产品平台设计的可适应性研究与评价

2019-09-27孙剑萍汤兆平

制造业自动化 2019年9期

孙剑萍，汤兆平

SUN Jian-ping,TANG Zhao-ping

（华东交通大学交通运输与物流学院，南昌 330013）

0 引言

基于产品平台的产品族设计和生产是实现大规模定制（Mass Customization，MC）的有效策略。由于客户需求的多样化和个性化、市场竞争态势的瞬息万变、技术发展的日新月异以及全球经济、资源和环境的动态变迁，大大加剧了大规模定制生产模式下技术和商业环境的不稳定性，导致企业快速预测产品未来功能、技术、性能、外观和尺寸等需求发展变化并敏捷做出响应的难度越来越大。与此同时，产品功能-结构-技术的复杂性不断提高以及它们之间的相互影响，增加了产品平台设计及生产过程的复杂性，影响其功能和服务的延伸与扩展，即可适应性。因此，可适应设计应更多考虑需求、市场与技术等方面的复杂动态不确定性，旨在扩展设计和产品的效用，强调设计的重用、产品提升和延长使用寿命。

可适应设计包括合理化的功能结构、可适应模块化构架、可适应接口以及设计与产品的可适应性评价等四大基本要素[1]，目前已经成功应用于各种系统、产品及平台的开发，为企业建立产品快速设计及制造的响应机制，提高企业的市场竞争力奠定了基石。针对产品的可适应性，徐仟[2]基于可拓理论和面向对象技术，结合转向架模块特性，提出了高速列车转向架可拓适应性变型设计方法；Cheng Q[3]建立了产品适应性评价模型，从产品的本质适应性和行为适应性两个方面进行了度量；陈永亮[4]等利用信息熵表征产品设计的不确定性，通过计算结构配置图和功能结构图的可适应度，对产品的可适应性进行评价；满佳等[5]基于价值工程理论，以用户使用产品后获得的效益与完成这一系列任务所消耗资源量的比值作为评价产品可适应性的指标。在平台可适应性方面，Schuh G[6]提出了适合于实现未来产品变体和更改自由度的模块化产品平台设计方法，提高了平台的可适应性；千红涛[7]以平台指数和调节指数区分柔性模块中的平台参数和独立参数，通过识别柔性模块中的平台组件和调节组件，实现环境试验箱产品平台的可适应设计；程贤福[8]从平台的重用性、定制性、接口柔性和升级能力四个方面考虑，以公理设计理论中的信息量作为测度，衡量平台适应客户需求更改的能力，提出了平台设计可适应性的计算方法。在设计可适应性方面，Li[9]考虑所有的结构或功能特征以及客户满意度、制造成本、销售价格、市场销售和间接因素的随机性，构建了基于贝叶斯网络的定量产品进化设计模型，对产品的结构功能演化进行了设计适应性研究；Tumer[10]从可靠性、健壮性、生存性和可更改性等方面对产品设计适应性进行定义，提出了基于效用和设计变更成本、产品体系结构特征更改两种设计适应性评估方法，研究需求变化下的设计适应性度量问题。

现有研究成果主要围绕产品的可适应、平台可适应性以及设计可适应性的度量与评价，而鲜见对产品平台设计的可适应性进行研究。产品平台设计是一个集技术、经济、市场、环境等多方面因素为一体的复杂综合工程。为应对设计需求的变化，如何在功能或结构上通过很小的设计改变、以尽可能快的速度和尽可能低的成本提供产品平台的衍生、更新与升级，实现产品平台的动态更迭与不断演进，提升派生产品的竞争优势。本文构建了产品平台设计的可适应性评价指标，以现有的平台设计在适应性要求上所处的状态相对于理想平台设计状态的隶属匹配度作为模型的初始数据，提出了基于熵理论赋权和改进TOPSIS法的产品平台设计适应性分析的模型与方法。从平台设计的动态发展角度对平台设计的可适应性进行系统、全面的研究与评价，并将其应用于复合式土压平衡盾构机平台设计的适应性分析，为提高复杂产品平台设计的可适应性提供了可操作的思路。

1 可适应性产品平台设计的动态更迭机理

产品平台设计的可适应性是指产品平台设计应对未来需求变化与设计要求变更的能力，即针对新的需求进行产品平台再设计的能力。由于市场需求的动态变化以及企业核心技术的不断升级，产品平台的设计必然是一个面向产品全生命周期的往复迭代的时变过程，以满足不同需求及需求变化的可适应性为评价标准，提供具有快速响应客户需求的动态变化能力、产品变型的重用性能、产品快速配置和可定制能力以及良好可扩展性的产品平台为目标。然而产品平台可适应的多目标设计过程存在多方面性能的博弈，需要在多性能间均衡[11]。单从操作层面通过平台内部的协调，难以从根本上提高平台的可适应性。为此，在产品平台规划之初，就要以全局的眼光，考虑平台的派生、更新及升级，并对未来经济利润做出预估，规划平台功能和拓扑结构的优化、模块的柔性化、接口的标准化等，保证平台良好的派生效率和产品族较好的市场商业效果，从而实现平台的可持续发展。

