嚴建文，袁成明，張 強，范 煜,3

(1.合肥工業(yè)大學管理學院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009; 3.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 引言

復雜成形裝備作為高端制造產(chǎn)業(yè)的基礎裝備，是各產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和技術進步的重要保障。服務作為產(chǎn)品服務系統(tǒng)中最靈活的要素，在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等新興信息技術快速發(fā)展的背景下，已經(jīng)成為裝備制造業(yè)創(chuàng)新不可或缺的組成部分。服務與產(chǎn)品的組合構(gòu)成了更大的解決方案空間，可以更好地滿足顧客的個性化需求。

面向服務的復雜成形裝備的產(chǎn)品設計是制造企業(yè)從提供產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┊a(chǎn)品服務整體解決方案的重要保障，改變了傳統(tǒng)的裝備制造業(yè)的開發(fā)方式和模式，極其深刻地影響著復雜成形裝備產(chǎn)業(yè)的制造模式和發(fā)展戰(zhàn)略。而產(chǎn)品架構(gòu)設計作為產(chǎn)品開發(fā)工程的關鍵管理技術，是產(chǎn)品開發(fā)設計的重要結(jié)果和企業(yè)經(jīng)營的產(chǎn)品根基，決定了其開發(fā)過程的創(chuàng)新性與高效性。

產(chǎn)品架構(gòu)是通過將產(chǎn)品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案[1-2]，體現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的分解與集成。Ulrich[1]首先從設計理論、軟件工程、運作管理和產(chǎn)品開發(fā)管理等多學科的角度，對制造企業(yè)提出了產(chǎn)品架構(gòu)的概念，認為產(chǎn)品架構(gòu)是通過將產(chǎn)品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案。它包括三方面的內(nèi)容，一是功能元素的安排，二是功能元素與物理組件之間的映射，三是相互作用的物理組件之間的界面，體現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的分解與集成。

面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)設計是以服務為核心，將產(chǎn)品的不同功能單元(稱為服務)通過這些服務之間定義良好的映射關系有效地組合聯(lián)系起來，有效地將系統(tǒng)技術服務化。利用服務組件來執(zhí)行各種任務和業(yè)務功能，并對這些服務組件進行協(xié)調(diào)組合以適應復雜多變的業(yè)務流程。基于面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)設計理念，企業(yè)可以實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)資源的有效集成，解決企業(yè)信息孤島問題，在適應企業(yè)業(yè)務需求不斷變化的同時，可以靈活地構(gòu)建新的系統(tǒng)服務組件，滿足產(chǎn)品的功能需求，快速實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)和業(yè)務流程的變更。

在實際應用中，產(chǎn)品架構(gòu)理論更多地關注產(chǎn)品架構(gòu)和組塊在研發(fā)和制造階段的作用及分析，而對于產(chǎn)品架構(gòu)中的組塊在服務階段的情境和系統(tǒng)分析仍有待于研究和完善。在制造業(yè)服務化的背景下，一些學者在傳統(tǒng)產(chǎn)品和服務設計建模方法的基礎上，提出了一系列設計工具、技術和方法來支持產(chǎn)品服務的設計[3-6]。針對于復雜產(chǎn)品開發(fā)過程中的任務調(diào)度和分配等方面，鐘金宏等[7]提出了一種基于相似系統(tǒng)工程方法的試驗任務確認框架；秦健[8]則側(cè)重于研究通過實現(xiàn)研發(fā)/制造/營銷的跨職能組織整合提升新產(chǎn)品開發(fā)績效。考慮到服務提供商開展非透明銷售的趨勢，鄢章華等[9]基于Bling booking業(yè)務研究非透明銷售渠道產(chǎn)品的設計優(yōu)化問題。姚錚等[10]基于中國制造業(yè)企業(yè)的實證案例研究新產(chǎn)品開發(fā)中的資源匹配關系，為企業(yè)提高新產(chǎn)品開發(fā)效率、降低開發(fā)風險提供了決策支持與理論依據(jù)。以上研究主要集中在產(chǎn)品開發(fā)過程中的理論體系、組織與實現(xiàn)機制及初步應用探討等方面，尚未考慮新興信息技術環(huán)境下復雜產(chǎn)品服務模式及其過程的轉(zhuǎn)變，也缺乏產(chǎn)品和服務的統(tǒng)一表達方法及產(chǎn)品服務集成設計的結(jié)構(gòu)化建模方法。

本文基于公理化設計域結(jié)構(gòu)的思想，通過獲取客戶產(chǎn)品和服務需求，建立需求與功能的映射關系，再將系統(tǒng)的功能模塊設計為易于理解的業(yè)務架構(gòu)模塊，將面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架建模為需求域、功能域、架構(gòu)域及其之間的映射關系；并對復雜成形裝備產(chǎn)品設計的功能、服務架構(gòu)進行設計建模，利用模塊化理論方法，考慮成本因素對產(chǎn)品架構(gòu)進行優(yōu)化。

