CN109344501A - 一种模块化产品配置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化产品配置设计方法，首先建立基于多色图理论的模块化产品结构配置模型，针对模块化产品族结构配置模型和以上几种约束关系，利用多色集合理论采用矩阵的形式记录各属性集合和约束关系集合，根据客户需求确定一组功能，从以上矩阵中推算出一组符合客户需求的模块实例配置集。

Description

一种模块化产品配置设计方法

技术领域

本发明涉及产品数据管理应用技术领域，具体为一种基于变型多色图的模块化产品配置方法。

背景技术

由于市场竞争环境的复杂化，制造企业面临着全球化的竞争压力，其产品的创新性与个性化成为制造企业争夺市场的主要手段。在客户多元化需求的推动下，快速响应市场的能力和个性化的产品与服务逐渐成为制造企业发展壮大的关键因素。大规模定制(Mass Customization，MC)为制造企业提供了一条满足这些需求的有效途径。基于模块化设计的产品配置技术成为MC成功实施的关键。应用模块化产品配置设计策略响应市场和客户需求，能够极大地提升企业快速响应市场的竞争力，提高产品设计的个性化程度和增强产品的可靠性。

模块化产品配置设计以模块化设计思想为基础，建立产品族的模块化结构，优选出产品族中若干具有特定功能及结构的模块(模块组合)，组合成符合客户定制的多样化产品，不但可以提高产品或模块变型设计的可能性，快速满足客户对产品的基本需求，还能促进解决模块化产品族的产品品种、规格、与设计制造周期、成本之间的矛盾。

模块化产品配置设计流程一般可概括为：首先针对客户的个性化需求进行系统性功能分析和结构分析，建立客户的技术需求到模块化产品族中模块实例之间的映射关系，然后按照相关数学计算模型在模块实例库中检索模块，并根据检索结果构造模块配置集，最后以配置集为依据，确定并输出最优的模块化产品配置方案。如图1所示。

模块化产品配置设计是基于模块实例的产品配置设计，如图2所示，模块化产品结构模型包含5个模块(M₁～M₅)，每个模块分别包含实现相同功能、相似属性、相似结构、相同外部接口和不同属性值的模块实例，例如M₁，包含的模块实例为基于客户定制需求的不同进行模块实例的优选和组合，可以配置出满足客户个性化需求的多元化产品(P₁～P₃)。

目前，针对模块化的产品配置设计，大多基于一种语义的形式，或者简单的if-then的逻辑描述，当出现大量模块和模块实例时，这种产品配置设计的方法往往效率不高，求解缓慢。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决上述的模块配置组合存在的不足，提出一种基于变型多色图的模块化产品配置设计方法。

技术方案

一种模块化产品配置设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立基于多色图理论的模块化产品结构配置模型，即PG＝(F(G),M,C,F(M),F(C))，其成分如下：

F(G)＝(F_g1,F_g2,…,F_gm)表示模块化产品模型树的整体属性；

表示产品和模块实例的集合，其中M₀表示产品，表示模块i的第j个模块实例，同一模块的不同模块实例具有相似的属性；

表示产品与模块实例或不同模块的模块实例间的连接配合关系集合，表示模块i的第m个模块实例和模块j的第n个模块实例间的连接关系；

F(M)＝(F₁,F₂,…,F_n)表示模块的不同属性，F_n根据不同的实际应用表示不同的含义；

F(C)＝(F_c1,F_c2,…,F_ck)表示产品与模块或模块间连接关系的不同属性，F_ck根据不同的实际应用表示不同的含义；

而在基于模块化的产品族结构中存在以下四种约束关系：

1)模块之间的约束关系它是全局的，不能出现在可配置模块的内部，而是存在于配置模型之中，这类约束一般包括两类，一类是选择信息，由可选Optional和必选Required组成，一类是约束信息，由依赖Dependece，冲突Conflict，互换Alternate和替换Substitute等组成；

