程幼明， 李富昌， 龔本剛， 吳　英

(安徽工程大學(xué) 管理工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

?

基于基因遺傳的定制化產(chǎn)品資源重用策略及其選擇

程幼明， 李富昌， 龔本剛， 吳英

(安徽工程大學(xué) 管理工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

產(chǎn)品設(shè)計資源重用程度是影響企業(yè)響應(yīng)市場需求時間和設(shè)計成本的關(guān)鍵因素.在明確定制化產(chǎn)品與資源重用關(guān)系基礎(chǔ)上對定制化產(chǎn)品基因的表征方式進(jìn)行界定，基于基因傳導(dǎo)機(jī)理和定制化產(chǎn)品開發(fā)過程得出的產(chǎn)品資源重用策略分為復(fù)制重用、變異重用和突變重用三類策略.為方便人們選用策略，基于相似度分析對資源可用性進(jìn)行評價，用歐氏距離法計算現(xiàn)有產(chǎn)品與定制產(chǎn)品基因體之間的相似度，并依據(jù)韋伯定律來設(shè)定相似度閾值以確定資源合理重用策略.最后以定制化可重構(gòu)小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)的設(shè)計為實例驗證該策略的可行性.

定制化產(chǎn)品； 基因； 相似度； 韋伯定律； 重用策略

隨著大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品市場趨于飽和與客戶個性化定制需求的出現(xiàn)，大批量定制化生產(chǎn)模式已成為生產(chǎn)方式主流，定制化生產(chǎn)要求企業(yè)具備快速設(shè)計和生產(chǎn)定制化產(chǎn)品的能力.產(chǎn)品創(chuàng)新實踐已表明，新產(chǎn)品并不都是從無到有，絕大多數(shù)是現(xiàn)有產(chǎn)品的繼承和發(fā)展，我國企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品資源有效重用程度與國外相比差距很大[1].

產(chǎn)品資源重用包括設(shè)計、生產(chǎn)制造和服務(wù)等資源的重用.在生產(chǎn)制造資源重用上已形成相對成熟的可重構(gòu)制造系統(tǒng)理論與方法，而設(shè)計資源重用的研究與應(yīng)用主要集中在設(shè)計重用的理論、技術(shù)和策略等方面.在設(shè)計資源重用理論方面，大多是重用理論與重用方法的研究，較少涉及設(shè)計過程的重用[2]，如：Demian等[3]通過對設(shè)計重用過程的研究，建立了基于計算機(jī)的Evolution History Explorer模型；Costa等[4]集成擴(kuò)展知識模型建立產(chǎn)品信息模型，研究知識重用在產(chǎn)品開發(fā)中支持敏捷和有效決策過程；劉明[5]構(gòu)建了面向需求約束的可重用設(shè)計資源配置模型，實現(xiàn)設(shè)計過程中需求提取、設(shè)計資源重用和模型庫更新.重用技術(shù)方面，主要是模塊化和檢索方法等支持技術(shù)研究，如：Chen等[6]提出了面向靈活裝配的重用檢索方法；Agard等[7]考慮了質(zhì)量和成本約束下的產(chǎn)品模塊化設(shè)計，研究了產(chǎn)品模塊的應(yīng)用和變型設(shè)計；Konstantinos[8]提出了產(chǎn)品模塊化設(shè)計框架，將模塊化作為變型產(chǎn)品和在線自動組裝的基礎(chǔ)；周冬冬等[9]采用模塊化設(shè)計思想設(shè)計出新型可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人.近年來，從生物學(xué)視角研究產(chǎn)品演變過程中設(shè)計重用機(jī)理已引起人們的關(guān)注，研究主要集中在產(chǎn)品基因建模以及通過對產(chǎn)品基因的繼承和重構(gòu)，設(shè)計出高質(zhì)量的產(chǎn)品，如：Gero等[10]將遺傳原理和基因工程引入工程設(shè)計過程，研究工程設(shè)計過程與基因遺傳變異的相似性，將基因工程原理應(yīng)用于工程設(shè)計；Vajna等[11]將產(chǎn)品設(shè)計過程類比為生物有機(jī)體進(jìn)化過程，提出自生設(shè)計理論，并認(rèn)為設(shè)計過程是技術(shù)與工藝持續(xù)發(fā)展過程；顧新建等[12]對產(chǎn)品基因的特征、分類、遺傳、重組和建模進(jìn)行了研究；馮培恩等[13]對產(chǎn)品基因的遺傳機(jī)理進(jìn)行了研究；李博[2]通過整理仿生物學(xué)原理的重用設(shè)計文獻(xiàn)，提出基于產(chǎn)品基因的重用設(shè)計是設(shè)計重用的重要領(lǐng)域，能較好支持重用的創(chuàng)新性，認(rèn)為基于生物學(xué)原理的設(shè)計重用是重要研究方向之一.在重用策略方面，大多是定性化策略歸集或描述和基于經(jīng)驗的策略或方法選擇的研究，如：Smith等[14]提出產(chǎn)品創(chuàng)新再設(shè)計方法是把2個及以上相互區(qū)別的參考設(shè)計利用重組策略組合成一個新產(chǎn)品的過程，創(chuàng)新來源于原有設(shè)計的沖突刺激；武守飛等[15]將產(chǎn)品設(shè)計資源重用層次分為產(chǎn)品層、部件層、零件層和特征層等，指出由上至下重用部分所占比重逐漸減少和重用水平逐層降低；許靜等[16]按對象重用程度將重用方式分為完全重用和部分重用.策略選用多以給定經(jīng)驗值進(jìn)行，一般以最相似對象作為再設(shè)計模板[17-18].由此可見，產(chǎn)品設(shè)計資源重用已成為產(chǎn)品創(chuàng)新和資源重用的重要研究方向，其研究與應(yīng)用雖已取得相關(guān)成果，提出了相應(yīng)重用理論、重用支持技術(shù)和策略，但仍存在2個方面不足：1)重用機(jī)理與策略大多是從外在顯性表征或運作機(jī)制與實現(xiàn)方法方面研究，從內(nèi)在機(jī)理尤其是從生物學(xué)遺傳變異機(jī)制來研究重用策略相對較少；2)資源重用方法及其策略選擇大多是基于經(jīng)驗值進(jìn)行.為解決以上不足，本文從生物學(xué)基因遺傳變異視角，結(jié)合產(chǎn)品生命周期演變規(guī)律，以定制化產(chǎn)品設(shè)計過程中所蘊含的基因信息為重用對象進(jìn)行定制化產(chǎn)品基因描述；基于定制化產(chǎn)品開發(fā)過程并結(jié)合重用層級、重用程度與方法等研究資源重用內(nèi)在機(jī)理與重用策略；并以相似度評價分析資源可重用性，根據(jù)韋伯定律設(shè)計不同重用策略，選用相似度閾值，即：選用情景或條件，以選擇合理的重用策略；最后以可重構(gòu)小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)為算例驗證方法的可行性.

