模块化产品变更系数的多尺度建模技术

模块化产品变更系数的多尺度建模技术

0模块化设计方法考虑到全球市场竞争，公司只有持续缩短开发时间，提高质量和成本，才能赢得竞争。模块设计通过重组产品结构和项目流程，缩短产品开发周期，提高产品质量和成本，降低产品成本。它不仅可以快速响应市场变化的需求，而且可以加快产品创新和新产品推出速度。因此，基于产品生命周期的开发设计已成为现实的需求。根据不同的模块化产品设计目标,学术界提出了许多支持模块化设计的产品信息表达的方法。在结构模型方面研究文献主要有:Hwai-EnTseng和YasushiUmeda提出的产品模型由产品几何结构模型和零部件关系图组成;刘建刚等给出了联系信息流量的计算方法;钱晓明等提出一种基于装配拓扑树和零件拓扑树的产品结构模型。在模块模型方面,徐载齐等将模块化产品模型分解为产品方案模型、模块模型和接口模型三种模型;刘红良提出以模块模型为结构单元进行全局模型的构建。在产品服务模块化的研究方面,P.P.Wang等将产品服务系统分为六个维度,并将模块化开发分为功能、产品、服务三个模块化过程;王忠杰等以超图作为描述工具,提出了分层的价值依赖模型,并将其表示为价值依赖超图的形式。但上述方法仍存在如下不足:1)过分依赖产品的结构和功能,对产品开发过程的研究较少,离开功能结构的前提就无法进行下去;2)大多数用于开发新产品的模块化结构,不适用于对已有产品的模块化变型设计。针对这些不足,作者借鉴了文献中超图工具的思想,引用关联超图描述产品的模块化开发过程,建立服务流关联模型,并利用结构化超图建立了零部件和模块模型;为了描述各模型之间的联系,引入了多尺度分析理论,将各个尺度上的信息进行最优综合。1模块化产品模型建立如图1所示,本文引用了超图理论和多尺度思想将模块化产品模型分解为过程服务模型、模块模型和零部件模型三种模型。本文所提的模块化产品模型主要是针对已有产品的变型设计,利用关联超图建立模块化设计的过程模型,并引入结构化超图来构建相应的结构化模型,为变型设计提供零部件关系和模块结构层次关系。同时引入多尺度信息融合技术对零部件和模块模型进行数据融合,为变型设计提供重要的约束数据源。1.1服务流关联超图网络产品的模块化设计过程是一个从抽象不断进行细化的过程,要经过不同的阶段。作者定义了产品服务流的概念,并将模块化设计过程分为需求分析、功能分析、结构分析、模块分析、产品族分析等几个阶段。定义1产品服务流S是与客户需求相呼应,为满足客户对产品本身的功能模块、结构模块等需求而提供的一种带有连续流动性质的一种服务形式;在本文中,作者将需求流R、功能流F、结构流ST、模块流M、约束流C等定义为产品子服务流。本文以产品变型设计的模块化过程为例,图2、图3是利用关联超图网络来表示功能分析和模块分析两个阶段所对应的服务流的方法。图2是顶层关联超图网络的顶层关系图,Mt1.1和Mt´1.2分别代表模块分析阶段的旧产品模块流和变型后产品模块流,s-Mt´1.2代表从旧产品到变型后的模块流路径,C4.1是约束流对象。图3是单元服务关联超图网络,有4个单元模块的子服务流s-M1t´1.2、s-M2t´1.2、s-M3t´1.2、s-M4t´1.2。服务流关联超图网络中的顶点对应于模块化产品设计过程中各种实体服务对象(主要是业务对象),超边对应于产品模块化设计过程中的联系对象。关联超图网络中的约束流C14.1、C24.1、C34.1、C44.1的具体内容将在结构超图中进行表达。