一种基于公理设计理论的产品绿色配置方法

摘要

本发明设计了一种基于公理设计理论的产品绿色配置方法，属于机械设计自动化领域。本发明方法是基于公理设计理论，根据其中的独立公理，筛选满足功能需求的各个功能模块；然后根据各个模块的绿色性能及其功能权重，筛选满足绿色性能需求的产品配置方案；最后基于公理设计理论的信息公理，计算符合条件的产品配置方案的信息量，挑选最佳产品配置方案。利用该方法进行产品绿色配置，可以快速、有效的配置出既满足功能需求又满足绿色性能需求的产品。

说明书

技术领域

本发明属于机械设计自动化领域，尤其涉及一种基于公理设计理论的产品绿色配置方法。

背景技术

随着社会的进步以及人们生活水平的提高，在设计制造新产品时，环境友好型产品越来越受到人们的青睐。大规模定制生产模式已经成为了现今产品生产制造的主要方式，而产品配置技术正是大规模定制生产模式的关键技术之一。所以，如何将绿色设计思想与产品配置技术相结合，在综合考虑产品功能、结构的基础上，以提高产品的绿色性能为目标，得到满足客户需求的绿色产品设计方案，已成为亟待解决的问题。国内外学者对产品配置技术进行了深入研究，也取得了很多成果，但是大部分研究都停留在针对产品常规性能设计要求的配置建模与求解方法的研究上，并没有从绿色设计的角度考虑产品配置问题，导致常规产品配置方法不能满足绿色设计的需求。

发明内容

本发明针对现有技术方法的不足，提供了一种基于公理设计理论的绿色产品配置方法，该方法从绿色设计的角度考虑产品的配置问题，使得常规产品的配置方法能很好的满足绿色设计的要求。该方法包含如下步骤：(1)建立产品实例库：将产品进行模块划分，并将各模块通过产品功能和绿色性能两方面来表示；

(2)提取并确定用户需求，再通过质量功能展开，建立客户需求到功能需求的映射；

(3)在功能域和物理域之间进行映射，功能域与物理域之间的映射关系表示为：

其中，FR_n表示功能需求，DP_m表示满足功能需求的产品结构，

为设计矩阵，$>A_{ij}=\partial {\mathrm{FR}}_i/\partial {\mathrm{DP}}_j,(i=1,2,\mathrm{...},n;j=1,2,\mathrm{...}m),$>若设计矩阵不是对角矩阵或者三角矩阵时，则对其进行解耦处理；

(4)通过层次分析法计算权重，得到产品配置方案的绿色性能；

(5)基于公理设计理论的信息公理，计算符合条件的产品配置方案的信息量，通过各配置方案的信息量大小选出最佳产品配置方案。

进一步的，所述步骤(1)中将产品进行模块划分，并将各模块通过产品功能和绿色性能两方面来表示具体包括如下步骤：

(1a)收集市场上已有产品信息，将已有产品模块化，将产品分为若干个模块，将功能相同的模块归为一类；

(1b)将各模块通过下式来表示，

M_kn＝{F₁,F₂,…,F_i；G₁,G₂,…,G_j}(1-1)；

其中，M_kn表第示n个产品的第k类模块，F_i表示M_kn的第i项功能，G_j表示M_kn的第j项绿色性能准则；

(1c)根据绿色性能准则，通过模糊集理论判别各个模块的绿色性能，将各个模块的绿色性能按照式(1-2)分级，建立产品实例库，

其中，GL表示模块绿色性能。

更进一步的，所述步骤(4)通过层次分析法计算权重，得到产品配置方案的绿色性能具体包括以下步骤：4a)根据层次分析法，计算各个功能模块的权重；4b)通过权重和步模块绿色性能得到新产品配置方案的最终绿色性能：G＝ω_i×GL_i，其中，ω_i为第i个功能模块权重，GL_i为第i个功能模块绿色性能。

本发明的有益效果是：该方法从绿色设计的角度考虑产品的配置问题，使得常规产品的配置方法能很好的满足绿色设计的要求。

附图说明

图1为本发明一种基于公理设计理论的产品绿色配置方方法流程图；

图2产品模块化示意图；

图3公理设计过程模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明如下：

如图1-3，一种基于公理设计理论的绿色产品配置方法，该方法基于公理设计理论，根据独立公理，在功能域和物理域之间进行从上而下的Z字形映射，将客户需求与产品物理结构一一对应，筛选满足功能需求的各个功能模块，(这里筛选满足功能需求的模块主要用过专家判断模块是否满足功能需求)；然后根据各个模块的绿色性能及其功能权重，筛选满足绿色性能需求的产品配置方案；最后基于公理设计理论的信息公理，计算符合条件的产品配置方案的信息量，挑选最佳产品配置方案。

