关于产品设计过程中的改进与优化
关于产品设计过程中的改进与优化 产品设计过程是一项复杂的系统工程，是一系列活动的集合，这些设计活 动将市场需求转化为产品，因此，对产品设计过程的规划和持续改进，实际上就 是对设计活动的有效组织和管理。对此，国内外学者进行了广泛的研究，主要集 中在以下几方面：对设计过程进行优化建模、规划和重组；基于项目管理思想对 设计过程进行管理；
基于工作流规划实现设计过程管理等。上述研究主要是针对 一般产品设计过程的改进与优化，提高了产品设计效率。
实际上，企业实施的产品设计过程存在着很大的相似性，并且从对资源的 依赖角度看，设计活动的执行具有模块化聚集特征，因此，可考虑从模块化视角 审视产品设计过程。当前，模块化技术己经成为工程产品设计的主要趋势之一， 而产品的模块化设计是模块化技术最主要的应用方面[6]，相关研究集中在产品 族部件和零件设计的模块划分、聚类和成本评估上[6。根据设计过程的过程工程 思想，设计过程可以看成是一个特殊的产品[9]，可以考虑将产品的模块化设计 思想引入产品设计过程，将设计过程划分为一系列设计过程模块，通过对设计过 程模块进行有效规划，构建出优化的产品设计过程。韩国空军研究院的 HyeonjuSeol等人[10]对设计过程模块化进行了研究，他们基于设计结构矩阵 (DesignStructureMatrix，DSM)定性地描述了设计活动之间的信息依赖关系，在此 基础上，提出采用约束拓扑排序算法对设计活动进行排序，进而应用模块发现算 法检测设计过程中的模块，这种方法为产品设计过程模块化划分提供了一种新的 思路。然而，该研究采用布尔设计结构矩阵定性地对设计活动之间的信息依赖进 行了描述，并据此进行设计过程模块划分，不能从量的角度进行分析，降低了设 计过程模块划分的精确性和可操作性，给设计过程的优化管理造成了影响。
鉴于此，本文在己有研究基础上，采用权重有向图和模糊DSM对设计活 动的信息依赖进行定量表示，在此基础上利用传递闭包法得到模糊等价矩阵，进 而将设计过程划分为设计过程模块，同时确定各个设计过程模块的入出项（模块 之间以入出项进行搭接)，为实现新产品设计过程的规划和管理提供有效支持。
1设计过程模块化的原理及实施框架 1.1设计过程模块化的原理及特点 绝大多数产品设计都是一个复杂的系统化过程，任何一个小的错误都可能 给后续工作带来无法估量的损失，这就要求设计人员在设计开始之前制定详细有效的项目计划，而传统的项目计划和管理工具，如计划评审技术 (ProgramEvaluationandReviewTechnique，PERT)、关键路径法（CriticalPathMethod， CPM)、甘特图(GanntChart，GC)等都存在一定的局限，主要表现在：1不能直观 描述设计活动之间的依赖关系；
④不能有效处理耦合迭代关系。
从集合论的观点来看，产品设计过程是由一系列设计活办旦成的复杂集合。
设计过程中，上下游活动之间存在着不同程度的信息依赖关系。由于信息依赖强 度不同，设计活动之间存在着一种集群关系，即呈现模块化特征。考虑设计过程 这种内在的模块特性，可以将设计过程划分为一系列模块，以此对设计过程进行 有效规划，构建优化的产品设计过程。模糊DSM能够简洁、有效、定量地描述 和分析信息流的交互关系，近年来被广泛用于设计领域的实践和应用中。设计过 程模块化正是利用模糊DSM的这个特点，对产品设计过程进行分解和规划，以 实现产品设计过程的优化管理。
1.2设计过程模块化的实施框架 产品设计过程本质上可以从两个维度进行分析：i过程维，即从过程流(设 计活动之间的信息依赖）的角度将每个设计活动看成是将一定输入转化为输出的 实体，上下游设计活动之间进行设计信息的传递；
°吾境维，描述了每个设计活 动的设计规格和设计资源。设计规格规定了设计活动的设计参数、设计目标和设 计所需要满足的约束条件，是进行设计活动的依据；
设计资源表示设计活动完成 所需要的设计人员、设计知识和设计工具。该实施框架包括以下几部分：i将产 品设计过程从过程维角度进行分解，采用权重有向图(WeightedDirectedGraph， WDG)、模糊设计结构矩阵（FuzzyDSM，FDSM)和传递闭包法 （TransitionClosureMethod，TCM)将设计过程分解为设计过程模块；
