產品設計過程中的改進與優化論文

產品設計過程是一項複雜的系統工程，是一系列活動的集合，這些設計活動將市場需求轉化為產品，因此，對產品設計過程的規劃和持續改進，實際上就是對設計活動的有效組織和管理。對此，國內外學者進行了廣泛的研究，主要集中在以下幾方面：對設計過程進行優化建模、規劃和重組；基於項目管理思想對設計過程進行管理；基於工作流規劃實現設計過程管理等。上述研究主要是針對一般產品設計過程的改進與優化，提高了產品設計效率。

實際上，企業實施的產品設計過程存在着很大的相似性，並且從對資源的依賴角度看，設計活動的執行具有模塊化聚集特徵，因此，可考慮從模塊化視角審視產品設計過程。當前，模塊化技術己經成為工程產品設計的主要趨勢之一，而產品的模塊化設計是模塊化技術最主要的應用方面，相關研究集中在產品族部件和零件設計的模塊劃分、聚類和成本評估上。根據設計過程的過程工程思想，設計過程可以看成是一個特殊的產品，可以考慮將產品的模塊化設計思想引入產品設計過程，將設計過程劃分為一系列設計過程模塊，通過對設計過程模塊進行有效規劃，構建出優化的產品設計過程。韓國空軍研究院的HyeonjuSeol等人對設計過程模塊化進行了研究，他們基於設計結構矩陣(DesignStructureMatrix，DSM)定性地描述了設計活動之間的信息依賴關係，在此基礎上，提出採用約束拓撲排序算法對設計活動進行排序，進而應用模塊發現算法檢測設計過程中的模塊，這種方法為產品設計過程模塊化劃分提供了一種新的思路。然而，該研究採用布爾設計結構矩陣定性地對設計活動之間的信息依賴進行了描述，並據此進行設計過程模塊劃分，不能從量的角度進行分析，降低了設計過程模塊劃分的精確性和可操作性，給設計過程的優化管理造成了影響。

鑑於此，本文在己有研究基礎上，採用權重有向圖和模糊DSM對設計活動的信息依賴進行定量表示，在此基礎上利用傳遞閉包法得到模糊等價矩陣，進而將設計過程劃分為設計過程模塊，同時確定各個設計過程模塊的入出項（模塊之間以入出項進行搭接)，為實現新產品設計過程的規劃和管理提供有效支持。

1設計過程模塊化的原理及實施框架

1.1設計過程模塊化的原理及特點

絕大多數產品設計都是一個複雜的系統化過程，任何一個小的錯誤都可能給後續工作帶來無法估量的損失，這就要求設計人員在設計開始之前制定詳細有效的項目計劃，而傳統的項目計劃和管理工具，如計劃評審技術(ProgramEvaluationandReviewTech?nique，PERT)、關鍵路徑法（CriticalPathMethod，CPM)、甘特圖(GanntChart，GC)等都存在一定的侷限，主要表現在：不能直觀描述設計活動之間的依賴關係；不能有效處理耦合迭代關係。

從集合論的觀點來看，產品設計過程是由一系列設計活辦旦成的複雜集合。設計過程中，上下游活動之間存在着不同程度的信息依賴關係。由於信息依賴強度不同，設計活動之間存在着一種集羣關係，即呈現模塊化特徵。考慮設計過程這種內在的模塊特性，可以將設計過程劃分為一系列模塊，以此對設計過程進行有效規劃，構建優化的產品設計過程。模糊DSM能夠簡潔、有效、定量地描述和分析信息流的交互關係，近年來被廣泛用於設計領域的實踐和應用中。設計過程模塊化正是利用模糊DSM的這個特點，對產品設計過程進行分解和規劃，以實現產品設計過程的優化管理。

1.2設計過程模塊化的實施框架

產品設計過程本質上可以從兩個維度進行分析：i過程維，即從過程流(設計活動之間的信息依賴）的角度將每個設計活動看成是將一定輸入轉化為輸出的實體，上下游設計活動之間進行設計信息的傳遞；°吾境維，描述了每個設計活動的設計規格和設計資源。設計規格規定了設計活動的設計參數、設計目標和設計所需要滿足的約束條件，是進行設計活動的依據；設計資源表示設計活動完成所需要的設計人員、設計知識和設計工具。該實施框架包括以下幾部分：i將產品設計過程從過程維角度進行分解，採用權重有向圖(WeightedDirectedGraph，WDG)、模糊設計結構矩陣（FuzzyDSM，FDSM)和傳遞閉包法（Transi?tionClosureMethod，TCM)將設計過程分解為設計過程模塊；④對分解的設計過程模塊進行編碼，並存入數據庫；》從語境維的角度(設計規格和設計資源)對每個設計活動進行分析，結合己分解的設計過程模塊，確定模塊屬性的相對重要度；根據設計過ing配置規則，形成設計過程模塊配置數據庫，結合設計過程模塊數據庫和配置數據庫，對變型產品的設計過程進行有效規劃；^整個過程中，需要綜合運用各個步驟產生的過程信息。

