一种产品功能性与环境协调性融合的产品进化设计方法

摘要

本发明公开了一种产品功能性与环境协调性融合的产品进化设计方法。构建待改进产品绿色设计需求与产品设计模块之间的关联关系；根据待改进产品绿色设计需求将产品设计模块分归为产品功能性模式与环境协调性模式，并分配进化设计模式；每个进化设计模式在绿色性能集合中映射到与其各自对应的绿色性能指标；由绿色指标间权重计算得到综合绿色性指标，可重复采用进化融合方式对进化设计模式进行融合，以完成产品进化。本发明将产品设计过程中功能设计模块与环境约束协调融合，在产品设计初期具体考虑产品设计绿色性；并通过进化模式间的融合设计，提高各绿色性能指标以及综合绿色性指标。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种产品进化设计方法，尤其是涉及了一种产品功能性与环 境协调性融合的产品进化设计方法，以提高产品绿色性能为目标，属于面向产 品绿色设计的方法。

背景技术

工业产品设计阶段初期在产品全生命周期中具有重要作用，不仅决定了产 品的各方面性能，同时设计阶段初期造成的设计缺陷往往难以弥补。产品进化 设计在产品设计阶段初期，将设计语义由抽象到具体表达、设计知识由发散向 定向进化，更有效地满足客户个性化设计需求。产品绿色设计同样重点着眼于 产品设计阶段初期，综合考虑产品设计、制造、运输、使用、维修和拆卸回收 等全生命周期内的绿色因素，以减少对环境的污染、降低资源的利用。

随着环境问题不断得到重视，产品绿色设计得到了广泛的应用。但由于产 品绿色设计涉及多方面因素，产品设计初期存在大量不确定因素，影响产品绿 色性能的设计知识难以准确表达。同时，产品绿色性能与产品自身的功能属性 之间关联关系复杂。因此现有技术中缺少一种产品进化设计方法，能修正绿色 关联属性，以满足绿色性能要求。

因此，提出一种产品环境协调性与自身功能性融合的进化设计方法，

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种产品功能性与环境协 调性融合的产品进化设计方法，利用融合进化的方法不断修正各设计维度的绿 色关联属性，以满足绿色性能指标要求。

本发明采用的技术方案是：

1)建立待改进产品绿色设计需求与产品设计模块形成关联关系，根据待改 进产品绿色设计需求将产品设计模块分归为产品功能性模式与环境协调性模式 的两种模式，并进一步分配各自进化设计模式；

2)对于每一个进化设计模式，在绿色性能集合中映射到与其各自对应的绿 色性能指标，绿色性能集合为主要由待改进产品绿色设计需求及其绿色性能指 标所构成的集合；

3)由绿色指标间权重计算得到综合绿色性指标，若综合绿色性指标达到产 品绿色设计需求，则完成产品进化；若综合绿色性指标未达到产品绿色设计需 求，则采用进化融合方式对产品功能性模式与环境协调性模式下的进化设计模 式进行融合，将存在关联的进化模式进行融合设计，以提高绿色性综合指标为 目的，利用融合进化设计技术产生新的进化设计模式，直到综合绿色性指标达 到产品绿色设计需求，完成产品进化。

所述步骤1)中将待改进产品绿色设计需求与产品设计模块形成关联关系具 体如下：提取待改进产品绿色设计需求有关的产品自身性能，产品绿色设计需 求与产品自身性能会产生设计冲突，建立解决针对于各个产品绿色设计需求与 产品自身性能产生的设计冲突下的设计问题，并将设计问题关联到产品设计模 块，从而将待改进产品绿色设计需求与产品设计模块形成关联关系。

所述步骤1)中，以产品所受环境约束为分类基准，将与产品与外界环境相 关的绿色性能需求关联的产品设计模块归属于环境协调性模式，并分配为若干 个环境进化设计模式；

以产品的不同模块为分类基准，将与产品自身的绿色性能需求关联的产品 设计模块归属于产品功能性模式，并分配为若干个功能进化设计模式。

进化模式选择方式在进化模式间存在动态转移，两种模式即囊括了绝大多 数的绿色属性，同时模式间又存在关联。

所述步骤2)中，绿色性能集合囊括已有设计经验中所有的绿色性能指标， 不同的进化设计模式可映射对应绿色性能集合中相同的绿色性能指标，同一进 化设计模式可映射对应于多个绿色性能指标。

