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浙江工业大学硕士学位论文 基于可拓逻辑的产品族设计平台研究 摘要 产品族设计方法是实现大规模定制的有效手段，而产品设计平 台的确立是产品族设计的关键技术，因而对产品设计平台的研究成 为产品族设计过程中至关重要的阶段。 论文首先介绍了可拓逻辑的基础理论，将目前普遍采用的知识 表示方式与可拓知识相结合，分析了产品族定性与定量相结合的可 拓知识表达，建立了产品族可拓模型。 论文运用可拓聚类方法建立产品族设计平台，通过零部件聚类 划分，确立产品平台。针对已有设计产品库，通过提取相关零部件 个体特征数据，提出一种基于距公式的可拓聚类方法。给出整个聚 类方法的求解过程，与一般模糊聚类方法构建产品族设计平台加以 比较，证明该算法更具合理性。将基于可拓聚类划分的产品平台构 建方法应用于电动工具( 电钻) 的产品族设计中，通过实例设计进 一步验证所提出的方法的可行性。 针对顾客群的需求对于产品平台建立的重要性，提出了基于适 应函数的产品设计平台评价方法。适应函数考虑了不同需求下的零 部件适应性，它是平台零部件变换的重要依据。引入可拓变换方法 解决由于客户群需求与设计零部件的矛盾问题，通过零部件可拓变 换，给出实现顾客个性需求的定制件。论文将可拓变换应用于电钻 的个性化设计中，验证了该方法的有效性。 最后，应用本论文提出的各种方法，开发出基于v i s u a lc + + 6 0 、 u gn x 4 0 平台为开发语言的产品族设计平台原型系统。介绍了该原 浙江工业大学硕士学位论文 型系统的总体功能和结构，及各个模块的详细实现步骤。 关键词：产品设计平台，可拓聚类，适应性函数，可拓变换 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c hi nt h ep l a t f o r mo fp r d u c tf a m i l y d e s i g nb a s e do ne x t e n s i o nl o g i c a bs t i h c t p r o d u c tf a m i l yd e s i g nm e t h o d1 sd u et ot h em a s sc u s t o m i z a t i o n ， a n dt h ec o m m o np r o d u c tp l a t f o r mi st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ef a m i l y d e s i g nm e t h o d t os e tu pt h ea c c u r a t ep l a t f o r m ，i tb e c o m e s as i g n i f i c a n t p h a s eo ft h ew h o l ec o u r s eo ft h ep r o d u c tf a m i l yd e s i g n a tf i r s t ，p a p e ri n t r o d u c e st h ee l e m e n t a r yt h e o r yo fe x t e n s i o nl o g i c ， a n dc o m b i n e sw i t ht h ep o p u l a rk n o w l e d g e - r e p r e s e n t a t i o n i ta n a l y z e st h e e x t e n s i o nk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nm o d e lc o m b i n e dw i t hq u a l i t a t i v e a n dq u a n t i t a t i v e i tb u i l d st h ee x t e n s i o nm o d e lf o rt h ep r o d u c tf a m i l y d e s i g n t h ep a p e ru s e st h ee x t e n s i o n c l u s t e r i n gm e t h o dt o s e tu pt h e p l a t f o r mo ft h ep r o d u c tf a m i l yd e s i g n b yd i v i d i n gt h ep a n so ft h e p r o d u c ti n t og r o u p s ，t h ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h ep a p e ra d o p t st h e m e t h o do fd i s t a n c ef u n c t i o no ft h ee x t e n s i o nt h e o r yt of o r mt h ew h o l e c l u s t e r i n gm e t h o d a n di