吳永明，侯 亮，賴榮燊

（廈門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 361005）

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)個(gè)性化產(chǎn)品和企業(yè)創(chuàng)新是企業(yè)贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵。為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)需求，需要快速、高質(zhì)量、高效率、低成本地配置出面向不同用戶群體的個(gè)性化產(chǎn)品，從而使傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)巨大的變革時(shí)期。市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)打破了傳統(tǒng)的制造模式，大批量定制（Mass Cus－tomization，MC）以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1－2］，為越來(lái)越多的企業(yè)所采用。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)是大批量定制的重要手段，它能以盡可能快的速度、更低的成本來(lái)滿足客戶的個(gè)性化需求，因此產(chǎn)品模塊化的識(shí)別與規(guī)劃成為研究的熱點(diǎn)。

目前已有很多關(guān)于產(chǎn)品族模塊規(guī)劃的研究，文獻(xiàn)［3］將時(shí)間因素融合到產(chǎn)品族的模塊規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，研究和分析各種因素的動(dòng)態(tài)性，使得產(chǎn)品族模塊規(guī)劃與設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間而演化；文獻(xiàn)［4］重點(diǎn)研究了復(fù)雜產(chǎn)品的模塊規(guī)劃和柔性開(kāi)發(fā)，提出復(fù)雜因素影響下產(chǎn)品模塊劃分的預(yù)處理三原則，從而減少了構(gòu)建模塊的數(shù)量，提高了模塊的規(guī)劃效率；文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、銷(xiāo)售預(yù)測(cè)等過(guò)程因素進(jìn)行分析，提出一種滿足多種市場(chǎng)約束因素的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法，該方法在分析產(chǎn)品生命周期各種影響因素的情況下，優(yōu)化產(chǎn)品族模塊化設(shè)計(jì)的成本與產(chǎn)品質(zhì)量；文獻(xiàn)［6］主要從過(guò)度設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)研究低端高代現(xiàn)象，對(duì)模塊化進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)各種因素的量化和定性分析，促進(jìn)了產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的合理性和有效性；文獻(xiàn)［7］提出基于敏感度分析的產(chǎn)品族模塊規(guī)劃方法，重點(diǎn)考慮功能敏感性的產(chǎn)品族性能變化指數(shù)，并分析出最優(yōu)的產(chǎn)品族模塊規(guī)劃方法；文獻(xiàn)［8］從工程應(yīng)用角度提出產(chǎn)品平臺(tái)生命周期（Product Platform Life Cycle，PPLC），并分析了產(chǎn)品平臺(tái)的穩(wěn)定性，即對(duì)其影響的擾動(dòng)因素，提出了產(chǎn)品族模塊與平臺(tái)創(chuàng)新過(guò)程模型；文獻(xiàn)［9］應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析外部影響因素，并將結(jié)果運(yùn)用到產(chǎn)品模塊劃分中，充分體現(xiàn)模塊劃分中的技術(shù)特征，以質(zhì)量功能配置中的質(zhì)量屋關(guān)系矩陣為研究對(duì)象，采用模糊聚類(lèi)方法得到不同閾值的產(chǎn)品族組成模塊的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)，并用實(shí)例說(shuō)明了算法的有效性；文獻(xiàn)［10］分析了一系列影響零部件交互性的因素，提出一種產(chǎn)品族模塊化設(shè)計(jì)方法，利用模擬退火法得到產(chǎn)品組模塊布局方案。