1　定制化產(chǎn)品基因及其描述

定制化產(chǎn)品是產(chǎn)品創(chuàng)新常態(tài)，是典型的集成創(chuàng)新結(jié)果.集成創(chuàng)新特點之一就是資源重用，既強(qiáng)調(diào)成熟設(shè)計資源借用的以不變應(yīng)萬變，同時注重創(chuàng)新的以變制變.基因遺傳與變異理論揭示了定制化產(chǎn)品創(chuàng)新和資源重用的變化規(guī)律.

1.1定制化產(chǎn)品與資源重用

營銷學(xué)中基于目標(biāo)市場差異化的營銷是市場營銷的基本和常用策略，目標(biāo)市場客戶需求包括共性和個性需求，與之對應(yīng)，定制化產(chǎn)品由通用/標(biāo)準(zhǔn)單元和專用/定制單元所組成.設(shè)計學(xué)的定制化產(chǎn)品設(shè)計多是基于基型的變型設(shè)計，是通過相似性和重用性等原理對產(chǎn)品中存在的產(chǎn)品、過程及信息等相似/重用單元的重復(fù)使用，核心策略是將產(chǎn)品的外在多樣性表現(xiàn)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的內(nèi)部少量化構(gòu)成，實質(zhì)是資源重用，即產(chǎn)品設(shè)計資源重用.定制化產(chǎn)品是根據(jù)客戶需求的通用單元借用和定制單元創(chuàng)新設(shè)計的結(jié)果.

由此可見，資源重用是定制化產(chǎn)品的一個基本和重要特征，是定制化產(chǎn)品的設(shè)計基礎(chǔ).資源重用狀況一定意義上反映出產(chǎn)品定制化程度，是產(chǎn)品創(chuàng)新中處理變與不變的哲理與路徑，直接決定了定制化產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計難易程度與工作量大小，進(jìn)而影響到響應(yīng)市場、顧客需求的時間和開發(fā)設(shè)計的成本.

1.2定制化產(chǎn)品基因

生物學(xué)中基因是指含有特定遺傳信息的核苷酸序列，基因決定并控制著生物發(fā)育的順序和過程[19].其中，核苷酸序列由4類堿基因子排列組合而成.產(chǎn)品生命周期理論和產(chǎn)品創(chuàng)新實踐表明，產(chǎn)品形成過程和全生命周期演變具有與生物生長過程和生命體遺傳變異相似規(guī)律.類比生物學(xué)基因，可將產(chǎn)品基因(product gene， PG)定義為：決定產(chǎn)品生命周期、有遺傳價值的標(biāo)準(zhǔn)化信息集合[20]，是一種特定的表征遺傳價值的標(biāo)準(zhǔn)化信息單元.