④对分解的 设计过程模块进行编码，并存入数据库；
》从语境维的角度(设计规格和设计资 源)对每个设计活动进行分析，结合己分解的设计过程模块，确定模块属性的相 对重要度；
根据设计过ing配置规则，形成设计过程模块配置数据库，结合设计 过程模块数据库和配置数据库，对变型产品的设计过程进行有效规划；
^整个过 程中，需要综合运用各个步骤产生的过程信息。
2设计过程模块 21相关定义 定义1设计过程模块（DesignProcessModule，DPM)，是一个表示设计过程逻辑单元的活动集合。以表示每个DPM包含的设计活动个数，若¥1，即表示DPM 中至少包含一个设计活动。
定义2嵌套DPM(NestingDesignProcessModule，NDPM)，是指能被分解为 子模块的设计过程模块。
定义3原子DPM(AtomicDesignProcessModule，ADPM)，是指不能被进一 步分解为子模块的设计过程模块。
根据系统论的思想，DPM可被层次化地分解为子模块，直到无法再分为 止。以图2进行说明，某产品设计过程可被分为五个一级DPM：DPMUDPM2， DPM3，DPM4和DPM5，它们位于最高层次。其中，DPMi和DPM5不能继续分 解，是ADPM，而DPM2，DPM3和DPM4可继续分解为子模块，为NDPM。DPM2， DPM3和DPM4可分别进一步分解为子模块(DPM21，DPM22，DPM23)、DPM31， DPM32，DPM33)和(DPM41，DPM42)。因此，子模块组成更高层次的DPM，同 时，子模块还可包含子子模块。
设计活动称为DPM的入出项，记为AIO，是每个DPM和其他DPM之间进 行信息交互的接口，入出项AIO是入项AI和出项A〇的统称。入项AI是位于DPM 最上游的活动，与前一个DPM连接；
出项A〇是位于最下游的活动，与后一个DPM 连接。如图3所示，AI(DPMi)=daii，A〇(DPMi)=da.2；
Ai(DPMi)=das，A〇 (DPMi+i)=da^t，其中，day.(j=1，2，3，4，5)表示设计活动。
2.2设计过程模块的图示 如前所述，设计过程模块分为ADPM和ND-PM。为便于形式化描述产品设 计过程模型，给出设计过程模块的图形表示，如图4所示。ADPM的表示如图4a 所示，采用结构化表示方法，包括设计活动区、DPM序号区和原子标志区。设 计活动区包括DPM模块的入项和出项，以及其他的设计活动；
DPM序号区表明 该DPM的序号，下标用i表示（i=1，2，3，nn为设计过程中所有DPM的个数)；
原子标志区用A表示，说明该DPM是ADPM。同样地，NDPM也用三部分表示， 分别是包含ADPM区、DPM序号区和嵌套标志区。包含ADPM区包括组成该 NDPM的所有ADPM，以及它们之间的内在连接关系；
DPM序号区表明该嵌套 DPM在整个产品设计过程中设计过程模块的序号，下标用.表示(j=1，，，k，kn)；
嵌套标志区用N表示，说明该DPM是NDPM。的改进，其元素取值范围是[0，1]， 依赖模糊集的隶属度，能定量反映出设计活动间信息依赖关系的强弱程度。经过以上分析，可结合WDG和FDSM的优点，将设计过程中设计活动之间 的信息依赖用WDG进行表示，再将WDG定量化地映射为FDSM，在此基础上， 采用相关算法对设计过程进行模块化划分。
3产品设计过程的DPM划分 3.1权重有向图与模糊DSM 要实现产品设计过程的模块化，首先根据设计经验，确定各项设计活动之 间的信息依赖关系。然而，设计活动之间的信息依赖强度存在较大的不确定性和 模糊性，因此，在表示设计过程时，可根据设计活动之间的敏感性和可变性来衡 量设计活动之间的信息依赖强度，这种信息依赖的强度关系可采用0~0.9标度的 方法量化，分别用09，07，0.5，03和0表示依赖度很强、强、弱、很弱和无依赖 情况。
WDG是一种能够清晰表示出图中各个节点之间相互影响程度的工具。这 种特性使得WDG适合于对复杂设计过程中设计活动之间的依赖关系进行表示。
设计管理者在对产品的设计过程进行初步分析后，可得出设计过程的WDG，但 是这种图形化的描述不能揭示出设计过程的结构和规律，当节点和有向弧的数量 増多时，图形规模会急剧増大，形成一个相互交叉的混杂网络，不利于计算机进 行信息处理。
