基于功能－原理－结构模型的油料装备产品族划分方法

基于功能－原理－结构模型的油料装备产品族划分方法
蒲家琦;陈军;尤杨;郑劼恒;齐佳佳
【摘要】产品族划分是产品族体系构建的首要环节。

针对油料装备的产品族划分问题，提出基于功能－原理－结构模型的产品族划分方法。

在分析油料装备的功能－原理－结构模型的基础上，定义了油料装备间功能需求相似度、原理相似度、结构相似度的计算方法，建立相似度矩阵，采用模糊聚类法得到油料装备产品族划分结果。

实例证明，该方法有效。

%The chief section of building product family architecture is product family partition. A method of product family partition of POL equipment is presented based on function￣principle￣structure( FPS) model. the methods of calculating the similarity of functional requirement,principle and structure among POL equipment are defined, the similarity matrix is established and the fuzzy clustering algorithm is used to realize partition of product family,the effectiveness of this method is proved through the example of POL equip￣ment.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】5页(P87-90,151)
【关键词】产品族;模糊聚类;油料装备;FPS模型
【作者】蒲家琦;陈军;尤杨;郑劼恒;齐佳佳
【作者单位】后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311;后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311;后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311;后勤工程
学院军事供油工程系，重庆401311;后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311
【正文语种】中文
【中图分类】TH165;TP391
随着未来战争形式的多样化、复杂化，油料保障需求呈现出多样化和个性化的趋势。

油料装备作为遂行油料保障任务的专用设备，如何快速设计和大批量生产出能够满足不同种类勤务需求的油料装备，是一个亟待解决的难题。

大规模定制(mass customization，MC)生产模式以接近大批量生产的效率,提供能够满足多样化用户需求的产品，成为这一问题解决的方案[1,2]。

产品族(product family，PF)是共享通用技术、组件且满足一定范围相互关联市场需求的一组产品[3-5]。

产品族设计始于产品规划，将现有产品进行族类划分，构
建相应的产品族体系结构和可配置模型。

在此基础上进行设计和开发，可减少产品设计时间、缩短产品制造时间，是支持大规模定制生产模式的有效解决方案[6]。

兰林春等[7]从不同产品之间在功能、物理特征上的相似性出发，提出基于公理化
设计(axiomatic design，AD)，比较产品在功能域的功能需求(FR)和物理域的设
计参数(DP)的相似程度划分产品族，为此问题的解决提供了新的思路。

闫树田等[8]以不同产品结构的相似性为依据，采用层次聚类算法对可重构制造系统中产品族的划分展开了研究。

马丽梅等[9]在文献[8] 研究的基础上，提出结构模块相似性、通用性相似性、可重用性相似性指标，以指标值构成综合相似矩阵衡量产品之间的相似性，并运用改进的层次聚类算法处理相似矩阵，从而得到产品族划分结果。

以上学者大多从产品结构相似性角度对产品族划分问题进行了研究，并没有从产品所具有的设计知识角度相似性出发，考虑产品之间在市场需求、功能特征、技术原理、结构组成等方面的相似性。

本文以实例油料装备的功能-原理-结构(function-
principle-structure，FPS)映射分解模型为基础，考虑油料装备之间在功能需求、技术原理、结构组成上的相似性，从而将不同型号油料装备归类划分，构建产品族。

FPS模型能够表达油料装备产品概念设计过程的功能层、原理层和结构层逐层映射的关系[10]，如图1所示。

功能体现产品的设计意图，抽象化描述了产品特定的工作能力[11]，功能层用于描述油料装备所具有的功能组成。

原理是实现油料装备功能的科学与技术方法，包括物理效应和功能载体两方面的内容，如定理、物理化学属性、几何特性、机械特性、运动特性等[12]，原理层为功能层到结构层映射提供相应的原理或解决方案，功能层到原理层的映射一般为1:1或互斥的1:N映射关系。

结构是实现某一(些)功能、原理而采用的一组元件，它是功能的载体，分解得到的油料装备结构层主要指组成零部件(模块)或系统，原理层到结构层的映射应为1:1或n:1的映射。