在新興信息技術環(huán)境下，借助于產(chǎn)品運行的海量數(shù)據(jù)，復雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復雜產(chǎn)品的新功能，改變產(chǎn)品與人、其他產(chǎn)品及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞?，加速制造業(yè)服務化進程。面對著智能互聯(lián)環(huán)境給復雜成形裝備所帶來的機遇，企業(yè)必須重塑現(xiàn)有價值鏈，打造以服務為導向的競爭優(yōu)勢。在企業(yè)價值鏈中，產(chǎn)品架構(gòu)設計是實現(xiàn)從傳統(tǒng)復雜成形裝備到面向服務的復雜成形裝備戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的關鍵環(huán)節(jié)，是銜接新產(chǎn)品的市場需求和產(chǎn)品新技術的橋梁，決定了復雜成形裝備服務創(chuàng)新的成敗[11-13]。

2 面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架

在復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計過程中，需要將客戶需求轉(zhuǎn)化為復雜成形裝備的系列功能，建立復雜成形裝備的產(chǎn)品功能模型。根據(jù)產(chǎn)品功能模型，構(gòu)建復雜成形裝備的產(chǎn)品和服務模塊，進而形成復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)設計方案，最后按照模塊化設計思想對產(chǎn)品架構(gòu)設計方案進行優(yōu)化改進。因此，需要建立面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架，并給出相應的設計要素模型及其關鍵生成技術。

2.1 面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)設計特征

隨著互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展，新一代信息技術(物聯(lián)網(wǎng)、云計算等)為復雜成形裝備帶來了革命性的變化。信息技術正成為復雜成形裝備本身不可分割的一部分[14]。因此，不同于傳統(tǒng)復雜成形裝備架構(gòu)設計，智能互聯(lián)環(huán)境下面向服務的復雜成形裝備無論是在產(chǎn)品功能、使用范圍和服務周期等產(chǎn)品特征方面，還是在產(chǎn)品架構(gòu)和技術體系等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，都需要全新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來支持。此外，為了保證服務戰(zhàn)略的順利實施，企業(yè)需要在復雜產(chǎn)品設計階段就考慮所希望提供的服務，而服務的引入導致了設計復雜性的增加。這些變化都使得智能互聯(lián)環(huán)境下，面向服務的復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)設計呈現(xiàn)出新的特點和需求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

① 設計主體的多樣性。為了加快產(chǎn)品創(chuàng)新和高效滿足日益多元化的客戶需求，制造企業(yè)越來越傾向于充分利用軟件。這需要覆蓋多個領域的設計主體參與到復雜產(chǎn)品的設計過程，形成跨領域的設計方案。

② 設計對象的異質(zhì)性。面向服務的復雜成形裝備設計對象不僅包括了機械部件、電子部件和軟件等有形產(chǎn)品部分，也包括了無形服務部分。這兩者是兩類本質(zhì)不同的設計對象，具有典型的異質(zhì)性。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復雜成形裝備設計強調(diào)產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)品和服務共同提供的效用價值，需要將產(chǎn)品和服務兩類異質(zhì)的設計對象組合在一起，共同滿足用戶所期望的結(jié)果。

③ 架構(gòu)設計的全面性。在新興信息技術環(huán)境下，企業(yè)應該利用服務的方式在產(chǎn)品全生命周期范圍內(nèi)將產(chǎn)品與服務集成起來。因此，面向服務的復雜成形裝備架構(gòu)設計應考慮產(chǎn)品生命周期各階段的用戶特征、用戶需求、協(xié)作需求和技術需求等，強調(diào)產(chǎn)品與服務的整體運作過程，形成面向全生命周期的產(chǎn)品設計和服務設計方案。

這些新的特點和需求對傳統(tǒng)復雜成形裝備設計建模和決策方法提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)復雜成形裝備架構(gòu)設計是面向物理產(chǎn)品的，側(cè)重于產(chǎn)品具體屬性需求，并以產(chǎn)品功能實現(xiàn)為最終目標，缺乏產(chǎn)品設計與服務設計的交互關系(如圖1)。但是，在面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)設計過程中，產(chǎn)品與服務需要集成設計，保證產(chǎn)品與服務設計的一致性，從而共同滿足顧客的需求(如圖2)，是一種并行設計環(huán)境結(jié)構(gòu)[15]。因此，傳統(tǒng)方法難以適應需要在產(chǎn)品空間與服務空間上同時進行設計的新特點和新要求，無法實現(xiàn)產(chǎn)品架構(gòu)設計方案在其生命周期內(nèi)整體性能的最優(yōu)。

圖1 傳統(tǒng)復雜成形裝備設計

圖2 面向服務的復雜成形裝備設計

2.2 面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架

面向服務的復雜產(chǎn)品架構(gòu)設計的過程是獲取客戶產(chǎn)品和服務需求，然后通過需求要素的傳遞和分配，進行復雜成形裝備的功能建模，然后根據(jù)功能模型設計

