复杂机械产品族设计研究现状与建模方法

2022-05-14夏晓龙

机械工程师 2022年5期

夏晓龙

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

0 引言

随着信息技术的发展和工业4.0的到来，传统的机械产品将与传感器、数据存储等新的技术特征以及其他领域的技术特征以多种方式结合形成一个更复杂的产品系统，如智能产品、开源产品等。这些产品将横跨和超越传统产品的边界来拓展和提升产品的功能与能力，也将提供给企业一个新的竞争机会，进一步重塑工业的设计边界[1]；同时随着市场全球化和用户中心化趋势，企业设计一个全球视野下的产品族对于满足跨国家的复杂多变的用户、商业和法规的需求是至关重要的[2]。使现有产品族设计理论与方法面临产品设计边界范围大、组成架构层级多、不确定性与动态性增强和定制化程度高等困难。这将迫使企业重新思考如何去构想、设计和获得新的具有竞争优势的创新产品。因此，在新的工业边界和竞争格局下，针对产品族设计问题中的产品族建模、分析预测及新产品的设计求解，现有产品族设计理论与方法并不能很好地解决。

本文针对传统产品族设计理论与方法进行研究现状分析，结合复杂机械产品的发展趋势，描述如智能列车等新形式产品设计问题时的不足，面向制约复杂机械产品设计重用与创新能力不够的工程问题，提出采用基于多域特征驱动的产品族多维建模与表达方法，处理跨产品族设计边界及描述多域特征级产品信息及其关系，能够从横、纵与预测等维度全局动态地表达产品演化与映射知识，对于推动产品族理论与设计方法的发展，保障复杂机械产品的可持续性创新设计具有重要的理论研究价值和工程指导意义。

1 产品族研究现状及发展动态分析

产品族（Product Family）是指分享共性技术平台的一组相似的产品但具有特定的功能或特征去满足不同的市场细分区间和多样化、个性化的客户需求[3]。后来，国内外学者根据自身的研究领域对产品族内涵进行了扩展[4]。在2007年Jiao等[5]全面地分析了产品族设计理论与方法并建立了一个决策框架，如图1所示。产品族设计理论与方法主要分为设计产品族、产品族建模、基于产品族的设计等，设计产品族如基于市场驱动的自顶向下产品族设计、基于聚类的自底向上产品族设计等[6]；产品族模型的构建如产品族演化建模、知识建模、架构建模等；产品族设计方法如模块化产品族设计和参数化产品族设计方法等。

图1 产品族设计与开发技术架构

针对上述研究背景和工程问题，本文拟对产品族建模和基于产品族的设计开展深入研究，并应用于全球市场环境下的复杂机械产品创新设计研究。下面从产品族建模和基于产品族模型驱动的设计两方面就其国内外研究现状和发展动态进行分析。

1）产品族建模。

产品族建模是产品族设计的核心，它有助于产品开发团队应用全面的开发知识迅速开发一个新产品响应复杂多变的客户需求和市场条件。近年来国内外学者对产品族模型进行了大量的研究，主要是用模型来规范产品族设计的相关活动，给设计提供一个结构化和系统化的架构，缩短产品的研发周期，提高设计质量和降低设计成本。目前产品族的建模技术主要分为产品族架构建模（架构方面）、知识建模（静态方面）和演化建模（动态方面）等。

为设计一个强大的产品族架构模型，必须从客户、设计者和制造者（即市场、设计和生产领域）的角度进行考虑。目前，典型的产品族架构模型包括三视图模型[7]、GBOM(Generic Bill-Of-Material)模型[8]和产品族主结构模型[9]等。为支持大批量定制设计中产品族信息的集成、管理、分享和重用，Pan等[10]提出了一个包括三维的状态空间模型、单元信息模型和三维演化空间模型集成模型的产品族生命周期信息集成的建模架构。在全球开发和分布式协同的环境下，Liu等[11]面向基于订单设计和装配的产品，将自制和外购决策考虑到产品族的架构中，实现产品制造者和供应商的利益优化。目前学术界普遍接受的是基于模块化的产品族架构，目的是识别共性模块或可选模块，能使产品族进行配置，实现大批量定制设计。樊蓓蓓等[12]基于复杂网络构建了产品族结构的模块关系网络模型，分析产品族中的关键模块及模块演变情况。