公理设计理论将设计问题分为4个域：用户域，功能域，物理域以及过程域。用户域：用户域描述了客户需求。功能域：功能域为由客户需求转化而来的相互独立的一系列功能需求的最小集和约束。物理域：在物理域中寻找实现功能需求的结构。过程域：在过程域中确定实现设计参数的工艺参数。

所述公里包括独立公理和信息公理，

公理1独立公理：保持功能需求之间的独立性。即对于多个功能需求，设计方案必须满足每个功能需求F_i可由相应的设计参数P_i实现且不影响其他功能需求F_j(j≠i)。保持功能需求的相互独立，可以使满足设计目标特性的功能要求最少，设计的产品结构最简单。

公理2信息公理：使设计中的信息量最小。信息量定义为l_i＝-log₂P_i，式中P_i为设计参数DP_i满足给定功能要求FR_i的概率。由于信息量是由概率确定的，所以在满足公理1的设计中，信息量最小的设计即是最佳设计。

该方法包括如下步骤：

(1)建立产品实例库

为了保证产品的绿色性能，本发明在建立产品实例库时，将产品的各个模块通过产品功能和绿色性能两方面来表示。其具体过程如下：

1)收集市场上已有产品信息，将已有产品模块化，将产品分为k个模块，将功能相同或者相近的模块归为一类；

2)将各个模块通过下面的式子来表达；

M_kn＝{F₁,F₂,…,F_i；G₁,G₂,…,G_j}(1-1)

其中M_kn表第示n个产品的第k类模块，F_i表示M_kn的第i项功能，G_j表示M_kn的第j项绿色性能准则；

3)根据绿色性能准则(这里的绿色准则包括材料选择，可拆卸性，回收性，节能性以及绿色法规五项)，通过模糊集理论判别各个模块的绿色性能，将各个模块的绿色性能分级，如式1-2所示，建立产品实例库，GL表示模块绿色性能；

(2)客户需求提取

客户需求的提取可以通过询问调查、观察实验、资料信息和研究竞争产品等方法来获取客户需求，再经过市场和企业信息，确定客户需求。确认客户需求后，再通过质量功能展开(质量功能的展开是把客户对产品的需求进行多层次的演绎分析，转化为产品设计要求、零部件特性、工艺要求额定的质量工程工具)，建立客户需求到功能需求的映射。

(3)在功能域和物理域之间进行映射

功能域与物理域两者之间的关系可表示为：

式中，为设计矩阵，$>A_{ij}=\partial {\mathrm{FR}}_i/\partial {\mathrm{DP}}_j,(i=1,2,\mathrm{...},n;j=1,2,\mathrm{...}m).$>

根据设计矩阵的形式，可将设计分为三种：当A为对角矩阵或三角阵时，此时的设计分别为无耦合和准耦合设计，都是满足独立公理的；当A为其他形式的矩阵时，都为耦合设计，是不满足独立公理的，则需要对其进行解耦处理。

(4)通过层次分析法计算权重，得到产品配置方案的绿色性能若在进行功能域与物理域之间映射时，直接加入产品所满足的绿色需求，很可能导致配置结果出现无可行解。因为绿色需求作为产品的设计目标时间尚短，目前的产品实例库中很少有能完全满足全部绿色需求的产品。满足产品绿色需求的过程多在产品改进设计阶段结合产品评价来完成，若将其作为必须满足的设计约束参与产品配置设计，则往往会出现无法满足绿色需求的情况，从而导致配置结果出现无可行解。针对这个问题，本发明提出基于公理设计理论，首先进行从功能域到物理域的映射及解耦，从而得到满足功能需求的产品配置方案，然后基于层次分析法判断各个功能模块的权重，根据步骤(1)得到的各个模块绿色性能，得到各个产品配置方案的最终绿色性能，最后筛选满足绿色性能要求的产品配置方案。

本步骤具体表述为：1)由步骤(2)获取到客户需求，将其转化为功能需求，并与相应的功能模块相对应，然后根据层次分析法，计算各个功能模块的权重；2)由步骤(3)可得到若干个满足客户功能需求的产品配置方案，配置方案由各个功能模块组成，由此可以通过1)中的权重和步骤(1)中的模块绿色性能得到新产品配置方案的最终绿色性能，如式1-3所示：

G＝ω_i×GL_i(1-3)

(5)计算信息量，得到最佳配置方案

最后基于公理设计理论的信息公理，信息量定义为l_i＝-log₂P_i，式中P_i为设计参数DP_i满足给定功能要求FR_i的概率。由于信息量是由概率确定的，所以在满足公理1的设计中，信息量最小的设计是最佳设计。计算符合条件的产品配置方案的信息量，挑选最佳产品配置方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。