2設計過程模塊

21相關定義

定義1設計過程模塊（DesignProcessMod?ule，DPM)，是一個表示設計過程邏輯單元的活動集合。以表示每個DPM包含的設計活動個數，若1，即表示DPM中至少包含一個設計活動。

定義2嵌套DPM(NestingDesignProcessModule，NDPM)，是指能被分解為子模塊的設計過程模塊。

定義3原子DPM(AtomicDesignProcessModule，ADPM)，是指不能被進一步分解為子模塊的設計過程模塊。

根據系統論的思想，DPM可被層次化地分解為子模塊，直到無法再分為止。以圖2進行説明，某產品設計過程可被分為五個一級DPM：DPMUDPM2，DPM3，DPM4和DPM5，它們位於最高層次。其中，DPMi和DPM5不能繼續分解，是ADPM，而DPM2，DPM3和DPM4可繼續分解為子模塊，為NDPM。DPM2，DPM3和DPM4可分別進一步分解為子模塊(DPM21，DPM22，DPM23)、DPM31，DPM32，DPM33)和(DPM41，DPM42)。因此，子模塊組成更高層次的DPM，同時，子模塊還可包含子子模塊。

設計活動稱為DPM的入出項，記為AIO，是每個DPM和其他DPM之間進行信息交互的接口，入出項AIO是入項AI和出項A?的統稱。入項AI是位於DPM最上游的活動，與前一個DPM連接；出項A?是位於最下游的活動，與後一個DPM連接。如圖3所示，AI(DPMi)=daii，A?(DPMi)=da.2；Ai(DPM?i)=das，A?(DPMi+i)=da^t，其中，day.(j=1，2，3，4，5)表示設計活動。

2.2設計過程模塊的圖示

如前所述，設計過程模塊分為ADPM和ND-PM。為便於形式化描述產品設計過程模型，給出設計過程模塊的圖形表示，如圖4所示。ADPM的表示如圖4a所示，採用結構化表示方法，包括設計活動區、DPM序號區和原子標誌區。設計活動區包括DPM模塊的入項和出項，以及其他的設計活動；DPM序號區表明該DPM的序號，下標用i表示（i=1，2，3，nn為設計過程中所有DPM的個數)；原子標誌區用A表示，説明該DPM是ADPM。同樣地，NDPM也用三部分表示，分別是包含ADPM區、DPM序號區和嵌套標誌區。包含ADPM區包括組成該NDPM的所有ADPM，以及它們之間的內在連接關係；DPM序號區表明該嵌套DPM在整個產品設計過程中設計過程模塊的序號，下標用.表示(j=1，，，k，k<n)；嵌套標誌區用N表示，説明該DPM是NDPM。的改進，其元素取值範圍是[0，1]，依賴模糊集的隸屬度，能定量反映出設計活動間信息依賴關係的強弱程度。

經過以上分析，可結合WDG和FDSM的優點，將設計過程中設計活動之間的信息依賴用WDG進行表示，再將WDG定量化地映射為FDSM，在此基礎上，採用相關算法對設計過程進行模塊化劃分。

3產品設計過程的DPM劃分

3.1權重有向圖與模糊DSM

要實現產品設計過程的模塊化，首先根據設計經驗，確定各項設計活動之間的信息依賴關係。然而，設計活動之間的信息依賴強度存在較大的不確定性和模糊性，因此，在表示設計過程時，可根據設計活動之間的敏感性和可變性來衡量設計活動之間的信息依賴強度，這種信息依賴的`強度關係可採用0~0.9標度的方法量化，分別用09，07，0.5，03和0表示依賴度很強、強、弱、很弱和無依賴情況。

WDG是一種能夠清晰表示出圖中各個節點之間相互影響程度的工具。這種特性使得WDG適合於對複雜設計過程中設計活動之間的依賴關係進行表示。設計管理者在對產品的設計過程進行初步分析後，可得出設計過程的WDG，但是這種圖形化的描述不能揭示出設計過程的結構和規律，當節點和有向弧的數量??多時，圖形規模會急劇??大，形成一個相互交叉的混雜網絡，不利於計算機進行信息處理。

