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設計活動模型

為對設計活動流程進行有效規劃，首先要建立一個合理的設計活動模型。在大批量生產模式下，建立一個便于計算機編程實現產品開發過程智能化的集成模型將大幅度的縮減產品響應市場的時間和提高產品開發過程管理效率。由于坐標表示具有靈活多變、易于計算機化等特點，本文引入坐標表示法作為建模工具，建立了設計活動坐標表示模型。

1設計活動元模型

元模型是從最抽象的底層建立起來的基礎模型，是過程建模的基本單元。通過對元模型的有序組合，便可建立設計過程模型。建立設計活動元模型保證了設計過程在元模型層上保持一致，為過程集成奠定基礎。通過分析設計活動，提取出設計活動構成要素:設計目標、設計對象、設計方法和設計進程。任何一個設計活動都具有這四個基本構成要素，而只要具備這四個構成要素即構成了一個設計活動。于是，可建立關于這四個構成要素的設計活動元模型，如圖1。

2設計活動的坐標表示

在設計活動四構成要素中，設計目標是整個設計活動的驅動力，是主動改變量，而設計對象、設計方法和設計進程則受設計目標的驅動，是被動要素，是會隨著不同的設計目標有所改變的，屬動態變量。為使思路更清晰易懂和表述方便，引入設計行為來表達設計活動的動態變化集合。于是，設計活動可以表述成由設計目標和設計行為構成，設計行為由設計對象、設計方法和設計進程構成。(1)設計活動的坐標表示模型以設計目標為橫軸，設計行為為縱軸建立設計活動坐標系，如圖2a;以設計對象為橫軸，設計進程為縱軸，設計方法為豎軸建立設計行為坐標系，如圖2b。其中DG、DB、DO、DM、DP分別表示設計目標、設計行為、設計對象、設計方法和設計進程。需指出的是，在實際過程中，由于設計目標是驅動力，影響著其他三個構成要素，所以往往將它附著在設計對象上，用以控制設計對象的最終形態，而在設計活動坐標系中不體現出來。(2)設計進程編碼規則設計活動間關系復雜多樣，不利于低成本管理，為減少不必要浪費，實現設計活動統一管理，本文對設計活動坐標表示規則進行統一編碼。由于設計活動的推進最終體現在設計進程上，于是引入二維坐標形式(i，j)來表達設計進程，并對其進行編碼，對編碼規則做如下規定:①規定初始設計進程為(1，1);②規定若某設計活動與進程為(i，j)的設計活動是串聯關系，則在i上加1;若為并聯關系，則在j上加1。這樣，即可實現對設計進程進行統一編碼，從而實現對設計活動的統一的坐標表示。

3設計活動的關聯模型

在開發過程中，設計活動間普遍存在著信息關聯，一個設計活動的執行需先輸入另一設計活動的相關信息，則在執行設計活動時需按串行方式進行;有些則相互獨立，可并行實施。根據設計活動間這種信息關系，對設計活動進行分類并建立設計活動的關聯模型，將設計活動分為串聯型、并聯型和混合型。(1)串聯型當一個設計活動的發生是以另一個設計活動的完成為前提，在連續設計活動中沒有分支，只存在單向信息依賴關系的設計活動模型為串聯型。如圖3a所示。(2)并聯型任意兩設計活動分支相互獨立，不存在直接信息交互，無信息依賴關系。一個設計活動的變動不會影響另一個設計活動的設計進程。這種活動模型即為并聯型。如圖3b所示。(3)混合型設計活動間既有相互獨立部分又存在信息的單向依賴的設計活動模型為混合型。如圖3c所示。根據上述設計進程編碼規則，對圖3中三種活動模型下，設計活動的設計進程編碼如圖所示。又根據坐標表示方法對圖3中設計活動進行坐標表示，(a)為串聯模型，其設計活動的坐標表示依次為:(O1，My，(1，1))、(O2，My，(2，1))和(O3，My，(3，1))。(b)為并聯模型，其設計活動的坐標表示依次為:(O1，My，(1，1))、(O2，My，(1，2))和(O3，My，(1，3))。其中O表示設計對象，不同設計活動一般不同;M表示設計方法，不同設計活動可以相同也可不同，根據實際情況而定?，F有的常用設計方法有:傳統設計方法、并行設計方法、人機交互、案例推理、專家系統、CAD、一般實驗法等。

設計活動流程規劃

設計活動流程規劃是指根據設計活動的特點、設計活動間的信息依賴關系對設計活動的執行進行理性地組織、排序，消除掉各活動間的不必要的交叉和重復，以形成一個完整順暢而簡潔的設計活動行順序系統。其目的在于盡量減少開發過程中設計活動的交叉和反復，減少不必要的時間浪費和資金浪費，從而縮短研發周期、降低研發成本。1.2中指出設計活動間存在信息關聯，設計活動在執行時存在先后順序問題，但并未給出相關確定設計活動執行順序的方法。通過分析產品設計過程，我們發現設計活動之間的信息依賴關系往往決定了設計活動的執行順序，為此，本文提出了基于信息依賴度的設計活動流程規劃算法。