产品族为设计提供了产品设计知识管理和共享的基础，为产品族设计重用节省了资源并确保可持续性产品开发。为捕获、管理、分享、重用和集成产品族设计知识，基于组件层级的重用是不充分的，Xu等[13]建立了一个产品族设计重用过程模型，包括产品实例建模、知识提取和设计综合与评价3个阶段，支持有效的产品族设计重用。Lim等[14]提出基于本体的产品族知识获取和重用方法。为实现产品族设计阶段知识的清晰的获取和自动化重用，Giovannini等[15]应用反逻辑方法表达清晰的设计知识。由于产品族知识捕获和重用的支持技术还没有被充分地实现，Lundin等[16]探索了将面向CAD模型的计算机辅助技术用于提高产品族设计模块捕获和表达的效果。秦红斌等[17]提出了产品族基因模型，从而实现产品族建模和配置过程的高效率、可靠性和通用性。

产品族演化建模对于满足客户需求、提高产品性能、减少制造成本和降低风险有重要的影响[18]。产品族演化的主要驱动影响要素包括新的需求、标准、技术，以及产品族重定义、重构和预测性维修等。开发新一代的产品（包括升级、定制、成本降低或者混合的产品）需要建立生成关系映射，允许设计者追踪在同一代产品和不同代产品之间的产品的演化。近年来为支持产品的演化设计，提出了采用生物分析方法协同演化模型[19]、产生式网络模型[20]、基于Hegselmann-Krause模型的动态演化模型[21]、基于贝叶斯网络的产品定量演化设计模型[22]等。浙江工业大学的肖刚[23]利用生物进化论思想针对产品家族进化的历史、现状和趋势研究建立了产品族繁殖模型，基于广义有向图识别了产品族功能基因并提出了基于实例推理的产品族定向繁殖方法。

2）基于产品族的设计。

传统的基于产品族的设计是一个基于平台的成本-效应设计重用策略[24]，被视为大批量定制的有效支持手段[25]。模块化产品族与参数化产品族是当前产品族设计领域的两大分支，浙江大学谭建荣院士团队和祁国宁、顾新建教授团队针对产品族设计方法和理论开展了大量的研究，如模块化产品族大批量定制设计[26]和参数化产品族可重构设计[27]。

为充分考虑企业利润和市场份额，需集成市场（如客户偏好、竞争）考虑到传统产品族设计，拓展了产品族设计问题边界包含了产品线定位问题，创新的市场驱动的产品族设计方法被提出，实现产品的多样性，满足广泛的客户需求并降低成本[28]。Maier等[29]提出了3个基于产品族的设计策略，包括并行、演化和一些典型的混合演化/突变的方法，去满足不同的市场细分。Nadadur等[30]提出了3个拓展基于产品平台的产品族自顶向下设计方法来满足全球市场变化的需求：非平台设计（对于低变化产品，如足球）、静态平台设计（对于中等变化产品，如汽车）和柔性化平台设计（对于高变化产品，如手机系统）。Liao等[31]提出了基于Kano需求模型的产品族拓展创新设计方法来充分满足用户需求。Pakkanen等[32]提出了Brownfield Process（BfB）方法来支持模块化产品族的配置设计。张闻雷等[33]构建了产品族谱系模型并提出采用需求与约束的分类求解方法和配置过程。侯亮等[34]提出产品族技术创新动态演进方法。

随着市场从卖方市场向买方市场的转变，产品多样性需求不断地增长。因此，基于产品族的设计不仅要关注以前市场驱动的重配置设计策略，也要关注用户驱动的产品设计的策略。多样性设计方法提供了一个基于功能-质量设计的结构化方法，通过引入产生多样性指标（Generational Variety Index）和耦合指标（Coupling Index）作为指导规则来减少未来新产品生成的大量重设计工作，也能帮助企业识别其产品随着客户需求的改变该如何演化，然而产品的主要功能一直是相同的或相似的[35]。在多代产品之间，产品的升级设计是一个平台设计方法通过增加、替换或删除模块等方法升级功能和参数来拓展产品的价值。Umeda等[36]提出了基于功能→行为→结构的建模设计方法来支持设计师选择或配置出满足用户需求的功能和结构。Tu等[37]提出一个基于类比的升级设计方法支持产品的功能和性能升级，实现产品的可持续性市场竞争。传统产品族的设计仅考虑了一代产品族，而忽视了随着时间推移客户需求的改变和技术的进步，Liu等[38]从系统论的角度提出了产品族的配置和供应链选择的协同演化设计优化方法。

