基于功能聚類映射的應(yīng)急救援器材箱模塊化設(shè)計方法

李安虎,李 喬,高 飛,劉廣軍,李夢如

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

模塊化設(shè)計技術(shù)迄今一直處于實踐領(lǐng)先理論的狀態(tài).較多領(lǐng)域(例如機床、減速器、計算機、家電和家具等領(lǐng)域)雖然已經(jīng)滲透了模塊化的思想,但是相關(guān)設(shè)計技術(shù)及理論還不夠完善,導(dǎo)致現(xiàn)今的生產(chǎn)不能很好地解決產(chǎn)品多樣化與成本低廉化之間的生產(chǎn)矛盾.

國內(nèi)外學(xué)者對模塊化設(shè)計做了大量研究:在模塊化設(shè)計方法上,高淑英[1]結(jié)合廣義模塊化設(shè)計原理,使用相似特征聚類的方法形成廣義模塊,對粗紗布機進行了廣義模塊表達，并對粗紗機廣義模塊化設(shè)計原型系統(tǒng)進行了構(gòu)建;唐濤等[2]在模塊化設(shè)計中融合了綠色設(shè)計思想,提出并詳細介紹了綠色模塊化設(shè)計方法.

模塊劃分是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，且一直是該領(lǐng)域的研究熱點.在模塊劃分方法研究上,諶炎輝等[3]總結(jié)了現(xiàn)今已有的模塊劃分方法,將其歸納為基于功能的模塊劃分方法、基于功能和結(jié)構(gòu)的模塊劃分方法、面向產(chǎn)品生命周期的模塊劃分方法等類型;高浪等[4]在模塊化設(shè)計中摻入了多策略設(shè)計目標(biāo),從而提出了有關(guān)機電產(chǎn)品的多策略模塊劃分方法;Tsai等[5]從幾何約束、機械強度、能量流、信息流等功能相關(guān)類型出發(fā),利用并行工程的相關(guān)概念,對功能相關(guān)度進行模糊聚類劃分;Tseng等[6]從綠色生命循環(huán)的角度提出了一種評價產(chǎn)品模塊化的方法,先使用積分系統(tǒng)對產(chǎn)品間的關(guān)聯(lián)密度進行評價,然后用集群遺傳算法對產(chǎn)品模塊進行聚類,最后以污染和花費分析來評價聚類結(jié)果.

從目前對模塊化設(shè)計方法的研究情況來看,大多數(shù)學(xué)者并未對模塊化方法進行系統(tǒng)性設(shè)計,有些模塊劃分方法與模塊表達方法比較繁瑣且不通用.因此,本文從實現(xiàn)產(chǎn)品的基本功能出發(fā),系統(tǒng)地設(shè)計了一種產(chǎn)品模塊化過程模型.在該模型中,提出了一種功能聚類映射的模塊劃分方法,并將產(chǎn)品的模塊進行了參數(shù)化表達.

1 基于功能聚類映射的產(chǎn)品模塊化設(shè)計過程模型

本文設(shè)計了一種基于功能聚類映射的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法.① 針對市場需求或者相關(guān)工程問題進行分析,得到滿足需求和解決問題的產(chǎn)品總功能;② 對產(chǎn)品總功能進行功能分解,分解成功能單元,功能單元再根據(jù)相關(guān)性聚集成功能模塊;③ 在每個模塊功能中加入結(jié)構(gòu)、功能等信息形成廣義模塊,在對新產(chǎn)品的產(chǎn)品族進行分析規(guī)劃之后,結(jié)合廣義模塊的概念,運用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)可快速設(shè)計出模塊的變形結(jié)構(gòu);④ 將參數(shù)、結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)整合形成模塊庫.

1.1 產(chǎn)品功能分析

為了滿足市場需求以及解決某類工程問題,首先應(yīng)該確定解決這些問題的產(chǎn)品總功能.某待設(shè)計產(chǎn)品總功能的確定可以采用任務(wù)抽象化方法以及黑箱法[7].以黑箱法為例,把產(chǎn)品系統(tǒng)看作一個不透明的黑色箱子,忽略該系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)和工作原理,通過系統(tǒng)輸入輸出量(輸入量和輸入量體現(xiàn)為3種形式:物料、能量和信號)的變化特點,了解一個特定系統(tǒng)的規(guī)律,并推出該產(chǎn)品系統(tǒng)的總功能.

