基于DSM的协同设计过程规划方法_雷春丽

文章编号:1673-5196(2009)06-0033-04

基于DSM的协同设计过程规划方法

雷春丽1,2,芮执元1,2,方景芳1,2

(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州730050; 2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050)

摘要:围绕产品协同设计过程中协同任务的定耦与解耦问题,将整个项目划分为粗粒度规划和细粒度规划两大阶段.根据图论中的路径搜索法构建强连通图,并将其向矩阵映射,建立强连通矩阵,从而确定出耦合任务集,完成粗粒度规划;考虑任务间灵敏性和可变性对其相互影响的程度,提出用改进的结构灵敏度分析法对耦合任务集解耦,确定出任务组内各任务的执行顺序.以车身产品设计过程的案例验证了所提方法的有效性和实用性.

关键词:协同设计;DSM;定耦;解耦

中图分类号:T H166文献标识码:A

Process planning method of DSM-based collaborative design

LEI Chun-li1,2,RU I Zh-i yuan1,2,FANG Jing-fang1,2

(1.Key Laboratory of Digital M anufacturing T echnology and Application,T he M inistry of Education,Lanzhou U niv.of T ech.,Lan zhou 730050,China; 2.College of M ech ano-Electronic Engin eering,Lanzh ou U niv.of Tech.,Lanz hou730050,C hina)

Abstract:Focused on coupling and decoupling pro blems in collaborative task,the w hole pro ject w as divided into tw o phases of co arse g ranular and fine-g rained planning.Stro ng co nnected g raph w as built by using the path searching method o f graph theory and mapped to the strong co nnected matr ix,thereby the coupling task g roup w as identified and the coarse granular pro cess planning w as finished.Considering the interaction of sensitivity and variability betw een tasks,an im prov ed structure sensitivity analysis method w as proposed.T his m ethod w as used to decouple the coupling task group and the task ex ecution sequence w as identified.Thus,the design pro cess w as optimized and rearrang ed.A case of bo dyw o rk product de-sign w as pr esented to verify the validity and pr acticability of the proposed m ethods.

Key words:co llabo rative design;DSM;coupling;decoupling

由于产品开发中的需求分析、概念设计、结构设计等各子任务存在复杂的信息交互和相互依赖、相互制约的关系,为了有效地组织协同设计,必须对相关的设计过程进行合理规划.过程规划意味着抛弃传统串行设计方式中不符合现代设计要求的部分,是满足当前过程需要的一种创新[1-2].产品协同设计过程规划最早采用的方法是有向图法[3],决策人员可以通过有向图将各任务的关系形象表达,有助于设计人员的理解.但此方法适用于简单产品或任务数目不多的情况,对于设计复杂产品的大量任务,设计者会发现表达结果不尽人意.另外,有向图不利于计算机操作,任务规划自动化程度低.许多学者[3-4]

收稿日期:2009-05-13

作者简介:雷春丽(1977-),女,陕西渭南人,博士生,讲师.开始研究将协同设计过程的动态模型以矩阵形式表示,建立设计结构矩阵(DSM),以设计结构矩阵法来表示各任务间的依赖关系,比较简洁直观且易于计算机实现.然而,传统的设计结构矩阵是一种最简单的关系描述矩阵,不能反映任务间依赖的强弱程度.同时,由于过程间的信息交流情况在设计开始时通常并不确定,为此,采用模糊集理论来描述这种不确定性更为合理[5-6].另外,目前还没有一种完善的割裂算法,最典型的是A.YASSINE提出的结构灵敏度方法[7],而此方法仅表达了各任务间的依赖强度,并没有表示各任务间的影响程度.

本文主要探讨过程规划中的任务分解与割裂算法.运用模糊设计结构矩阵方法定量描述任务间的依赖度,通过矩阵关系转换及运算确定出耦合任务集;充分考虑下游任务对上游任务的反馈和依赖,提

第35卷第6期2009年12月

兰州理工大学学报

Jo ur nal of L anzho u U niv ersity of T echno lo gy

Vo l.35No.6

D ec.2009

出用改进的结构灵敏度分析法将耦合任务集割裂,从而实现全局到局部设计过程的合理规划.