3.2設計過程的DPM劃分

3.2.1權重有向圖向模糊DSM的映射

假設產品設計過程中的設計活動daUda2，構成一個論域U設計過程的WDG描述了論域U上設計活動之間的依賴強度，並由此得到設計過程的模糊設計結構矩陣。

3.2.2將模糊DSM轉化為模糊相似矩陣通常，設計過程中存在兩個設計活動之間的信息依賴程度不等的情況即rjXrj，，因此可採用效用理論構建轉換函數x，y=(rj+?；)/2，確定兩個設計活動之間的信息依賴關係，再利用夾角餘弦法計算活動之間的相似係數。

3.2.3用傳遞閉包法劃分DPM模塊

定理1設S是n階模糊相似關係，則存在一個最小的自然數k(k<n)，使得S的傳遞閉包t(S)=Sk，且對於一切大於k的自然數I，恆有S'=Sk。

根據此定理，在不超過n次運算內，即可求得L的傳遞閉包t(L)，從而得到一個模糊等價矩陣Lk。求得模糊等價矩陣後，給定DPM劃分粒度度量值(4)

可見，截矩陣為0-1矩陣。DPM劃分結果取決於劃分的粒度值KK越大，劃分結果越細，即給定DPM劃分粒度K，就可對設計過程進行模塊劃分，確定相應的DPM劃分結果。當DPM劃分粒度最細時，每個設計活動作為一個DPM，模塊數量??加，決策時間長，決策成本提高，而且DPM之間的入出項??多，引起設計成本提高；當DPM劃分粒度最粗時，整個設計過程作為一個模塊，若設計過程中的活動略有變化，則整個設計過程模塊就要發生變化，設計過程規劃的複雜度高，設計成本同樣會提高。實際應用中，可以根據所設計產品的創新程度（即變型設計程度)，具體確定DPM劃分粒度度量值。33DPM入出項的確定設計過程模塊的入出項是每個DPM和其他DPM之間進行信息交互的接口，因此，在得到DPM之後，需要確定其入項Ai和出項A?，為建立設計過程模塊之間的連接關係奠定基礎。假設DPM有n個活動，其中每個活動da，DPM(1，2，…，n)的信息輸入和信息輸出關聯程度分別表示為Fi(i)和FO(，)，FI(，)的值可以由權重有向圖中設計活動da，向該DPM的其他設計活動輸入的權重之和得到，Fo(i)的值可以由權重有向圖中該DPM的其他設計活動向設計活動da，的輸入權重之和得到。現給出確定A’和A?的具體步驟：

步驟1確定DPM中每個設計活動的輸入信息FI⑴與輸出信息F?(i)之比，計算屍，=作為DPM中設計活動i的信息依賴度指標。

步驟2若min{P，}，1，2，...，n則設計活動da*成為DPM的入項JPAi(DPM)=da'；若Pi=max{P，}，V，=1，2，…，n，則設計活動dai成為DPM的出項，即A?(DPM)=da。

步驟3若有多個設計活動的信息依賴度指標P相等則讓FI小的設計活動成為入項，大的設計活動成為出項。將嵌套DPM劃分為ADPM之後，對各個ADPM繼續採用上述方法求解其入出項。

4實例分析

以某鋁型材產品設計過程為對象，説明DPM的形成以及基於DPM的設計過程規劃方法。鋁型材產品設計過程包括產品設計、可靠性分析、裝備選擇和外形設計等19個設計活動，根據設計人員的經驗分析可知，該產品設計變型程度為中等級別。

4.1鋁型材產品設計過程的DPM劃分

(1)根據鋁型材產品的常規設計經驗，得出各個設計活動之間的相互依賴強度，用WDG描述。DPM，這些DPM對設計活動之間的信息流關聯進行了清晰的表達，各個設計活動的串、並行及耦合關係都由DPM體現出來。同時，在鋁型材產品設計過程中，基於DPM進行過程的規劃和管理，能夠對設計活動之間的優化執行次序進行確定，從而有效減少設計過程的反覆與迭代，加速新產品設計進程。實踐表明，這種模塊化的設計過程規劃對於企業組織設計活動，以及合理配置設計過程中的人員、設備、時間等資源，都起到了很好的作用。

5結束語

從過程信息流角度將產品設計過程分解為DPM，便於設計管理者對複雜設計過程進行分析、規劃和管理。本文結合權重有向圖和模糊設計結構矩陣，實現了對設計過程中設計活動之間信息依賴的定量表達，在此基礎上對設計過程進行DPM劃分，為新產品設計過程的有效規劃和管理提供支持。實際上，設計活動之間的信息依賴強度是動態變化的，如何確保設計過程中DPM劃分結果不產生較大漂移，以更有效地支持設計過程規劃和管理，是進一步研究的問題。