对于可适应性产品平台设计而言，关键在于确定产品平台中客户共性需求设计参数（公共参数、平台参数）与最优通用值，以及客户个性化需求设计参数（变型参数与定制参数）和变化范围。在保证产品平台拓扑结构不被破坏的前提下，客户个性化需求设计参数值可在一定约束范围内进行水平或垂直调节。水平调节的本质是低层次横向配置设计，通过对变型参数的添加、替换或移除，得到产品平台变体，派生的产品将以新的结构满足不同的功能性能要求（性能质变）；垂直调节的本质是深层次的纵向可定制设计，以结构相同，而设计参数存在大小差异进行产品平台升级，派生出功能相似，但性能差异（性能量变）的系列产品（如图1所示）。通过对现有平台的改型设计，并不断拓展、更新与升级，可使产品族得到进化发展，加速其适应需求和技术演变的能力。

2 产品平台设计的可适应性评价指标

产品平台设计的可适应性体现在平台设计本身及其设计的产品平台能够适应社会经济、环境、资源的动态变迁，技术的进步以及用户个性化需求的进化。因此评价其可适应性，不仅应考虑产品平台的实现，更应关注其衍生、扩展、提升等适应能力的可能性，保证产品平台的最佳生存力及企业利益最大化的潜能力[12]，具体对以下五个指标进行分析。

图1 可适应性产品平台设计的动态更迭机理

2.1 功能适应性

功能作为客户需求的映射分析结果，驱动着整个设计过程与各项设计活动。满足潜在的需求是产品平台设计的最大优势，所以产品平台不仅要面向现有产品的顾客需求，更要考虑未来的变化与发展。产品平台设计的功能适应性是指充分再利用产品资源及设计信息资源，通过产品平台的功能拓展、升级换代和适应性变型，对现有客户需求和未来个性化需求进行自动适应的程度。在满足技术可行性的前提下，平台功能的可扩展性是决定平台派生产品能力以及产品族开发成本的关键因素。

2.2 结构适应性

可适应设计是一个功能驱动结构设计的过程，且功能和结构相互对应。一方面，产品平台的功能通过具体的结构来实现，故产品平台功能的拓展应根据所要满足的需求选择合适的产品平台形态；另一方面，产品平台设计在保持原有平台主要功能不变的基础上，通过选择或改变影响平台主要性能的功能参数，相应改变平台的结构形式。结构化、可拓展的产品平台应是动态的，其可适应性设计须注重结构在适应新需求及环境变化时重用产品和设计的能力，包括结构的合理性、零部件的可加工性，以及零部件的标准化和通用化程度，涉及到产品平台的具体形式和参数。

2.3 环境适应性

复杂多变的环境制约和影响着产品平台设计的整体竞争能力。环境的适应性也是产品平台设计的重要特征之一，它主要强调企业能够运用资源去适应外部环境和内在条件的变化，即将企业的资源和能力与环境中出现的机会相匹配，反映对产品平台设计应对环境动态变化的能力，即环境的可适应性。产品平台设计是否成功，取决于它与企业内外部环境相匹配的程度，需要寻求内外部环境和产品平台设计的最佳结合。

2.4 技术适应性

技术是企业核心竞争力的重要组成部分，企业之间的较量很大程度上是技术适应性的比拼。技术的适应性主要体现在两个方面：一是各种技术之间的适应能力，是某技术针对其他相关技术变化产生的应对与协同能力，即技术间的相互适应性。二是技术对环境变迁的适应能力，即技术因环境变化而采取的应对行为，最终呈现出技术性能、工艺性能、兼容性、易用性、可靠性以及适用面等方面的变化，反映技术对环境变化的适应能力以及环境对该项技术的偏好程度和容纳能力。技术与技术之间、技术与环境之间的协同演化结果是在不同技术元素配置之间以及技术与环境之间获得最佳的匹配，这种匹配性可反映产品平台设计的技术适应性。

2.5 经济适应性

经济效益是企业进行产品平台设计的核心目标，经济性原则强调以尽可能小的代价与消耗来换取尽可能大的经济价值。所以产品平台设计时必须考虑功能设计、结构设计、造型设计、材料选择设计的经济性，以及设计的制造成本等多方面因素，将宏观经济效益与微观经济效益、短期经济效益与长期经济效益相结合，保证产品在满足必要功能的前提下，尽量加快开发速度、缩短开发周期、扩大市场空间、提高市场占有率和客户满意度、降低开发成本与制造成本，取得最大收益，这种回报收益可体现产品平台设计的经济适应性。