以上研究在產(chǎn)品族核心系統(tǒng)模塊規(guī)劃中起到了非常重要的推動(dòng)作用，但這些研究主要集中在柔性模塊的創(chuàng)建和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，僅從功能角度或結(jié)構(gòu)角度對(duì)模塊進(jìn)行劃分，對(duì)模塊化產(chǎn)品族缺乏動(dòng)態(tài)研究，即沒(méi)有考慮產(chǎn)品生命周期中模塊規(guī)劃前期階段對(duì)產(chǎn)品后續(xù)維護(hù)階段的影響。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，首先從功能角度對(duì)產(chǎn)品模塊進(jìn)行模糊劃分，重點(diǎn)分析了零部件的市場(chǎng)和技術(shù)等動(dòng)態(tài)因素對(duì)模塊規(guī)劃的影響，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算零部件的動(dòng)態(tài)影響權(quán)重，再次對(duì)模塊規(guī)劃時(shí)重點(diǎn)考慮評(píng)價(jià)值較高的零部件并做相應(yīng)的調(diào)整和規(guī)劃，以便提高產(chǎn)品族研發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和后期的可維護(hù)性，降低研發(fā)的總體成本。

1 功能結(jié)構(gòu)矩陣模型的建立

1.1 功能與組件關(guān)聯(lián)矩陣模型的建立

為了定量地描述零部件與功能的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，把［0，10］區(qū)間分成6個(gè)關(guān)聯(lián)等級(jí)，關(guān)聯(lián)數(shù)值為1表示該功能主要由此部件支持，關(guān)聯(lián)度值為0表示該功能與零部件毫無(wú)關(guān)系，零部件與功能之間的關(guān)系如表1所示。

表1 零部件與功能之間的關(guān)系定義

結(jié)合零部件的具體特性，功能由設(shè)計(jì)者定制后，根據(jù)表1給出的零部件與功能的關(guān)聯(lián)度，即可確定相互關(guān)聯(lián)矩陣A，

矩陣A中，F(xiàn)j（j＝1，2，…，m）表示產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能，Ci（i＝1，2，…，n）表示組成的零部件，cfij（i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，m）表示零部件i對(duì)功能j的支持程度。

1.2 零部件模糊等價(jià)聚類(lèi)

ij

由于分類(lèi)組件對(duì)象的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且一般都不在［0，1］區(qū)間，為了消除原始數(shù)據(jù)值的大小對(duì)算法的影響，應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再歸一化處理。假設(shè)有n個(gè)組件對(duì)象，并都具有k維特征數(shù)據(jù)，則設(shè)為n 組對(duì)象的第k維特征的各個(gè)元素值，標(biāo)準(zhǔn)化處理方法如下：

2 零部件動(dòng)態(tài)因素指標(biāo)分析

2.1 產(chǎn)品族生命周期分析

企業(yè)在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中，不僅要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)、規(guī)劃以及產(chǎn)品后期服務(wù)等諸多因素，還要特別考慮大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品實(shí)行“三包”服務(wù)，產(chǎn)品的后期維護(hù)也是產(chǎn)品生命周期中一個(gè)重要的階段。本文主要以產(chǎn)品族核心系統(tǒng)的模塊為研究對(duì)象，重點(diǎn)考慮降低維護(hù)時(shí)間和成本，通過(guò)對(duì)零部件各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，及時(shí)調(diào)整現(xiàn)有的模塊設(shè)計(jì)，降低維護(hù)的時(shí)間和成本。因此，在原有模塊劃分的基礎(chǔ)上，分析技術(shù)和市場(chǎng)方面擾動(dòng)較大的零部件，并將其組成一個(gè)虛擬的動(dòng)態(tài)模塊，在設(shè)計(jì)模塊時(shí)需要特別考慮這些零部件規(guī)劃，以降低產(chǎn)品的后續(xù)維護(hù)成本。例如某個(gè)模塊中的零部件經(jīng)常更換，但設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮維護(hù)問(wèn)題而將其布置在很難拆卸的部位，導(dǎo)致維護(hù)時(shí)間加長(zhǎng)，如果將其布置在較易拆卸的部位則可以大大減少維護(hù)時(shí)間，有效提高維護(hù)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。