定制化產(chǎn)品是為滿足定制需求的產(chǎn)品，與一般產(chǎn)品的區(qū)別在于產(chǎn)品設(shè)計過程中客戶參與程度[21]，多為變型產(chǎn)品.需求總是通過功能來滿足，而功能又是基于一定原理并借助某一結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn).這樣定制化產(chǎn)品在變型中主要有價值的信息是：

1)需求信息：客戶需求的描述，有共性與個性需求之分，是確定產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)的依據(jù)；

2)功能信息：產(chǎn)品及組成單元(零部件或模塊)的功能及其組合和性能等特征的描述；

3)結(jié)構(gòu)信息：描述產(chǎn)品組成單元結(jié)構(gòu)及裝配層次關(guān)系，包括幾何和物料的特征；

4)原理信息：描述產(chǎn)品及組成單元所包含的物理原理、效應(yīng)及各種設(shè)計約束和分析計算關(guān)系.

由于目標(biāo)市場的需求具有相似性，這4類信息在產(chǎn)品變型過程中的變與不變具有基因遺傳與變異特征，可將其定義為定制化產(chǎn)品基因：需求基因(demand gene，DG)、功能基因(function gene，F(xiàn)G)、結(jié)構(gòu)基因(structural gene，SG)、原理基因(rule gene，RG).其中，DG可細(xì)分為共性需求基因(DGC)和個性需求基因(DGP).產(chǎn)品基因所表征產(chǎn)品設(shè)計信息的映射關(guān)系如圖1所示，其中：DGP是對企業(yè)可提供用戶定制的所有特征的描述；FG與SG相互依存，結(jié)構(gòu)是功能的載體；RG是功能和結(jié)構(gòu)的連接點，也是最具創(chuàng)新性的.

圖1　定制化產(chǎn)品基因構(gòu)成及其關(guān)系圖Fig.1　Gene composition and relationship diagram of customized product

1.3定制化產(chǎn)品基因描述及其分類

由上述分析可以看出，定制化產(chǎn)品由通用和定制單元所構(gòu)成，產(chǎn)品及其組成單元作為基因承載體(簡稱基因體)都包含DG，F(xiàn)G，RG和SG；產(chǎn)品與基因間關(guān)系極為密切：基因是反映產(chǎn)品中有遺傳價值的特殊信息單元，是產(chǎn)品變與不變的內(nèi)在根源；基因體變與不變、產(chǎn)品設(shè)計資源重用與產(chǎn)品創(chuàng)新是基因遺傳變異的外在表現(xiàn).在此將定制化產(chǎn)品基因的組成定義為式(1)，為進(jìn)一步表征和方便識別以及在基因庫中存儲與檢索，用式(2)方式加以描述.

(1)

(2)

式中：GUG為通用基因，CPG為定制基因，G_No為基因編碼，G_Name為基因名稱，G_Value為基因特征值，G_Type為基因類別.

與生物DNA相類似，一個產(chǎn)品的所有產(chǎn)品基因總和就是產(chǎn)品DNA，每個產(chǎn)品組成單元是一條染色體，產(chǎn)品DNA由多條染色體組成.基于產(chǎn)品組成及其特點，產(chǎn)品基因可按產(chǎn)品特點不同分為通用和定制化基因；按粒度大小可分為粗粒度、細(xì)粒度和微粒度基因；按基因體在產(chǎn)品中層級可分為產(chǎn)品與組成單元基因(進(jìn)一步細(xì)分為部件/構(gòu)件，零件/元器件，材料、結(jié)構(gòu)與工藝基因)等.上一層級的基因體均由下一層級基因體組合而成，其關(guān)系如圖2所示.

圖2　產(chǎn)品基因分類及其關(guān)系Fig.2　Product gene classification and its relationship

2　基于開發(fā)過程的資源重用策略

2.1定制化產(chǎn)品的開發(fā)過程

定制化產(chǎn)品多為變型產(chǎn)品，始于開發(fā)設(shè)計，但有別于全新產(chǎn)品開發(fā)過程，是對現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化過程；對應(yīng)在生物學(xué)上則是優(yōu)勝劣汰的環(huán)境適應(yīng)過程.定制化產(chǎn)品開發(fā)過程模型[22]如圖3.

圖3　定制化產(chǎn)品開發(fā)過程模型Fig.3　Model of customized product development process

由圖3可以看出，定制化產(chǎn)品開發(fā)過程是基于流程、面向客戶、需求導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的集成式創(chuàng)新模型，其過程由需求分析、資源管理、產(chǎn)品實現(xiàn)及產(chǎn)品評價等子過程構(gòu)成.其中，產(chǎn)品評價子過程既是定制化產(chǎn)品開發(fā)過程的起點也是終點.定義定制化產(chǎn)品為通用/遺傳單元和定制/變異單元，定制化產(chǎn)品設(shè)計則是依據(jù)需求分析對產(chǎn)品資源中通用單元的借用并對定制單元進(jìn)行選用和創(chuàng)新設(shè)計.在整個開發(fā)過程中既有基于組成單位實體資源的粗粒度重用，也有基于結(jié)構(gòu)、工藝等知識資源的細(xì)粒度重用，開發(fā)過程實質(zhì)上是資源重用的過程.

