開放式架構(gòu)產(chǎn)品的穩(wěn)健性能匹配設(shè)計方法

武士祺，向 東，王 翔，游孟醒

（清華大學機械工程學院精密超精密制造裝備及控制北京市重點實驗室，北京 100084）

1 引言

隨著制造業(yè)生產(chǎn)能力的不斷提高，用戶對于產(chǎn)品的大眾化需求得到廣泛滿足，而對于個性化需求越來越多。制造業(yè)也開始從大批量制造向生產(chǎn)個性化產(chǎn)品模式發(fā)展。大批量定制模式產(chǎn)品族的方式產(chǎn)品種類有限，已經(jīng)越來越無法支撐未來高度個性化產(chǎn)品的開發(fā)[1]。在此背景下，文獻[2]于2013 年提出了大批量個性化生產(chǎn)模式，并提出了對應(yīng)的產(chǎn)品架構(gòu)—開放式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（Openarchitecture Products，OAP）。開放式架構(gòu)產(chǎn)品由開放的產(chǎn)品平臺和個性化模塊組成，其中個性化模塊可以由不同的企業(yè)設(shè)計和開發(fā)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較高程度的個性化，被認為是解決未來產(chǎn)品個性化趨勢的重要技術(shù)手段。開放式架構(gòu)產(chǎn)品中同一平臺需要與不同的個性化模塊相匹配，這使得開放式架構(gòu)的性能匹配需要考慮其穩(wěn)健性。提出開放式架構(gòu)產(chǎn)品的穩(wěn)健性能匹配設(shè)計方法，運用穩(wěn)健設(shè)計的思路和方法進行性能匹配設(shè)計，并以電冰箱作為案例驗證方法了的有效性。

2 穩(wěn)健性能匹配設(shè)計研究

在大規(guī)模定制模式下，性能匹配設(shè)計的對象是現(xiàn)有的產(chǎn)品族，產(chǎn)品族中的產(chǎn)品序列及其規(guī)格參數(shù)均由制造企業(yè)定義，優(yōu)化問題是在一個確定的范圍內(nèi)進行的，所以可以采用配置設(shè)計的方式，通過建立配置規(guī)則對模塊之間的組合形式進行約束，來保障產(chǎn)品的性能[3-4]。

穩(wěn)健設(shè)計可以使系統(tǒng)性能對設(shè)計值的變差不敏感，能夠在系統(tǒng)中有不確定的噪聲因素時，減少性能損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。在文獻[5-7]創(chuàng)立三次設(shè)計法確立了穩(wěn)健設(shè)計的基本原理后，在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。

對于開放式架構(gòu)產(chǎn)品，通用的產(chǎn)品平臺需要覆蓋一類用戶的需求，與不同的個性化模塊組合形成產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品平臺需要具有一定的通用性和穩(wěn)定性，所以在進行開放式架構(gòu)產(chǎn)品的性能匹配設(shè)計時需要考慮其穩(wěn)健性。另一方面，開放式架構(gòu)產(chǎn)品的產(chǎn)品平臺是開放的，個性化模塊的參數(shù)可能由用戶或其他企業(yè)決定，對于平臺的制造企業(yè)而言，其規(guī)格是不確定的。傳統(tǒng)性能設(shè)計方法中無法考慮不確定性對產(chǎn)品平臺設(shè)計的影響，難以保證產(chǎn)品平臺與個性化模塊之間的性能匹配。

提出開放式架構(gòu)產(chǎn)品的性能匹配設(shè)計，采用穩(wěn)健設(shè)計的思路和方法，將個性化模塊設(shè)計變量的變化視為穩(wěn)健設(shè)計中的噪聲因素，降低個性化需求引起噪聲影響下產(chǎn)品性能的衰減，實現(xiàn)產(chǎn)品平臺覆蓋范圍內(nèi)性能的綜合優(yōu)化。與傳統(tǒng)意義的穩(wěn)健設(shè)計中噪聲擾動是考慮零部件制造誤差，裝配誤差，使用環(huán)境變化等不同，開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計中噪聲的來源是用戶的個性化需求。