所述步骤3)中的进化融合方式包括设计模块融合方式、绿色指标融合方式、 功能环境融合方式以及面向同一绿色性能指标的复合融合方式，

设计模块融合方式针对产品功能性模式下任意两个进化设计模式之间的融 合，对相同或相关设计模块下的进化模式进行融合设计；

功能环境融合方式针对环境协调性模式下的进化设计模式与产品功能性模 式下的进化设计模式之间的融合；

绿色指标融合方式针对映射于相同绿色性能指标的进化设计模式，根据同 一绿色指标对不同进化模式进行融合设计；

面向同一绿色性能指标的复合融合方式针对伴随功能及模块融合的进化设 计模式，伴随功能及模块融合的进化设计模式以上述三种模块分别两两融合形 成，且该模式以相同绿色性能指标为进化目标。

所述的设计模块融合方式是将产品功能性模式下任意两个进化设计模式的 进化节点根据其关联关系进行合并，形成新的进化节点，但总进化节点数量不 变。

所述的功能环境融合方式是将产品功能性模式下进化设计模式与环境协调 性模式下进化设计模式的进化节点根据关联关系进行合并，形成新的进化节点， 但总进化节点数量不变。

所述的绿色指标融合方式是将映射于相同绿色性能指标的两个进化设计模 式中的进化节点相互穿插叠加，不形成新的进化节点，且最后的总进化节点数 量为原进化设计模式的进化节点数的总和。

所述步骤3)中，具体采用以下方式根据产品功能性与环境协调性融合模式 下的进化设计模式和绿色性能需求计算由绿色指标间权重得到综合绿色指标： 采用伍晓榕等发表的《面向绿色制造的加工工艺参数决策方法及应用》中涉及 到的DEMATEL-VIKOR理论方法。即根据已关联的进化模式与绿色指标，构建 各进化模式对应绿色指标模型；采用田口实验法设计各进化节点参数，并进行 进化节点到绿色指标的关联试验；收集试验数据，确定各进化模式节点参数， 建绿色指标评估矩阵，结合模糊改进DEMATEL绿色评估矩阵，计算各组试验 的群体效益、最大个体遗憾数和VIKOR综合指标，并按数值由大到小分别排序； 根据最优决策评估标准，最终得到综合绿色指标。

所述的设计模块融合方式对应的融合进化设计模式以简化设计模块内容提 高设计效率为目标间接提高绿色指标，绿色指标融合方式对应的融合进化设计 模式直接以提高相对应的绿色指标为目标，功能环境融合方式对应的融合进化 设计模式考虑环境协调性与产品的自身属性，以产品与环境协调为目标，更全 面的提高绿色指标。

如图2所示，本发明的产品功能性模式可包括材料、结构、运动、动力四 个模块的进化设计模式。为说明各模块的进化过程以及后续的融合设计，在此 举例说明。材料模块从产品材料的种类以及内部空洞情况两方面考虑进化设计。 结构模块从产品连接结构的可拆卸角度考虑进化设计。运动模块从产品部件运 动方向考虑进化设计。动力模块从产品动力源的输出频率以及动力源的功能方 式考虑进化设计。环境协调性模式包括材料排放约束、碳排放约束和人工操作 环境分配进化模式。各不同模式下的进化设计模式对应绿色进化指标集中的各 绿色指标。

如图3所示，本发明产品进化的融合方式包括：设计模块融合方式、功能 环境融合方式和绿色指标融合方式。对于同时要进行自身功能性进化节点自融 合与自身功能性进化节点与环境协调性进化节点相互融合的设计需求，提出了 面向同绿色指标的复合融合方式。

如图4所示，根据已关联的进化模式与绿色指标，构建各进化模式对应绿 色指标模型，采用田中实验法设计各进化节点参数，并进行进化节点到绿色指 标的关联试验，收集试验数据，确定各进化模式节点参数，构建绿色指标评估 矩阵，结合模糊改进DEMATEL绿色评估矩阵，计算各组试验的群体效益S_i， 最大个体遗憾数R_i和VIKOR综合指标Q_i，并按数值由大到小排序，根据最优进 化模式决策标准，得到绿色进化方案解集。

本发明的有益效果是：

1、本发明考虑产品自身材料、功能、运动及动力属性又结合环境约束，使 得绿色设计考虑的绿色因素更加全面到位。

2、本发明的进化设计模式到绿色性能指标间的映射，覆盖由一到多，由多 归一的映射类型，将不同类型不同目标的进化模式有机的结合在一起，利于相 互间的融合，解决了产品绿色性设计问题的进化表达问题。

