7]对产品族中的核心系统划分为多个子功能模块。孟祥慧等[8]给出了模块优化准则，并以基于整数编码的遗传算法对模块规划问题进行求解。以上模块划分方法在制造业取得了较好的应用效果，而在服装产品族设计上的应用研究较少，李克兢等[9]提出通过服装工艺系统化规范化组织，应用产品族和模块组合的设计方法实现服装快速生产，但模块内容划分粒度较粗，变型设计困难。

毛衫大规模定制产业发展迅速，设计一种规则清晰、可操作性强的模型很有意义。基于此，本文设计了一种基于模块划分的毛衫产品族设计方法，划分规则很好地表达了毛衫的设计结构，同时给出了产品族设计的评价指标。

1 模块化产品族设计

1.1 模块化设计方法

模块化设计是对一定范围内不同功能、不同规格的产品划分并设计出一系列功能模块，通过组件和模块的选择和组合可快速构建不同的产品，以适应客户多样化需求的方法[10]。模块化设计方法缩短了产品开发周期，降低了成本，是实现大规模定制的有效手段[11]，适合应用于机械产品开发和服装产品开发等领域。

1.2 模块划分规则

模块划分是指对产品的总体功能进行分解，得到一系列基本功能单元，然后聚类成多个具有典型功能模块的过程[4]。在产品族变型设计中，大部分模块是不需要修改的，可大量节省设计成本和生产成本；另一方面，通过增加个性化的组件设计、对部分模块修改或者在重要功能模块中融入新技术，就能使产品达到焕然一新的效果[12]，因此，对产品要进行合理的模块划分，以达到低成本和高速度响应市场多样性、个性化的需求。毛衫产品与机械产品有较大的区别，毛衫产品主体结构的模块与其他模块之间的耦合度更大，不宜过度划分；附加结构的模块与其他模块之间的耦合度小，可划分为独立模块，实现延迟设计。毛衫产品模块划分应遵循以下规则：1)互换性。要通过模块的组合快速地构成产品，同类模块之间应该具有良好的互换性；2)结构完整性。保持模块结构独立完整，为组合设计和生产制造提供便利；3)个性化模块独立性。个性化模块通常是为特定用户的需要设计的，在描述其个性化需求时，模块独立更容易精确定位；4)易变型模块独立性。有些模块更适合作变型设计，单独对其修改能够将设计变化影响限制在尽量小的范围内，从而增加整个产品族的通用性。

2 毛衫产品族设计

2.1 模块划分

2.1.1 区域结构划分

纵向划分以有利于组成整体模块为原则，纵向将毛衫划分为左衣袖区、衣身区和右衣袖区。横向划分以衣身结构为主，兼顾衣袖的结构，因此，横向将毛衫划分为一区至三区。一区包括衣领、肩部和挂肩；二区包括胸部、腰部、臀部和袖中；三区包括下摆以及袖口。有些划分是为设计上的方便，比如衣袖，在生产时，仍是不宜分割的模块。以平肩套衫为例，其纵向和横向区域划分如图1所示。

2.1.2 独立结构划分

2.1.2.1 全身结构 有些组件或者模块适合于全身范围，不宜划分到纵横向区域中，将这样的结构称之为全身结构。全身结构包括纹理、图案等模块。

2.1.2.2 装饰结构 有些模块在衣身的布局中比较随意，根据客户的喜好，可放置在衣身或者衣袖的任意区域，比如口袋、装饰、logo等。

将区域结构、独立结构组合在一起，构成了毛衫的全局划分结构，如表1所示。

表1 毛衫的全局划分结构Tab.1 Global division structure of sweater

2.2 毛衫产品族设计流程

毛衫模块化产品族设计流程如图2所示。其实现过程如下：1)模块、组件库建立。当模块、组件库积累到一定规模的时候，模块的选择和组合才有余地。2)提炼需求。用户的需求往往是多样化的、个性化的，将用户个性化的需求提炼出来，形成相应的功能模块。3)产品族设计。从已有模块中挑选合适的模块设计产品族，横向模块基于衣身结构设计，纵向模块考虑了模块间的组合，全身结构设计从全局角度添加纹理、图案等辅助效果，装饰结构主要是局部设计。从模块、组件库中检索不到相同模块，则从检索到的相似模块中选择合适模块进行变型修改，或者和其他模块组合设计。若从模块、组件库中检索不到相似模块，则需要设计人员开发新模块，并完成产品族设计。4)产品族评价。理想的产品族有助于使得产品族既考虑产品多样性、满足更多客户的需求，又使得企业成本达到较低的水平。

