隨著現代市場競爭的加劇，企業之間的競爭開始轉向基于時間的競爭和基于客戶需求的競爭。為顧客提供定制化的產品，全面提高顧客的滿意度，已經成為現代企業追求新的競爭優勢的一種必然趨勢。大批量定制(mass customization，MC)生產模式結合了定制生產和大批量生產2種生產方式的優勢，在滿足客戶個性化需求的同時，保持了較低的生產成本和較短的交貨提前期。面向大批量定制的設計是大批量定制的重要環節，產品設計階段將決定產品生命周期累計成本的70%一80%，對定制產品的交貨期、總成本和質量都有重要的影響。面向大批量定制的設計能夠根據預先定義的零部件集合以及它們之間的相互約束關系，通過配置單元動態選配和進化演繹，快速形成滿足客戶個性化需求的定制產品，因此是解決設計個性化與低成本之間矛盾的主要方法。
國內外學者從不同的側面對大批量定制設計技術進行了研究。Tseng等人認為大批量定制技術可以在概念設計和初始開發階段有效地實現，采用并行流程圍繞產品族進行設計，可以有效地滿足客戶需求。Wielinga等人給出了在大批量定制中配置設計的定義：在預先定義的通用化組件的基礎上，搜尋組件的裝配組合以滿足一組需求，并遵循一定約束的過程。Jiao等人提出了產品族建模的三視圖方案，即功能視圖、技術視圖和結構視圖，建立了與產品族關聯的通用產品結構。祁國寧等人根據大批量定制的特點以及我國企業的實際情況，提出了合理化工程的理論和方法，在利用企業的設計業務流程重組以適應產品的快速變型設計、產品的標準化、產品建模、信急集成等方面開展了較為深入的研究。李仁旺等人提出了大批量定制的可拓學模型和一維時空數學模型，通過區分產品結構中的共性和個性，將產品維的共性部分歸并處理，通過擴大相似零件、部件和產品的優化范圍，減少產品中的定制部分。孫偉等人提出了一種邏輯上由功能模型、原理模型和結構模型組成的產品族動態產品模型。
本文提出了面向大批量定制的配置產品變型設計理論和方法，將產品配置過程分為一級產品模塊準配置和一級零件結構相似配置，通過配置單元派生進化、替換進化和關聯進化實現產品配置結構的創造性設計過程，達到變結構變型設計的目的，并結合企業具體應用將上述理論應用于實際產品開發中。
1 需求驅動的產品多級遞進式配置優化
1.1 基于模糊推理的配置規則遞歸演化
1.1.1 配置規則的模糊推理
根據設計過程具有模糊性的特點，將以邏輯推理為主的開環剛性推理系統，拓展成遞歸的閉環柔性推理系統，以根據實際情況校正推理結論。將以遞歸的閉環柔性推理系統為特點的模糊推理應用到配置規則遞歸演化的各個方面，包括配置規則的遞歸派生和遞歸聚合。
1.1.2 配置規則之間的模糊派生
通過基于模糊相似原理的配置規則的分類編碼方法，采用相關的數學模型表達模糊信息，選擇合適的模糊參數，從遞歸的角度考慮配置規則的派生，在對配置規則進行模糊評價的基礎上進行配置規則的派生，形成一個“派生一評價一再派生”的過程。
1.1.3 配置規則之間的柔性聚合
根據工具類知識、案例類知識和專家類知識的不同特點，從知識點形成配置規則，將分散的、某一側面的、單一學科的配置規則聚合、組合、疊加、補充，遞歸地形成相對統一的、多學科的、相對完整的配置規則，以解決復雜產品和復雜系統的設計問題。
1.2 需求驅動的多級遞進式配置方法
根據大批量定制原理，產品配置設計是分階段、分層次、自頂向下逐步進化的，可以看作是產品不斷迭代和進化以滿足客戶需求的過程。大型機械產品結構層次復雜，難以實現一個層次上的匹配配置，為此本文提出了客戶需求驅動的多級遞進式配置方法，將產品配置過程分為一級產品模塊準配置和一級零件結構相似配置。
首先根據客戶需求進行模塊化的準配置，建立配置知識的語義網絡表示，獲得滿足客戶需求的產品結構組成樹，然后根據第一級部件的配置規則進行零部件相似配置，通過對固定參數和區間參數進行相似性比較的模糊匹配算法，獲得組成樹的相似零部件。
1.3 基于知識重用的配置結果成本優化
針對大批量定制中產品結構和設計工藝存在大量的相似性，分析配置設計資源的可重用性，探討以本體論為指導的配置設計知識重用的途徑。通過對配置設計中的知識的檢索、匹配和共享，建立基于知識重用的配置結果成本優化估算模型，實現大批量定制配置設計的產品性能和成本控制目標。
在大批量定制配置設計中，必須綜合考慮產品的技術性能和經濟性能。在產品的設計階段需要協調產品的實現功能和成本，只有綜合考慮了產品的技術性能和經濟性能，才能設計出達到最佳性價比組合的產品。在對大批量定制配置設計結果的性能分析中，首先根據己經建立的產品族的層次結構，從配置設計結果中提取產品實例、部件、零件和特征等；其次確定產品功能技術信急和成本結構，分別由產品技術設計人員和成本分析人員并行地進行產品技術性能和成本性能的分析。
2 基于配置關聯的產品變結構進化演繹
同一系列的零件，由于尺寸不同或制造方法不同，形狀并不完全相似，多數在局部有拓撲結構的變異。傳統參數化方法不能實現變拓撲結構零件的系列化設計，解決的辦法是對一種結構設計一張母圖，這樣做不利于模型的管理和使用。根據配置單元所具有的自律、互換、拼接等特點，研究面向設計過程的3種常見的配置單元進化演繹方法，即派生進化、關聯進化和替換進化，通過配置單元進化實現產品配置結構的創造性設計，達到變結構變型設計的目的。如圖1(a)所示為圓柱齒輪的結構圖，輻板孔的個數、形狀與分度圓的大小和加工方法有關，鍛件齒輪輻板孔多采用圓形，而鑄件多采用輻射孔。