2.2資源重用的策略

按創(chuàng)新程度的不同，新產(chǎn)品一般分為新市場/新用途新產(chǎn)品、換代新產(chǎn)品和全新產(chǎn)品，其區(qū)別在于對原有產(chǎn)品設(shè)計的繼承程度.新市場/新用途新產(chǎn)品基本完全繼承，換代新產(chǎn)品大部分繼承，全新產(chǎn)品僅有少部分繼承而多數(shù)重新設(shè)計.從2.1節(jié)可以看出，定制化產(chǎn)品開發(fā)大多是基于對已有產(chǎn)品的原理解及設(shè)計知識的重用，本質(zhì)上與生物遺傳的思想和規(guī)律有相通之處.因此，以定制化產(chǎn)品基因為重用對象，結(jié)合生物基因遺傳中心法則，可將產(chǎn)品資源重用策略歸集為復(fù)制、變異和突變重用這3種重用策略.

1)復(fù)制重用：以可遺傳基因體作為母版，將基因體中包含的各種功能、結(jié)構(gòu)、原理參數(shù)及設(shè)計模型等完全復(fù)制拷貝給子代基因體，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯形成產(chǎn)品組成單元實體.該策略的資源重用方法是完全借用，保證了產(chǎn)品之間的繼承性，消除了無效重復(fù)勞動，避免了設(shè)計隨意性導(dǎo)致的物料數(shù)量增加，同時實現(xiàn)了設(shè)計資源的有效重用.

2)變異重用：對不能完全復(fù)制重用的基因體，通過人為的干預(yù)使產(chǎn)品基因發(fā)生改變或基因替換，形成新的基因體作為定制化產(chǎn)品的產(chǎn)品基因.該策略的資源重用方法是局部修改，在保證產(chǎn)品之間繼承性基礎(chǔ)上體現(xiàn)子代產(chǎn)品的獨特性和可定制性，簡化了設(shè)計，減少了無效重復(fù)設(shè)計.

3)突變重用：產(chǎn)品基因發(fā)生大量的基因變異或基因重組，致使基因片段發(fā)生永久性的結(jié)構(gòu)變化，基因體的功能、結(jié)構(gòu)或原理基因發(fā)生重大突變，從而使得產(chǎn)品或組成單元的功能、結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生較大變化，明顯區(qū)別于現(xiàn)有產(chǎn)品或組成單元.該策略的資源重用方法是重新設(shè)計，在保證產(chǎn)品之間繼承性基礎(chǔ)上體現(xiàn)創(chuàng)新性.

3　基于相似度的資源可重用性評價

產(chǎn)品資源能否重用取決于產(chǎn)品及其組成單元間的相似性程度(一般用相似度表示)，與已有產(chǎn)品或組成單元的相似度越高表明設(shè)計資源可重用性越好.

3.1資源重用和基因遺傳與變異的實質(zhì)

基因遺傳與變異是基因體變與不變的根源，基因的差異性是區(qū)分遺傳與變異的依據(jù)，因此，資源重用的實質(zhì)是基因相似性或差異性，用建立在基因相似性或差異性分析基礎(chǔ)上的“相同和相似度高則遺傳，相似度低或有一定差異就變異，顯著差別則突變或重組”的策略或路徑來處理基因體變與不變.相似性或差異性存在于產(chǎn)品的不同層級基因體之中，在此將頂層(產(chǎn)品層)設(shè)定為0層，中間層(組成單元層級)自頂而下依次設(shè)定為1，2，…，n層.對于產(chǎn)品層，往往只需要考慮個性需求基因相似性，如果2個產(chǎn)品的定制需求是接近的，那么理論上這2個產(chǎn)品的設(shè)計方案也是相似的[23]；對于組成單元層，要綜合考慮功能、原理和結(jié)構(gòu)基因的相似性；對于底層(材料、結(jié)構(gòu)與工藝層)，要分別考慮原理基因和結(jié)構(gòu)基因的相似性.

3.2基因體相似度的度量

相似度(用S表示)是衡量2個物體間相似性程度的綜合性指標(biāo)，S∈[0，1]，S=1表示完全相同，S=0表示顯著差別.用基因間的距離表示差異，其距離用綜合歐氏距離法進(jìn)行測算(如式(3)所示).考慮到基因體的多因子屬性，則基因體相似度用式(4)來度量，其含義是定制化基因體與現(xiàn)有產(chǎn)品對應(yīng)基因體間的相似程度.

(3)

(4)

式中：Sxi為相似度；ωj為基因參數(shù)的權(quán)重.

不同層級基因體相似度評價具有差異性.粗粒度的頂層(產(chǎn)品層)直接用需求基因相似度表征；細(xì)粒度的中間層(組成單元層)相似度是功能、原理和結(jié)構(gòu)等基因相似度的綜合；微粒度的底層(材料、結(jié)構(gòu)與工藝層)相似度由原理和結(jié)構(gòu)基因相似度共同決定.