產(chǎn)品和服務模塊，建立復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)模型。

基于公理化設計域結(jié)構(gòu)的思想[16]，公理化設計理論是一個常用的結(jié)構(gòu)化設計方法?？梢酝ㄟ^建立評價設計的指標以及支持這些指標的工具來改善設計活動[16-17]。公理化設計理論的兩個重要的公理是獨立性公理和信息公理。為了應用這兩個公理，該設計方法的實現(xiàn)需要一個良好的設計結(jié)構(gòu)，即水平的域結(jié)構(gòu)和垂直的域內(nèi)層次化結(jié)構(gòu)。根據(jù)公理化設計理論，任何設計對象的設計過程可以描述在四個域中：顧客域、功能域、物理域和過程域，如圖3所示。這樣一個域結(jié)構(gòu)反映了分析和解決設計問題的基本框架。公理化設計理論已成功地用于各種產(chǎn)品的設計過程中，例如：制造系統(tǒng)的系統(tǒng)化設計和軟件系統(tǒng)設計[18]等。

圖3 設計域及映射

面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)是構(gòu)建由若干個業(yè)務模塊組成的服務組件。本文將面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架建模為需求域、功能域、架構(gòu)域及其之間的映射關系，通過獲取客戶產(chǎn)品和服務需求，建立需求與功能的映射關系，再將系統(tǒng)的功能模塊設計為易于理解的業(yè)務架構(gòu)模塊，以便于技術人員與業(yè)務人員的有效溝通?？蚣苋鐖D4所示。

圖4 面向服務的復雜成形裝備產(chǎn)品架構(gòu)設計框架

(1)需求域

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設計中，客戶需求僅局限于對產(chǎn)品功能的要求。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗挟a(chǎn)品服務。企業(yè)需要依據(jù)客戶所要完成的工程實踐，從產(chǎn)品功能和服務需求兩個方面對需求進行分析和描述。因此，需求域的核心活動是分析客戶對工程任務的需求，建立任務模型，然后根據(jù)任務模型，建立產(chǎn)品需求模型和服務需求模型。

(2)功能域

與需求域從客戶視角個性化描述產(chǎn)品和服務需求不同，功能域是從功能視角對復雜成形裝備的整體性能做出貢獻的獨立的運行能力和傳輸能力的描述。因此，功能域的核心活動是根據(jù)產(chǎn)品需求模型和服務需求模型，建立產(chǎn)品架構(gòu)設計的功能模型。功能模型描述了復雜成形裝備的功能結(jié)構(gòu)及其模塊間的邏輯關系。

(3)架構(gòu)域

架構(gòu)域是決定復雜成形裝備設計功能域中各項功能具體形式的重要環(huán)節(jié)。產(chǎn)品架構(gòu)設計主要是根據(jù)復雜成形裝備的功能模型，配置各功能模塊的技術參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。產(chǎn)品架構(gòu)通過層次結(jié)構(gòu)描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其特征，而服務架構(gòu)是通過服務活動圖來表達。在工程實踐中，由于產(chǎn)品和服務存在信息的交互、組合的相容和匹配約束，產(chǎn)品架構(gòu)與服務架構(gòu)間的交互關系表現(xiàn)為具有不同的約束關系。因此，產(chǎn)品架構(gòu)和服務架構(gòu)集成是實現(xiàn)面向服務的復雜成形裝備設計的基礎。

3 復雜成形裝備功能建模

3.1 復雜成形裝備的功能模型

復雜成形裝備由于其小批量單件式的生產(chǎn)模式、單件規(guī)模大成本高的產(chǎn)品特點，要求復雜成形產(chǎn)品相較于簡單產(chǎn)品需要在產(chǎn)品設計前更好地把握產(chǎn)品整個使用周期各階段的用戶需求、用戶特點、產(chǎn)品技術需求、產(chǎn)品服務要求等，并快速準確地將需求映射到產(chǎn)品功能與服務功能上，在進行產(chǎn)品功能模型的構(gòu)建時需要充分考慮到復雜成形產(chǎn)品的生產(chǎn)技術水平和人員服務水平。

復雜成形產(chǎn)品的功能不僅僅包括產(chǎn)品自身基本的使用功能，同時還包括客戶在使用產(chǎn)品過程中所要求的服務功能。在構(gòu)建復雜成形產(chǎn)品的功能模型時應同時考慮產(chǎn)品功能與服務功能，產(chǎn)品及其服務各個部分要素都具備各自特有的功能，相互區(qū)分的同時又相互聯(lián)系，兩者不可分割，相輔相成一起構(gòu)成復雜成形產(chǎn)品在整個使用周期的總功能。

充分表達功能與功能之間的關系(功能的分解與結(jié)合)、功能的描述與表達是功能模型建立的重點。有關傳統(tǒng)產(chǎn)品的功能模型的構(gòu)建通常采用樹狀的結(jié)構(gòu)來表示產(chǎn)品功能之間的分解與結(jié)合關系，簡單產(chǎn)品由于功能不涉及服務功能因此模型的物質(zhì)輸入與輸出僅涉及數(shù)據(jù)、物質(zhì)條件和工程特性。