1 设计任务关系类型及其DSM 表示

产品设计过程是大量设计任务的集合,任务间存在相互依赖、相互约束的关系.要规划设计过程,

必须将各任务间的关系进行分类.从信息流的角度任务关系的基本形式可归纳为3种[8],如图1所示.

1)依赖关系.两个设计任务间只存在单向依赖关系,任务A 的输出作为任务B 的输入,其动态特征表现为A 、B 任务的串行.

2)独立关系.两任务间无信息交互、完全独立.其动态特征表现为A 、B 可以同时进行.

3)耦合关系.两任务间存在信息交互,A 、B 的信息联系是双向的,即A 任务的输出是B 任务的输入,同时B 任务的输出又是A 任务的输入,其动态特征表现为经过A 、B 间信息的多次迭代和反复.将任务间的关系分类后,才能采取相应的方法对其进行处理.依赖和独立关系的顺序容易排列,如何处理具有耦合关系的任务组是本文过程规划的主要研究内容

.

图1 任务关系的3种形式Fig.1 Three forms of task relationship

2 模糊设计结构矩阵的建立

在传统设计结构矩阵的基础上,本文采用模糊集理论描述过程间信息交流情况的不确定性.根据设计任务间的敏感性和可变性来确定其间相互推测的精确程度[7],用模糊语言变量来表示信息传递的等级.采用多人评判加权平均的方法获得信息依赖强度r ij ,然后按照三角模糊数{0.75,0.50,0.25}对其进行划分,若r ij 为0~0.25,则取0,依此类推,得到模糊设计结构矩阵(FDSM).

在产品开发过程中,将设计过程分解为n 个任务t 1,t 2,,,t n ,用R n @n 表示模糊设计结构矩阵,取n =4,其基本形式为

t 1 t 2 t 3 t 4

其行和列对应着每个任务,主对角线元素表示任务本身(设任务本身的信息传递为0),其他元素表示

任务之间的模糊依赖关系.若r ij X 0(i X j )(i,j =1,2,,,n),则表示任务j 将向任务i 提供信息,反之表示任务i 与任务j 无关.另外,对角线上方的非零元素表示信息从后一任务反馈流向前一任务,而对角线下方的非零元素表示信息从前一任务顺次流向后一任务,即沿x 轴信息流向前反馈,沿y 轴信息向后传播.

模糊设计结构矩阵建立了设计过程结构化模型,表达了各任务间的相关性及依赖度,但不能表示任务间的执行顺序及耦合程度,还需要对任务间的关系分解、聚类及割裂,进一步重组和优化设计任务,以完成设计过程的整体规划.

3 协同设计任务流程的规划

3.1 任务粗粒度规划

在模糊设计结构矩阵中,位于主对角线上方的非零元素反映了信息的反馈,导致了设计迭代.任务粗粒度规划采用分解方法,主要目的是将项目任务设计结构矩阵中对角线以上的关联标识移动到对角线以下,或者尽量靠近对角线,减少设计过程的信息反馈.本文根据图论中的路径搜索法得出强连通图,并将其延伸到矩阵的信息遍历,建立可达矩阵,通过对强连通矩阵的分析,确定出耦合任务集.

在有向图中,从某一任务开始不管是向前或向后搜索相关任务,信息流追踪直到再次遇到该任务,在整个过程中搜索到的这些任务构成一个信息流环,即利用路径搜索法可建立强连通图.强连通图可映射成矩阵形式称之为可达矩阵.

定义1[9] 可达矩阵设G 为有向图,A 是其邻接矩阵,假定结点已经有了从v 1到v n 的次序,G 的可达矩阵P =(p ij )n @n 定义为

p ij =

1 v i 可达v j 0 其他

且

P =A (1)

D A (2)

D A

(3)

,A

(n)

=D n

i=1A (i)

即

P =A Ý(A áA )Ý,Ý(A áA ,áA )=

D n

k=1A (k)

=(p ij )n @n /Ý0算子:

X =(x ij )n @n Y =(y ij )n @n

则

#34# 兰

州理工大学学报 第35卷