3.2设计过程的DPM划分 3.2.1权重有向图向模糊DSM的映射 假设产品设计过程中的设计活动daUda2，构成一个论域U设计过程的 WDG描述了论域U上设计活动之间的依赖强度，并由此得到设计过程的模糊设计 结构矩阵。
3.2.2将模糊DSM转化为模糊相似矩阵通常，设计过程中存在两个设计活 动之间的信息依赖程度不等的情况即rjXrj，，因此可采用效用理论构建转换函数 x，y=(rj+〇；
)/2，确定两个设计活动之间的信息依赖关系[，再利用夹角余弦法 计算活动之间的相似系数。
3.2.3用传递闭包法划分DPM模块定理1设S是n阶模糊相似关系，则存在一个最小的自然数k(kn)，使得S的 传递闭包t(S)=Sk，且对于一切大于k的自然数I，恒有S"=Sk。
根据此定理，在不超过n次运算内，即可求得L的传递闭包t(L)，从而得到 一个模糊等价矩阵Lk。求得模糊等价矩阵后，给定DPM划分粒度度量值(4) 可见，截矩阵为0-1矩阵。DPM划分结果取决于划分的粒度值KK越大，划 分结果越细，即给定DPM划分粒度K，就可对设计过程进行模块划分，确定相应 的DPM划分结果。当DPM划分粒度最细时，每个设计活动作为一个DPM，模块 数量増加，决策时间长，决策成本提高，而且DPM之间的入出项増多，引起设 计成本提高；
当DPM划分粒度最粗时，整个设计过程作为一个模块，若设计过 程中的活动略有变化，则整个设计过程模块就要发生变化，设计过程规划的复杂 度高，设计成本同样会提高。实际应用中，可以根据所设计产品的创新程度（即 变型设计程度)，具体确定DPM划分粒度度量值。33DPM入出项的确定设计过程 模块的入出项是每个DPM和其他DPM之间进行信息交互的接口，因此，在得到 DPM之后，需要确定其入项Ai和出项A〇，为建立设计过程模块之间的连接关系 奠定基础。假设DPM有n个活动，其中每个活动da，€DPM(1，2，…，n)的信息 输入和信息输出关联程度分别表示为Fi(i)和FO(，)，FI(，)的值可以由权重有向 图中设计活动da，向该DPM的其他设计活动输入的权重之和得到，Fo(i)的值可以 由权重有向图中该DPM的其他设计活动向设计活动da，的输入权重之和得到。现 给出确定A’和A〇的具体步骤：
步骤1确定DPM中每个设计活动的输入信息FI⑴与输出信息F〇(i)之比，计 算尸，=作为DPM中设计活动i的信息依赖度指标。
步骤2若min{P，}，1，2，...，n则设计活动da*成为DPM的入项 JPAi(DPM)=da"；
若Pi=max{P，}，V，=1，2，…，n，则设计活动dai成为DPM 的出项，即A〇(DPM)=da。
步骤3若有多个设计活动的信息依赖度指标P相等则让FI小的设计活动成 为入项，大的设计活动成为出项。将嵌套DPM划分为ADPM之后，对各个ADPM 继续采用上述方法求解其入出项。
4实例分析 以某铝型材产品设计过程为对象，说明DPM的形成以及基于DPM的设计过程规划方法。铝型材产品设计过程包括产品设计、可靠性分析、装备选择和外 形设计等19个设计活动，根据设计人员的经验分析可知，该产品设计变型程度为 中等级别。
4.1铝型材产品设计过程的DPM划分 (1)根据铝型材产品的常规设计经验，得出各个设计活动之间的相互依赖 强度，用WDG描述。DPM，这些DPM对设计活动之间的信息流关联进行了清晰 的表达，各个设计活动的串、并行及耦合关系都由DPM体现出来。同时，在铝 型材产品设计过程中，基于DPM进行过程的规划和管理，能够对设计活动之间 的优化执行次序进行确定，从而有效减少设计过程的反复与迭代，加速新产品设 计进程。实践表明，这种模块化的设计过程规划对于企业组织设计活动，以及合 理配置设计过程中的人员、设备、时间等资源，都起到了很好的作用。
5结束语 从过程信息流角度将产品设计过程分解为DPM，便于设计管理者对复杂 设计过程进行分析、规划和管理。本文结合权重有向图和模糊设计结构矩阵，实 现了对设计过程中设计活动之间信息依赖的定量表达，在此基础上对设计过程进 行DPM划分，为新产品设计过程的有效规划和管理提供支持。实际上，设计活 动之间的信息依赖强度是动态变化的，如何确保设计过程中DPM划分结果不产 生较大漂移，以更有效地支持设计过程规划和管理，是进一步研究的问题。