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        復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更傳播多目標路徑優(yōu)化研究

        2020-06-20 03:36:28李孟澤盛健超李玉鵬亓文輝
        機械設(shè)計與制造 2020年6期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品設(shè)計強度節(jié)點

        李孟澤,盛健超,李玉鵬,亓文輝

        (中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院工業(yè)工程系,江蘇 徐州 221116)

        1 引言

        復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計變更對于企業(yè)快速適應(yīng)市場變化,響應(yīng)多樣化的客戶需求起著舉足輕重的作用[1]。企業(yè)為了保持核心競爭力,經(jīng)常要對產(chǎn)品進行設(shè)計變更。變更的傳播可能會影響產(chǎn)品研發(fā)進度和產(chǎn)品質(zhì)量。另外,復(fù)雜產(chǎn)品的零部件之間結(jié)構(gòu)關(guān)系錯綜復(fù)雜,變更的傳播會使開發(fā)過程的難度提高,增加設(shè)計成本和風(fēng)險。

        針對設(shè)計變更問題,國內(nèi)外學(xué)者開展了深入的研究。如文獻[2]提出了公理化設(shè)計矩陣與設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣(Design Structure Matrix,DSM)同步演化的思想,并闡述了其演化的內(nèi)在機制。文獻[3]運用網(wǎng)絡(luò)層次分析法評估模塊化產(chǎn)品設(shè)計變更傳播的影響,該方法僅僅適用于解決模塊化產(chǎn)品問題,而對于難以實現(xiàn)模塊化的產(chǎn)品其優(yōu)勢并不明顯。文獻[4]對產(chǎn)品設(shè)計變更進行了并行處理,以變更處理時間作為判據(jù)來搜索最優(yōu)的傳播路徑。文獻[5]以累積變更傳播強度最小為目標,根據(jù)零部件參數(shù)連接關(guān)系建立設(shè)計變更分析模型,運用改進的蟻群算法進行求解。總之,雖然有關(guān)設(shè)計變更傳播的研究較為豐富,但針對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更多目標路徑優(yōu)化問題,沒有進行針對性的研究。

        近年來,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的興起為解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更問題提供了新思路,復(fù)雜產(chǎn)品的零部件可以抽象為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,物理或功能關(guān)聯(lián)關(guān)系可以抽象為網(wǎng)絡(luò)中的邊。目前,常見的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)有隨機網(wǎng)絡(luò)(ER模型)[6]、無標度網(wǎng)絡(luò)(BA模型)[7]以及小世界網(wǎng)絡(luò)(WS模型)[8]。文獻[9]將有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)看作復(fù)雜產(chǎn)品的形式化表達,對設(shè)計變更的影響進行分析。文獻[10]基于BBV無標度網(wǎng)絡(luò)演化模型,對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更傳播影響進行定量化評估。

        鑒于以上研究,首先根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品零部件的物理連接關(guān)系構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),根據(jù)變更傳播特點建立設(shè)計變更多目標路徑優(yōu)化模型,運用蟻群算法求解得到最優(yōu)傳播路徑,所得最優(yōu)方案可有效節(jié)省設(shè)計時間和成本,降低變更影響。

        2 復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

        2.1 小世界網(wǎng)絡(luò)模型

        Watts等在1998年提出了一種介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機網(wǎng)絡(luò)之間的小世界網(wǎng)絡(luò)模型,該理論的提出是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的一項開創(chuàng)性成果。小世界網(wǎng)絡(luò)有兩個重要的特征參數(shù):特征路徑長度L和聚類系數(shù)C。

        (1)特征路徑長度是任意兩個節(jié)點之間最短距離的平均值,表示為:

        式中:dij—任意兩個連通節(jié)點間的最短距離。

        (2)聚類系數(shù)用于衡量相鄰節(jié)點聯(lián)系緊密程度,表示為:

        式中:di—節(jié)點vi的度;ti—節(jié)點vi的相鄰節(jié)點之間存在的邊數(shù)。小世界網(wǎng)絡(luò)具有很高的聚類系數(shù)和較小的平均距離。可以

        表示為:

        式中:Cr、Lr—對應(yīng)隨機網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)和平均距離。

        2.2 變更傳播模型構(gòu)建

        為了建立變更傳播模型,首先將復(fù)雜產(chǎn)品分解為有著物理連接關(guān)系的零部件。將零部件之間的關(guān)系映射為n×n階方陣,即產(chǎn)品的DSM。若零件ai的變更會引起零件aj的變更,則aij=1(i≠j),反之a(chǎn)ij=0。一個包含6個零部件的產(chǎn)品,容易發(fā)現(xiàn),若零部件a1發(fā)生設(shè)計變更,則零部件a2和a6有可能會受到影響,如圖1所示。