3 产品平台设计的可适应性分析的模型数据

产品平台设计在生命和应用能力上的扩展称为适应过程。本文以现有的平台设计在适应性要求上所处的状态，相对于理想平台设计状态的隶属匹配度作为产品平台设计可适应性分析模型的初始数据。

设产品平台设计P可分解为n个可适应性设计任务（可适应设计任务集TP表示为TP={TP1，TP2，…，TPn}），其第i项设计任务为TPi（i=1，2，…，n）；现有的平台设计为O（source），理想平台设计为D（target），S（D，O）表示现有的平台设计O所处的适应性状态相对于理想平台设计D状态的隶属匹配度，其在[0,1]区间上取值，1表示完全匹配，0表示完全不能匹配；S（Dij，Oij）表示即第i项设计任务的第j项指标适应性上的局部隶属匹配值。则：

式(1)中，aij表示第i项设计任务在第j项指标的适应性上的匹配度占整体匹配度的权重。

现需对每项设计任务进行m项指标的适应性分析。设O与D的设计特征向量分别为ROij=（rOij1，rOij2，…，rOijT）和RDj=（rDj1，rDj2，…，rDjT）。xij定义为平台设计P执行其第i（i=1，2，…，n）项设计任务TPi时，在第j（j=1，2，…，m）项指标的适应性要求上的匹配度。xij构成的数据原始矩阵为X=（xij）n×m。

式(2)中，λijk表示第i项设计任务在第j项指标的设计特征向量的第k个元素的权重；S（rDijk，rOijk）为对应设计特征元素之间的匹配度。

计算rDijk与rOijk之间的匹配度S（rDijk，rOijk），首先要选择一个合适的隶属函数，常用的有三角函数、梯形函数和高斯函数[13]。考虑到现实工程中rDijk与rOijk多服从正态分布，用高斯函数能够得到更为有效的结果，因此本文选取典型的高斯函数。若rDijk与rOijk为数值型属性，则它们之间存在6种可能的关系：“=”、“＞”、“≥”、“＜”、“≤”及介于两者之间[14]。通过构造不同型式的高斯函数来计算两者之间的隶属匹配度。若rDijk越小，相对rOijk的匹配度越高，则构造偏小型函数；若rDijk越大，相对rOijk的匹配度越高，则构造偏大型函数；而若rDijk取中间范围值，相对rOijk的匹配度越高，则构造中间型函数。此外，若rDijk与rOijk为定性属性则需构造定性属性型函数。

1）偏小型：

2）偏大型：

3）中间型：

4）定性属性型：

式(3)～式(5)中，σ为高斯函数宽度。本文采用6σ作为特征函数定义域。

4 产品平台设计的可适应评价方法

TOPSIS法作为多目标决策分析的一种有效方法，具有原理直观，对样本的要求不高等优点。但也存在权重的确定比较主观随意，且不易求出正、负理想解等缺点[15]。本文在建立产品平台设计的可适应性评价模型原始矩阵的基础上，将熵权法与改进的TOPSIS法相结合，利用信息熵客观赋权，并在TOPSIS法具体操作中对数据矩阵进行规范化处理，限定正、负理想解的取值范围，简化其求解。具体过程如下：

1）对原始矩阵X进行数据规范化处理，得矩阵Y=（yij）n×m，即：

式(8)中yij∈[0，1]。i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

2）计算第i项设计任务占第j项评价指标适应性的比重：

3）计算第i项设计任务的熵值ei：

式(10)中，熵值ei∈[0，1]。

4）计算第i项设计任务在设计适应性上的优势度gi：

gi是基于信息熵理论对适应性最直观的反映。对于给定的i，xij的差异性越小，则ei越大，gi越小，反映该设计任务Tpi对平台设计各方面适应性的影响程度越小，也就是该设计任务对适应性评估提供了较小的贡献值，适应性越弱。通过优势度分析，可以间接反映平台设计的各项设计任务的适应性大小或强弱。表1列出了适应性优势度评价的等级划分[16]。

表1 适应性优势度评价等级划分

5）计算第i项设计任务的熵权值ωi：

式中：0≤ωi≤1，∑ωi=1（i=1，2，…，n）。

6）构造加权规范矩阵R=（rij）n×m，如式(6)所示。

7）确定正理想解A+和负理想解A-。

传统TOPSIS法正负理想解的元素分别为指标中的最优值和最劣值，因取值范围宽泛，求解过程较为繁琐。现对TOPSIS法进行改进。在式(8)中规范化矩阵Y的任意元素yij∈[0，1]，使最低与最高目标属性取值分别限定在0和1之间。针对平台设计适应性的5项指标，正理想解均希望现有的平台设计在适应性要求上所处的状态相对于理想平台状态的隶属匹配度最大，故均有。即正负理想解分别为：