tc o u l ds e et h ee x t e n s i o nc l u s t e r i n gm e t h o di s m o r ea d a p t i v et h a nc o m m o nc l u s t e r i n gm e t h o db yc o m p a r i n gt h er e s u l t s t h ee x a m p l e p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h er a i s i n gm e t h o df u r t h e r a c c o r d i n gt ot h ei m p o r t a n c eo ft h ed e m a n do ft h ec u s t o m e r s ，t h e a d a p t a b l ef u n c t i o n i si n t r o d u c e d 。t h ea d a p t a b l ef u n c t i o ni su s e dt o e v a l u a t et h ec u r r e n tp l a t f o r m ，i ft h ev a l u eo ft h ea d a p t a b l ef u n c t i o ni s l e s st h a nz e r o ，t h e nt h ee x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o nm e t h o di su s e dt os o l v e s u c hd e s i g np r o b l e m s t h ep a p e rh a sb e e nu s i n gt h em e t h o di nt h e f a m i l yd e s i g no ft h ep r o d u c to fe l e c t r i cd r i l l ，a n di tc o u l ds e et h eb e r e r e f f i c i e n c yb ya p p l y i n gs u c hm e t h o d a t l a s t ，u t i l i z i n ga l lt h ep r o p o s e dm e t h o d s ，i tb r i n g so u tap r o t o t y p e 浙江工业大学硕士学位论文 s y s t e mo fp r o d u c tp l a t f o r mw i t hd e v e l o p m e n ts o f t w a r eu g n x 4 0a n d v i s u a l c + + 6 0 a l s oi te x p l a i n si t sm a i nf u n c t i o n ，s t r u c t u r e a n d r e a l i z a t i o ns t e p so f e a c hm o d u l e k e y w o r d s ：p r o d u c tp l a t f o r m ，e x t e n s i o nc l u s t e r i n g ，a d a p t a b l ef u n c t i o n ， e x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 符号一栏表 物元 事物本身 特征 特征数值 第i 个零部件 特征c i 权重系数 第i 个特征数值 第f ，个零部件的关联度 r i 的节点域 动作量词 可拓集合 正域 论域 关联函数 零界 事元 动作特征名 事元动作 需求显部 需求潜部 显部物元 潜部物元 只的第k 个特征 凰的第k 个特征 个性原理事元 公共原理事元 r 鲫的第k 个特征数值 兄，的第k 个特征数值 产品零部件总数 零部件尺i 特征数 最佳产品个体 零部件适应函数 第f 个特征弗z ，l ，忖位 平均关联度 第i 个顾客群 距公式 r i 的距值 关联矩阵 尺i 的成本适应因子 可拓变换 可拓变换后的新模型 忌的第k 个特征数值 v 腩的特征数值区间 玎 耽q 埘q k g 肌 m觚r彤 r c v 岛 眠 u够矿u，b d删m凰 银厶厶 魄 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其 它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 帝辉霉 日期沙9 踔月2 日 学位论文版权使用授权 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 。 商娉霉 日期：沙睁多月2 日 日期：矿1 1 5 年占月l 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 。1 引言 第一章绪论 随着信息时代的来临、知识经济的挑战以及i n t e r n e t 、电子商务、供应链 和全球化市场等的发展，制造业的制造环境正在发生根本性的变化。