以客户需求为导向的产品模块规划方法

摘要

本发明提出一种以客户需求为导向的产品模块规划方法，根据客户需求和模块间的对应关系，建立设计依赖矩阵（DDM，Design Dependency Matrix）；将模块关联关系分为强关联和弱关联；基于DDM聚类结果，结合模块间关联关系，建立产品模块设计结构矩阵（DSM，Design structure matrix）；在保证客户需求聚类前提下的对DSM进行聚类，实现考虑客户需求的产品模块规划。模块规划过程简单，不受主观影响，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及产品任务划分领域，具体为一种以客户需求为导向的产品模块规划方 法。

背景技术

模块化设计方法作为增强企业快速反应能力，提高产品复杂度的有效手段，在制 造业中得到了广泛应用。模块化设计以模块为基础，通过对模块进行组合和修改形成 新的产品。由于产品的复杂程度越来越高，组成产品的模块种类也越来越多。过多的 产品模块不仅不利于管理，而且容易导致任务分配不明确，降低设计效率。在市场经 济条件下，客户的需求决定产品的发展方向。为了保持模块化设计方法快速反应客户 需求的能力，降低模块管理成本，需要对模块进行规划，根据模块划分结果，指导任 务的分解，提高设计效率，降低管理成本。因此，对产品模块进行规划，是产品任务 划分的难点。

一种产品模块规划方法是根据模块的功能关联关系和模块间的几何相关性，对产 品模块进行划分。根据产品的子功能及其相互间的关系，兼顾产品的零部件及其相互 之间的依赖关系进行产品模块规划。模块的功能和几何关系都属于产品设计约束。基 于模块的功能和几何关系对模块进行划分，能有效的组织功能模块，避免或减少模块 间的几何关联，实现产品任务的分解。这种方法的局限性是：仅考虑产品设计约束， 忽略了客户需求等外部因素。模块规划结果更适用于企业的成熟产品，当客户需求发 生变化时，新的需求可能关系到多个任务部门，将增加部门间的协调成本，开发新产 品周期延长。

一种产品模块规划方法是综合考虑企业资源，为影响模块规划的各个因素添加权 值，使用智能算法或模糊聚类等优化算法对产品模块进行划分。首先确定产品模块划 分相关的各个影响因素，如客户、供应商、模块功能、接口关联等。根据各个因素对 模块划分的影响程度高低为每个影响因素确定权值，将所有因素综合考虑，建立模块 划分目标方程（矩阵）。使用智能算法或模糊聚类等优化算法进行求解，得到模块规 划结果。这种方法的局限性是：权值的确定主要基于生产经验，模块规划结果容易受 到主观影响。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的目的是针对现有技术进行产品模块规划不注重客户需求，且容易受到主 观影响的不足，提出一种以客户需求为导向的产品模块规划方法。

技术方案

本发明根据客户需求和模块间的对应关系，建立设计依赖矩阵（DDM，Design  Dependency Matrix）；将模块关联关系分为强关联和弱关联；基于DDM聚类结果， 结合模块间关联关系，建立产品模块设计结构矩阵（DSM，Design structure matrix）； 在保证客户需求聚类前提下的对DSM进行聚类，实现考虑客户需求的产品模块规划。 模块规划过程简单，不受主观影响，从而有效解决了现有技术中存在的缺陷。

本发明的技术方案为：

所述一种以客户需求为导向的产品模块规划方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：根据客户需求与模块的关联关系建立客户需求—模块DDM矩阵：其中 DDM矩阵为一个m行n列的长方阵，DDM矩阵第i行代表第i个客户需求r_i，DDM 矩阵第j列表示第j个模块c_j，若r_i与c_j存在关联关系，则矩阵元素m_ij=1，否则m_ij=0， 最终建立DDM矩阵M=[m_ij],(i=1,2…,m;j=1,2…,n)；

步骤2：去除矩阵M中的零值列，生成行列相关的矩阵M_R；将矩阵M_R对角化， 生成矩阵M_diag；

步骤3：对M_diag聚类，形成聚类结果M_C：

步骤3.1：选择矩阵M_diag进入步骤3.2：

步骤3.2：选择进入该步骤的矩阵中的下三角矩阵中高度最高的矩形空白区域进 入步骤3.3；

步骤3.3：以进入该步骤的矩形空白区域右上角顶点为交叉点画水平线h和垂直 线v，将矩阵M_diag划分为四个象限；

步骤3.4：如果v的右侧区域有被h截断的列，则选择下三角矩阵中高度次之的 矩形空白区域，进入步骤3.3；如果v的右侧区域不存在被h截断的列，则将象限2 和象限4中的区域划分为两个子类矩阵；