8）计算平台设计的可适应性评价各项指标与正负理想解的欧式距离，即：

9）计算各项指标的适应性与理想解之间的相对接近度cj：

10）按相对接近度的大小对各项适应性指标的适应性进行排序，cj越大，相应的适应性指标的适应性越强，反之，则越弱。

5 应用实例

复合式土压平衡盾构机属于复杂的巨型施工机械，适用于高透水的砾砂土层或卵（砾）石土层中的掘进，其参数设计与制造需要结合具体的地质条件和施工要求，进行“量体裁衣”的配置，具有“定制化”的明显特点。下面以复合式土压平衡盾构机为例，分析该平台设计的可适应性分析与评价过程。

1）产品平台的主要设计参数。土压平衡式盾构机总质量：520t，装机总功率：1744.6KW，最大掘进速度：80mm/min，总体外形尺寸：Φ6280×75000mm。开挖直径是盾构机最重要的性能参数，将它作为该机型平台的特征参数。其次是刀盘驱动功率、掘进速度、掘进模式、盾体结构等，如表2所示。

2）产品客户需求。现客户需定制一台开挖直径为Φ6400mm的复合式土压平衡盾构机，其主要技术参数如表3所示。由于水文地质构造、开挖直径、施工的长度与线型等不同，则相应机构的参数如功率、装备扭矩、刀盘刀具尺寸及布置等可能会不同。另外，客户提出了自动泥浆保压、管片一次调运等定制的个性需求，这需要通过计算，水平或垂直调节相应的可适应设计中的变型参数与定制参数来实现。此外，对于客户指定隧道导向系统的生产厂家，还需要对平台接口进行调整。此变型产品可在上述机型上进行改进，利用可适应平台开发出快速响应市场变化的产品。

表2 复合式土压平衡盾构机平台主要设计参数

3）产品平台设计的可适应性任务评价。针对客户需求进行盾构机平台设计的总体规划，且根据项目组实际情况分配设计任务。建立适应性任务集Tp={开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、管片安装系统、注脂系统、液压系统、碴土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、电气控制系统、自动导向系统及通风、供水、供电系统、有害气体检测装置}，分别用Tp1～Tp15表示。

根据第3节中的匹配度计算方法，得到产品平台设计适应性分析模型的初始数据，并根据公式，对原始数据进行规范化处理，如表4所示。

表3 客户需求

表4 初始数据和处理后的数据

根据式(9)，计算第i项设计任务占第j项评价指标的适应性比重pij，其值如表5所示。

由式(10)～式(12)得各可适应任务的熵值ei、优势度gi和熵权值ωi。结果如表6所示。

表6中所有可适应任务的优势度g1～g15取值均介于[0.405866，0.414753]。根据表1判定，0.3≤gi＜0.5，表明该盾构机平台设计的15项设计任务的适应性优势度评价等级均为良好，表明该盾构机平台设计整体具有良好的适应性。

4）产品平台设计的可适应性评价指标排序。由式(13)，可得加权规范化的数据矩阵，如表7所示。

由式(14)～式(18)，计算可得5个适应性指标的相对接近度cj及其排序情况，如表8所示。

由表8可知，该产品平台设计的5项评价指标的适应性强弱依次为功能适应性→技术适应性→结构适应性→环境适应性→经济适应性。表明该复合式土压平衡盾构机平台设计注重平台的功能拓展、升级换代和适应性变型能力；注重技术整合以及自主创新技术应用的磨合适配；较为注重结构的合理性和零部件的标准化和通用化的程度。使得平台设计拥有较强的功能适应性、技术适应性和结构适应性（在5项评价指标中分别居于第一、第二和第三）。同时发现，盾构机平台设计的环境适应性及经济适应性排序相对较后（在5项评价指标中分别居于第四和第五），究其原因，主要在于盾构机掘进中会遇到各种不同地质水文条件，施工环境恶劣且复杂多变，使得掘进过程难以完美地解决复杂地层中施工的多种问题，即环境适应性受限；此外，与大多机械设备不同的是，制造商必须根据特定的施工地质条件，有针对性地设计和制造相应的盾构机或在盾构机上专门附设相应装置，致使盾构机价格高昂，即经济适应性变差。显然，本方法对产品平台设计的5项评价指标的适应性排序结果与实际分析相符，具有较好的实用性和可信性。