2)某一模块和另一模块内部属性之间的约束关系

3)不同模块属性之间的约束关系

4)同一模块内部属性之间的约束关系

针对模块化产品族结构配置模型和以上几种约束关系，利用多色集合理论采用矩阵的形式记录各属性集合和约束关系集合，其中M×F(m)表示模块节点属性，M×M表示连接边集合，C×F(c)表示边的结构属性；对于约束关系的选择信息用M×M和C×F(c)联合表示，其中矩阵M×M的元素M_ij＝1表示M_j为M_i的子节点，矩阵C×F(c)的元素C_ij(k)＝1表示边C_i(j)的属性为F_ck；对于约束关系的约束信息用R＝(R₁,R₂,…,R_k)表示，其中R_k是一个三元组R_k＝(M_i(j),M_m(n),Rel)，其中M_i(j)表示M_i模块下的M_j模块子件，Rel＝{Dependece,Conflict,Alternate,Substitute}表示四种关系类型，该表示方法优化配置的搜索过程，减少组合爆炸；对于约束关系用矩阵F(M_i)×M_j来表示，其元素FM_ij＝1表示M_i的属性取F_i时对应的子节点为M_j；对于约束关系用矩阵F(M_i)×F(M_j)表示，其元素FM_ij＝1表示当M_i的属性取F_i时，M_j的属性取F_j；对于约束关系用自相关矩阵F(M_i)×F(M_i)表示模块内部属性F_i与F_j的关系；产品中的每个约束都存在唯一的矩阵与之对应；

步骤2：由客户根据自己的需求确定一组功能，将客户所选择的功能转换成为对应模块节点的配置属性值；

步骤3：创建初始为空的循环队列和临时BOM表，从M×F(m)矩阵中找出根节点，并将该节点送入循环队列；

步骤4：取节点M_i，判断是否为模块项，是否有可选子项，并判断是否为必选配置模块；

步骤5：对选择好的配置模块进行有效性验证，主要是版本有效性和时间有效性的验证；

步骤6：配置模块集合件遍历完成后构成了初级模块化产品配置模型树；

步骤7：针对初级模块化产品配置模型树，遍历所有集合件和子集合件的模块实例；

步骤8：判断模块实例是否满足约束信息关系矩阵M_i(j)×M_m(n)，是否满足约束关系矩阵F(M_i)×M_j和F(M_i)×F(M_j)；

步骤9：遍历完成后，得到符合要求的模块实例配置集，并计入BOM。

有益效果

本发明提出的一种基于变型多色图的模块化产品配置设计方法，实现模块实例的选择配置，从而得到完整的可配置的模块化产品BOM结构。以期实现对模块化产品更优化的处置方法，更大的利用现有资源。

附图说明

图1为模块化产品配置设计框架；

图2为基于模块实例的产品配置示意图；

图3为基于变型多色图的模块化产品配置模型；

图4为配置实现算法；

图5为某系列产品族结构模型；

图6为矩阵约束关系信息表。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

模块化产品配置过程中的信息主要由描述模块化产品空间拓扑结构的模块结构与接口信息、描述产品和模块间约束的产品配置管理信息以及描述个性化的用户需求信息三部分构成。结构与接口信息记录模块内部与模块之间的装配和构成,包括它们之间的选择和替换关系；配置管理信息记录模块间的相互约束关系，以及模块结构同模块功能之间的对应关系；用户需求信息是对产品性能、结构、外观、服务等多方面的模块化要求，通过相关规则描述将信息转化为对模块实例的选择与配置。

模块化产品配置模型是用树状图形描述的，根节点表示产品，其他节点表示模块或子模块，节点之间的枝表示模块之间的装配关系或约束关系。对于模块化产品结构树的节点，可以分为含有子件的模块组合和不含子件的模块单元。由于个性化需求，配置项需要选择多种组合方式，在各节点中存在相应的必选项、可选项和替换项。判断某一节点是模块单元还是模块组合，是否存在相关选用项子件，是否存在多个版本供配置选用，每个版本的有效性又如何，这些都是需要在配置过程中应当管理或应用的属性。按照多色集合相关理论，可以用不同的“颜色”来表示这些属性。为此可以用多色图的节点来表示产品模块，节点上涂有的不同颜色表示模块的不同属性；采用多色图的边表示模块化产品结构的组成，边上涂以不同颜色表示对下属子项的选用关系：可选或者必选等。