制造环境 的变化给制造业带来了新的变革和重大影响，各种新概念和新模式不断涌现， 如并行工程、精益生产、敏捷制造、大规模定制、全球制造、虚拟制造、绿色 制造和网络化制造等。现代制造系统己经超越了企业的范畴，正在朝着全球化、 敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化和个性化方向发展。 大规模定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，简称m c ) 正是具备解决上述问题 的基础上孕育而生的。大规模定制生产模式是2 1 世纪的先进生产模式，其基本 思想是指根据客户的个性化需求，以大规模生产的低成本和高效率提供定制产 品和服务的一种生产模式。m c 的概念是：一个企业以很大的批量生产某种产品， 但又根据每个用户的各自需要和兴趣进行产品的变型。即以大批量的效益进行 定制产品的生产，对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对生产企 业而言，该产品是以大批量生产方式制造的成熟产品。大批量定制生产较好地 解决了“大批量与“定制之间的矛盾，它将定制生产和大规模生产两种相 互对立的生产方式有机地结合起来，在不牺牲企业经济效益的前提下，最大程 度地满足不同客户的个性化需求。目前m c 已经成为制造业发展的必然趋势和生 产的主要模式【i 一。 具体而言，m c 具有以下几个特点： 1 以客户为核心 m c 是一种指导企业参与市场竞争的哲理，它要求企业时刻以客户为核心， 以让客户满意作为最高的追求目标之一，从而吸引并永久地留住各个层次的客 户群。 2 以现代信息技术、制造技术为支撑 m c 必须对客户的需求做出快速反应，这要求有现代信息技术作为保障。 浙江工业大学硕士学位论文 i n t e r n e t 网络技术和电子商务的迅速发展，使企业能够快速地获取客户的需求； c a d p d m 系统能够根据在线订单快速设计出满足客户需求的个性化产棍；e r p 系 统能够有效地组织生产，通过柔性制造系统迅速生产出高质量的定制产品。 3 以模块化设计、零部件标准化为基础 m c 要求设计人员在设计过程中充分地考虑到如何在产品的整个研制过程 中利用标准化技术、模块化设计技术、成组技术、并行工程等现代设计技术。 通过产品结构的重构，尽可能重用现有的设计资源和制造资源，从而可以批量 生产模块和零部件，减少定制产品中的定制部分，大大缩短产品的交货期和减 少产品的定制成本。 4 以快速响应市场为标志 在传统的大批量生产方式中，企业与消费者是一对多的关系，企业以不变 应万变。而在大规模定制中，企业面临的是千变万化的多样性需求，大规模定 制企业必须快速满足不同客户的不同需求。因此大规模定制要求企业在立足于 现有资源的前提下，通过制造系统的重构( 如资源的合理配置以及作业过程的优 化等) 以及组织机构的重构，合理地组织生产，以类似于大批量生产的成本和质 量快速地为客户提供任何个性化的定制产品或服务。 5 以配置设计为手段 在未来市场经济中，竞争不是企业与企业之间的竞争，而是企业配置供应 链与供应链之间的竞争。大规模定制企业通过与其供应商建立起既竞争又合作 的关系，共同来满足客户的需要。 1 2 产品族设计过程 实现m c 的有效方法是开展产品族( p r o d u c tf a m i l y ) 设计。其目的是利用 通用、成熟的产品平台( p r o d u c tp l a t f o r m ) ，通过匹配功能、性能、结构等不同 的定制模块，以最短的开发周期、最低的成本向市场提供不同系列的产品，以 满足不同客户群的需求。 产品族的概念可以从不同的角度来理解。从市场营销的角度看，产品族就 是企业产品的功能结构，可以描述成为不同消费群体对企业产品多样化的功能 需求。从工程的角度看，产品族是一系列产品和技术的总和，因此产品族可以 浙江工业大学硕士学位论文 描述成为一些参数、部件和装配结构的合成。产品族是共享通用技术并面向相 关市场的一组产品。通用技术，相关市场和多样化是产品族的特征。通用技术 体现了产品本身所使用的技术和产品在设计制造过程中使用技术的相似性；相 关的市场应用体现了产品功能及其对应的产品结构的相似性：多样性体现了同 一产品族中不同产品在功能、结构等方面的差异性。 产品族设计方法是对传统设计方法的补充和完善，它面向的是多元化的细 分市场和个性化的顾客需求。在这种设计环境下，产品设计不再是单单的对某 一个产品进行，而是在产品的各个设计过程中都要考虑到一族产品的设计。结 合m c 哲理，可以看出，产品族设计的核心思想有2 个方面：应满足顾客群的 需求差异，以争取更多的市场份额，实现产品的范围经济；应最大化实现不同 产品之间的通用性，以实现规模经济。因而在各个设计阶段，应用产品族设计 方法与一般设计方法有着很大的差异。 产品平台是产品族的基础，它的确立是应用产品族设计的前提。产品设计 平台被认为是能够被某一系列产品共享的、可重用的模块集合。通过对产品核 心平台的确立，配置面向不同个性需求的定制件部分，形成产品族。 本文所指的产品族是从各个顾客群体出发，以产品平台为基础，通过面向 不同顾客群的定制件和设计平台零部件的有效组合，构建产品族。