為了更好地描述產(chǎn)品的功能,將復(fù)雜的設(shè)計問題簡化,則需將該產(chǎn)品總功能細分成多個子功能,即將總體、抽象、復(fù)雜的總功能向下拆分成局部、具體、簡單的子功能,從而得到能以某種手段解決的功能單元.所謂功能單元是指用于完成某項功能的不宜再進行分解的基本單位.在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)中,功能單元一般分為3種類型:數(shù)學(xué)功能單元、邏輯功能單元和物理功能單元[7].

功能單元按照一定的組織關(guān)系構(gòu)成一個產(chǎn)品的總功能,主要有層次組織和非層次組織,設(shè)計問題中功能分解一般由抽象到具體,由整體到局部,所以層次組織較為通用.但是在一些不能分清層次組織關(guān)系的設(shè)計中,就需要進行非層次組織,該組織關(guān)系能夠較好地反映不同功能之間的相互關(guān)系.

1.2 相關(guān)性聚類與功能-結(jié)構(gòu)映射

獨立性是所有模塊所具有的一個主要特征,在將產(chǎn)品的總功能分解成一系列功能單元之后,若某個功能單元滿足一定的獨立條件(例如技術(shù)獨立、參數(shù)獨立、工藝獨立等),則該功能單元可以單獨作為一個功能模塊;若某些功能單元不滿足獨立條件,則對于不獨立的功能單元,可對其進行相關(guān)性分析聚類來形成模塊.

功能單元與功能單元之間大致有如下相關(guān)類型[8].

(1) 功能相關(guān):兩個或多個功能單元(或子功能)之間同屬于一個上級子功能,則這些功能單元(或子功能)功能相關(guān).

(2) 裝配相關(guān):兩個或多個功能單元(或子功能)各自的功能載體包含裝配關(guān)系,則這些功能單元(或子功能)裝配相關(guān).

(3) 空間相關(guān):兩個或多個功能單元(或子功能)各自的功能載體享受公共的空間,則這些功能單元(或子功能)空間相關(guān).

(4) 信息相關(guān):兩個或多個功能單元(或子功能)有材料、能量、信號和力之間交換信息關(guān)系,則這些功能單元(或子功能)信息相關(guān).

功能單元與功能單元之間的相關(guān)度如下:

(1)

假設(shè)某產(chǎn)品總功能共可劃分成m個功能單元,考慮功能單元之間的相關(guān)類型以及根據(jù)相關(guān)理論設(shè)置相關(guān)類型權(quán)重后,可得出產(chǎn)品功能單元相關(guān)矩陣如下:

(2)

產(chǎn)品功能的實現(xiàn)要通過相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu),針對功能模塊設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)模塊,考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的布局及其裝配組合方式,對結(jié)構(gòu)模塊裝配組合,最終形成能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品總功能的結(jié)構(gòu)有機體.

對于產(chǎn)品來說,產(chǎn)品功能域與結(jié)構(gòu)域的映射包含1-1,1-n兩種,圖1表示了兩個域之間的映射關(guān)系.如圖1所示,以功能模塊FM1與功能模塊FM2的映射關(guān)系為例,功能模塊FM1只能通過特定結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模塊SM1來實現(xiàn),結(jié)構(gòu)模塊SM1在多個產(chǎn)品中共享,這種關(guān)系為1-1映射;功能模塊FM2由不同結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模塊SM2j組成,結(jié)構(gòu)模塊SM2j的縱向、橫向結(jié)構(gòu)形式視具體應(yīng)用場景而定,這種關(guān)系為1-n映射.

圖1 產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)的映射Fig.1 The function-structure mapping

1.3 廣義模塊的創(chuàng)建

廣義模塊是指擁有某種功能，具有一種或多種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的參數(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)模型.廣義模塊是功能、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)、性能驅(qū)動參數(shù)的函數(shù),定義如下:

(3)

式中:F為模塊的功能集;S為模塊的結(jié)構(gòu)模型集,對應(yīng)模塊的功能集,有一種或多種結(jié)構(gòu)模型實現(xiàn)方式;X為模塊的結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)集,是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵變量,其值受幾何尺寸、制造精度等約束;P為模塊的性能驅(qū)動參數(shù)集,描述模塊的材料性能、載荷、振動等性能參數(shù)集合.參數(shù)之間具有獨立性,一組符合約束要求的參數(shù)能夠驅(qū)動生成一個模塊的結(jié)構(gòu)實例.

1.4 產(chǎn)品族規(guī)劃

以盡可能少的種類、數(shù)量的模塊組裝成盡可能多的種類和數(shù)量的產(chǎn)品，是模塊化設(shè)計的主要目的.結(jié)合上文所述的功能-結(jié)構(gòu)映射策略以及可變形設(shè)計的廣義模塊設(shè)計,對模塊能夠組合而成的多種產(chǎn)品進行科學(xué)的產(chǎn)品族規(guī)劃.