在產(chǎn)品族模塊規(guī)劃與設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于市場(chǎng)、研發(fā)、生產(chǎn)和后期服務(wù)等因素往往會(huì)發(fā)生變化，如市場(chǎng)和技術(shù)方面呈現(xiàn)出一定的動(dòng)態(tài)性和漸變性，這將在無(wú)形中打破原有預(yù)定的矛盾平衡狀態(tài)［1］。產(chǎn)品族整個(gè)生命周期中各個(gè)階段／因素都存在直接或間接聯(lián)系，產(chǎn)品規(guī)化、設(shè)計(jì)、制造的整個(gè)過(guò)程都與產(chǎn)品后期維護(hù)存在密切的聯(lián)系（如圖1）。因此，從實(shí)施過(guò)程來(lái)看，產(chǎn)品族優(yōu)化的矛盾平衡過(guò)程往往表現(xiàn)為一種隨運(yùn)行時(shí)間歷程變化的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。為了適應(yīng)該過(guò)程，動(dòng)態(tài)模塊的劃分是必要的。由于零部件是組成模塊的基本元素，需要建立相應(yīng)的指標(biāo)體系判斷零部件的動(dòng)態(tài)性，從而劃分出動(dòng)態(tài)模塊。

由于市場(chǎng)不斷變化，核心系統(tǒng)的模塊規(guī)劃研究對(duì)產(chǎn)品族的整個(gè)實(shí)施過(guò)程尤為關(guān)鍵，包括模塊規(guī)劃與設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)環(huán)境需要企業(yè)在規(guī)劃設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期因素，但頻繁的設(shè)計(jì)變更會(huì)給企業(yè)帶來(lái)不利影響。企業(yè)／設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)產(chǎn)品后期的動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行分析（尤其是產(chǎn)品維護(hù)階段），在產(chǎn)品族系統(tǒng)的核心模塊變更不大的情況下，使產(chǎn)品后期維護(hù)階段能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)利益。本文研究的對(duì)象為產(chǎn)品核心系統(tǒng)零部件的模塊規(guī)劃，以及零部件后期維護(hù)的動(dòng)態(tài)影響因素分析。

2.2 零部件動(dòng)態(tài)因素確定

產(chǎn)品族的創(chuàng)新和動(dòng)態(tài)演化主要來(lái)源于客戶需求和技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)一個(gè)特定的產(chǎn)品需要特定的原材料和相應(yīng)的技術(shù)手段，模塊零部件必然受到市場(chǎng)因素和技術(shù)因素的影響，動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)因素眾多且處于動(dòng)態(tài)變化中，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研分析，從可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，本文主要分析產(chǎn)品族核心系統(tǒng)零部件的市場(chǎng)和技術(shù)因素。

主要市場(chǎng)因素方面：

（1）零部件市場(chǎng)價(jià)格上漲速度的快慢（V） 市場(chǎng)波動(dòng)的影響，可能會(huì)造成主要的零部件原料短缺和價(jià)格上漲；相反地，部分零部件由于規(guī)模生產(chǎn)而價(jià)格下跌。

（2）換代速度（Ge） 新技術(shù)的出現(xiàn)，可能使零部件的換代速度加快，新型的可替代零件具有更優(yōu)的性能。例如某些節(jié)能元件的出現(xiàn)，使原有零部件在新的環(huán)境下很快就被替代。

（3）平均使用壽命（Ti） 核心系統(tǒng)中零部件的使用壽命取決于零部件本身的屬性和所承擔(dān)角色的作用，例如承擔(dān)磨損部位的零部件需要經(jīng)常更換，而某些零部件在整個(gè)生命周期中都不需要更換。

（4）被取代的速度（Re） 設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者很可能沒(méi)有考慮到實(shí)現(xiàn)同樣的功能可以利用不同的原理，因此實(shí)現(xiàn)某些功能的零部件可能采取更優(yōu)的設(shè)計(jì)方法或被其他零部件取代。