由此，可建立基于多色图理论的模块化产品结构配置模型，即PG＝(F(G),M,C,F(M),F(C))，其成分如下：

F(G)＝(F_g1,F_g2,…,F_gm)表示模块化产品模型树的整体属性；

表示产品和模块实例的集合，其中M₀表示产品，表示模块i的第j个模块实例，同一模块的不同模块实例具有相似的属性；

表示产品与模块实例或不同模块的模块实例间的连接配合关系集合，表示模块i的第m个模块实例和模块j的第n个模块实例间的连接关系；

F(M)＝(F₁,F₂,…,F_n)表示模块的不同属性，F_n可以根据不同的实际应用表示不同的含义；

F(C)＝(F_c1,F_c2,…,F_ck)表示产品与模块或模块间连接关系的不同属性，F_ck可以根据不同的实际应用表示不同的含义。

而在基于模块化的产品族结构中存在以下四种约束关系：

1)模块之间的约束关系它是全局的，不能出现在可配置模块的内部，而是存在于配置模型之中，这类约束一般包括两类，一类是选择信息，由可选Optional和必选Required组成，一类是约束信息，由依赖Dependece，冲突Conflict，互换Alternate和替换Substitute等组成；

2)某一模块和另一模块内部属性之间的约束关系

3)不同模块属性之间的约束关系

4)同一模块内部属性之间的约束关系

针对模块化产品族结构配置模型和以上几种约束关系，我们可以利用多色集合理论采用矩阵的形式记录各属性集合和约束关系集合，其中M×F(m)表示模块节点属性，M×M表示连接边集合，C×F(c)表示边的结构属性；对于约束关系的选择信息可以用M×M和C×F(c)联合表示，其中矩阵M×M的元素M_ij＝1表示M_j为M_i的子节点，矩阵C×F(c)的元素C_ij(k)＝1表示边C_i(j)的属性为F_ck；对于约束关系的约束信息可以用R＝(R₁,R₂,…,R_k)表示，其中R_k是一个三元组R_k＝(M_i(j),M_m(n),Rel)，其中M_i(j)表示M_i模块下的M_j模块子件，Rel＝{Dependece,Conflict,Alternate,Substitute}表示四种关系类型，该表示方法可以优化配置的搜索过程，减少组合爆炸；对于约束关系可用矩阵F(M_i)×M_j来表示，其元素FM_ij＝1表示M_i的属性取F_i时对应的子节点为M_j；对于约束关系可用矩阵F(M_i)×F(M_j)表示，其元素FM_ij＝1表示当M_i的属性取F_i时，M_j的属性取F_j；对于约束关系可以用自相关矩阵F(M_i)×F(M_i)表示模块内部属性F_i与F_j的关系；产品中的每个约束都存在唯一的矩阵与之对应。

在雷达产品族的模块划分基础上，建立基于变型多色图的模块化产品配置模型如图3。该模型是基于模块下存在多个模块实例的基础上扩展一般多色图而建立的。

对于图3所示的模块化产品模型树结构，暂不考虑模型树的整体属性F(G)。由某型号雷达产品族规划和模块实例库构成可知，产品及其模块节点集合式中M₀表示产品，配置前不着色配置后可按属性涂上颜色，其余分别表示具有不同属性的模块实例。颜色属性集合F(M)＝(F₁,F₂,F₃,F₄,F₅,F₆,F₇,F₈,F₉,…)表示节点的不同属性，例如F₁＝1时节点着红色，表示产品树根节点，F₁＝0则表示不是根节点，其上还有父节点。多色图中的边有两种颜色F(C)＝(F_c1,F_c2)分别表示必选和可选关系。不同节点之间的关系集合 表示M₀的第一个实例与M₁的第一个实例之间的组成关系。因此通过建立M×M，M×F(m)和C×F(c)这三个矩阵可以完整清楚地表达产品族的结构关系，并显示其中的配置项，相应的矩阵可以用矩阵表来记录。例如表1记录各模块及其实例节点的连接关系M×M，表示出模块化产品族的结构组成关系，左边列节点包含右边行节点则对应项为1，否则为0，相同节点不能包含自身，矩阵的主对角线全为0，同一模块的不同模块实例节点不能包含自身。表2记录模块节点属性信息M×F(m)，不同的模块具有不同的属性，涂有不同的颜色。表3记录模块结构选择关系信息C×F(c)，记录配置项的选择关系。产品族的结构信息，约束关系和配置信息可以通过这些矩阵完整的记录，同时布尔矩阵具备运算简单，易于扩充等特点。

表1模块化产品族的结构组成信息表M×M

表2模块属性表M×F(m)