產(chǎn)品族是一類具有相似功能的產(chǎn)品集合,產(chǎn)品族中包含著關(guān)系復(fù)雜的模塊[10].為了描述產(chǎn)品族所包含的功能和結(jié)構(gòu)組成,從產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)品功能兩個維度引入產(chǎn)品族矩陣的概念.定義產(chǎn)品族矩陣Pr如下:

(4)

式中:行矩陣(Pri1Pri2…Prin),i∈[1,m]為具有不同功能變化的相同規(guī)格的產(chǎn)品系列;列矩陣(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]為具有不同規(guī)格變化的相同功能的產(chǎn)品系列,當(dāng)j=1(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]時,列矩陣為產(chǎn)品基型矩陣,當(dāng)j≠1時,列矩陣為產(chǎn)品變型矩陣.

(5)

由于產(chǎn)品的各個功能模塊依賴于具體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),所以產(chǎn)品功能模塊矩陣Pfj可進一步擴展為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊矩陣Psj.Psj定義如下:

(6)

1.5 模塊庫創(chuàng)建

產(chǎn)品系列族譜中包含不同類型、特殊功用的產(chǎn)品,全部都由基本模塊和可變模塊拼裝組合而成.基本模塊結(jié)構(gòu)形式不變,規(guī)格沒有變化或有少許變化,而且是一類經(jīng)常重復(fù)利用、不可缺少的模塊.可變模塊根據(jù)不同的需求定制成特殊的結(jié)構(gòu)和規(guī)格.將基本模塊和可變模塊數(shù)據(jù)整合到一起形成模塊數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建成產(chǎn)品設(shè)計平臺,可避免在設(shè)計過程中的大量重復(fù)勞動,提升設(shè)計效率，節(jié)省勞動力和成本.

模塊數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包含以下部分.

(1) 參數(shù)數(shù)據(jù):XML文件是一種輕量級的數(shù)據(jù)存儲文件,互操作性和可擴展性強,格式規(guī)范,運用XML文件來存儲模塊的參數(shù)信息,可方便地進行數(shù)據(jù)交換和內(nèi)容管理.

(2) 預(yù)覽數(shù)據(jù):模型結(jié)構(gòu)通過圖片格式來預(yù)覽,可幫助設(shè)計人員快速獲取結(jié)構(gòu)信息.

(3) 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù):通過常用的三維建模軟件(例如Pro/E,UG,SolidWorks等)對模塊結(jié)構(gòu)進行三維建模,可在模塊化產(chǎn)品設(shè)計時快速調(diào)用.

(4) 管理數(shù)據(jù):運用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(例如Oracle,SQL Server,Access等)存儲相關(guān)數(shù)據(jù),并對器材箱模塊數(shù)據(jù)進行分析和管理.

2 應(yīng)急救援器材箱設(shè)計案例

近年來,我國各類災(zāi)害、事故頻頻發(fā)生,嚴重影響公民的生命財產(chǎn)安全.應(yīng)急救援器材車作為器材主要的運輸工具承擔(dān)著重要作用,在很大程度上影響救援效率.目前,應(yīng)急救援器材車存在器材裝載量小、種類少、體積大、設(shè)計效率低、功能集成化程度低等問題,難以滿足復(fù)雜現(xiàn)場對各種救援功能的需求.器材箱是應(yīng)急救援器材車重要組成部分,針對器材箱進行模塊化設(shè)計,可以實現(xiàn)應(yīng)急救援器材車的快速設(shè)計以適應(yīng)不同的救援場景,安全高效地施展應(yīng)急救援工作.

2.1 器材箱功能分析

對于應(yīng)急救援器材箱,建立其黑箱模型，如圖2所示.系統(tǒng)的工作環(huán)境為應(yīng)急救援場景以及車輛底盤進行搭載運輸;系統(tǒng)的物料輸出較之輸入無任何變化,都是各種類型的救援器材,能量和信號則由輸入時的驅(qū)動存儲動能、存儲信號分別變成了驅(qū)動取出動能及取出信號.因此,可以確定應(yīng)急救援器材箱的總功能是存儲各種救援器材,在不同應(yīng)急救援場景快速取用以開展救援工作.

圖2 器材箱功能分析Fig.2 Function analysis on the equipment box of emergency vehicle

基于器材箱的總功能特點,結(jié)合層次組織關(guān)系的功能分級思想,可將器材箱主要功能分為基本功能和輔助功能兩大類:基本功能包含器材支撐、約束、鎖定、運動及其數(shù)據(jù)管理等功能;輔助功能包含動力提供和照明等功能.功能模塊還可進一步細分為如圖3所示F1～F12的12個功能單元.