如图 2是某型油料装备的FPS分解模型。

相关市场需求、通用技术共享、相同或类似组成结构是产品族的主要特征[13]。

油料装备产品族的划分是根据各型油料装备自身特征，依据成组相似性原理对油料装备(以下简称装备)进行归类，属于多准则决策问题。

本文以产品族的特征为依据，定义不同型号装备之间在功能需求、原理、结构组成上具有的相似性作为产品族划分的准则。

基于装备FPS模型进行产品族划分，先在对待划分装备进行FPS模型分解的基础上，按照功能需求相似性初步划分，将得到划分为同族的装备依据原理相似性进行划分，再将划分结果是同属一族的装备按照结构相似性的原则划分，得到最终的产品族划分结果。

油料装备是满足油料保障勤务需求的军用机械，同族装备之间能够满足相同或相近的勤务需求。

功能需求相似指装备间应具有相同(相似)的功能，且各功能上的勤务需求水平相同(相似)，功能需求相似程度是决定多型装备是否同属一族的首要条件。

在比较装备之间功能需求的相似性时，基本步骤如下。

2.1.1 构建装备功能需求矩阵
首先对所有待比较n型装备Z1，Z2，…，Zn进行功能-原理-结构的逐层映射分解，得到各型装备的FPS模型，将所有FPS模型中不同的m种功能记为F1，F2，…，Fm。

装备功能需求矩阵是一个n×m矩阵，记为N，矩阵中任意元素aij是某型装备Zi(i=1,2,…,n)在功能Fj(j=1,2,…,m)的需求水平值，由设计人员根据个人知识、
专家集体评议等方法给出，以0~5的数字表示，如表 1所示。

2.1.2 装备功能需求矩阵的规范化
由于2.1.1节得到的矩阵N中的分值是主观给定，用以下方法进行处理，得到具
有客观分值的规范矩阵N′。

规范处理基于两点：在打分过程中，所有装备具有同
等重要性；功能类型越多，该装备越复杂，其每项功能需求分值应更高。

规范矩阵N′中的元素aij′用以下公式计算，
其中：装备Zi所具有的功能个数：Heavi(aij)，Heavi是海维赛德函数；所有装备平均功能个数：；装备Zi的功能需求总分值；所有装备平均功能需求分值。

2.1.3 构建装备功能相似矩阵
为得到基于功能需求相似性的装备之间模糊相似关系矩阵G，按照模糊数学相关原理[15]将2.1.2节得到的规范矩阵N′进行归一化，由于衡量标准是功能需求程度，所以对矩阵N′的列进行归一化处理，以最大值为归一化范数，得到归一化矩阵N″。

通过矩阵N″采用绝对值减法求矩阵G的元素：
其中：c是调节系数(一般取0.2)。

2.1.4 通过模糊相似关系矩阵对装备分类
根据模糊数学中模糊聚类算法，需要得到装备之间的模糊等价矩阵[15]。

应用传递闭包法[15]获得模糊等价矩阵G′，作出动态聚类图，得到装备产品族的初步分类
结果为若干个族，每个族记为Li。

后文对模糊相似关系矩阵的处理方法与此相同。

原理提供实现功能的方法和途径，同一种功能的实现存在多种可行的原理方案，所以同一族装备应该还具有原理上的相似性，对上文得到的产品族初步划分结果，进一步基于原理相似性方法的进行产品族划分。

2.2.1 构建装备原理矩阵
以L1族为例，L1族中的k型装备(假定为Z1，Z2，…，Zk)的FPS模型中的所有不同性质的原理记为Pjh，其中：j是原理对应的功能Fj的序号(j≤m)，h是同一
功能映射不同原理的序号。

装备原理矩阵能够表达装备具有的原理类别，记为B。

B中元素bijh的取值表示装备Zi是否具有原理Pjh，取值为1(具有)或0(不具有)。

2.2.2 装备原理相似矩阵
原理相似包括通用性相似性和可重用性相似性。

由2.2.1节得到的矩阵B是一个由经典集合变型的布尔型矩阵(boolean matrix)，利用经典集合中的比值运算，和值运算，可以计算通用性相似性和可重用性相似性。

假设x是装备Zi、Zk共有的原理数目，y是装备Zi具有而装备Zk所没有的原理数目，z是装备Zk具有而装备
Zi所没有的原理数目，计算公式如下：
装备Zi、Zk通用性相似性是，可重用性相似性是。

综合原理模糊。

2.2.3 通过模糊相似关系矩阵对装备分类
同理采用传递闭包法得到模糊等价矩阵，进行聚类分析，得到进一步的划分结果。

装备结构是原理的物理实现，同族装备间结构的相似性体现在通用化组件、接口、工艺及装配等，通过上节基于原理相似性进行产品族的进一步划分，得到更为详细的划分结果，下面以结构相似性为准则进一步进行划分。