3.3基因體相似度測算的方法與步驟

1)定制化產(chǎn)品基因體的基因矩陣確立及其測算.據(jù)定制需求得出需求基因參數(shù)行向量Rx=(Rx1，Rx2，…，Rxn)；假定有M個歷史實例，Rij表示實例i與客戶需求對應(yīng)的j需求基因參數(shù)；由實例產(chǎn)品和定制產(chǎn)品的需求基因參數(shù)共同構(gòu)成定制化產(chǎn)品基因體需求基因矩陣RM=(Rij)(m+1)×n；通過“平移-標(biāo)準(zhǔn)差-極差”矩陣變換得RM′如式(5)：

(5)

式中：數(shù)值型歸一化方法為

(i=1,2,…,m+1;j=1,2,…,k)，

狀態(tài)類變量或布爾類型變量歸一化方法為

其中，k≤j≤n,1≤i≤m+1.

2)基因體的基因權(quán)重向量ωj及相似度確定.不同基因在定制化產(chǎn)品基因體中重要性不同，可用權(quán)重表示，一般由專家根據(jù)顧客需求對產(chǎn)品設(shè)計影響用層次分析法來確定權(quán)重向量，如式(6)：

ωj=(ω1,ω2,ω3,…,ωn)T.

(6)

根據(jù)式(4)，需求基因的相似度也就被測算出來了.至于功能基因、原理基因和結(jié)構(gòu)基因的測算方法與需求基因的相同.而不同層次基因體相似度計算順序則可按QFD等方法分層分解得到.

4　資源重用策略的選擇

4.1基于韋伯定理的變與不變閾值確定

當(dāng)產(chǎn)品主參數(shù)同人的感覺直接相關(guān)時，參數(shù)值選擇與確定便受到人的生理功能和心理習(xí)慣嚴(yán)格制約.反映這一規(guī)律的理論是韋伯定理[24].

韋伯定理的基本原理：1)人的感覺是由刺激引起的；2)如果以I表示原刺激強(qiáng)度，以I+ΔI表示剛剛察覺出變化的較強(qiáng)刺激強(qiáng)度，I的大小不同，則ΔI也不同，且ΔI /I=K，K為常數(shù)；3)K的取值對不同的生理或心理方面各不相同，一般取K重量=0.03，K視覺=0.01，K聽覺=0.1.

基于韋伯定理可以將剛剛能引起感覺的最小刺激量定義為“絕對感受閾限”，將所能察覺到的刺激物的最小差異量定義為“差別感覺閾限”，并將需求歸結(jié)為生理感知和心理感覺兩方面.根據(jù)需求屬性與相對重要性(權(quán)重)、差別感覺閾限值，確定基因體變與不變的閾限值T，計算公式為

(7)

T定義為基因遺傳與變異的相似度界限值，如果基因體相似度高于T，表明基因體相似，否則，表明基因體存在差異性；同理，將絕對感受閾限的刺激強(qiáng)度作為原刺激強(qiáng)度J，以J+ΔJ表示剛剛察覺出變化的較強(qiáng)刺激強(qiáng)度，相對最初刺激強(qiáng)度也可以看成是較大變化的刺激強(qiáng)度，作為基因體變異與突變的相似度界限值T′，計算公式為

T′=1-(D2+2D).

(8)

由式(7)和式(8)可測算出基因體變異與突變的閾值.

4.2重用策略選擇與基于重用定制化產(chǎn)品開發(fā)過程

定制化產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計是以客戶定制需求為驅(qū)動，基于相似度評價分層級選取相似度最大的基因體，通過閾值選擇對應(yīng)重用策略并對所選取的基因體實施借用、修改或重新設(shè)計的過程.基于重用策略的定制化產(chǎn)品開發(fā)過程如圖4.

圖4　基于基因重用策略定化產(chǎn)品開發(fā)過程模型Fig.4　Model of customized product development process based on strategy of genetic reuse

1)基于閾值重用策略選用準(zhǔn)則.閾值是感覺差異變化程度的界限值,由式(4)相似度的計算和式(7)、式(8)確定，重用策略選用準(zhǔn)則為：

①當(dāng)S≥Tti，復(fù)制重用策略；

其中，i=0，1，2，3，4,表征重用層級.

重用策略選用準(zhǔn)則適用于任何重用層級如頂層產(chǎn)品級重用、中間層組成單元級重用及底層結(jié)構(gòu)工藝級重用等.然而，在同一重用層級，不同重用策略的執(zhí)行過程具有差異性，遺傳的復(fù)制重用直接反饋結(jié)果，變異或突變的重用則要通過下一重用層級檢索，直到底層，選用相應(yīng)重用策略.

2)基于基因重用的定制化產(chǎn)品開發(fā)過程.從圖4可以看出，定制化產(chǎn)品開發(fā)是基于基因重用策略自頂層產(chǎn)品經(jīng)中間層組成單元到底層材料、結(jié)構(gòu)與工藝的不斷遞推尋優(yōu)的過程.具體而言，基于選用準(zhǔn)則，若在產(chǎn)品層不能直接復(fù)制重用現(xiàn)有產(chǎn)品，則選用最大相似度的現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行下一層級的變異重用.同理，在組成單元層，滿足復(fù)制重用策略單元直接借用，基因體遺傳，不滿足的則選取相似度最大的進(jìn)入下一級單元的變異重用，根據(jù)產(chǎn)品組成層級依次展開進(jìn)行選用，直至底層.底層即材料、結(jié)構(gòu)與工藝層重用：變異重用一般是重用原有設(shè)計與工藝，僅在結(jié)構(gòu)形式與尺寸參數(shù)方面發(fā)生改變；突變重用是指有新的結(jié)構(gòu)和工藝形成，考慮繼承性，界面接口一般是不變的.