3、本发明提出的三种融化进化方式以提高绿色性指标为目标，解决了单一 进化模式设计过程中绿色性能低的问题，同时也考虑了绿色性能之间的相互关 系，在产品设计初期就能具体化考虑影响产品绿色设计的各方面因素，体现了 进化设计的优越性。

附图说明

图1是本发明方法的总流程图。

图2是本发明实施例的进化设计模式与绿色指标关联映射图。

图3是本发明实施例的产品进化设计模式融合方式示意图。

图4是本发明实施例的最优绿色进化模式决策流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的实施例及其具体实施过程如下：

步骤1：根据产品绿色设计的要求，构建待改进产品绿色设计需求与产品设 计模块之间的关联关系。例如，如图2所示，待改进产品绿色设计需求为资源 能源利用率、可回收性、可拆卸性、经济性、噪声排放、有毒有害物质排放， 产品设计模块为产品功能性模块下的材料模块、结构模块、运动模块、动力模 块，环境协调性模式下的材料排放约束模块、碳排放约束模块以及人工操作环 境模块。

步骤2：以产品功能性与环境协调性两种进化模式分配进化设计模式。环境 协调性模式下以产品所受环境约束为基准分类进化设计模式，产品功能性模式 下以设计产品的不同模块为分类基准分进化设计模式。

步骤3：对每一进化模式在绿色进化指标集中找到对应映射指标，不同的进 化设计模式可对应相同的绿色进化指标，同一进化设计模式也可有多条绿色进 化指标。

步骤4：根据产品功能性与环境协调性融合模式下的进化模式关联统计以及 客户的绿色性指标要求确定绿色指标权重，计算综合绿色性指标，若满足绿色 性综合指标要求则跳转到步骤6，否则跳转到步骤5。

步骤5：基于融合进化方式，重新融合进化设计模式。融化进化方式分为设 计模块融合方式、绿色指标融合方式以及功能环境融合方式。如图3所示：以 此三种融合进化方式为基础，形成三种复合的融合进化方式分别为：面向同绿 色指标的设计模块融合方式、面向同绿色指标的功能环境融合方式以及面向同 绿色指标的复合融合方式。

步骤5.1：设计模块融合方式针对自身功能性模式下的进化模式，对相同或 相关设计模块下的进化模式进行融合设计。该方式以简化设计模块内容提高设 计效率为目标间接提高绿色指标。

步骤5.2：绿色指标融合方式针对映射于相同绿色进化指标的进化模式，根 据同一绿色指标对不同进化模式进行融合设计。该方式以直接提高相对应的绿 色指标为目标。

步骤5.3：功能环境融合方式针对环境协调性模式下受环境约束影响的进化 模式与自身功能型模式下的各设计模块中的进化模式，将存在关联的进化模式 进行融合设计。该方式以产品与环境协调为目标，更全面的提高绿色指标。

步骤5.4：面向同绿色指标的设计模块融合方式针对具有相同绿色指标的不 同进化模式进行融合设计，且仅针对设计模块间的进化模式进行融合，在此过 程中能产生新的进化节点。

步骤5.5：面向同绿色指标的功能环境融合方式针对具有相同绿色指标的不 同进化模式进行融合设计，该方式以产品设计模块与功能环境进化模式间的融 合为目标，不产生新的进化节点。

步骤5.6：面向同绿色指标的复合融合方式针对具有相同绿色指标的不同进 化模式进行融合设计，该方式不仅以产品设计模块与功能环境进化模式间的融 合为目标，同时在融合过程能产生新的进化节点。

步骤6：输出最优进化设计方案。如图4所示：根据已关联的进化模式与绿 色指标，构建各进化模式对应绿色指标模型，采用田中实验法设计各进化节点 参数，并进行进化节点到绿色指标的关联试验，收集试验数据，确定各进化模 式节点参数，构建绿色指标评估矩阵，结合模糊改进DEMATEL绿色评估矩阵， 计算各组试验的群体效益S_i，最大个体遗憾数R_i和VIKOR综合指标Q_i，并各数 据下分别按数值由大到小排序，再根据最优进化模式标准，得到绿色进化方案 解集。

在产品设计初期具体化考虑影响产品绿色设计的各方面因素，体现了进化 设计的优越性。最终得到的绿色进化方案解集，为产品绿色化设计提供了参考。