2.2 器材箱模塊劃分

根據(jù)1.2節(jié)所述的4種相關(guān)類型,結(jié)合應(yīng)急救援器材箱功能特點及工程經(jīng)驗,運用層次分析法計算上述相關(guān)類型的權(quán)重，結(jié)果分別為0.382,0.238,0.304,0.076.再結(jié)合式(1)和式(2)可得產(chǎn)品功能相關(guān)矩陣如下:

圖3 功能模塊的動態(tài)聚類Fig.3 Dynamic clustering of function modules

(7)

式(7)共有8種相關(guān)度值,從大到小依次設(shè)為閾值TR,大于該閾值的功能單元可以聚集成一個模塊,得如圖3所示的功能模塊動態(tài)聚類圖.對每一種方案進行平均聚合度和平均分離度計算，如表1所示,方案2為最佳劃分方案.

表1 不同方案的平均聚合度和平均分離度Tab.1 Mean integration values and mean division values of different schemes

在功能模塊劃分完成之后,結(jié)合圖1分析功能-結(jié)構(gòu)映射關(guān)系:信息存儲-標(biāo)簽、信息讀寫-讀寫器、信息計算-主機符合1-1映射關(guān)系,標(biāo)簽、讀寫器以及主機在不同類型器材箱產(chǎn)品中可以共用;其他功能模塊與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模塊都滿足1-n映射關(guān)系.以平移功能模塊到平移導(dǎo)軌機構(gòu)的映射為例,該映射為典型的1-n映射,其存在有橫向和縱向的結(jié)構(gòu)-功能映射關(guān)系,橫向為導(dǎo)軌節(jié)數(shù)的變化,縱向為拉伸長度的參數(shù)變化,具體節(jié)數(shù)及拉伸長度視特殊救援場景中使用的器材箱類型而定,如圖4所示.應(yīng)急救援器材箱經(jīng)過功能-結(jié)構(gòu)映射后，最終結(jié)構(gòu)模塊劃分結(jié)果如圖5所示.

圖4 平移功能模塊到平移導(dǎo)軌機構(gòu)的1-n映射Fig.4 The 1-n mapping relationships corresponding to the panning function modules to panning guide mechanisms

2.3 器材箱產(chǎn)品族規(guī)劃與模塊庫形成

綜合分析應(yīng)急救援器材箱功能樹狀圖和結(jié)構(gòu)樹狀圖：① 利用三維建模軟件創(chuàng)建廣義模塊基型結(jié)構(gòu)模型文件(見圖6);② 編寫該模塊所必須的結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)、性能驅(qū)動參數(shù)數(shù)據(jù)文件;③ 對市場現(xiàn)有的器材箱品種進行產(chǎn)品族規(guī)劃、分析和預(yù)測產(chǎn)品需求,實現(xiàn)由需求-功能的轉(zhuǎn)化.

圖5 應(yīng)急救援器材箱結(jié)構(gòu)模塊樹狀圖

融合廣義模塊的概念,運用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)對相關(guān)參數(shù)等作出相應(yīng)調(diào)整,可由基型模塊出發(fā)設(shè)計滿足不同需求產(chǎn)品的變形模塊,并形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,匯集成應(yīng)急救援器材箱數(shù)據(jù)庫.以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)搭建應(yīng)急救援器材箱數(shù)字產(chǎn)品平臺,通過模塊接口添加配置專用模塊,可對不同類型器材箱進行快速設(shè)計.

圖6 應(yīng)急救援器材箱廣義模塊基型結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structures of the generalized modules in the emergency rescue equipment box

3 結(jié)語

本文分析研究了模塊化設(shè)計技術(shù),設(shè)計了基于功能聚類映射的產(chǎn)品模塊化的設(shè)計過程模型,在該過程模型中提出了功能聚類映射模塊劃分方法,并通過平均聚合度和分離度來挑選劃分方案.將模塊進行了參數(shù)化表達,有利于實現(xiàn)橫向或縱向等不同方式的模塊化設(shè)計.將此過程模型應(yīng)用到應(yīng)急救援器材箱的設(shè)計,得出了器材箱最佳模塊劃分方案,在器材箱產(chǎn)品族的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)建應(yīng)急救援器材箱模塊庫,基于模塊庫搭建器材箱產(chǎn)品設(shè)計平臺,可針對不同工程需求,快速設(shè)計不同類型的應(yīng)急救援器材箱.