1信息依賴度

在實際的產品開發過程中，各設計活動間存在一定的信息交流，一個設計活動的信息輸出依賴于另一個設計活動的信息輸入，設計活動間的這種關系稱為信息依賴關系。

2設計活動間信息依賴度的度量模型

設計活動間的信息依賴關系有大有小，其對設計過程的影響也各不相同，在此我們用信息依賴度加以度量。按照一般語義的描述方法，設計活動間信息依賴度可用“強”、“弱”來描述，這種“強”、“弱”概念本身是一種抽象模糊概念，無法用確切的數字來定量描述，給問題的研究帶來很大的不便。為此，本文提出基于模糊數學方法的信息依賴度量化表示方法，并提出以下兩個規則加以量化:規則1:將任意兩設計活動Ti和Tj對上層信息的依賴度進行比較，采用模糊數1、3、5、7、9對比較結果進行模糊評判，1表示Ti和Tj對上層數據的依賴度一樣，3、5、7、9分別表示Ti比Tj對上層數據的依賴度稍強、強、明顯強和極強。2、4、6、8則表示上述相鄰判斷的中間值。規定2:在流程規劃過程中，規定設計活動對上層數據引用越早則對上層數據依賴越強;對上層數據引用越多則對上層數據依賴也越強。根據以上信息依賴度量化規則，對于共涉及n個設計活動的某產品開發，根據設計活動對上層數據依賴度的強弱，便可建立如表4所示的設計活動信息依賴度度量模型。圖中aij為設計活動Ti與Tj對上層數據信息依賴情況的比較結果。

3設計活動信息依賴度的量化算法

AHP(層次分析法)總能按某種原則將與決策有關因素分解形成目標、原則和方案等層次，通過對因素的兩兩比較和一致性檢驗，從而確定各決策因素的重要性權值得出結論。該方法思路清晰，易于將過程模型化，不需要很多的定量數據即可進行定量分析;將因素進行兩兩比較在一定程度上降低了分析過程的主觀因素，使結果更客觀。為此，本文利用AHP算法來探討設計活動信息依賴度的量化算法，從而實現基于信息依賴度的設計活動流程規劃。實施AHP算法，過程如下:(1)根據各設計活動對上層(初始)數據是否存在直接依賴對設計活動進行分層。對上層數據存在直接依賴安排在離“上層”最近的下一層，建立設計活動的遞階結構，如圖4。(2)建立各階層如表2所示的判斷矩陣。(3)計算設計活動相對權重wi。求相對權重的計算方法很多，有求和法、方根法、特征根方法等。常用的有求和法和特征方根法，本文采用求和法來計算相對重要度。首先將每一列元素歸一化處理，然后將歸一化處理的結果相加得到的結果除以n，便得到相對重要度。

4基于信息依賴度的設計活動流程規劃

根據上述排序結果，確定設計活動流程規劃案。總依賴度大的，表明對上層信息依賴度強，要優先考慮排在前面;結果小的，表明對上層數據依賴弱，排在后面。如此得到設計活動執行流程規劃方案。

實例

下面以單級減速器為例說明基于信息依賴度的設計流程規劃算法以及設計活動的坐標表示方法在設計活動流程規劃中的應用。減速器在設計過程中，原始數據很少，對全機設計的相關參數全靠參數傳遞來獲取。前面某些數據的變動會影響后面數據的準確性。因此，建立參數傳遞依賴關系決定著最終的設計質量，對高質量的產品設計有極大的意義。根據其設計計算過程，可得到減速器零部件設計參數依賴關系，如表4。首先，基于減速器裝配關系建立減速器零部件裝配關聯圖，如圖6。根據設計活動關聯模型的相關理論可知，軸承1與軸1、端蓋1之間是串聯關系;鍵1與端蓋1間為并聯關系;小齒輪和軸1間為并聯關系;大齒輪與小齒輪、箱體間為串聯關系，與軸2為并聯關系;軸承2與軸2為串聯關系，與端蓋2為并聯關系;鍵2與端蓋2間為并聯關系。又根據串并聯模型下設計進程編碼規則，對圖6中設計活動的設計進程編碼，結果如圖6所示。假設在設計過程用到了案例推理、CAD、人機交互等方法，則對設計活動進行編碼，結果如下:(軸1，CAD，(1，1))、(軸承1，人機交互，(2，1))、(鍵1，人機交互，(3，2))、(小齒輪，CAD，(1，2))、(軸2，CAD，(2，3))、(軸承2，人機交互，(3，3))、(鍵2，人機交互，(4，4))、(大齒輪，CAD，(2，2))、(箱體，案例推理，(2，4))、(端蓋1，CAD，(3，1))、(端蓋2，CAD，(4，3))。(3)設計活動流程規劃方案根據上述排序結果，則可確定出減速器設計活動流程規劃方案為:軸1、小齒輪、軸2、大齒輪、軸承1、軸承2、鍵1、鍵2、箱體、端蓋1、端蓋2。用坐標系表示如圖7，其中(a)為圖5中第三層設計活動的執行次序即軸1、小齒輪、軸2、大齒輪的規劃結果，(b)為圖6中所有設計活動的排序結果。每一個設計活動對應一個設計目標和一個設計行為，設計活動按折線向上遞增的次序進行執行

結論

為實現分布式產品開發過程智能化，本文首先分析設計活動的構成要素，建立設計活動關于其構成要素的元模型，提出了設計活動的坐標表示法，以便于進行計算機編程，實現過程管理智能化。接著又引入信息依賴度概念，采用模糊數法對信息依賴度進行量化，建立信息依賴度度量模型，提出基于信息依賴度的關于AHP法的設計活動流程規劃算法。最后以典型分布式產品單級減速器為例對算法進行驗證。該方法探討產品開發設計活動流程規劃，思路清晰，簡單可行，為分布式產品開發設計活動流程規劃結果提供了良好的參考作用。但在研究過程中仍存在一些問題。比如，在不同模型下設計活動坐標表示時，未給出混合模型下的坐標表示的相關規則;又如，在探討多設計活動流程規劃時，采用AHP法會比較繁瑣等問題需要進一步探索研究。

作者：尹曉玲楊波李海濤王興祖姚孔單位：濟南大學機械工程學院