进而满足顾 客群产品需求。其设计模式可如图1 1 所示。 l i 顾客群设计需求 订介介 l 产品族( 平台零部件+ 定制件) 丁丁t 丁 产品设计平台 图1 1 产品族设计模式 1 3 产品族设计建模方法的研究现状 产品族设计的建模方法依据具体产品设计空间而成立。国内外很多专家学 者对产品族设计建模方法进行了研究。产品模型框架通过需求、功能、原理、 浙江工业大学硕士学位论文 结构四个不同的视图，完整地表达产品族的信息，因此被称为多视图建模。与 其它产品模型框架相比较，其具有以下特点：在描述产品结构属性的同时，增 加了功能模型和原理模型：通过功能模型将产品模型的边界延伸到用户空间， 支持用户对产品功能的直接配置；借助原理模型将功能模型与结构模型有机地 衔接起来，从而使产品模型具有快速变型设计的机制。 r a v i r a jun a y a 3 1 以功能一行为一原理视图为产品族模型并提出了面向大批 量定制生产的产品族建模方法和过程。 m i t c h e l lm t s e n g 和j i a n x i nj i a o 4 1 等将产品族结构作为d f m c 的核心，提出 了产品族建模的三视图方案。即功能视图、技术视图和结构视图。整个设计流 程可以简单的概括为：首先收集功能要求( f r s ) ，根据f r s 利用“帕雷托法”将 客户分组。利用模糊聚类法为每个客户群的功能进行聚类，确定目标功能要求 ( f r ) ，建立产品族的功能树。根据功能不耦合的原则寻找原理模块，建立原理 模型( 配置方案) 。为每个原理模块建立结构模型，并根据经济性评价对模块进 行取舍，建立产品族的配置结构树。 f r e ee r e n s 【5 】从产品的功能模型、技术模型和物理模型着手，阐述了产品族 结构模型及其变异方式。这些方法对推进产品族的研究也起到了重要作用。 刘晓冰【6 】等将产品族三视图重新描述为功能视图、原理视图和结构视图， 运用树状结构进行了表示，并讨论了建模过程中的关键技术。从顾客需求出发， 更适合对机械产品进行建模分析。 朱斌1 7 】等研究基于粗糙集的产品族设计技术，利用粗糙集理论配置满足需 求的产品族各个个体。 d e c i ue 【8 】等应用模糊集合思想，建立产品族配置设计的产品多重模型。对 应需求，对产品族设计模型采用模糊集合进行描述。 k i k u of u j i t a ，s h i n s u k ea k a g i l 9 1 等人将产品设计方法分类为独立设计、相似 设计和相同设计，阐述了三种方法在产品模型表达与配置设计中作用。 作为产品族研究的拓展，s i m p s o n ，t i m o t h yw t l 0 】提出了一种w 曲环境下的 产品族配置框架，通过该框架设计人员可以与顾客实现在线交互，从而降低了 开发周期、提高了顾客满意率。 王世伟、谭建荣【l i 】等人针对产品族的特点，提出了一个基于g b o m 的产品 配置模型，并详细分析了模型中配置单元的构成、划分、约束关系的表达，说 浙江工业大学硕士学位论文 明了配置过程的实现及与p d m 、e r p 的集成。 张劲松，王启富等人提出了基于本体的配置建模方法，建立了产品配置 元模型，给出了产品族配置建模的一般过程。 1 4 产品族设计平台 1 4 1 应用设计平台的优点 基于核心平台的产品族设计方法是目前研究的一个重点，产品平台在产品 族设计过程中有其独特的优势。 1 缩短创新周期，降低开发费用。 采用平台模式，在平台产品的基础上进行二次开发，只需根据用户的需求， 考虑技术进步的因素，对平台产品的特定部分进行改进和替换，无需进行全面 的重新设计。尤其在今大c a d c a m 技术广泛应用的条件下，这一优势更为明显。 2 降低制造成木，提高产品质量 基于产品平台的各个产品虽性能各异，但组成产品的子系统和零部件都具有 很大的相同性，当大批量生产或采购这些零部件时，可以获得显著的规模经济 效益；同一产品族的产品生产工艺流程大同小异，可共享大部分加下设备，减 少设备投资，还有利于通过熟练曲线较快提高员工的熟练程度和生产效率，从 而降低生产成本，提高产品质量，这在多品种、小批量的产品生产中表现得尤 为突出。 3 更好满足用户需求，充分占领细分市场。 今天的企业己经认识到，由于顾客众多、分布广泛，而且他们的购买要求 不尽相同，因此，用单一产品，如福特t 型车满足所有顾客的时代已经成为过去。 如果能开发出性能各异的产品，很好满足特定细分市场的不同需求，企业将赢 得竞争优势。 4 避免产品开发中大量低水平重复工作。 5 平台的知识集成减少了企业个别员工的依附性。员工的正常流动不会影响企 业的技术实力。 6 平台的标准化、系列化、规范化设计极大地有利于产品的生产、维修与更新。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 2 设计平台的特性 1 - 产品平台主要面向未来用户的需求 产品平台可以说是夹在企业与市场之间的一个“界面”，它主要面向未来 用户的需求，而不仅是引导现有产品的用户需求。一方面，企业将各种各样的 市场需求抽象为要领性的产品，并利用产品平台对各种概念产品进行过滤、筛 选；另一方面，企业对经过过滤、筛选后的各种概念性产品进行以平台为基础 的实质性开发以满足市场的需求。 