3 产品族评价指标

一个完善的产品族设计框架，除包含产品族设计方法外，还应该有一套切实有效的评价体系。对产品族设计评价，目前大部分文献提出的方法是从单目标优化的角度描述的，尚缺乏系统全面的产品族评价指标。通用性和多样性是产品族的重要特征，是产品族评价指标研究的重点。如Siddique等[13]提出组件通用性、关联通用性和装配通用性，并计算出全局通用性指标；常艳[14]给出了多样性指标模型，但产品族评价指标大都应用在标准件等机械产品的设计上，且计算较复杂。本文研究设计了适合在毛衫产品族设计上的几个评价指标。

3.1 多样性

顾客需求的差异导致产品的多样性，产品族内每个产品变型有着不同的功能，以满足多样化的顾客需求；一个产品族中的产品共享结构、模块等，使得同一个产品族的产品变型又具有较高的相似性。

(1)

同理可得，产品变型Pi和Pj中所有相同组件的累加权重为

(2)

产品变型Pi和Pj的差异度表示为

(3)

产品族的多样性表示为

(4)

3.2 通用性

通用性指标可解释为产品族汇总通用组件与所有组件之间的比率。对于设计者而言，通用性高则表示设计的变更幅度小，成本低；反之，则说明设计变更幅度大，成本高。计算产品族通用性时，首先计算相比较的2个产品的相似度，产品变型Pi和Pj的相似度表示为

(5)

产品族的通用性表示为

(6)

3.3 新颖性

通用性指标较好地描述了同一产品族中产品变型之间变更的幅度。假设组件库规模较大时，以已有的组件、模块为基础作变型设计，若仅仅是现有组件的组合设计，虽然通用性指标很小，但工作量仍然不大，即通用性指标不能完全体现设计工作量和设计成本。为此，采用新颖性指标计算创新设计的成本。新颖性强调组件是否在某产品族设计中首次设计并使用，方便后续的时间成本计算。NIi表示产品变型Pi所使用的新设计组件的数量，NNi表示产品所使用的非新设计组件的数量。产品变型Pi中的所有新设计组件的累加权重为

(7)

式中：ξ为修正系数；k为新设计组件在产品族中使用的次数。设计ξk-1的目的在于，如果新设计组件在产品族中重复使用，则该组件相比于新设计组件在产品族中仅用一次的作用更明显，但随使用次数增加，该组件在每次使用时的分量在降低。ξ的取值范围在(0,1)之间，ξk-1随k的变大逐渐降低。以ξ=0.5为例，新设计组件在产品族中使用5次，ξk-1的取值如表2所示。

表2 ξk-1的取值Tab.2 Value of ξk-1

产品变型Pi中的所有非创新组件的累加权重为

(8)

产品变型Pi的新颖性表示为

(9)

产品族的新颖性表示为

(10)

4 实验与分析

为验证本文方法的合理性，以欧洲风产品族(产品族1)、长款休闲型产品族(产品族2)、秋款宽松型产品族(产品族3)以及实例库中的所有产品族设计为例，对产品族设计进行评价与分析。产品族1的产品变型如图3所示。

案例1：以产品族1和产品族2为例进行对比分析。2个产品族分别有产品变型15个，每个产品变型包含6～11个模块或者组件不等。

根据3小节设计的评价指标计算公式，可分别计算多样性、通用性和新颖性指标。评价指标的计算过程主要包含产品族内某产品变型和其他产品变型之间的比较关系，如2个产品之间的相同组件个数NS、不同组件个数ND、相同组件的累加权重WS、不同组件的累加权重WD、产品变型间的差异度DI、产品变型间的相似度SI等。以计算产品族1中的产品变型1和其他产品变型的多样性和通用性指标为例，对其计算过程进行分析，所用到的中间变量值如表3所示。

表中P2～P15分别表示产品变型2到产品变型15。两产品变型比较时，相同的组件数重复计算。从表3中可看出，P1和P2共用的组件数为3个，所以NS的第1个值NS1为6；P1和P2不共用的组件数为16个，所以ND1的值为16；P1和P2中所有相同组件的累加权重WS1为0.14，所有不同组件的累加权重WD1为0.46。在计算出每2个产品间的DI和SI性。案例1的评价数据如表4所示。