        圖1 設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣Fig.1 Design Structure Matrix

        依據(jù)產(chǎn)品的DSM構(gòu)建變更傳播模型,其網(wǎng)絡(luò)模型可以表示為 G=(V,E),V=(v1,v2,…,vn)為節(jié)點的集合,E={eij|i,j=1,2,…,n,i≠j}為邊的集合。節(jié)點代表DSM中的元素,節(jié)點間的連接邊代表元素之間的關(guān)系,從而確定節(jié)點之間是否存在連接關(guān)系。

        2.3 變更傳播強度評估

        從工程變更角度看,復(fù)雜產(chǎn)品可以由大量節(jié)點與邊構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)表示,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點代表產(chǎn)品的零部件,邊代表零部件之間的物理連接關(guān)系。在對產(chǎn)品的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特征進行分析后發(fā)現(xiàn),其特征路徑長度和聚類系數(shù)滿足式(3),具有小世界特性[11]。在該網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的度對設(shè)計變更的傳播起著重要作用[12],某個節(jié)點度越大,它對應(yīng)的傳播路徑越多,擴散范圍就越大。

        定義變更傳播強度與傳播概率和節(jié)點的度有關(guān)。傳播概率Pij表示節(jié)點vi傳播到節(jié)點vj的可能性大小。當節(jié)點vi和節(jié)點vj之間沒有連接邊,則Pij=0;當節(jié)點之間傳播概率越大,變更傳播越傾向經(jīng)過該連接邊。dj表示節(jié)點vj的度。度大的節(jié)點擁有較多連接邊,變更傳播的影響范圍比較大。用Fk表示傳播第k步可達到節(jié)點集合。變更傳播強度定義為:

        式中:ωp+ωd=1,ωp和ωd—傳播概率和節(jié)點度對應(yīng)的權(quán)重。在與相關(guān)專家確定后ωp=ωd=0.5較為合適。在上述分析中,變更傳播強度的大小代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的邊權(quán),權(quán)重越大,表示變更通過此邊進行傳播產(chǎn)生越大的影響。

        3 設(shè)計變更傳播路徑搜索算法

        3.1 設(shè)計變更傳播方式

        零部件的變更傳播存在兩種方式:串行傳播和并行傳播。對于串行傳播,如圖2(a)所示。零件變更的傳播是依次進行的;對于并行傳播,如圖2(b)所示。一個零件的變更可以同時影響多個零件,其傳播路徑是由多個串行傳播路徑組成。在實際傳播中,兩種變更傳播方式都存在。

        圖2 變更傳播方式Fig.2 Change Propagation Patterns

        3.2 設(shè)計變更傳播最優(yōu)路徑搜索

        設(shè)計變更傳播路徑的搜索是一個NP-hard問題[13],運用啟發(fā)式算法求解此類問題有較好的效果。蟻群算法是文獻[14]提出的一種啟發(fā)式智能優(yōu)化算法,已成功應(yīng)用于求解許多NP問題、組合優(yōu)化問題等,如旅行商問題、車輛調(diào)度問題。因此,采用蟻群算法求解復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計變更傳播路徑優(yōu)化問題。基于已建立的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,以變更傳播強度、零件設(shè)計成本和設(shè)計時間為多個優(yōu)化目標,將復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更多目標路徑優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型描述為:

        式中:Ci—零件ai的設(shè)計成本;Ti—零件ai的設(shè)計時間,目標函數(shù)為傳播路徑上的變更傳播強度、零件的設(shè)計成本和設(shè)計時間的加權(quán)總和最小。Δρu—初始變更節(jié)點的初始變更影響。為了讓變更傳播停止,定義ρi為節(jié)點vi的變更吸收能力,k為變更傳播的步數(shù)。

        在尋找最優(yōu)路徑的過程中,螞蟻會在其經(jīng)過的路徑上留下信息素,之后的螞蟻會根據(jù)這些信息素的強弱選擇路徑。每一次循環(huán)迭代,螞蟻的信息素更新按如下規(guī)則:

        式中:Q—常數(shù);Dl—第l只螞蟻在本次循環(huán)的目標函數(shù)值;γ—信息揮發(fā)系數(shù);Δτlij—在本次循環(huán)中第l只螞蟻留在邊eij上的信息素;Δτij—在本次循環(huán)中邊eij上的信息素的增量。因為變更優(yōu)先選擇傳播影響小的邊進行傳播,所以定義啟發(fā)因子為:

        式中:傳播影響Aij=ω1Iii+ω2Ci+ω3Ti,該啟發(fā)因子表示螞蟻從節(jié)點vi到節(jié)點vj的期望程度。第l只螞蟻從節(jié)點vi到節(jié)點vj的轉(zhuǎn)移概率為:

        式中:α(α≥0)—信息素的相對重要程度,即軌跡的相對重要性;β(β≥0)—啟發(fā)因子的相對重要程度,即能見度的相對重要性;—第l只螞蟻在節(jié)點vi下一步允許選擇的節(jié)點集合。運用蟻群算法尋找變更傳播最優(yōu)路徑的搜索步驟,如圖3所示。

        圖3 最優(yōu)變更傳播路徑搜索算法框架Fig.3 Algorithm Framework of Optimal Change Propagation Path Searching

        (1)通過對復(fù)雜產(chǎn)品各零部件之間連接關(guān)系分析,將零部件映射為節(jié)點,物理連接關(guān)系映射為邊,建立復(fù)雜產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)模型。

        (2)依據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,計算每個節(jié)點的出入度;通過從數(shù)據(jù)庫中提取節(jié)點與節(jié)點之間傳播概率。利用式(4),計算每條邊的變更傳播強度。

        (3)輸入初始變更節(jié)點。評估每個節(jié)點變更吸收能力,設(shè)置初始變更節(jié)點影響,運用蟻群算法進行求解,得到最優(yōu)的傳播路徑。

        4 案例分析

        為了驗證所建模型和算法的有效性,以某型號摩托車發(fā)動機為例進行分析。產(chǎn)品由汽缸蓋,氣門,氣門固定螺母,曲柄銷,氣缸墊片,氣門固定軸,曲軸箱,活塞等30種零部件組成。根據(jù)該發(fā)動機零部件間的物理連接關(guān)系,得到產(chǎn)品的DSM,并建立零部件結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型,如圖4所示。

        圖4 零部件結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Structure Network Model of Parts

        在設(shè)計變更傳播的路徑搜尋過程中,根據(jù)設(shè)計變更歷史數(shù)據(jù)庫得到經(jīng)過每條邊的概率,如圖5所示。圖中為30階方陣,每一方格的顏色深淺代表傳播概率的大小,顏色越深表示概率越大,變更傳播越容易經(jīng)過這條路徑。依據(jù)式(4)計算得到每條邊的變更傳播強度以及由產(chǎn)品設(shè)計變更數(shù)據(jù)庫得到的每個零部件的設(shè)計成本和設(shè)計時間,經(jīng)過計算得到的發(fā)動機變更傳播影響矩陣,如圖6所示。氣缸體是摩托車發(fā)動機的重要零部件,且在現(xiàn)實生活中容易發(fā)生變更,故選取節(jié)點編號為22的氣缸體為初始變更節(jié)點,初始變更影響設(shè)置為0.30,運用蟻群算法求解。算法通過VisualStudio2013進行開發(fā),運行算法的計算機配置為IntelR CoreTMi5-3210M CPU(2.5 GHz),4GB RAM,得到最路徑為 22→30→21→19→4→25。為說明所提方法的有效性,僅考慮變更傳播強度單個目標所得最優(yōu)路徑為22→1→30→19→10→21。由以上結(jié)果比較得出,如果僅考慮變更傳播強度,單目標設(shè)計變更傳播最優(yōu)路徑的變更傳播強度(2.52)小于多目標求解時變更傳播強度(2.80)。但在比較其設(shè)計成本和設(shè)計時間時,發(fā)現(xiàn)后者的設(shè)計總成本和總時間分別為2220元和23天,都遠高于前者的設(shè)計總成本和總時間:1970元,18天。如果在變更傳播強度沒有很大差距的情況下,對前者路徑上的零件進行變更,將會節(jié)省大量的設(shè)計時間和設(shè)計成本,提高設(shè)計的敏捷性。

        圖5 傳播概率矩陣Fig.5 Matrix of Propagation Likelihood

        圖6 發(fā)動機變更傳播影響矩陣Fig.6 Matrix of Change Propagation Impact on Engine

        5 結(jié)論

        針對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計變更傳播多目標優(yōu)化問題,提出了一種基于小世界網(wǎng)絡(luò)的方法。該方法考慮了節(jié)點的度和節(jié)點間的傳播概率兩個變量計算變更傳播強度,又引入零件的設(shè)計成本和設(shè)計時間,建立設(shè)計變更傳播多目標路徑優(yōu)化模型,運用蟻群算法求解得到一條傳播影響最小的路徑。在實例研究中,以某型號摩托車發(fā)動機為例,對上述模型和算法進行了驗證。所提方法僅從零件層次考慮,對設(shè)計變更傳播的影響進行了分析,得出有效的結(jié)論。由于變更的執(zhí)行必須要從零部件的設(shè)計參數(shù)著手,未來我們將會從復(fù)雜產(chǎn)品零部件的參數(shù)角度考慮展開研究。

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