產(chǎn)品的總功能被分解為由產(chǎn)品功能實現(xiàn)與由服務功能實現(xiàn)兩個子功能，再將兩個子功能向下分解直至不能分解為止。該功能模型完整表達了產(chǎn)品功能系統(tǒng)和服務系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)。

其中功能模型結(jié)構(gòu)的頂端是產(chǎn)品的總功能，被分解為下層的兩個產(chǎn)品子功能，即下層兩個產(chǎn)品子功能負責不同的功能實現(xiàn)，兩者結(jié)合起來共同實現(xiàn)產(chǎn)品總功能，接著再將兩個產(chǎn)品子功能進行分解，形成下層的產(chǎn)品功能，直至不能再被分解，則樹狀結(jié)構(gòu)完成。功能模型中采用工程特性對功能進行描述與表達，工程特性主要用于描述產(chǎn)品功能實現(xiàn)所需的物質(zhì)、信息和能量的輸入與輸出流動。

由于復雜成形產(chǎn)品的功能包含了產(chǎn)品功能與服務功能兩個方面，所以在構(gòu)建功能模型時需要考慮服務功能模塊的分解與結(jié)合，同時為了更好的區(qū)分服務功能與產(chǎn)品功能，服務功能有關的信息、能量與人員流動等都需要引入服務類型來進行描述，如圖5所示。

復雜成形產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)采用黑箱表示法表示功能，產(chǎn)品功能內(nèi)部的物質(zhì)流動、能量流動與信息流動，以及服務功能的物質(zhì)流動、信息流動與人員流動對外封閉。由于功能模型的高適應性要求各相關模塊間耦合較低，同一功能模塊下的子模塊聚合程度較高，以便客戶的需求發(fā)生變動時，可根據(jù)客戶的需求變化進行相關功能模塊的更改。

3.2 基于QFD的復雜成形裝備功能生成方法

3.2.1 QFD 簡介

本文基于質(zhì)量功能展開方法(Quality Function Deployment—QFD)提出復雜成形裝備功能生成方法。在質(zhì)量功能展開的過程中，最直觀反映客戶需求與產(chǎn)品設計之間關系的是質(zhì)量屋，它在質(zhì)量展開過程中占主體地位。

在實際應用中，通常根據(jù)企業(yè)或產(chǎn)品自身情況進行質(zhì)量屋的拆分、簡化或變形，由于復雜成形產(chǎn)品與傳統(tǒng)相比的特殊性，需要根據(jù)產(chǎn)品特點對質(zhì)量屋進行相應調(diào)整。復雜成形產(chǎn)品的需求與功能都涉及兩方面，即產(chǎn)品需求與服務需求，因此在構(gòu)建需求到功能的質(zhì)量屋時需將產(chǎn)品與服務進行并行設計。

圖5 復雜成形產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 QFD 步驟

根據(jù)上述復雜成形產(chǎn)品質(zhì)量屋的架構(gòu)，在實施質(zhì)量屋時應遵循以下幾個步驟：

(1)客戶需求獲取及分析

客戶需求的獲取及分析是質(zhì)量屋中較為關鍵的一步，通常通過市場調(diào)研的方式來獲得客戶對產(chǎn)品和服務的需求與意見，同時針對復雜成形產(chǎn)品還應要求內(nèi)部人員基于對產(chǎn)品和服務的了解提出對產(chǎn)品及服務的需求，之后建立需求矩陣。在建立需求矩陣時需確定客戶與內(nèi)部人員的權(quán)重：

①客戶權(quán)重的確定

設有nk個客戶對產(chǎn)品和服務提出了需求，待開發(fā)的產(chǎn)品與待添加的服務共有m個，每個客戶針對需求和服務的重要程度進行了打分，用DKi={Pi1,Pi2,Pi3,……,Pim}表示第i個客戶對各個產(chǎn)品需求與服務需求的打分。本文采用余弦相似度Cij對用戶進行分類，并用類的人數(shù)判斷該類客戶的權(quán)重,其中

(1)

設定相似度閾值a(0a時將客戶i與客戶j歸為一類，否則視為兩類；直至所有的客戶都被歸到類群中，設共有l(wèi)個類群，若類群Lb的人數(shù)Sb，則類群Lb中客戶的權(quán)重都為：

(2)

②內(nèi)部人員權(quán)重的確定

內(nèi)部人員的權(quán)重系數(shù)由人員的個人能力決定，設內(nèi)部人員共nr個，第i個人員的能力為e(0

(3)

(2)將產(chǎn)品和服務需求轉(zhuǎn)化為技術需求

將需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能特征與服務特征，需求與產(chǎn)品功能特征與服務特征的關系的強弱由專家給定，得到二維表，如表1所示。