主要技術(shù)方面：

（1）技術(shù)創(chuàng)新的快慢（Te） 越來(lái)越多新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，促進(jìn)了零部件的性能改善，使其具有更好的質(zhì)量。

（2）設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可互換性（St） 零部件的穩(wěn)定性和可互換性是一種體現(xiàn)零部件能否長(zhǎng)久發(fā)揮其功能的量化指標(biāo)，模塊規(guī)劃時(shí)可以考慮給模塊接口更換多種零部件，使產(chǎn)品具有更多的功能。

（3）被損壞的概率（As） 工作環(huán)境不同，核心系統(tǒng)零部件損壞的概率也不同（如疲勞損壞等）。本文用該項(xiàng)指標(biāo)衡量零部件容易損壞的程度，并通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得該項(xiàng)指標(biāo)。

考慮產(chǎn)品后期的可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性，本文主要研究零部件的指標(biāo)，即零部件市場(chǎng)價(jià)格上漲速度的快慢（V）、換代速度（Ge）、平均使用壽命（Ti）、被取代的速度（Re）、技術(shù)創(chuàng)新的快慢（Te）、設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可互換性（St）以及被損壞的概率（As）等市場(chǎng)和技術(shù)指標(biāo)，只有深入了解這些核心系統(tǒng)零部件動(dòng)態(tài)因素指標(biāo)，才能精確判斷零部件的質(zhì)量和性能，每一項(xiàng)指標(biāo)用區(qū)間［0，1］上的取值表示動(dòng)態(tài)影響程度。零部件動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)因素具體分類(lèi)如圖2所示。

設(shè)第i個(gè)零部件Ci的動(dòng)態(tài)組關(guān)聯(lián)特征向量為

根據(jù)領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)知識(shí)和歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)動(dòng)態(tài)影響因素權(quán)重特征向量為

零部件affect的計(jì)算結(jié)果越大，它在后期維護(hù)的重要性就越大，如果設(shè)計(jì)者在模塊規(guī)劃時(shí)重點(diǎn)考慮這些零件，則能夠使企業(yè)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算出動(dòng)態(tài)影響因素affect后，根據(jù)實(shí)際情況，可以人為調(diào)整參數(shù)確定動(dòng)態(tài)因素影響較大的零部件集合Amax，該集合中的零部件受市場(chǎng)和技術(shù)的影響較大，是在模塊動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)需重點(diǎn)考慮的零部件。

3 模塊劃分結(jié)果分析

設(shè)產(chǎn)品P按照第1章中的模糊劃分并確定α后得到N 個(gè)預(yù)劃分模塊，P＝｛M1，M2，…，MN｝，每個(gè)模塊i有Vi個(gè)零部件，根據(jù)式（6）計(jì)算出affect并確定Amax，然后根據(jù)市場(chǎng)和技術(shù)變化以及領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)等實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，得到動(dòng)態(tài)因素影響較大的零部件集合D（一般情況下取Amax＝D）。模塊劃分過(guò)程不受此影響，只是集合D中的零部件在模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中為重點(diǎn)考慮對(duì)象，最終模塊規(guī)劃可以描述為集合P′，

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的小型輪式裝載機(jī)的傳動(dòng)液壓系統(tǒng)為例，從可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模塊劃分，傳動(dòng)液壓系統(tǒng)的主要零部件及編號(hào)如表2所示。

表2 傳動(dòng)液壓系統(tǒng)主要零部件

根據(jù)表1的零部件與功能之間關(guān)系的量化方法，經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，模塊劃分前初步確定傳動(dòng)液壓系統(tǒng)的六大功能，即動(dòng)力功能、壓力控制、流量控制、方向控制、執(zhí)行功能和輔助功能，傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件功能支持度矩陣如表3所示。