變化是絕對的，而不變是相對的，遺傳、變異與突變等變化方式存在于不同產(chǎn)品重用層級和基因體粒度，從粗粒度產(chǎn)品層到細(xì)粒度組成單元層直至微粒度材料與結(jié)構(gòu)工藝層，復(fù)制重用程度逐級降低，相應(yīng)的變異重用與突變程度逐級提高.且復(fù)制、變異及突變相輔相成，共同作用，是實現(xiàn)設(shè)計資源重用和定制化產(chǎn)品開發(fā)的重要方法和途徑.

從以上分析可以得出如下結(jié)論：

1)產(chǎn)品(包含組成單元)是產(chǎn)品基因承載體，其變與不變是外在表現(xiàn)，內(nèi)在機(jī)理是基因傳導(dǎo)規(guī)律，不變即基因復(fù)制，變即基因的變異與突變.

2)資源重用策略選擇是在基因相似性度量基礎(chǔ)上以基因體相似度閾值為依據(jù)的綜合評價過程，貫穿于定制化產(chǎn)品開發(fā)全過程.

3)隨著產(chǎn)品重用層級細(xì)分，重用粒度逐漸細(xì)化；資源重用程度越來越低，定制化產(chǎn)品開發(fā)工作復(fù)雜性逐漸增加，產(chǎn)品創(chuàng)新程度相應(yīng)提高.

4)如果某一重用層級是復(fù)制重用，則其后續(xù)層級為復(fù)制重用；如果某一重用層級是變異或突變重用，則其上一重用層級為變異或突變重用，但其后續(xù)層級并不全是變異或突變重用，存在復(fù)制重用.

5　實　例

以可重構(gòu)小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)(small agricultural machinery, SAM)中的溫室作業(yè)機(jī)定制化設(shè)計為例，資源重用策略的選擇與定制化開發(fā)過程具體說明如下.

SAM主要包括動力、傳動、操縱、行走及作業(yè)五大模塊[25].由于行走方式?jīng)Q定傳動模式進(jìn)而決定操縱方式，在此將行走、傳動和操縱等單元集成為中間驅(qū)動方式單元，市場上有3種可供選擇的類型：1)單輪行走，萬向型扶手，柔性傳動、1進(jìn)1退檔位；2)雙輪行走，A型扶手，剛性傳動、2進(jìn)1退檔位；3)三輪行走，U型扶手，剛性傳動、2進(jìn)1退檔位.一般中間、驅(qū)動方式是固定不變，可將其看成是通用單元；動力單元和作業(yè)單元一般是客戶可選，將它們作為定制單元.其中，柴油發(fā)動機(jī)是動力模塊核心部件，按功率有M1至M5(3，4，6，6.5，7 kW)這5種；作業(yè)單元可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口更換旋耕、開溝、起壟等3種作業(yè)裝置.不同單元組合得到45(3×5×3=45)種可供選擇小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī).

用戶定制需求：功率為5.5 kW，質(zhì)量為80 kg，價格為3 600元，旋耕幅為60 cm，旋耕深為12 cm.已有10種滿足個性需求的作業(yè)機(jī)，各基因參數(shù)如表1[25].通過分析顧客對各類需求重視程度并采用層次分析法得出權(quán)重值為(0.19，0.09，0.24，0.24，0.24).

表1小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)的需求基因參數(shù)

Table 1Customization gene parameters of small agricultural machinery

產(chǎn)品功率/kW質(zhì)量/kg價格/元旋耕幅/cm旋耕深/cmP14602800608P248555006012P33853800P46.58538007012P53503000P63603000608P766055007010P87604000P94505000P106504000

Step1：產(chǎn)品層檢索.依據(jù)表1和式(5)得出變換矩陣RM′，用式(4)計算相似度，結(jié)果如表2所示.

表2　產(chǎn)品層相似度計算結(jié)果

由表2可以看出，產(chǎn)品P4的相似度值(0.937)最大,且介于兩類閾值之間(0.916

Step2:組成單元層檢索(以動力單元為例).將顧客需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)組成單元，對設(shè)計資源可重用性評價，確定相應(yīng)組成單元的重用策略與方法.

發(fā)動機(jī)作為動力單元中最關(guān)鍵部分，是客戶關(guān)注的焦點，將其作為可定制單元.農(nóng)用機(jī)械一般為柴油發(fā)動機(jī)，其設(shè)計原理相同，結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于功率大小，據(jù)需求不同功率的相似度如表3.