2.1 配置單元的派生進化
派生進化通過被派生單元與派生單元之間的結構運算生成一個新的配置單元，被派生單元稱為父單元，派生單元稱為子單元。子單元與父單元進行某種類型的布爾運算，以父單元的存在為前提。在派生進化中，子單元的位置完全取決于父單元本身，并一般繼承父單元的部分組合特征。
配置單元的派生進化是表達配置結構變異的主要進化形式，在零件結構設計階段應用十分普遍。如圖1(b)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的派生進化過程。首先設計齒輪架結構，然后通過派生進化生成輻板孔。在派生進化操作中，父單元和子單元通過布爾運算形成有效的新單元，當父單元變化時，子單元根據其基準線、同的位置自動定位，并重新進行既定的布爾操作。
圖1配置產品變結構進化演繹
2.2 配置單元的關聯進化
關聯進化在一個配置單元的基礎上生成與之特征相似的單元，被關聯單元稱為主單元，關聯單元稱為輔單元。主、輔單元的關系類似兄弟，其性質具有某種必然的聯系，輔單元的特性直接由主單元復制或推導而來。在關聯進化中，主單元和輔單元同時存在，主單元和輔單元是一對多的關系。輔單元根據主單元按照關聯進化的原理自動生成，通過關聯要素相聯系，當主單元發生變化時，輔單元應隨之進行自適應的變化。如圖1(c)所示，關聯進化同時也是一種特殊的組合特征。
配置單元的關聯進化是表達零件同性結構的主要手段，產品設計中的對稱單元、標準配合單元、孿生(傳動配對)單元、陣列和環列單元等的產生都可以通過關聯進化實現。如圖1(c)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的關聯進化過程，對鍛件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被關聯單元，通過關聯進化實現圓孔的環列。
2.3 配置單元的替換進化
替換進化是用替換單元(自定義或來自單元庫)替換產品配置結構樹中的一個單元，替換單元繼承被替換單元在單元約束網絡中的組合特征以及必要的布爾運算，并形成有效的產品結構。
配置單元替換進化常被用來進行局部結構的選項設計，例如，將原來采用球軸承的支承結構置換為圓錐滾子軸承后，能承受更大的軸向力。如圖1(d)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的替換進化過程，對鑄件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被替換單元，通過替換進化將圓孔置換為輻射孔，并繼承其配置信息。
3 配置產品變型設計集成技術應用
所提出的面向大批量定制的配置產品變型設計技術在國家“863”計劃重點項目“面向大批量定制的集成設計系統”中得到了應用。項目依托單位浙江巨人電梯有限公司屬于典型的按訂單進行制造和裝配的企業，其產品GP20系列乘客電梯是典型的配置產品。針對電梯產品的定制特點，根據對企業己有客戶需求的分析以及對未來需求的預測，對電梯產品的核心組件進行層次結構化。建立關鍵組件和可擴充組件的分類，實現產品配置單元的定義，并建立了產品族的配置結構樹，通過對產品族的功能分析，給出滿足產品族設計的通用性、模塊化的組件單元庫。在一定的零部件配置約束條件下，按照產品結構層次，選擇不同的配置單元組合實例。這種產品族結構具有完善的變型機制，能夠快速滿足隨時到來的客戶需求，以完成產品的快速開發，實現配置產品的迅速重構與變動的變型設計。
圖2所示為在企業應用實例中多級遞進式配置模型的可視化操作界面。配置設計人員首先從配置任務清單中選擇需要配置的任務，系統根據當前客戶訂單的參數，自動進行配置規則的搜索和匹配，在自動配置完成后可以根據配置結果的不同情況(配置成功、失敗)進行不同的標注，對未能配置成功的零部件進一步進行手工交互配置，直至完成產品的設計清單。
產品配置結果無法保證所有的組件都得到選配，在獲得配置相似件后，進一步對個性化需求進行變型設計。圖3所示為GP20電梯轎架變型設計的操作界面。
圖2 配置模型的可視化操作界面
Fig.2 Visual interface of configuration model
圖3 電梯轎架變型設計的操作界面
Fig.3 Interface of elevator car frame variant design
4 結語
針對目前面向大批量定制的設計技術在配置優化和變結構進化方面存在的問題，提出了面向大批量定制的配置產品變型設計理論與方法。在歸納總結基于模糊推理的配置規則柔性化遞歸演化機理的基礎上，通過基于語義網絡的一級產品模塊準配置和基于模糊匹配的二級零件結構相似配置，實現客戶需求驅動的多級遞進式配置設計并建立了優化模型，將相似配置結構和變結構進化模型重構的進化運算相結合，實現面向大批量定制的配置產品變型設計技術集成。
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本文標題：面向大批量定制的配置產品變型設計
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