其中根據(jù)專家判斷在表中填入1、2、3；代表需求與特征之間的相關程度大小，1表示不太相關，2表示相關，3表示非常相關。

(3)確定產(chǎn)品功能特征與服務特征之間的關系

建立與步驟2相似的二維表，用數(shù)字表示功能特征與服務特征之間的相關關系。

(4)確定功能特征與服務特征的權(quán)重

功能特征與服務功能的權(quán)重由需求矩陣與相關矩陣共同確定，即某一功能特征或服務特征的權(quán)重與其對應的需求以及其與其它特征之間的關系共同決定。

表1需求與功能特征二維表

3.3 復雜成形裝備的功能模型約簡

復雜成形裝備因其技術工藝復雜功能多樣等特性，在產(chǎn)品開發(fā)研制過程中，對功能模型進行必要的約簡成為重要的一環(huán)。復雜產(chǎn)品功能模型冗余產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：第一，復雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研制周期較長，由于新技術產(chǎn)生造成的相同功能不同實現(xiàn)原理改進容易形成功能的異質(zhì)性；第二，復雜產(chǎn)品系統(tǒng)研制主體企業(yè)對競爭企業(yè)的吸納和收購造成相似功能系統(tǒng)的異質(zhì)性；第三，企業(yè)人力資源管理政策變動使得核心設計人員的流動率不斷增大，在進行改型產(chǎn)品設計時無法對現(xiàn)有設計成果進行有效借用和參考，容易導致功能結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著的異質(zhì)性；第四，其他原因造成的功能異質(zhì)性[19]。

參考粗糙集理論中根據(jù)特定需要，將數(shù)據(jù)集中的冗余屬性刪除的屬性約簡特點[20]，接下來重點介紹復雜成形裝備的功能模型約簡。該方法首先通過顧客需求[21]和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能—結(jié)構(gòu)映射矩陣，尋找實現(xiàn)功能相同的部件。然后對這些功能進行功能相似度分析[22]，最后基于信息公理原則，提出復雜成形裝備功能模型約簡過程，得到異質(zhì)性較低的功能設計組合，滿足顧客需求。

如圖6所示，顧客首先向企業(yè)提出自己所需的復雜產(chǎn)品所要具備的功能[23]，稱為功能集R。廠商根據(jù)現(xiàn)有復雜產(chǎn)品具備的已有功能(稱為現(xiàn)有產(chǎn)品功能集F)進行內(nèi)部分析，關聯(lián)客戶所需功能集進行產(chǎn)品功能再設計。廠商重新評估現(xiàn)有產(chǎn)品的功能種類，淘汰冗余功能[24]，合并與客戶所需相似的功能，重新設計開發(fā)所需新功能，最終完成復雜成形裝備功能模型設計。以下為實現(xiàn)復雜成形裝備功能約簡的詳細步驟。

圖6 復雜成形裝備功能模型約簡過程

(1)建立顧客需求功能集

廠商通過市場調(diào)研以及現(xiàn)有客戶所提出的功能需求建立顧客需求功能集(R)。將顧客需求功能集模塊按照功能大類進行歸類合并。

(2)建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能集

廠商根據(jù)已有復雜產(chǎn)品功能特性，建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能集(F)。將所有功能模塊整理分類，建立數(shù)據(jù)庫儲存。

(3)建立關聯(lián)整合功能集

廠商根據(jù)顧客需求功能集和現(xiàn)有產(chǎn)品功能集，將功能模塊劃分為期望功能模塊和已有功能模塊，通過功能集內(nèi)部映射尋找冗余功能模塊、已實現(xiàn)功能模塊和期望功能模塊。通過需求功能集和物理結(jié)構(gòu)集分別向現(xiàn)有功能集和期望功能集映射，尋找相似功能模塊。

(4)分析功能映射關系

分析需求功能集(R)和已有功能集(F)的映射關系可以發(fā)現(xiàn)并剔除冗余功能模塊和不需要的功能模塊，添加沒能實現(xiàn)的新功能模塊，整合需求功能和已有功能相似的模塊，如圖7所示。

圖7 功能映射關系簡圖

(5)功能模型約簡

設計研究人員根據(jù)最終分析的功能映射關系，完成復雜成形產(chǎn)品功能模型約簡，最終制定出滿足客戶需求和市場需求的復雜成形裝備功能集(RF)，為后續(xù)通過功能模塊劃分設計制造復雜成形裝備提供功能導向，可以解決復雜產(chǎn)品功能模塊復雜繁多、功能設計規(guī)則難以提煉的兩個關鍵問題[25]。

4 復雜成形裝備的產(chǎn)品服務架構(gòu)建模

客戶需求需要經(jīng)過一系列映射轉(zhuǎn)化過程，設計團隊需要描述產(chǎn)品架構(gòu)、服務架構(gòu)，并使用技術參數(shù)來描述復雜成形裝備的架構(gòu)設計方案特征，最終形成可行的產(chǎn)品服務集成架構(gòu)模型。復雜成形裝備的架構(gòu)模型由具有關聯(lián)關系的產(chǎn)品架構(gòu)模型和服務架構(gòu)模型構(gòu)成。如圖8所示。