表3模块结构选择关系信息表

而对于约束关系的约束信息可以构造矩阵M_i(j)×M_m(n)表示，如表4所示。

表4模块之间的约束信息关系M_i(j)×M_m(n)

所有可能的配置结果都必须满足此关系矩阵，通过模块之间的约束信息关系，可以很方便的针对模块化产品配置设计中模块实例的选取和配置。

在实现模块化产品配置过程之前，我们先给出如下定义：

集合件：模块化产品配置模型中，模块组合包含实现相同功能、相似属性、相似结构、相同外部接口和不同属性值的模块实例的集合，例如图2中的

单元集合件：模块化产品配置模型中，模块单元包含的实现相同功能、相似属性、相似结构、相同外部接口和不同属性值的模块实例的集合，例如图2中的

基于变型多色图的模块化产品配置模型是一个针对模块实例选择匹配的树形配置模型，只要通过遍历模型结构便可以得到配置结果。从产品模型的根节点开始,分析每一个子节点所含模块实例的属性信息，按照不同的要求和方法处理。对于具有可选子件属性的模块配置集合件，如图3中的M₀，M₂，M₈，要按照模块结构选择关系信息表确定合乎条件的准确的配置单元集合件；对于没有选择子项的模块处理相对简单，按照结构树全部预保留配置单元集合件。这一过程形成初级模块化产品配置模型树。通过此前分析，配置件中的模块实例有四种约束关系，可以根据模块之间的约束信息关系表进行模块实例配置的初步判断，即搜索初级模块化产品配置模型树中所有的集合件和单元集合件的模块实例，记录全部符合约束信息关系表的模块实例，然后再根据某一模块和另一模块内部属性之间的约束关系信息表和不同模块属性之间的约束关系信息表进行二次判断，形成一个准确的符合配置要求的模块实例配置集。配置过程中一个很重要的问题是要保证所有产品和模块实例的有效性，模块单元的有效性分为版本有效性和时间有效性，模块组合的有效性则由它的子模块单元来确定。通过检查模块实例的F₆和F₇属性确保配置过程的有效性和配置结果的有效件。

结合已建立产品族的模块化产品配置模型实现整个产品族的配置过程，提出一种相应的配置实现算法，如图4，具体步骤如下：

(1)客户需求的确定。由客户根据自己的需求确定一组功能，再由相关设计人员将客户所选择的功能转换成为对应模块节点的配置属性值。

(2)找出根节点并送入队列。创建初始为空的循环队列和临时BOM表，从M×F(m)矩阵中找出根节点(F₁＝1)，并将该节点送入循环队列。

(3)取节点M_i，判断是否为模块项，是否有可选子项，并判断是否为必选配置模块。

(4)对选择好的配置模块进行有效性验证，主要是版本有效性和时间有效性的验证。

(5)配置模块集合件遍历完成后构成了初级模块化产品配置模型树。

(6)针对初级模块化产品配置模型树，遍历所有集合件和子集合件的模块实例。

(7)判断模块实例是否满足约束信息关系矩阵M_i(j)×M_m(n)，是否满足约束关系矩阵F(M_i)×M_j和F(M_i)×F(M_j)。

(8)遍历完成后，得到符合要求的模块实例配置集，并计入BOM。

实施例：

以某系列的雷达为例来讨论产品族建模与配置问题。该系列雷达具备不同的接收机柜，发射机柜和伺服机构，且它们与其他模块无约束关系。为简化起见，仅给出该系列雷达产品族模型中的接收机柜模块，发射机柜模块和伺服机构模块结构树，如图5所示。该系列雷达的配置规则是：产品可选配置接收机柜、发射机柜和伺服机构，当选择S波段接收机柜时不可选择r型发射机柜，当选择q型发射机柜时必须选择直立型伺服驱动装置。

对于图5所示的产品族结构模型，假定F₆表示接收机柜为T波段，F₇表示接收机柜为S波段，F₈表示r型发射机柜，F₉表示q型发射机柜，F₁₀表示直立型伺服机构装置，F₁₁表示旋转倒立型伺服机构装置。颜色属性集合为F(M)＝(F₆,F₇,F₈,F₉,F₁₀,F₁₁)。