表3 零部件功能支持度矩陣

根據(jù)2.2節(jié)對(duì)產(chǎn)品核心系統(tǒng)零部件的動(dòng)態(tài)因素指標(biāo)分析，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)和技術(shù)調(diào)研，得出傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件動(dòng)態(tài)因素矩陣如表4所示。

表4 傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件動(dòng)態(tài)因素矩陣

為了符合傳動(dòng)液壓系統(tǒng)的客觀實(shí)際和專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件的權(quán)重值統(tǒng)一取值為Cwi＝［0.2 0.2 －0.05 0.15 0.2 0.1 0.1］，由式（6）得到的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件affect值

當(dāng)取affect≥0.11時(shí)，得到Amax＝｛1，4，17，7，9，14｝，用式（7）計(jì)算得到傳動(dòng)液壓系統(tǒng)最終的模塊規(guī)劃為

因此，在市場(chǎng)因素和技術(shù)進(jìn)步的共同擾動(dòng)下，傳動(dòng)液壓系統(tǒng)零部件1，4，7，9，14，17受到來(lái)自市場(chǎng)和技術(shù)方面的擾動(dòng)影響比較大。在考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和可維護(hù)性的情況下，應(yīng)將零部件1，4，7，9，14，17獨(dú)立出來(lái)作為一個(gè)新的虛擬模塊，即動(dòng)態(tài)模塊，在后續(xù)的模塊規(guī)劃設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮動(dòng)態(tài)模塊中的零件設(shè)計(jì)與規(guī)劃（如活動(dòng)模塊中的零件在其所屬模塊中的布局），某企業(yè)生產(chǎn)的三種小型輪式裝載機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的后期維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2010年～2011年）如表6所示。

表6 動(dòng)態(tài)規(guī)劃前后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表6可以看出，2011年實(shí)施動(dòng)態(tài)模塊規(guī)劃后，雖然設(shè)計(jì)成本每臺(tái)增加了600元，但三種型號(hào)的小型輪式裝載機(jī)的維護(hù)時(shí)間均有所降低，培訓(xùn)維修的專(zhuān)業(yè)人數(shù)也減少了，進(jìn)而減少了總費(fèi)用成本。在實(shí)施動(dòng)態(tài)模塊規(guī)劃后（2011年），相對(duì)于2010年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如表7所示。

表7 動(dòng)態(tài)規(guī)劃后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

2011年實(shí)施動(dòng)態(tài)模塊規(guī)劃后，在小型輪式裝載機(jī)臺(tái)數(shù)增加的情況下，各種指數(shù)在2010年的基礎(chǔ)上的變化率如圖3所示。

從圖3可以看出，在銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)增加8.7%的情況下，維護(hù)人員、維護(hù)總時(shí)間、總費(fèi)用分別減少44%，33.8%和8.29%，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。動(dòng)態(tài)模塊的劃分重點(diǎn)考慮產(chǎn)品后期的經(jīng)濟(jì)效益，可以有效提高模塊的可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性。因此，動(dòng)態(tài)模塊的劃分對(duì)企業(yè)在產(chǎn)品族實(shí)施過(guò)程中實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在模糊劃分的基礎(chǔ)上，提出了模塊動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。該方法在產(chǎn)品族核心系統(tǒng)功能模塊劃分的基礎(chǔ)上，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定零部件的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，并計(jì)算出模塊零部件動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)值，該值反映了產(chǎn)品族生命周期中產(chǎn)品零部件的動(dòng)態(tài)規(guī)律，即動(dòng)態(tài)規(guī)劃集合中的零部件在市場(chǎng)和技術(shù)方面擾動(dòng)較大，企業(yè)需要在模塊設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮這些零部件，使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品族開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)顧及模塊零部件后期的可維護(hù)性，以提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，降低產(chǎn)品成本。本文結(jié)合裝載機(jī)傳動(dòng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的后期維護(hù)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性，為產(chǎn)品族實(shí)施過(guò)程中模塊動(dòng)態(tài)劃分提供了決策支持。

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