圖8 復雜成形裝備的架構(gòu)模型示意圖

4.1 復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型

產(chǎn)品架構(gòu)包括了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其相關關系，包括了產(chǎn)品部件的結(jié)構(gòu)方案及其技術設計參數(shù)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品架構(gòu)建模方法主要包括圖結(jié)構(gòu)模型、層次化模型和混合模型。圖結(jié)構(gòu)模型利用類圖的形式描述產(chǎn)品模塊間的關系；層次化模型則將產(chǎn)品模塊分解為多個層次(如圖9所示)，與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)保持一致性；混合模型則結(jié)合了層次化模型和圖模型的優(yōu)點，在每個產(chǎn)品模塊上同時具有圖結(jié)構(gòu)和層次化結(jié)構(gòu)。

圖9 層次化產(chǎn)品架構(gòu)

隨著復雜成形裝備復雜性的不斷提高，子系統(tǒng)與部件間交互也越來越頻繁，包括了信息、能量、物理結(jié)構(gòu)等方面的交互，而傳統(tǒng)的層次化模型無法明確表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的關系。為了描述的更加準確，本文采用設計結(jié)構(gòu)矩陣(DSM，Design Structure Matrix)來描述復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型。因此，復雜成形裝備的層次化產(chǎn)品架構(gòu)轉(zhuǎn)化為基于DSM的復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)模型。

圖10(a)描述了子系統(tǒng)A、B、C的交互關系，標記“X”表示兩子系統(tǒng)間存在信息、能量、物理結(jié)構(gòu)等方面的交互。圖10(b)是進一步描述部件級的架構(gòu)模型?；贒SM的復雜成形裝備子系統(tǒng)級產(chǎn)品架構(gòu)模型如圖11所示，復雜成形裝備主要包括機身組件、移動工作臺組件、拉伸滑塊組件、壓邊滑塊組件、拉伸滑塊鎖緊機構(gòu)、壓邊滑塊鎖緊機構(gòu)、拉伸主油缸組件、拉伸側(cè)油缸組件、壓邊活塞缸組件、壓邊柱塞缸組件、提升夾緊缸等。

圖10 基于DSM的產(chǎn)品架構(gòu)模型

圖11 基于DSM的復雜成形裝備子系統(tǒng)級產(chǎn)品架構(gòu)模型

4.2 復雜成形裝備的服務架構(gòu)模型

復雜成形裝備服務架構(gòu)的設計對象是服務活動。面向服務的復雜成形裝備是以物理裝備為載體的服務集成體。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術支持下，借助于產(chǎn)品運行的海量數(shù)據(jù)，復雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復雜產(chǎn)品的新功能，改變產(chǎn)品與人、其他產(chǎn)品以及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞眨铀倭酥圃鞓I(yè)服務化進程。因此，服務架構(gòu)設計需要考慮客戶在完成工程任務的整體需求。

在上述分析的基礎上，本文采用服務藍圖的基本思想，通過服務流程來描述服務過程來構(gòu)建復雜成形裝備的服務架構(gòu)模型。為了便于設計團隊成員間的數(shù)據(jù)共享，本文利用統(tǒng)一建模語言(UML，United Modeling Language)作為服務架構(gòu)模型的描述語言。圖12是基于UML的復雜成形裝備服務架構(gòu)模型。

圖12 基于UML的復雜成形裝備服務架構(gòu)模型

①泳道：反映了復雜成形裝備服務流程的主要階段，包括了信息獲取、信息分析、信息處理和評價反饋四個階段。

②服務活動模塊：主要反映了服務過程所需要執(zhí)行的服務活動。活動的屬性包括名稱、輸入流、輸出流和資源。

③支持資源和設施：用UML類表示，主要是指在服務過程中，需要利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)、檢測設備、專家支持和在線系統(tǒng)等資源。

④控制流：表示服務活動間的交互順序

4.3 復雜成形裝備的產(chǎn)品服務架構(gòu)模型

復雜成形裝備的物理產(chǎn)品與無形服務具有高度耦合性，其中物理產(chǎn)品作為服務載體，影響著服務過程和實施效果。反之，服務作為復雜成形裝備客戶體驗的載體，也決定了物理產(chǎn)品的使用效率。復雜成形裝備的服務架構(gòu)必須依托產(chǎn)品架構(gòu)。因此，復雜成形裝備的產(chǎn)品服務架構(gòu)模型就是集成產(chǎn)品架構(gòu)和服務架構(gòu)的描述性模型，不僅要分別描述物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和服務活動，而且需要側(cè)重于物理產(chǎn)品與無形服務的集成關系。