2 产品平台的性质随企业所属行业和产品用途的不同而不同 例如，个人计算机的产品平台是由微处理器和与之结合在一起的操作系统 以及包装、电源、计算机记忆装置、磁盘驱动器、显示器等所组成的。微处理 器的类型及与之相结合的操作系统就是我们所说的该平台的决定性技术。通过 改变微处理器的速度和其他平台要素的配置，如改变记忆装置的容量、磁盘驱 动器的大小和显示器的类型，可以界定出从这个平台产生出的个别产品。 3 产品平台具有可扩展性 平台的生命可以通过阶段性改进被扩展。比如p c 机通过使用增加速度的微 处理器而改进性能，延长了平台生命周期。产品平台也可以生成衍生平台，衍 生平台重要的原因是它基于现存平台而产生，同时又可以当作一个分离平台被 管理。比如，微软公司的d o s 系统平台，后期的w i n d o w s ，w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w s 9 8 系统都是基于1 6 位操作系统的，所以可以认为是d o s 的衍生平台。 4 产品平台是单一产品、特别是产品族的基础 图1 - 2 表示了产品族中的产品是如何随时间的变化在一个共同平台上构建 的。虽然所有产品都具有某种程度的独特性，但它们都与该产品平台的共同特 征相关联。考虑到许多相关的产品，按照一定的设计平台的构建方法，开发了 平台。产品l 是使用这种平台的第一种产品。产品l a ，1 b 和l c 是产品1 在不同地区 的变异产品，它们针对不同地区的情况进行了相应的调整修改。该产品定位于 价格和性能方面的中档细分市场。考虑到产品的市场占有率及不同顾客群对于 设计产品的不同需求，紧跟着开发的产品2 和产品3 分别在较低和较高的价格或 性能水平上实施了该产品平台。则基于产品2 ，3 的产品族也可相应建立。见图 卜2 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 细分市场2 ( 二二) d 鹰 、 产品族 细分市场l o i 设计平台 设计平台 图卜2 基于设计平台的产品族构建过程 5 产品平台的生命周期决定产品代的划分 新一代的产品源于新的平台，而不是单一产品，平台的生命周期在被新的 具有竞争力的平台代替时结束。 6 产品平台与产品开发不同 产品更新导致利润的变动，而新的产品平台可能导致企业从具有一个完整 产品代的市场中退出，而进入另一个市场空间。 7 产品平台的开发相对产品开发具有长期性 根据权威机构出具的统计资料表明，开发一个新产品平台比基于现存平台 的单一产品开发的时间或成本要多四到十倍。 目前，对于产品平台还没有一个统一、权威的定义，例如：m e y e r 和u t t e r b a c k 认为1 3 】：产品平台是产品族的基础，是能够被某系列产品共享的、可重用的 模块集合；u l r i c h 和e p p i n g e r t l 4 1 认为产品平台是能够共享组件设计方案的所有瓷 产：s i m s o n 和s o u z a t l 5 1 把产品平台定义为能够共享的通用子系统。o l i v i e rd e w e e k l l q 认为产品平台是关于通用或共享单元及其接口的集合，其中通用或共享 单元是一个广义的概念，可以是零件、部件、系统和加工过程等。上述对产品 平台的定义不完全一致，但是其核心是相同的，即能够被通用或共享的所有资 源都可以视为产品平台。因此，产品平台是一个广义的概念，可以包括通用的 设计方案、共享的零部件或机构、不变的设计参数、一致的接口类型和相同的 加工过程等。 本文所指的产品平台主要由共享的设计零部件组成，但它是一个广义的概 念，它是一个可调节的产品平台。认为产品平台是可调节的，并非唯一不变的。 7 浙江工业大学硕士学位论文 从构成产品的所有零部件出发，构建确立产品族设计平台的组成零部件，产品 剩余零部件构成产品定制模块。这样，构成整个产品平台的不仅可以是通用、 共享的不可变异模块( 虽然其通用度不一定是1 0 0 ) ，而且具有平台参数和变异 参数的变异模块也有可能属于产品平台。产品定制零部件与产品设计平台构成 零部件两者之间并非有确定的分割线。通过对平台的适应性评价，两者之间可 互相转换。本文通过可拓变换方法解决上述转换问题，关于可拓变换的内容， 将在以下几章中进行详细介绍。 1 4 3 产品平台与产品族的关系 产品族的发展是以产品平台为基础的，一个产品平台可以衍生出一个或者 几个产品族，在一个产品平台上发展的产品族之间具有很强的相似性，但是它 们并不是完全相同的，它们是以小的差异来满足不同细分市场的产品系列。这 些小的差异可以是使用不同的材料、构件或拥有不同的技术含量等。 在发展产品族的同时，产品平台也在不断发展。产品平台可以根据市场的 需要进行扩展和新建，这种市场需要可以是企业根据市场战略需要开辟的新市 场或需要满足的新要求。不论产品平台是扩展还是新建，都会有新的产品平台 出现，而在这些新的产品平台之上，义会发展出新的产品族来满足市场需求。 这样，企业就拥有了一个产品开发和管理的体系结构，在这样的模式下，产品 的开发和管理就变得更加容易。 企业要想进行产品线的更新就要基于产品族和产品平台的开发和管理模 式。