表3　動力單元相似度計算結(jié)果

圖5　發(fā)動機(jī)變型設(shè)計概念模式圖Fig.5　Conceptual model of engine variant design

同理可得出操縱、行走、傳動以及作業(yè)單元均復(fù)制重用的借用原有設(shè)計方案.

6　結(jié)束語

綜上所述，定制化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計是顧客驅(qū)動、面向過程的持續(xù)改善，體現(xiàn)了生物學(xué)的適者生存規(guī)律，產(chǎn)品創(chuàng)新與多樣化是外在表現(xiàn)，變與不變的內(nèi)在根本在于基因的遺傳與變異.類比生物基因工程，定制化產(chǎn)品基因包括需求基因、功能基因、結(jié)構(gòu)基因和原理基因等.基于目標(biāo)市場需求特點和定制化產(chǎn)品開發(fā)過程，定制化產(chǎn)品設(shè)計過程是建立在相似性基礎(chǔ)上資源重用過程，是對現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)；基因遺傳與變異影響并決定資源可重用程度，重用方法是外在表征，重用策略是基因傳導(dǎo)內(nèi)在機(jī)理體現(xiàn)，有復(fù)制、變異、突變重用等重用策略.韋伯定律揭示了人們感知差異的規(guī)律，利用它定量化確定遺傳、變異與突變界限值，設(shè)計出合理選擇重用策略的選用準(zhǔn)則.基因的遺傳與變異和不同資源重用策略同時存在于不同粒度的基因體或產(chǎn)品組成層級之中；上層復(fù)制重用，其下層一定是復(fù)制重用；上層是變異重用，其下層既有變異或突變重用也有復(fù)制重用，下層是復(fù)制，其上層有可能是復(fù)制也有可能是變異與突變.總之，通過產(chǎn)品資源合理有效的重用能夠減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣性，增加產(chǎn)品外部多樣性；在一定程度上提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計時間，并及時準(zhǔn)確快速地響應(yīng)客戶定制需求，從而在一定程度上增強(qiáng)企業(yè)競爭力.

[1] 史俊友，翟紅巖.基于Solid Works的CAPP系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2005，27(10):50-54．

SHI Jun-you， ZHAI Hong-yan. The research and design of CAPP system based on SolidWorks[J]. Manufacturing Automation， 2005， 27(10): 50-54．

[2] 李博.設(shè)計重用研究綜述[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，20(3):453-463．

LI Bo. Review on design reuse[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2014， 20(3): 453-463．

[3] EMIAN P， FRUCHTER R. Effective visualization of design versions: visual storytelling for design reuse[J]. Research in Engineering Design， 2009， 19(4): 193-204.

[4] COSTA C A， LUCIANO M A， LIMA C P. Assessment of a product range model concept to support design reuse using rule based systems and based reasoning[J]. Advanced Engineering Informatics， 2012， 26(2): 292-305．

[5] 劉明.設(shè)計資源重用技術(shù)在X光機(jī)產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2015:9-30．

LIU Ming. Research of design resource reuse technology application in X-ray product research and development[D]. Shengyang: Shengyang University of Technology， College of Mechanical Engineering， 2015: 9-30．

[6] CHEN Xiang， GAO Shu-ming， GUO Song， et al. A flexible assembly retrieval approach for model reuse[J]. Computer Aided Design， 2012， 44(6): 554-574．

[7] AGARD B， BASSETTO S. Modular design of product families for quality and cost[J]. International Journal of Production Research， 2013， 51(6): 1648-1667．

[8] KONSTANTIONS S. Modular design for increasing assembly automation[J]. Annals-Manufacturing Technology， 2014， 63(1): 189-192．

[9] 周冬冬，王國棟，肖聚亮，等.新型模塊化可重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計與運動學(xué)分析[J].工程設(shè)計學(xué)報，2016，23(1):74-81．

ZHOU Dong-dong， WANG Guo-dong， XIAO Ju-liang， et al. Design and kinematics analysis of new modular reconfigurable robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design， 2016， 23(1): 74-81．

[10] GERO J S， KAZAKOV V A， SCHNIER T. Evolving design genes as well as design solutions[C]//Proceedings of the 3rd ASCE International Workshop on Computing in Civil Engineering in 1996. New York， USA: American Society of Civil Engineerings Press， 1996: 84-90．

[11] VAJNA S， CLEMENT S， JORDAN A， et al. The autogenetic design theory: an evolutionary view of the design process[J]. Journal of Engineering Design， 2005， 16(4): 423-440．

[12] 顧新建，譚建榮，祁國寧.機(jī)械產(chǎn)品信息基因模型[J].中國機(jī)械工程，1997，8(2):77-79．

GU Xin-jian， TAN Jian-rong， QI Guo-ning. Gene information model of mechanical product[J]. China Mechanical Engineering， 1997， 8(2): 77-79．

[13] 馮培恩，陳泳，張帥，等.基于產(chǎn)品基因的概念設(shè)計[J].機(jī)械工程學(xué)報，2002，38(10):1-6．

FENG Pei-en， CHEN Yong， ZHANG Shuai， et al. Product gene based conceptual design[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2002， 38(10): 1-6．

[14] SMITH S， SMITH G， SHEN Y T. Redesign for product innovation[J]. Design Studies， 2012， 33(2): 60-184.