當前已有的產(chǎn)品與服務集成模型，包括擴展服務藍圖、改進服務藍圖、產(chǎn)品服務藍圖。這些建模方法側(cè)重于以服務活動為主體的系統(tǒng)，物理產(chǎn)品以輔助角色提供相應的資源和數(shù)據(jù)支撐，產(chǎn)品架構(gòu)沒有體現(xiàn)在產(chǎn)品服務集成模型中。針對以上問題，張在房[26]提出了融合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的交互服務藍圖來描述產(chǎn)品服務系統(tǒng)的集成方案，如圖13所示。在該模型中，產(chǎn)品方案采用反映產(chǎn)品模塊結(jié)構(gòu)的樹狀圖表達，服務活動則采用服務藍圖來表示，服務活動的輸入和輸出信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計和狀態(tài)信息存在交互關系。該模型能夠準確描述產(chǎn)品與服務間的交互關系，并且反映了產(chǎn)品層次化結(jié)構(gòu)。但是，隨著復雜成形裝備產(chǎn)品與服務交互方式、交互頻率的不斷擴展，該模型過于復雜和繁瑣，無法提供產(chǎn)品服務架構(gòu)優(yōu)化的基礎。

圖13 產(chǎn)品服務方案模型

因此，本文采用領域映射矩陣(DMM，Domain Mapping Matrix)表達產(chǎn)品服務架構(gòu)模型，如圖14所示。產(chǎn)品架構(gòu)和服務架構(gòu)采用DSM來表達產(chǎn)品部件間和服務活動間的關聯(lián)關系。標志“*”表示了產(chǎn)品部件或服務活動內(nèi)部間的關聯(lián)關系，標志“◎”則表示產(chǎn)品部件和服務活動之間的關聯(lián)關系。

5 復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)優(yōu)化

5.1 基于模塊化設計的產(chǎn)品架構(gòu)優(yōu)化思路

模塊化設計是對產(chǎn)品系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)進行層次化的分解從而降低產(chǎn)品的復雜程度。模塊是指可組成系統(tǒng)的，具有特定功能的獨立單元。通過模塊內(nèi)部的高效協(xié)作和模塊之間的高效交互實現(xiàn)產(chǎn)品的有效運作。模塊劃分和模塊優(yōu)化是模塊化設計的核心內(nèi)容。模塊劃分是模塊化設計的基礎，主要是實現(xiàn)產(chǎn)品功能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組合。模塊劃分的方法很多，主要分為啟發(fā)式方法和聚類式方法。啟發(fā)式方法主要是通過建立數(shù)學規(guī)劃模型，采用模擬退火算

圖14 基于DMM的產(chǎn)品服務架構(gòu)模型

法等啟發(fā)式方法實現(xiàn)最優(yōu)的模塊劃分方案。聚類式方法指利用矩陣、圖、網(wǎng)絡等工具對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能元素之間的拓撲關系進行形式化表達，并通過聚類方法實現(xiàn)模塊的劃分。本文的模塊優(yōu)化是以產(chǎn)品系統(tǒng)運行總成本作為優(yōu)化目標來構(gòu)建產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)。

5.2 基于權(quán)重復雜網(wǎng)絡的模塊劃分

復雜產(chǎn)品系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)元素之間的交互形成了權(quán)重復雜網(wǎng)絡，其中節(jié)點表示結(jié)構(gòu)單元，節(jié)點與節(jié)點之間的邊則表示結(jié)構(gòu)之間存在的連接交互，邊的權(quán)重表示兩個結(jié)構(gòu)單元之間的連接強度，具體如圖15所示。

圖15 權(quán)重復雜網(wǎng)絡示意圖

由于產(chǎn)品系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件的信息傳遞一般都為相互的，因此，本文中產(chǎn)品系統(tǒng)的權(quán)重復雜網(wǎng)絡設置為無向圖。權(quán)重復雜網(wǎng)絡可以用鄰接矩陣W表示，鄰接矩陣W由元素Wij組成，Wij表示節(jié)點i和節(jié)點j的連接權(quán)重，Wij=0則表示節(jié)點i和節(jié)點j之間沒有連接。一般Wij連接強度由功能連接強度Fij和結(jié)構(gòu)連接強度Sij組成，如果兩種連接強度的權(quán)重均為0.5，則Wij可表示為：

Wij=0.5(Fij+Sij)

(4)

以上權(quán)重復雜網(wǎng)絡示意圖可以轉(zhuǎn)換成如上鄰接矩陣W：

(5)

本文不考慮權(quán)重復雜網(wǎng)絡的節(jié)點自相關問題，因此鄰接矩陣W不存在對角線元素。而且易得出鄰接矩陣W為對稱矩陣。在產(chǎn)品復雜網(wǎng)絡中，節(jié)點的度和個數(shù)是復雜網(wǎng)絡中兩個重要的參數(shù)。

節(jié)點i的度可以用di表示，對于具有n個節(jié)點的復雜網(wǎng)絡，節(jié)點的度可以通過以下公式進行計算：

(6)

(7)