这样的例子很多，立i i n t e l 公司对微处理器市场的垄断就是依靠成功的产品 系列的更新换代来实现的。它的每一代产品比前一代产品都更有竞争力，更适 应市场。从2 0 多年前的8 0 8 6 芯片到今天的p e n t i u mi v ，每一代产品都在不同的 价位提供不同的芯片速度。另外。自动化工业方面，本田的a c c o r d 和c i v i e 产品 系列在保持产品本身结构的条件下进行合并，构件了面向高端市场的新的产品 平台，而基于这个产品平台开发出来的产品也取得了相当的成功。再如微软的 o f f i c e 软件，它的成功不仅在于操作系统本身，也在于它的产品族在软件应用 方面的不断发展，它包括字处理、数据库、界面、家庭娱乐和互联网应用等方 面的发展。因此，基于产品族和产品平台的设计和管理是支持大规模定制企业 浙江工业大学硕士学位论文 发展的基础。在今天成功的企业当中，每个企业几乎都有自己的产品族。而产 品族的规划不只是简单的满足市场需要和开发多样化的产品，更重要的是在这 些产品族下面代代相承的产品平台。 1 5 产品平台设计方法 产品族平台的建立是产品族设计的关键技术，合理确立产品设计平台对于 整个产品族的设计有着重要的作用。国内外很多专家学者对产品平台设计方法 进行了深入的研究。最具代表性的平台设计方法是s i m p s o n 等人提出的一种基于 市场细分网格的方法p p c e m ( p r o d u c tp l a t f o r mc o n c e p te x p l o r a t i o nm e t h o d ) 17 1 。该 方法采用市场细分网格来确定适当的比例因子，由此展开产品平台，以满足一 定范围的性能要求，完成产品族平台的公共模块和个性模块的参数设计。目前 得到了广泛的研究。 a n d e r s o n 提出了一种简单的平台设计方法。通过对大量的产品进行调查， 确定部件的年利用率和数量综合，找出共享平台部件【1 8 1 。 s t o n e 1 9 】等提出了基于现有功能分析的定量功能模型的产品族设计方法。根 据用户需求和功能划分，采用主流原则、支流原则和转换传输流原则确定公共 平台的提取。 s i d d i q u e 和r o s e n 【2 0 】采用了图形语法来为一组相似产品识别公共平台，并对 由平台支持的产品族进行了研究。用语法来表达产品的功能，应用语法规则来 从功能表达式中导出产品结构；也可用规则来识别核心功能( 产品平台) 和可 选功能( 定制模块) 。 f a r r e l l ，r o n a l ds 1 2 1 】从市场细分、目标市场选择、产品族设计及在基础上形 成产品族等论述了开展基于产品平台的产品族设计策略是满足顾客需求、减少 设计和制造成本，提高企业对市场响应度的有效途径。 j o n a t h a nr 。a 。m a i e r ，g e o r g e sm 2 2 1 从产品进入市场时间和产品数量两方面分 别分析了面向单一产品和产品族设计平台的七种不同类型，针对不同的设计类 型提出相应的实施方法和策略。 任尊茂，蒋祖华2 3 1 等在分析了市场预测、产品平台、产品族、客户需求和产 品之间的关系，以及产品族设计与大规模定制之间的关系的基础上，提出了以 9 浙江工业大学硕士学位论文 产品族和客户化设计为主线的设计平台新思想，并对产品族和客户化设计进行 了详细分析。 王毅，袁宇航【2 4 】等阐述了企业有效运用平台战略，能快速、低成本地向市 场推出新产品，并结合实例详细讨论了产品平台的实施步骤。 j e f f r e yb d a h m u s ，j a v i e rp 1 2 5 】在产品族功能结构图及模块矩阵分析的基础 上提出了一种共享互换设计平台的产品族结构，m a r kv m a r t i n ，k o s u k ei s h i i 【2 6 】 以打印机为例，介绍了一种面向变异设计的结构化分析方法。该方法通过建立 q f d 矩阵和模块耦合矩阵，并引入时间变异指标( g v i ) 和耦合指标( c i ) 实 现产品族设计平台的构造。 q id o n g ，d a n i e le 2 7 】提出了一种从设计矩阵获得设计结构矩阵的技术。该 技术能使设计人员在设计早期获得设计信息，并且通过对设计结构矩阵分析以 帮助设计者进行设计平台的分析。 a g u ss u c l j i a n t o ，k e v i no t t o 2 8 】通过建立不同品牌产品的区分矩阵、产品族 功能结构图、产品功能模块矩阵等，提出了构造不同品牌产品族的模块化规则。 进而确定设计平台的产生。 e r i c s s o n 及e r i x o n 等人确定了1 2 个模块驱动力，提出一种称为模块功能 布置的方法【2 9 1 ，该方法在设计平台的确立上有一定的指导意义。 事实上，上述关于设计平台的确立方法，按照s i m p s o n 于1 9 9 8 年将产品平 台的设计方法归类方法【3 0 1 ，第一种方法是自顶向下法( t o p b o t t o ma p p r o a c h ) ， 它是一种前置平台设计方法，即有意识的提前确定一个通用的产品核心来开发 产品族。适用于产品族中产品变量不多的情况。