步骤3.5：针对象限4的子类矩阵，循环执行步骤3.2～步骤3.4，直到h和矩阵 M_diag下边界重合；形成聚类结果M_C；

步骤4：根据聚类结果M_C，建立产品模块DSM—M_P；其中M_P中的模块按照聚 类矩阵M_C的列顺序排序，将无关联模块依次添加到DSM的最后行与最后列；

步骤5：根据聚类结果，将M_P划分成若干个子块，将M_P的每一个子块用B表示， 沿对角线自上而下依次为B₁～B_K；

步骤6：根据模块间的几何关联关系对模块关系进行分类：两模块位置相关且尺 寸相关为强关联，两模块仅位置相关为弱关联，两模块不存在关联关系为无关联；根 据模块间的几何关联结果对n×n的方阵M_P赋值，若模块i与模块j之间存在强关联， 则矩阵元素m_Pij=2，若模块i与模块j之间存在弱关联，则矩阵元素m_Pij=1，若模块i 与模块j之间无联，则矩阵元素m_Pij=0，i≠j；

步骤7：对M_P聚类，形成聚类结果M_P-C：

步骤7.1：遍历无关联模块列，查找强关联元素m_ij；

步骤7.2：若第i行则模块j与子块B_K中的模块存在强关联，将模 块j并入B_K；

步骤7.3：循环执行步骤7.1～步骤7.2，直至存在强关联元素的无关模块都并入 相应的子块中；

步骤7.4：对B_K进行对角化，使B_K中的所有非零元素聚集在对角线附近；

步骤7.5：如果子块B_r与子块B_t中存在强关联模块，则调整B_t的位置到B_r+1， r<t；

步骤7.6：将B_K和其它模块按照弱关联元素的高度进行排序，其中B_K的高度以 最高的弱关联元素为准；

步骤7.7：将高度相同的弱关联模块划分为一个子块，称为弱关联子块，从而得 到聚类矩阵M_P-C；

步骤8：根据模块数量和子块间的强关联关系将各个子块进行组合，形成包含S 个模块子集的模块规划方案，使各个模块子集中的模块数量差不超过5个，且模块子 集中的模块与其它模块子集中的模块不存在强关联。

有益效果

本发明的有益效果是，通过对客户需求与模块的对应关系以及模块间的强弱关联 关系进行分析，采用将工程问题转化为矩阵问题求解的思想。使用DDM分析方法将 与客户需求相关的模块进行聚类，以此为基础，结合模块间的强弱关联关系，使用DSM 将与客户需求无关的模块融入模块聚类结果，形成以客户需求为导向的模块规划方案。 通过此方法进行产品模块规划，将产品模块按照客户需求分为若干类，分配到各个任 务部门。当新的客户需求出现时，能够根据客户需求快速定位相关模块，改变传统设 计过程“客户需求——功能需求——产品模块”的工作模式。而且此方法不需要人工 确定权值，可以避免模块规划过程中的主观影响。

附图说明

图1是罐式半挂车客户需求—模块DDM。

图2是去除零值列后的矩阵M_R。

图3是对矩阵M_R对角化后的结果M_diag。

图4是对矩阵M_diag聚类后的结果M_C。

图5是根据M_C和产品模块强弱关联关系建立的DSM—M_P。

图6是将M_P的子块进行聚类的结果。

图7是根据DSM聚类结果组合生成的产品模块规划方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步说明：

实施例：某型罐式半挂车，包括35个功能模块。对于此型罐式半挂车，客户的需 求项共有14个。

由于模块间几何关联紧密，无法通过几何相关性进行模块的划分。传统的划分方 法是根据主功能模块及其相关附件将模块划分为三类：罐体及附件、车架及附件、管 路及附件。使用此种规划方案，当客户需求既与罐体相关也与车架相关时，就需要两 部门协调，共同进行调整，工作效率低。

本发明解决其技术问题的技术方案是：所述的一种以客户需求为导向的产品模块 规划方法，首先根据客户需求和模块的对应关系建立DDM矩阵，通过对DDM进行 去除零值列、对角化、聚类等运算，将产品模块按照与客户需求的对应关系进行聚类。 然后根据DDM聚类结果和模块间的几何关联关系建立DSM矩阵，通过对DSM进一 步聚类，将产品模块划分为若干子类。最后以DSM聚类结果为基础组合形成产品模 块规划方案。其包括如下步骤：

步骤1：根据客户需求与模块的关联关系建立客户需求—模块DDM矩阵：DDM 为一个14行35列的长方阵，矩阵M，如图1所示，DDM矩阵第i行代表第i个客户 需求r_i，DDM矩阵第j列表示第j个模块c_j，若r_i与c_j存在关联关系，则矩阵元素m_ij=1， 否则m_ij=0。