[15] 武守飛，潘曉弘，張勇，等.面向大批量定制的設(shè)計重用支撐平臺研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15(2):258-264．

WU Shou-fei， PAN Xiao-hong， ZHANG Yong， et al. Design reuse supporting platform for mass customization[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2009， 15(2): 258-264．

[16] 許靜，紀(jì)楊建，祁國寧，等.基于模塊化產(chǎn)品平臺的技術(shù)對象重用建模技術(shù)研究[J].中國機(jī)械工程，2012，23(14)：1681-1692．

XU Jing， JI Yang-jian， QI Guo-ning， et al. Research on reuse modeling for technical objects based on modular product platform[J]. China Mechanical Engineering， 2012， 23(14): 1681-1692．

[17] 韋俊民，金隼，林忠欽，等.產(chǎn)品族設(shè)計中的零件相似性評價方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2007，41(8):1218-1222．

WEI Jun-min， JIN Su， LIN Zhong-qin， et al. Evaluating the similarity of components for product family design[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2007， 41(8): 1218-1222．

[18] 周宏明，付培紅，李峰平，等.基于產(chǎn)品基因適應(yīng)性設(shè)計方法研究[J].中國機(jī)械工程，2012，23(10):1175-1179．

ZHOU Hong-ming， FU Pei-hong， LI Feng-ping， et al. Research on adaptability design method based on product gene[J]. China Mechanical Engineering， 2012， 23(10): 1175-1179．

[19] 趙武玲.分子生物學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2010：10-38．

ZHAO Wu-ling. Molecular biology[M]. Beijing: China Agricultural University Press， 2010:10-38．

[20] 楊金勇，黃克正，尚勇，等.產(chǎn)品基因研究綜述[J].機(jī)械設(shè)計，2007，24(4)：1-4．

YANG Jin-yong， HUANG Ke-zheng， SHANG Yong， et al. Summary of the study on product gene[J]. Journal of Machine Design， 2007， 24(4): 1-4．

[21] 包志炎，崔梁萍，施高萍.基于基因表達(dá)的大批量定制產(chǎn)品信息建模[J].煤礦機(jī)械，2012，33(5)：81-83．

BAO Zhi-yan， CUI Liang-ping， SHI Gao-ping. Product information model of product in mass customization based on gene expression[J]. Coal Mine Machinery， 2012， 33(5): 81-83．

[22] 程幼明，龔本剛.基于過程方法的變型產(chǎn)品開發(fā)過程的重構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006，37(4)：129-133．

CHENG You-ming， GONG Ben-gang. Process method of developing amelioration products[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2006， 37(4): 129-133．

[23] 肖剛.面向大批量定制的產(chǎn)品族進(jìn)化理論與繁殖方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011：67-73．

XIAO Gang. Evolution theory and propagation approach of product family for mass customization[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology， College of Mechanical Engineering， 2011:67-73．[24] DAWOOD Hussain， DAWOOD Hassan， GUO Ping. Removal of high-intensity impulse noise by Weber′s law Noise Identifier[J]. Pattern Recognition Letters， 2014， 49(1): 121-130．

[25] 張立彬.微小型農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品可重構(gòu)模塊化:設(shè)計方法及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007:112-178．

ZHANG Li-bin. The reconfigurable modular method of small agricultural machinery: design methods and applications [M]. Beijing: Science Press，2007:112-178．

The strategy of resources reuse and its selection of customized products based on genetic

CHENG You-ming， LI Fu-chang， GONG Ben-gang， WU Ying

(College of Management and Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China)

The degree of product design resources reuse is the key factor that influences the enterprise’s response time on market demand and the costs of design. The characterization way of customized products gene was defined based on the relationship between customized products and resource reuse. Three kinds of the strategy of resources reuse which included genetic reuse， variation reuse， and mutation reuse were obtained based on genetic and the development process of customized product. For the convenience of the choice to the strategy， the availability of resources was evaluated based on the similarity analysis， the similarity between existing product gene with customized product gene was calculated by Euclidean distance， and the similarity threshold was set based on Weber’s law to determine the resource reuse strategy. Finally， the strategy was verified by a design example of customized reusable small agricultural machinery．

customized product; gene; similarity; Weber’s law; reuse strategy

2016-01-08.

國家自然科學(xué)基金資助項目(71171002);安徽省高校省級自然科學(xué)重點資助項目(KJ2011A033).

程幼明(1963—)，男，湖北武漢人，教授，從事工業(yè)工程、產(chǎn)品創(chuàng)新理論研究，E-mail：chengym815@163.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.05.001

TB 472； S 232.3

A

1006-754X(2016)05-0401-08

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

http://orcid.org//0000-0003-0716-3489

李富昌(1990—)，男，山東臨沂人，碩士，從事質(zhì)量管理工程、產(chǎn)品管理研究，E-mail: 467870270@qq.com.

http://orcid.org//0000-0002-8259-1179