第二种方法是自底向上法 ( b o t t o m - u pa p p r o a c h ) ，它是一种后置平台设计方法，即对存在的一组产品进行 重新设计，将部件标准化，从而创造出更具有竞争力的产品。自底向上法适用 于具有良好的可分性的产品。其优点是部件设计的标准化和设计重复的最小化。 设计者可以利用以前的类似部件，设计出新的部件，从而节省设计时间【3 1 , 3 2 】。 聚类分析是将现实中模糊性的问题通过数学手段实现一定的归类分析。虽 然聚类分析在实际中有很多数据处理的应用，但在产品开发领域的研究目前尚 不多见。应用聚类思想自底向上的来确立整个产品设计平台是目前研究设计平 台的有效方法，很多专家和学者对此进行了研究。 e r i kj z a m i r o w s k i t 3 3 】根据顾客需求和产品用途建立统一产品族功能结构 浙江工业大学硕士学位论文 图，并根据功能规则和变异规则对功能进行相似性聚类，以识别出产品族通用 模块。 w i l l i a ml m o o r e ，j o r d a nf 1 3 4 提出了利用联合分析理论进行产品属性和属性 值的通用性分析，并进行产品族设计的方法。 s i m p s o n ，t i m o t h yw 通过分析产品开发过程以及部件关联矩阵，以部件之 间关联的紧密程度作为聚类指标，应用聚类分析为产品族模块化和产品族的划 分提供了分类依据。 m i t c h e l lm t s e n g 和j i a n x i nj i a o d 5 】等在公理设计理论基础上利用聚类分析 实现了电子产品设计中的模块提取。 王爱民 3 6 , 3 7 】等提出了产品族构成零部件基于工艺路线的关联分析的聚类方 法及对应的制造单元的规划建议。 1 。6 存在的问题和不足 产品平台的建立是产品族设计方法中的关键技术。在对于产品族设计方法 的研究领域中，集中体现在设计平台的建立、评价及应用上。对于目前产品族 设计平台的研究现状，大多数建立平台的方法基于零部件之间的定性关联度上， 且在整个设计过程中，往往设计平台具有唯一的稳定性。如何使用客观的定量 的方法研究设计平台组成，使得设计平台更具有针对性的满足变化的市场，是 目前产品族设计方法中存在的问题。本文提出一种自底向上的可拓聚类方法来 定量化的构建产品设计平台。应用可拓变换方法使得设计平台具有可调节性。 为上述问题的解决提供了一种有效的方法。 1 7 本论文的主要研究内容和体系 1 7 1 课题来源 鉴于目前对产品族设计理论研究的不足，以及企业实际应用存在的诸多 问题，论文采用可拓逻辑方法对产品族设计关键技术产品设计平台进行了深入 研究。本论文受国家自然科学基金“基于可拓逻辑的产品族适应性设计理论与 方法”( 5 0 5 7 5 2 0 7 ) 资金资助，本文的研究工作以理论和应用结合的方法进行。 浙江工业大学硕士学位论文 1 7 2 主要研究内容及论文体系 在大规模定制的理论基础上，本文应用可拓逻辑相关理论知识，并结合 生产实际，研究了基于可拓逻辑的产品族设计的关键技术，构建了产品族设计 平台，基于可拓方法研究了产品平台的可变换性，开发了一套比较简单的电钻 产品族设计平台原型系统，对其运行模式、关键技术进行了分析，为客户驱动 产品族设计的实施提供了一种参考模式。 本论文共分为6 章，各章的关系如图1 3 所示。 图卜3 各章之间的组织结构 第一章绪论 本章详细回顾了国内外产品族设计方法的研究现状，首先介绍了产品族设 计方法建模技术的发展，引出了产品族设计方法的关键技术，产品设计平台，介 绍了一般聚类方法在构建产品族设计平台中的应用，详细总结了国内外关于产 品族设计平台的研究进展，进而描述了现有研究方法所面临的问题。给出了课 题的来源和主要研究内容。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于可拓逻辑的产品族建模分析 本章介绍了可拓逻辑的基础理论，并详细分析了产品族设计各个阶段的目标 和任务，对设计产品进行了可拓表达，对设计空间进行了映射分析，建立了定 性和定量相结合的产品族可拓模型。 第三章应用可拓聚类方法构建产品族设计平台 本章介绍了构建产品族设计平台的有效方法。着重介绍了聚类方法在建立 产品族设计平台中的应用，在基于可拓逻辑的理论基础上，提出了应用可拓聚 类方法来构建产品族设计平台。指出了应用可拓聚类方法构建设计平台的优势， 并通过具体的实例分析验证了可拓聚类方法的可行性。 第四章产品族设计平台适应性分析及可拓变换 本章首先建立了适应函数，对设计平台和定制零部件进行了适应性评价。 接着给出了可拓变换的目标，提出了应用可拓变换的一般前提，即零部件必须 具有成本上的可适应性。分析了可拓变换的各个变换规则，对产品族设计过程 中出现的矛盾问题进行了有效的转换和解决。并通过具体的电钻产品族设计矛 盾变换，验证了可拓变换的可行性。 第五章电钻产品族设计平台应用系统 本章应用第三、四两章的研究结果，针对电钻产品，利用v c + + 与u g 4 0 等 软件，设计并完成了一个基于可拓聚类方法的产品族设计平台应用原型系统， 验证了采用可拓聚类方法与可拓变换方法的合理性与可行性。 第六章总结与展望 对本论文的研究工作做了总结，随后指出尚待进一步解决的技术问题，提出 未来的研究和发展方向。