3 開放式架構(gòu)產(chǎn)品的穩(wěn)健性能匹配

基于穩(wěn)健設(shè)計方法，將產(chǎn)品平臺設(shè)計變量作為可控因素，個性化模塊的設(shè)計變量作為噪聲因素，將產(chǎn)品平臺與個性化模塊之間的性能匹配問題看作噪聲影響下的產(chǎn)品平臺穩(wěn)健設(shè)計問題，建立開放式架構(gòu)產(chǎn)品性能匹配設(shè)計的流程，如圖1 所示。下文將詳述各部分。

圖1 開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計方法框架圖Fig.1 The Robust Performance Matching Process of OAP

3.1 模塊規(guī)劃

開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配首先需要定義產(chǎn)品平臺和個性化模塊。其中，構(gòu)成產(chǎn)品平臺的模塊用于滿足產(chǎn)品的核心功能，需要具有通用性，不受用戶個性化需求的影響，可以通過大批量制造的方式生產(chǎn)。按照多策略模塊劃分方法[8]，劃分的模塊中滿足標準化策略和的模塊構(gòu)成產(chǎn)品平臺，客制化策略的模塊構(gòu)成個性化模塊。

3.2 建立模型

開放式架構(gòu)產(chǎn)品往往結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計變量眾多，建立優(yōu)化問題模型往往首先需要根據(jù)性能目標及約束，分析性能目標及約束下設(shè)計變量對不同目標性能影響程度（如性能關(guān)重度分析方法[9]），篩選出在性能匹配設(shè)計中產(chǎn)品平臺需要重點考慮的設(shè)計變量。

假設(shè)產(chǎn)品平臺需要考慮p個設(shè)計變量x1，x2，…，xp；個性化模塊包含 q 個設(shè)計變量 z1，z2，…，zq，考慮需求的多樣性，zi在范圍內(nèi)波動。開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計的目的是確定產(chǎn)品平臺的設(shè)計變量，使個性化模塊的設(shè)計變量在范圍內(nèi)波動時，組合形成的產(chǎn)品滿足性能約束且目標性能的損失最小。用公式描述：

式中：f—目標函數(shù)；g、h—不等式形式和等式形式的約束函數(shù)；i—個性化模塊的數(shù)量。

3.3 穩(wěn)健優(yōu)化

采用穩(wěn)健設(shè)計的思路，構(gòu)建的穩(wěn)健性能匹配乘積表，其中產(chǎn)品平臺設(shè)計變量組成內(nèi)表，代表產(chǎn)品平臺的不同組合形式，如圖2 所示。個性化模塊設(shè)計變量組成外表，代表波動的噪聲因子。采用正交實驗或均勻?qū)嶒炘O(shè)計表格，將內(nèi)外表的每個水平組合相乘組成直積表。

圖2 穩(wěn)健性能匹配的乘積表Fig.2 Tables of Robust Performance Matching

根據(jù)直積表指示的試驗參數(shù)組合進行仿真或試驗，計算產(chǎn)品平臺在于不同的個性化模塊組合時的性能響應(yīng)及產(chǎn)品平臺的性噪比。依照不同優(yōu)化目的，性噪比的計算公式如下：

采用回歸分析方法，建立產(chǎn)品平臺參數(shù)與信噪比之間的擬合模型，對回歸模型進行分析，找到滿足性能約束條件下信噪比最大的產(chǎn)品平臺設(shè)計變量的組合作為優(yōu)化問題的解。

4 實例設(shè)計

電冰箱是用戶個性化需求較強的典型產(chǎn)品，目前家電企業(yè)中冰箱產(chǎn)品的開發(fā)至少需要半年到一年的時間，其中大部分時間用于性能的匹配驗證。面對個性化的產(chǎn)品需求，若對每一款產(chǎn)品都進行獨立的性能匹配設(shè)計耗時耗力，容易失去市場先機。