2 存在的问题与不足

通过上述国内外研究现状调研与发展动态分析，可以得出以下结论：

1）现有的产品族建模研究包括架构、知识和演化建模仅局限于一个具体的产品平台，属于一个制造企业，新型的产品系统将横跨和超越传统产品的边界，现有的产品族设计理论很难形成合理的方案；各种主流的产品族模型均是基于模块/单元的架构模型，而事实上新型的产品系统不但功能多样化、功能层次复杂、受动态环境的影响，而且产品的设计除有形的物理特征需求外，还有相当复杂的无形特征。以“复兴号”动车组为例，它是延续了欧洲列车与日本列车的设计理念与中国的标准相融合创新生成的中国标准动车组；同时在“复兴号”动车组的基础上设计的京张智能动车组是结合物联网技术、传感器等多种信息网络技术混合创新而成的智能化列车。如果采用现有的基于产品族模型驱动的定制设计手段，将难以满足客户需求和设计出有竞争力的产品。

2）传统产品族的设计仅考虑了一代产品族，而忽视了随着时间推移客户需求的改变和技术的进步，产品的更新换代速度快，目前产品族的演化难以基于历史信息分析产品的演化规律和预测产品的演化趋势，缺乏在不确定性条件下动态的演化分析与预测方法。产品族的知识模型展示了产品多样性和多代系的特点，然而它缺乏关键设计特征的信息和知识源于产品族内或者源于其他的产品族特征信息。因此，需要一个新的产品族架构模型能够捕获、处理、分享和重用典型的设计信息和知识。产品族的演化的完整分析以及整体建模对未来新产品的研发具有重要的价值，然而并没有清晰的方法。

3）产品族设计是解决面向大批量定制产品设计的有效解决方法，然而在不确定的竞争环境下，多样化、个性化和动态化的客户需求对可持续的产品族形成了挑战。混合创新是结合和混合新的、突破性的技术和已有的技术，从其他的产品族适应、转化、集成设计特征。混合创新表达了一个连续性创新，支持通过混合学习从过去到现在的技术和从产品族内部开发知识到外部世界。企业需要建立一个新的产品族技术架构和设计原理去保持产品族持续动态创新，提升产品的创新能力及自身竞争能力。

3 产品族多维建模方法

结合新的工业边界与跨族混合多代演化产品的特点，在已有的经典产品族概念成果基础上，提出以特征为中心的拓展产品族概念，通过对产品多域特征属性参数的分析和提取，构建产品族的理论模型，包括架构模型、知识模型和演化模型，然后以架构模型为基础，形成基于多域特征驱动的产品族多维模型表达。具体方案如图2所示。

图2 多域特征驱动的产品族多维建模方案

1）基于传统产品族的概念，将新产品形式的特点融入到产品族的内涵中，形成以特征为中心的产品族概念。在新的设计边界内，从产品全生命周期的角度分析产品族的特征域，包括需求域、功能域、物理域、加工域和物流域等，并提取特征集。以多域特征为驱动要素，分析产品族架构、知识和演化的维度，并分别抽象表达成通用的产品族架构模型、知识模型和演化模型。

2）产品族架构模型中主要通过领域的概念将产品族信息形成不同架构维度，在领域中包括功能、物理、技术等特征领域。产品知识模型表示产品族静态参数，包括产品的功能、结构、性能等属性参数，由对象、属性、关系信息组成的三元组来描述定义。产品族演化模型，是基于产品族演化历史过程而定义的抽象模型，包括演化关系及相关设计资源。以架构模型为基础模型，将知识模型和演化模型进行动态模型与静态模型集成，形成一个多维的产品族模型，以此来实现产品族模型的全息表达。