模块划分优化算法及其实现

模块划分优化算法及其实现

天津大学机械工程学院

陈永亮

模块化产品设计过程：Rationalized Design Process Function Domain

Solution Domain Functional Structure F =[F1,F2,…Fn]

SN

S2

S1

F11F12

F13

S11S13

S12Si: Design Solution

Fi F ti l F111

F112

Fi: Functional

Requirements

Generation of the rationalized functional structure.

模块划分方案

Note: functional decomposition goes through zigzag process between function and solution domains

until design solutions can be defined by physical modules

模块化产品结构

F

F 1F 2

F 3

理想结构：功能模块之间无关联

(a) Segregated (modular) product architecture

F 11

F 31

F 32

F 21

F 22

F 0

F F F 12

3

F 11

F 31

F 32

F 21

F 22

真实结构：模块之间有联系

Two types of product architectures (modified

f Fl h (2007))(b) Full product architecture

from Fletcher (2007)).

举例：两种电动汽车产品结构

Model A

初始结构功能模块之间关联度大A1

A2

A3

A4

A6

A5

初始结构：功能模块之间关联度大

Bumper

Hood

Lighting

Steering Front axle Brake

Suspension

Body Frame

Powertrain Rear axle Brake

Suspension

Seat

Figure 3.STRUCTURE IN THE INITIAL DESIGN

问题：如何优化

Model B

优化结构：功能模块之间关联较小

Bumper Lighting

Hood Steering Body Chassis Seat

B2

B1

B3

B4

B5

B6

g t g

划分原则

模块划分原则

模块

模块是指具备独立结构、独立功能、标准接口的功能模块是指具备独立结构独立功能标准接口的功能单元，模块划分遵循的原则为：

()独立结构原则要求功能模块具有独立的结构；

(1) 独立结构原则。要求功能模块具有独立的结构；

(2) 独立功能原则。要求功能模块可以独立完成对应

的功能；

耦合性最小原则模块内高内聚模块间低耦(3) 耦合性最小原则（模块内高内聚、模块间低耦合）。要求在更换功能模块时对其他模块的影响程度最小即耦合性最小

最小，即耦合性最小；

(4) 成本最小原则（模块粒度适中）。要求合理的配

置模块大小和模块数量，避免模块太大增加开发制造成本和模块太小造成模块数量增多使整个设计变复杂。

度定义

相关度定义

相关

进行模块划分的依据是各零部件之间的相关性，零部件之间的相关性包括：几何相关性、功能相关性和物理相关性

相关相关度矩阵与聚类分析度矩阵与聚类分析

模块划分方案评价（聚类）（Ronnie Thebeau Thebeau,, MIT, 2001）

产品零部件进行相关性进行分析得到相关度矩阵，根据相关度矩阵可得到：

聚类内的相关度之和p

n

j n i cluster Cs

i j T j i T Cost ⨯+=

==,)),(),((聚类内关度

j i ∑

==1

,1聚类间的相关度之和

p

n

j n i j i cluster non n

i j T j i T Cost ⨯+=

∑====-,1

,1)),(),((C t C t C t 总的相关度之和

目标函数：模块内高内聚、模块间低耦合

cluster

non cluster total Cost Cost Cost -+=

模块划分过程

p

n j n i j i cluster non n

i j T j i T Cost ⨯+=

∑====-,1

,1)),(),((p

n

j n i j i cluster Cs

i j T j i T Cost ⨯+=

∑====,1

,1)),(),((输入数据功能元相关度矩阵cluster

non cluster total Cost Cost Cost -+=输入数据：功能元相关度矩阵

输出结果：功能元所属模块