4.1 模塊規(guī)劃

根據(jù)開放式架構(gòu)產(chǎn)品的模塊劃分策略[8]，開放式架構(gòu)冰箱的產(chǎn)品平臺包括冷凍室及制冷系統(tǒng)，可以實現(xiàn)核心的制冷功能；個性化模塊包括儲物模塊及其配套的風道，如冷藏室和變溫室等，用于實現(xiàn)不同的保鮮功能和容積需求。因篇幅限制，只將容積作為個性化的需求，以三門冰箱的產(chǎn)品平臺為例，可附加不同容積的冷藏室和變溫室作為個性化模塊，產(chǎn)品容積覆蓋的范圍為（230～320）L。

4.2 建立模型

表1 開放式冰箱平臺參數(shù)水平設(shè)置Tab.1 Levels of Parameters of Open Architecture Refrigerator Platform

開放式冰箱穩(wěn)健性能匹配設(shè)計可以描述為：

4.3 穩(wěn)健優(yōu)化

選取設(shè)定范圍內(nèi)的三款箱體作為反映用戶個性化需求的容積值，T=［230，275，320］。個性化模塊箱體的寬度與長度需與平臺模塊的尺寸相對應(yīng)，不同的容積是通過改變高度來實現(xiàn)的，通過冷藏室高度ha與變溫室高度hb來表示不同產(chǎn)品的容積，對應(yīng)尺寸，如表2 所示。

表2 個性化箱體模塊參數(shù)Tab.2 Parameters of Personalized Modules

對產(chǎn)品平臺參數(shù)采用均勻設(shè)計，其中每一組產(chǎn)品平臺參數(shù)組合分別與不同的箱體組進行組合，形成開放式冰箱平臺與個性化箱體模塊的直積表。通過仿真模型計算每個組合下的性能響應(yīng)，限于篇幅性能約束的響應(yīng)結(jié)果不再列出，日耗電量的響應(yīng)結(jié)果及不同平臺參數(shù)組合的信噪比結(jié)果，如表3 所示。

表3 開放式架構(gòu)冰箱穩(wěn)健性能匹配直積表Tab.3 Tables of Robust Performance Matching of Open Architecture Refrigerator

運用回歸分析方法建立產(chǎn)品參數(shù)（包括平臺參數(shù)和個性化模塊參數(shù)）與性能約束之間的回歸模型：

產(chǎn)品平臺參數(shù)與性噪比之間的回歸模型：

在性能約束的條件下對設(shè)計變量進行混合整數(shù)線性規(guī)劃，得出溫度均勻性、開機率和回氣溫度響應(yīng)均滿足性能約束并且性噪比最高的產(chǎn)品平臺設(shè)計變量組合為：Vth=9.05cm3，Lcap=2.7m，Le=6.2m。

4.4 實驗驗證

根據(jù)計算出的產(chǎn)品平臺參數(shù)，與范圍內(nèi)的三款箱體（體積分別為248L，278L，310L）組合搭建樣機，依照新國標在32 ℃和16℃環(huán)溫下對樣機進行測試，其中一個測試結(jié)果曲線，如圖3 所示。所有樣機的主要測試指標，如表4 所示。三款樣機的各項指標均滿足性能要求，能耗水平均達到了國家一級能效，說明能夠用同一產(chǎn)品平臺實現(xiàn)與不同個性化模塊的性能匹配，滿足用戶在一定范圍內(nèi)的個性化需求，驗證了方法的有效性。

圖3 BCD-278 16℃環(huán)溫下測試曲線Fig.3 The Testing Curve of BCD-278 in Temperature of 16℃

表4 同一產(chǎn)品平臺下樣機測試結(jié)果Tab.4 Experimental Resultsof Products in Same Product Platform

5 結(jié)論

針對大規(guī)模個性化生產(chǎn)模式下的開放式架構(gòu)產(chǎn)品，提出了穩(wěn)健性能匹配設(shè)計方法，將穩(wěn)健設(shè)計的思路應(yīng)用于性能匹配設(shè)計中，實現(xiàn)了開放式平臺與不同個性化模塊之間的性能匹配。

在開放式架構(gòu)冰箱的案例中，對搭建的平臺與三款不同箱體形成的樣機依照新國標進行測試，結(jié)果顯示均達到了一級能效要求，在實現(xiàn)產(chǎn)品平臺通用性的同時保證了產(chǎn)品性能。