表3 评价指标计算时所用的中间变量Tab.3 Intermediate variables used to calculate evaluation indexes

注：本表中的数据均为产品变型P1与同一产品族中其他产品变型间的关联数据。

表4 案例1的评价指标Tab.4 Evaluation index of case 1

从表4可看出：产品族1的多样性比产品族2略高，但产品族2的通用性更好；产品族2的新颖性比产品族1高，说明产品族2使用的全新组件多，创造性高。从产品族1和产品族2对比结果看，产品族2通用性好，制造成本会降低；新颖性高，包含的创造性设计多。由此可见，产品族的多样性高，不一定是添加了很多的创新设计。

新颖性高同时也意味着设计时间成本高。用式(11)计算产品族1和产品族2的设计时间成本。

(11)

式中：N表示产品族中产品变型的个数。对于第i个产品变型的设计，tS表示从实例库中挑选一个组件或模块所用的时间，tD表示设计一个全新的组件所用的时间，tC表示组合组件、模块至成品所用的时间。从产品族1和产品族2的对比结果可看出，由于产品族2设计了较多的新模块，导致设计时间大幅提高。

案例2：对产品族3和实例库中的48个产品族进行分析。产品族3有20个产品变型，其中有5个组件是创新设计，但这5个组件在产品族3中使用频率较大。实例库中每个产品族包含13～25个产品变型，实例库中共有1 105个产品变型。案例2的评价数据如表5所示。

表5 案例2的评价指标Tab.5 Evaluation index of case 2

从表5可看出，产品族3的多样性、通用性和新颖性3项指标均比较高，而平均设计时间成本却较低，分析其原因是由于在产品族3中虽然设计了多个新模块，但其在整个产品族中的使用频率较高，增加了产品族的设计通用性，降低了总的设计时间，因此，产品族3是较完美的产品族设计。从实例库中的一千多个产品的评价指标上看，按照本文的设计思路也达到了较好的效果。从应用效果上看，基于模块的设计，由于其变形设计速度快，与用户沟通的成本将大大降低，而用户的满意度将会提高。

根据统计结果，多样性、通用性和新颖性与时间成本之间的关系如图4所示。图中评价指标和时间成本围成的区域为负收益区域，如图中灰色区域所示。为使负收益尽量小，在时间成本较小的情况下，企业收益达到最大。从时间成本上分析，如果时间成本太小，多样性和新颖性不够，不能满足客户需求，企业收益不高；如果时间成本太高，通用性不高，设计成本和生产成本升高，企业收益降低。时间成本在(C1，C2)内，企业的负收益较小，如图5所示，企业的总收益也趋向于最大。从而达到了在满足客户对产品多样性、个性化需求的同时，企业的收益也达到最大水平。

5 结 语

本文根据毛衫结构的特点，设计了模块划分规则，突出变型设计的方便性和产品族设计的通用性。基于此规则，设计了具有一定规模的模块、组件库和产品族案例库进行验证，既考虑了用户的多样化需求，又兼顾设计时间成本与企业收益，达到了较好的平衡。在评价指标设计上，多样性和通用性指标是常用指标，本文做了一些简化处理，方便计算。新颖性指标是本文新设计的指标，原有模块的任何修改都将被认为一个全新的模块。如果记录原有模块的特征数据，可通过相似度计算的方法比较新模块的创新性和工作量，数据指标将更有说服力，这将是今后进一步研究的目标。

FZXB

[1] 单汨源,李果,陈丹.大规模定制产品族设计方案多维物元关联评价研究[J].计算机集成制造系统,2006,12(7): 1146-1152. SHAN Miyuan, LI Guo, CHEN Dan. Multidimensional matter-element relative evaluation for scheme of mass customization product family design[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems,2006,12(7): 1146-1152.

[2] JIAO Jianxin, SIMPSON T W, SIDDIQUE Z. Product family design and platform- based product development: a state-of-the-art review[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2007,18(1):5-29.