1.2多模型的跟踪和管理在基于结构化超图的多尺度建模过程中一个重要方面是合理构建各种实体对象和数据对象以及它们之间的各种联系。本文所提出的多尺度模型的特点是对模块化设计过程中不同设计阶段的产品信息进行分类、组织和管理,多尺度模型所包含的产品信息不仅适用于一个产品模型,而且适用于多个产品模型,因此在多尺度模型中一个对象的改变会引起其他模型的相应变化,需要对这些动态的联系进行跟踪和管理。零部件模型用一个关联矩阵A和一系列约束规则f(Ei)描述:关联矩阵A中aij等于0或1;当aij=0时,表示xi没有在约束f(Ei)的作用范围内,当aij=1时,则相反。产品的模块模型可用结构化超图和对应的超图集合矩阵Q={bij}来表达,即:上式中bij的值为0或1,当xiuf0ceHj时,bij=1;反之bij=0;根据定义当超图Hi中的顶点集合全部包含在Hj中相应的其所含有的顶点的联系即超边也必在Hj中则Hi是Hj的子超图,则通过超图集合矩阵Q推出M(28)uf07bH0,H1,...,Hkuf07d中的包含关系,即父子关系。1.3钢板弹簧的模块化超图模型本文以汽车钢板弹簧的结构化模型为例,构建零部件模型和模块模型。汽车钢板弹簧的零部件用超图的顶点来表示,每个顶点都是一个集合,包含了零部件的所有信息。用x1,x2,…,x12分别代表相关的零部件,各零部件之间的约束关系以超边表示。零部件之间的约束关系用超边表示,这样就得到了基于超图的零部件模型,如图4中左图所示。假设约束规则已给出,零部件模型的关联矩阵A可表示为:利用结构化超图理论,通过对钢板弹簧的超图模型进行结构化处理,可以得到如图4中右图所示的钢板弹簧的模块超图模型。从图中可以看出,钢板弹簧的模块层次可以分为三级,即一级模块层(H0),二级模块层(H1、H2、H3),基础模块层(H4、H5、H6、H7)。根据图3,模块超图集合矩阵Q可表示为:综上,尽管超图集合矩阵Q={bij}能够表达模块与零部件之间的对应关系,但却不能充分表达模块之间的约束关系,需利用多尺度建模来把零部件之间的约束映射在模块模型层上,进而表达模块之间的约束。2多尺度估计算法根据上节得出的零部件关联矩阵A和模块超图集合矩阵Q进行多尺度数据融合,首先建立动态模型为:A(sa)表示各零部件的状态向量,Q(s)表示模块的状态向量。他们分别由矩阵A和Q表示,式中的Φ(sa)表示矩阵A和Q之间的动态关系。这里引用文献中的多尺度估计算法经过向上滤波和向下平滑估计算法,可以把零部件之间的约束关系信息映射到模块层上,得到约束对象C14.1、C24.1、C34.1、C44.1的具体表达:其中C代表了各模块间的约束内容,为下一步的变更影响分析提供依据。变更影响范围的分析过程为:首先判断受到影响的模块的可更改度,若满足要求则根据结构模型将需求映射到零部件需求,若不满足则直接从模块库中挑选新的匹配模块,那么根据模块结构模型将这个模块下的所有零部件纳入变更范围。根据结构模型将模块需求映射到零部件模型,然后根据零部件之间的约束关系判断需要更改的零部件,这样就可以得到具体的变更范围。变更范围的确定遵循从上到下的原则,整个流程是在多尺度分析的基础上将过程模型和结构模型有机融合到一起,从上到下的确定变更范围的流程。3模块化产品设计过程的形式化描述本文在对模块化产品形成过程分析基础上,引入关联超图网络的概念对模块化产品形成过程进行形式化描述,表达了模块化产品变型设计过程中信息在各零部件和模块之间的关系,采用关联超图网络对模块化产品设计的过程进行形式化描述。引入结构化超图分别对零部件模型和模块模型进行形式化描