在產(chǎn)品系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡中，模塊可以定義為緊密連接的節(jié)點集合。因此，模塊劃分就是讓模塊內(nèi)的節(jié)點連接盡可能的緊密，模塊之間的連接盡可能的疏遠。模塊劃分效果示意圖如圖16所示。

圖16 復雜網(wǎng)絡模塊結(jié)構(gòu)示意圖

復雜產(chǎn)品系統(tǒng)的模塊劃分本質(zhì)上是復雜網(wǎng)絡社區(qū)發(fā)現(xiàn)問題，Girvan和Newman提出了GN算法用于復雜網(wǎng)絡中的社區(qū)發(fā)現(xiàn)。該算法的思路是識別出社區(qū)之間的邊并剔除，剩下的便是社區(qū)結(jié)構(gòu)。該算法推廣了介數(shù)的概念，提出邊的介數(shù)：復雜網(wǎng)絡中通過該邊的最短路徑數(shù)量。該算法的具體流程如圖17所示。

圖17 復雜網(wǎng)絡GN算法流程

其中模塊度是度量復雜網(wǎng)絡社區(qū)結(jié)構(gòu)程度的指標，本文模塊度計算方法如下公式所示：

(8)

其中，m為復雜網(wǎng)絡的總邊數(shù)，Ci和Cj表示節(jié)點i和節(jié)點j的所屬社區(qū)，如果Ci=Cj，δ(Ci,Cj)=1，否則等于0?？梢钥闯霾煌哪K度λ，形成的復雜網(wǎng)絡社區(qū)結(jié)構(gòu)也不相同。

復雜產(chǎn)品系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)存在顯著的層次化，Yu Suiran等[27]在功能分解的基礎上將產(chǎn)品功能層次化，分為功能和子功能。因此，要得到完整的模塊劃分結(jié)構(gòu)，還需要進行模塊的預劃分，并在預劃分的基礎上再進行詳細劃分。模塊的預劃分是指根據(jù)一定的規(guī)則將產(chǎn)品系統(tǒng)初步劃分為一些一級模塊和二級模塊。詳細模塊劃分是在預劃分的基礎上對基本部件聚類。

5.3 考慮成本因數(shù)的模塊優(yōu)化

本文主要考慮產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)的交互成本來進行模塊優(yōu)化。對于復雜產(chǎn)品，模塊之間一般存在多種不同形式的交互，主要包括物理實物、機械力、能量和信息的傳遞[28-29]。其他形式的傳遞還有電子、熱能、振動等。在本文主要考慮能量(Ie)和信息(Ii)的交互成本[30]。圖18展示一個模塊劃分實例，其中模塊一由組件1,2,3,4組成，模塊二由組件5,6,7,8組成。

圖18 組件矩陣形成的模塊結(jié)構(gòu)

由圖18的模塊劃分結(jié)構(gòu)，我們可以得出模塊之間以及與外部環(huán)境之間的交互關系，如圖19所示。其中，模塊一組件4接受外部環(huán)境的輸入，并從組件3輸出到外部環(huán)境；模塊一與模塊二之間存在三條交互，包括從2到7，從6到2，從7到2的交互；模塊二通過組件6接受外部環(huán)境的輸入。

圖19 模塊與外部環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)模塊之間以及外部環(huán)境交互的能量和信息成本，計算復雜產(chǎn)品系統(tǒng)運行的總成本。本文假定模塊劃分方案x的運行總成本為C(x)，Mi表示模塊i的運行成本，計算公式如下：

(9)

(10)

因此，從運行成本角度，最優(yōu)的模塊劃分方案滿足：

C(x*)=MIN{C(x)}

(11)

當然，模塊優(yōu)化需要考慮的因素還有很多，從產(chǎn)品全生命周期來看，我們需要考慮生命周期各個階段的運行成本和管理成本。包括原材料成本，服務成本和質(zhì)量，以及產(chǎn)品的回收再制造。還可以從產(chǎn)品生命周期角度對產(chǎn)品架構(gòu)進行優(yōu)化，基于產(chǎn)品全生命周期的設計思想被廣泛應用在產(chǎn)品工程領域。

6 結(jié)語

本文首先對面向服務的產(chǎn)品架構(gòu)設計特征進行了分析和總結(jié)，并采用公理化設計域結(jié)構(gòu)的思想，將復雜成形裝備架構(gòu)設計分為需求域、功能域和架構(gòu)域，以及三者之間的映射關系。然后對產(chǎn)品功能建模，采用了黑箱理論對復雜成形裝備的功能模型進行描述。進一步，提出了基于QFD的功能生成方法以及功能模型約簡方法，建立需求域和功能域的映射關聯(lián)。接著利用DMM表示產(chǎn)品服務架構(gòu)，建立產(chǎn)品架構(gòu)和服務架構(gòu)之間的關聯(lián)關系,提出了復雜成形裝備服務架構(gòu)的建?？蚣芎头椒?。最后，利用模塊化理論與方法，并考慮產(chǎn)品運行成本因素對復雜成形裝備的產(chǎn)品架構(gòu)進行優(yōu)化。