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基于可拓逻辑的产品族建模分析 产品族设计方法对于设计产品的要求不仅使得产品功能满足客户多样性的 需求，而且在结构空间上要求可重用。以达到产品的大批量生产和低成本的目 的。且随着面向m c 可变型配置设计的深入研究，对产品族模型提出了更高的 要求。针对当前各种方法所存在的问题，引入可拓逻辑的思想，将它与传统的 产品族建模方法相结合，分析了基于可拓逻辑的产品族设计建模方法。 2 1 基元 2 1 1 基元的概念 1 物元 将物、特征名c 和关于c 的量值v 构成的有序三元组 r = ( ，c ，1 ，) ( 2 1 ) 作为描述物的基本元，称为一维物元1 3 引，c ，v 三者称为物元r 的三要素， 其中，c 和v 构成的二元组伽( c ，功，表示物的特征。将物元的全体记为( r ) ， 物的全体记为，特征的全体记为( c ) 。关于特征c 的取值范围记为坎c ) ， 称为c 的量域【3 9 1 。 物n ，m 个特征c l ，c 2 ，气及关于c , q = t , 2 ，哟对应的量值哆( 扛1 , 2 ，m ) 所 构成的下列阵列称为m 维物元： 其中 c = q c 2 ： 气 r = n ，c l c 2 c m = ( ，c ，矿) ( 2 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 事元 物的实现方法称为事，事以事元【加】来描述。将动词d 、动词的特征名b 及 相应的量值, 构成的有序三元组作为描述事的基本元，称为一维事元，记作 卢( 动词，动词的特征名，量值) = ( 么b ，“) 与物元类似，称( 6 ，u ) 为事元，的特征元。动词d ，m 个特征岛，6 2 ，k 和d 关于包，6 2 ，6 脚取得的量值u a ，“：，l m 构成的阵列称为聊维事元： 其中 b = 6 1 6 2 ： 6 卅 u = 到 d b l u 1 b 2u 2 b 。“肋 = ( d ，b ，u ) = i ( 2 3 ) 3 ，关系元 某一物、事与其它的物、事之间可能有不同的关系，这些关系之间又有相互 作用、相互影响。因此，对应的物元，事元也与其它的物元、事元应能描述这 样的关系及其相互作用。关系元就是描述这类现象的形式化工具。 以关系词或关系符( 亦称关系名) s 、m 个特征a t ，呸，a n , 和相应的量值 w l ，w 2 ，构成的m 维阵列称为m 维关系元： 其中 a = q 呸 ： h 肚f1 6 ， i - l k j ，a lw t 弓哆 口卅w m = ( j ，a ，叨= q( 2 - 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 关联函数 在可拓集合中，建立了关联函数【4 1 】的概念。通过关联函数值可以定量地描 述论域u 中任何元素属于正域、负域和零界三个域中的哪一个，就是属于同一 个域中的元素也可以由关联函数值的大小区分出不同的层次。 为了建立实数域上的关联函数，把实数中距离的概念拓广为距的概念。设x 。 为实数域中的任一点，五a ，b 为实数域上的任一区间，称 px o 剐= 卜半| - 字( 2 - 5 ) 为点x 。与区间x o ： 之距。其中 既可以是开区间，也可以是闭区间， 还可以是半开半闭区间。一般地，设墨口，6 ，z 口，b ，则点x 关于区间 五和x 组成的区间套的位置规定为 d ( 工，x 。，x ) = p ( x ，x ) 一p ( z ，z 。)( 2 6 ) 她k ，神就描述了点与k 和x 组成地区间套的位置关系。在可拓集合 中，利用关联函数定量描述可拓域中任一元素属于正域、负域和零界的程度。 关联函数一般定义为 |j(x)：j耥，。(x,xo,xd ) 。( 2 一- 7 一) | j ( x ) = ( z ，x o ，x ) 7 【p ( x ，x 。) ，其他情况 式中p ( x ，x 。) 为点x 与区间- 之距。d ( x ，k ，x ) 表示x 关于区间甄和 x 组成的区间套位置关系；当x 。和x 取相同的区间时，即分母为0 时，这时关 联函数表示x 与标准取值区间托的关联程度。 2 2 可拓方法 可拓方法【4 2 】主要集中在以下几个方面 1 发散树方法 把“一物多征，一征多物，一值多物 等特性概括为物元的发散性。根据物 元的发散性，由物元的三要素n ，c ，v 其中一个或两个出发进行发散，可以得到 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 多个物元，从而为人们解决问题提供多条可供选择的路径。应用发散性解决求 知和求行问题的方法称为发散树方法。 2 分合链方法 一个事物可以与其它事物结合成新的事物，从而为解决矛盾问题提供了可能 性。同样，一个事物也可以分解成若干新的事物，它们具有原事物不具有的某 些特征，从而也为解决矛盾问题提供可能性。把事物可以结合和分解的可能性 统称为事物的可扩性。可扩性包括可加性、可积性和可分性。利用可扩性去解 决求知和求行问题的方法称为分合链方法。 3 相关网方法 一个事物与其它事物关于某特征的量值之间，同一事物或同族事物关于某些 特征的量值之