[3] 陈陌, 杜纲, 支华炜. 基于模块属性组合的产品族主从关联设计[J].中国机械工程,2015,26(1):25-30. CHEN Mo, DU Gang, ZHI Huawei. Leader-follower joint design of product family based on module attribute combination[J].China Mechanical Engineering,2015,26(1): 25-30.

[4] 涂建伟, 李彦, 李文强, 等. 基于FDSM的产品族设计模块化方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011(8):16-20. TU Jianwei, LI Yan, LI Wenqiang, et al. Method for product family modular design based on fuzzy design structure matrix[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2011(8):16-20.

[5] KOSCHKE R, FRENZEL P, BREU A P J, et al. Extending the reflexion method for consolidating software variants into product lines[J]. Software Quality Journal, 2009,17(4): 331-366.

[6] 李达, 仲梁维. 产品族广义模块化设计研究[J].现代制造工程, 2015(7): 66-70. LI Da, ZHONG Liangwei. Research of product family generalized module design[J].Modern Manufacturing Engineering, 2015(7): 66-70.

[7] 吴永明, 侯亮, 赖荣粲. 一种面向产品族设计的模块动态规划方法[J].计算机集成制造系统2013,19(7):1456-1462.

WU Yongming, HOU Liang, LAI Rongshen. Dynamic planning of module for product family design[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2013,19(7):1456-1462.

[8] 孟祥慧, 蒋祖华. 面向产品族设计的模块规划[J].上海交通大学学报,2006,40(11): 1869-1872,1876. MENG Xianghui, JIANG Zuhua. The module planning for product family designing[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2006,40(11): 1869-1872,1876.

[9] 李克兢,崔世忠.模块化服装快速生产设计系统的开发[J].纺织学报,2006,27(1):50-53. LI Kejing,CUI Shizhong. Development of modular design and manufacture of apparel[J].Journal of Textile Research,2006,27(1):50-53.

[10] 王克喜. 大规模定制下参数化产品族多目标智能优化方法与应用[D].长沙:湖南大学,2011:13-25. WANG Kexi. Methods and applications for multi-objective intelligent optimization on scale-based product family under mass customization[D].Changsha:Hunan University,2011:13-25.

[11] SIMPSON T W. Product platform design and optimization: status and promise[J]. Artificial Intelligence for Engineering Design, Analysis and Manufacturing, 2004, 18(1): 3-20.

[12] 杨勤, 肖钦兰, 彭敏. 产品族的模块化设计方法研究与应用[J].机械设计与研究,2014,30(1):2-8,16. YANG Qin, XIAO Qinlan, PENG Min. Study and application on the method of product family modular design[J].Machine Design and Research, 2014, 30(1):2-8,16.

[13] SIDDIQUE Z. Assembly process selection to minimize existing assembly system modification cost during new product family member design[C]// DETC2005, Long Beach: American Society of Mechanical Engineers, 2005: 1019-1028.

[14] 常艳. 快速响应客户需求的产品族设计方法研究[D].杭州:浙江大学,2008:37-43. CHANG Yan. Research on methodology of product family design for rapid response to customers′requirements[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2008: 37-43.

Modularized product family design method of sweater and evaluation indexes

LIU Yanmei, WANG Hua′e

(CollegeofDesign,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001,China)

In view that the rules of module partition are less clear and some are not so feasible in the product family design of sweater, a modularized product family design method of sweater is proposed. According to the structural characteristics of sweater, module partition rules are designed, which emphasize on the convenience of variant design and the generality of product family. Body regional structure-based horizontal module and vertical module are effectively combined with the whole structure and the decorative structure which is independent from the regional structure to constitute the basic design unit of the sweater product family. Furthermore, evaluation indexes of the modularized product family are designed, through which the average time cost of design is calculated according to the three indexes including diversity, universality and novelty. At the same time, the relationships of evaluation indexes and time cost, and time cost and enterprise profit are given. Experimental verification shows that the proposed modularization method can improve the novelty and diversity while without reducing the universality of the product family, so as to achieve the purpose of reducing the design time cost.

module partition; product family design; evaluation index; mass customization

10.13475/j.fzxb.20151100907

2015-11-03

2016-08-21

浙江省教育厅科研项目(Y201533781)；嘉兴市科技计划项目(2014AY11018)

刘艳梅(1975—)，女，讲师，硕士。主要研究方向为针织服装设计、服装大规模定制。E-mail：yanmei0_lym@163.com。

TS 941.26

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