在比较装备结构相似性时，首先选定一个具有代表性的装备(或是综合众多装备结构特征的虚拟装备)作为基装备，以此装备的结构为参照，考虑结构的可互换性、加工工艺相似性、装配接口相似性、几何尺寸相似性等因素，用模糊评价法评价出其他装备对应结构的相似程度值Vi，以下公式得到待求装备(假定为Z1，Z2，…，Zk)与基装备结构的相似性，
并构建装备结构矩阵。

其中，m是基装备所具有的结构数量。

以求得的所有待划分装备相似度Ck为依据，与预先设定的阈值进行比较，得到最终的产品族划分结果。

本文选取Z1型油库车、Z2型油库车、Z3型运油车、Z4型自装卸加油站、Z5型加油挂车、Z6型群车加油车、Z7型群车加油车、Z8型机场管道加油车、Z9型运油车这9个典型的在役装备进行产品族的划分。

先建立如图 2所示的为Z1型油库车的FPS分解模型，由于篇幅受限，其余装备不详细列出。

所有装备分解的不同种功能有：F1=运载装备(支撑)；F2=运载装备(移动)；F3=提供输转系统动力；F4=储存油料；F5=油料灌桶；F6=车辆加油；F7=收发运油车
油料；F8=主体自装卸；F9=储油设备装卸；F10=加油设备装卸等。

按照2.1节
中的方法构造各型装备的功能需求矩阵，最终得到的的装备之间功能相似性模糊等价矩阵G′如表2。

作出动态聚类图，如图3所示。

选取λ=0.2，将各型装备初步分为{Z6、Z7、Z4、Z9、Z5}、{Z1、Z2}、{Z8}、{Z3}这5个产品族。

通过上一节得到Z1型油库车和Z2型油库车的相似度为0.8585，由它们的FPS
模型可以看出，同种功能映射原理只有功能F7(收发运油车油料)的映射原理有差异，Z1型油库车是刚性连接，Z2型油库车是柔性连接，故仍将Z1、Z2划分为一族。

下面对Z6、Z7、Z4、Z9、Z5型装备进一步进行划分，分解得到的原理如：
P1_1=垂直支承；P1_2=水平支承；P2_1=空间移动；P3_1=能量转换(化学能转
化机械能)；P4_1=空间密闭；P6_1=设备承载(软管回卷固定)；P6_2=柔性连接；P6_3=流路启闭；P6_4=流路换向；P6_5=能量转换(机械能转换油料动能)等。

以2.2节的方法构造装备的原理矩阵，最终得到Z6、Z7、Z4、Z9、Z5五型装备间
的模糊等价矩阵B″如表3。

做出动态聚类图(略)，以阈值λ=0.15，进一步将Z6、Z7、Z4、Z9、Z5型装备分为{Z6、Z7、Z9、Z5}、{Z4}两个产品族。

经过前两次的产品族划分，仍须对已划为一族的装备进行基于结构相似性的进一步划分。

不难看出Z1型、Z2型装备之间的结构相似度很大，所以仍划为一族。

下
面对Z6、Z7、Z9、Z5装备进行划分，选取Z7装备为基装备，结构分为：S1=方舱；S2=底盘架；S3=底盘；S4=发动机；S5=油罐；S6=加油卷盘等。

通过模糊
评价法给出结构相似度评价值，同时采用Delphi法确定结构相似度因素权重，如表4所示为装备部分结构之间的相似度模糊评价值。

利用EPS模型的油料装配产品族划分节方法求得相对基装备的相似度，C5=0.26；C6=0.72；C9=0.65，选取相似度阈值为0.6，则Z6、Z7、Z9、Z5装备进一步划分为{Z6、Z7、Z9}和{Z5}两个族。

综合的产品族划分结果为：9种型号油料装备划分为5个族，{Z6，Z7，Z9}、{Z1，Z2}、{Z3}、{Z4}、{Z5}。

产品之间在功能需求、原理、结构上的相似性是形成产品族的重要因素。

本文提出基于油料装备的功能-原理-结构模型，通过计算、比较各型油料装备之间在功能需求、原理和结构上的相似程度，利用模糊聚类分析法和经典集合分析法进行油料装备产品族的划分。

运用该方法划分的结果，有利于下一步进行产品族体系构建和可配置模型的建立，具有一定的实用性和有效性。

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