步骤2：去除矩阵M中的零值列，生成行列相关的矩阵M_R，如图2所示；将矩 阵M_R对角化，生成矩阵M_diag，如图3所示；对角化方法采用Simon Li在文章A matrix-based clustering approach for the decomposition of design problems，Research in  Engineering Design，2011.22(4)：263-278中提出的方法。

步骤3：对M_diag聚类，形成聚类结果MC：

步骤3.1：选择矩阵M_diag进入步骤3.2：

步骤3.2：选择进入该步骤的矩阵中的下三角矩阵中高度最高的矩形空白区域进 入步骤3.3；

步骤3.3：以进入该步骤的矩形空白区域右上角顶点为交叉点画水平线h和垂直 线v，将矩阵M_diag划分为四个象限；其中交叉点右上方为第一象限，依次逆时针顺序 为第二、三、四象限；

步骤3.4：如果v的右侧区域有被h截断的列，则选择下三角矩阵中高度次之的 矩形空白区域，进入步骤3.3；如果v的右侧区域不存在被h截断的列，则将象限2 和象限4中的区域划分为两个子类矩阵；

步骤3.5：针对象限4的子类矩阵，循环执行步骤3.2～步骤3.4，直到h和矩阵 M_diag下边界重合；形成聚类结果M_C，如图4所示；

步骤4：根据聚类结果M_C，建立产品模块DSM—M_P；其中M_P中的模块按照聚 类矩阵M_C的列顺序排序，将无关联模块依次添加到DSM的最后行与最后列；

步骤5：根据聚类结果，将M_P划分成若干个子块，由于无关联模块没有参与DDM 聚类，每一个无关联模块为一个单独的子块。将M_P的每一个子块用B表示，沿对角 线自上而下依次为B₁～B_K；

步骤6：根据模块间的几何关联关系对模块关系进行分类：两模块位置相关且尺 寸相关为强关联，两模块仅位置相关为弱关联，两模块不存在关联关系为无关联；根 据模块间的几何关联结果对n×n的方阵M_P赋值，若模块i与模块j之间存在强关联， 则矩阵元素m_Pij=2，若模块i与模块j之间存在弱关联，则矩阵元素m_Pij=1，若模块i 与模块j之间无联，则矩阵元素m_Pij=0，i≠j；

M_P是一个35×35的方阵，根据模块间的几何关联，为M_P赋值。若模块i与模块 j之间存在强关联，则矩阵元素m_Pij=2（i≠j），使用符号●表示。若模块i与模块j之 间存在弱关联，则矩阵元素m_Pij=1（i≠j），使用符号○表示。若模块i与模块j之间 无联，则矩阵元素m_Pij=0（i≠j），在图中为空白，如图5所示（第一行阴影所示区域 表示相应子块对应的客户需求，图6,7中阴影区域示意相同）。

步骤7：对M_P聚类，形成聚类结果M_P-C：

步骤7.1：遍历无关联模块列，查找强关联元素m_ij；

步骤7.2：若第i行则模块j（如模块7）与子块B_K中的模块存在强 关联，将模块j（c_j，r_j）并入BK；

步骤7.3：循环执行步骤7.1～步骤7.2，直至存在强关联元素的无关模块都并入 相应的子块中；

步骤7.4：对B_K进行对角化，使B_K中的所有非零元素聚集在对角线附近；

步骤7.5：如果子块B_r与子块B_t中存在强关联模块，则调整B_t的位置到B_r+1， r<t；

步骤7.6：将B_K和其它模块按照弱关联元素的高度进行排序，其中B_K的高度以 最高的弱关联元素为准；

步骤7.7：将高度相同的弱关联模块划分为一个子块，称为弱关联子块，从而得 到聚类矩阵M_P-C；本实施例将高度相同的弱关联模块划分弱关联子块5,8,9,10。生成 聚类矩阵M_P-C，如图6所示。

步骤8：根据模块数量和子块间的强关联关系将各个子块进行组合，形成包含S 个模块子集的模块规划方案，使各个模块子集中的模块数量差不超过5个，且模块子 集中的模块与其它模块子集中的模块不存在强关联。

本实施例根据模块数量和子块间的强关联关系将各个子块进行组合，形成包含3 个模块子集的模块规划方案{B₁,B₂,}，{B₃,B₄,B₅}，{B₆,B₇,B₈,B₉,B₁₀}，子集1～3的 模块数量分别为12、9、14，且模块子集中的模块与其它模块子集中的模块不存在强 关联，如图7所示。