产品模块集合为不同节点之间的关系集合为表示不同层次模块实例的组成关系，边的颜色集合F(C)＝(F_c1,F_c2)，F_c1表示必选关系，F_c2表示可选关系。M×M和C×F(c)联合表示约束关系的选择信息，如图6所示。当客户需求为S波段接收机柜，q型发射机柜装置时，由S波段接收机可知客户需求的雷达产品配备接收机柜模块，且发射机柜模块取F₇，由直立型伺服机构装置可知客户需求的雷达产品配备伺服机构装置，且伺服机构模块取F₁₀。

最终，通过约束关系矩阵的推算，可以看出，满足客户需求的模块实例配置方案为：

Claims (1)

1.一种模块化产品配置设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立基于多色图理论的模块化产品结构配置模型，即PG＝(F(G),M,C,F(M),F(C))，其成分如下：

F(G)＝(F_g1,F_g2,…,F_gm)表示模块化产品模型树的整体属性；

表示产品和模块实例的集合，其中M₀表示产品，表示模块i的第j个模块实例，同一模块的不同模块实例具有相似的属性；

表示产品与模块实例或不同模块的模块实例间的连接配合关系集合，表示模块i的第m个模块实例和模块j的第n个模块实例间的连接关系；

F(M)＝(F₁,F₂,…,F_n)表示模块的不同属性，F_n根据不同的实际应用表示不同的含义；

F(C)＝(F_c1,F_c2,…,F_ck)表示产品与模块或模块间连接关系的不同属性，F_ck根据不同的实际应用表示不同的含义；

而在基于模块化的产品族结构中存在以下四种约束关系：

1)模块之间的约束关系它是全局的，不能出现在可配置模块的内部，而是存在于配置模型之中，这类约束一般包括两类，一类是选择信息，由可选Optional和必选Required组成，一类是约束信息，由依赖Dependece，冲突Conflict，互换Alternate和替换Substitute等组成；

2)某一模块和另一模块内部属性之间的约束关系

3)不同模块属性之间的约束关系

4)同一模块内部属性之间的约束关系

针对模块化产品族结构配置模型和以上几种约束关系，利用多色集合理论采用矩阵的形式记录各属性集合和约束关系集合，其中M×F(m)表示模块节点属性，M×M表示连接边集合，C×F(c)表示边的结构属性；对于约束关系的选择信息用M×M和C×F(c)联合表示，其中矩阵M×M的元素M_ij＝1表示M_j为M_i的子节点，矩阵C×F(c)的元素C_ij(k)＝1表示边C_i(j)的属性为F_ck；对于约束关系的约束信息用R＝(R₁,R₂,…,R_k)表示，其中R_k是一个三元组R_k＝(M_i(j),M_m(n),Rel)，其中M_i(j)表示M_i模块下的M_j模块子件，Rel＝{Dependece,Conflict,Alternate,Substitute}表示四种关系类型，该表示方法优化配置的搜索过程，减少组合爆炸；对于约束关系用矩阵F(M_i)×M_j来表示，其元素FM_ij＝1表示M_i的属性取F_i时对应的子节点为M_j；对于约束关系用矩阵F(M_i)×F(M_j)表示，其元素FM_ij＝1表示当M_i的属性取F_i时，M_j的属性取F_j；对于约束关系用自相关矩阵F(M_i)×F(M_i)表示模块内部属性F_i与F_j的关系；产品中的每个约束都存在唯一的矩阵与之对应；

步骤2：由客户根据自己的需求确定一组功能，将客户所选择的功能转换成为对应模块节点的配置属性值；

步骤3：创建初始为空的循环队列和临时BOM表，从M×F(m)矩阵中找出根节点，并将该节点送入循环队列；

步骤4：取节点M_i，判断是否为模块项，是否有可选子项，并判断是否为必选配置模块；

步骤5：对选择好的配置模块进行有效性验证，主要是版本有效性和时间有效性的验证；

步骤6：配置模块集合件遍历完成后构成了初级模块化产品配置模型树；

步骤7：针对初级模块化产品配置模型树，遍历所有集合件和子集合件的模块实例；

步骤8：判断模块实例是否满足约束信息关系矩阵M_i(j)×M_m(n)，是否满足约束关系矩阵F(M_i)×M_j和F(M_i)×F(M_j)；

步骤9：遍历完成后，得到符合要求的模块实例配置集，并计入BOM。