基于设计结构矩阵的产品设计过程建模和重组方法研究
华中科技大学
硕士学位论文
基于设计结构矩阵的产品设计过程建模和重组方法研究
姓名：梅成刚
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：肖人彬
20030509
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着开发新产品的迫切性和新产品自身结构复杂性的增加。作为产品开发中至关重要的一个环节，产品设计技术已难以满足要求。由于产品设计是一个复杂的、高难度的过程，因此通用的方法是对设计过程建模，通过模型来进行设计分析。本文对产品设计过程的建模和重组中的一些关键技术进行了研究，提出了新的过程建模和重组方法，并将新方法应用于引擎的开发设计中，取得了良好的设计效果。
对现有设计过程建模技术进行了分析、研究和总结。针对数据流图在描述设计过程的不足，提出了扩展数据流图，用以表达复杂的设计过程。介绍了设计结构矩阵的特点和操作，指出了其在设计过程重组中的重要性和有效性。然后，对扩展数据流图和设计结构矩阵进行了分析，实现了扩展数据流图向设计结构矩阵的映射，并提出了一种基于扩展数据流图和设计结构矩阵的设计过程建模方法。
然后，探讨了基于设计结构矩阵割裂算法的过程重组方法，指出了现行割裂算法的不足之处。引入了传输时间的概念，用来刻画设计任务间在准备和接收信息传输和交互所消耗的时间。并提出了基于传输时间的割裂算法。由于影响传输时间的因素有很多，为了获取较为客观的传输时间，采用了基于灰理论的专家群体评价法来评估各种因素对传输时间的影响程度。分析了基于传输时间的设计结构矩阵割裂的特征，将设计结构矩阵的割裂转换成求解赋权有向图的最短路径问题。
在上述工作的基础上，给出了产品设计过程建模和重组的方法，用以建立产品设计过程的模型及对过程模型进行重组；并基于此开发了产品设计过程建模和重组的原型系统。该系统以可视化的形式实现了提出的方法和技术，包括设计过程的建模，设计过程重组和结果分析等。然后，结合汽车引擎的设计，展现了整个原型系统，也对本文提出的割裂算法的有效性进行了验证。
最后，对全文工作和研究成果进行了总结，并指出了产品设计过程中的不足之处，提出了今后进一步研究的方向和建议。
关键词ｌ扩展数据流图设计结构矩阵过程建模过程重组割裂算法
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈｐｒｅｓｓｉｎｇｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｎｌｒｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔ（ＤＤＰ），ｗｈｉｃｈｉｓａｐｉｖｏｔａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔ．ｄｏｅｓｎｏｔｍｅｅｔｗｉ也ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅＤＤＰｉｓａｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｒｏｕｇｈｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｍａｎｙｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｍｅｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｔｈｅＤＤＲａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．Ｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｎｇｉｎｅ．ＡｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｎｒｒｌｓｏｕｔｔＯｂｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．
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ｓｔｒｕｃｔＩｌｒｅｍａｔｒｉｘ（ＤＳＭ），ｗｈｉｃｈｔｕｒｎｓｔｏｂｅｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ
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ｉｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＴＴｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅ
ｄｉａｇｒａｍ．ｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅｔｅａｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｔｏａｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈｏｎｗｅｉｇｈｔｅｄ
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Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｔｈｅｓｉｓｉＳｍａｄｅ．ＳｏｍｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆＤＤＰａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔａｎｄｆＢｒｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｔｕｄｙａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．
ｓ仇ｌｃｔｕｒｅｍａｔｒｉｘ，Ｐｒｏｃｅｓｓｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＰｒｏｃｅｓｓＫｅｙｗｏｒｄｓ，Ｅｘｔｅｎｄｅｄｄａｔａｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍ，Ｄｅｓｉｇｎ
ｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｅａｒａｌｇｏｒｉｔｈｍ
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１绪论
１．１问墨的提出
２０世纪后期，随着世界经济一体化、科学技术的迅猛发展，以及人类对于保护生态环境的迫切要求，制造业面临着前所未有的挑战，即如何赢得市场和最大限度地满足用户需求。在这一过程中。各个企业采取的基本策略是通过缩短产品的研制开发和生产制造周期、降低成本、提高质量、改善产品性能，使得新产品能够尽早和尽快地进入市场，从而赢得竞争的主动权和优势【ｌ】。换言之，及时地对外提供高质量的产品是制造业企业的生命力之所在。众所周知，产品是制造业企业最终创造经济效益的载体，因此要实现上述目标，就必须在产品设计上进行创新和突破。作为现代制造业企业生产的关键性环节，产品设计在产品的整个生命周期中占有极其重要的地位，它从根本上决定着产品的内在和外在品质以及成本。
而且，现代产品日益复杂，其相应的设计、工艺、制造、检验过程也日益复杂，也要求产品设计方法能解决这种复杂性的设计。此外，由于新产品的开发成为制造业企业间竞争的决定性驱动力，新产品的开发在现代企业生产中显得尤为重要。然而直到现在，新产品开发的失误率仍然是很高的【２，３１，虽然导致这一失败的原因多种多样，但指导产品设计的理论和方法是诸多原因中最重要的一部分。这也使得对新的产品设计方法的需求显得尤为迫切。
并行工程（ＣｏｎｃｕｒｒｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＥ）是适应这一需求的管理方式和研究前沿，要求设计者从设计过程的开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废，包括质量、成本、进程及用户要求的所有要素，产品设计的上游阶段及早地考虑下游阶段和制造的需要，消除产品设计完成后的大返工、大更改的不良反复，从而达到缩短产品开发周期、降低产品成本和提高产品质量的目的。随着科技及社会的不断发展，产品涉及的领域愈来愈广，其复杂程度及技术水平愈来愈高。要想从产品的整个生命制造周期来对产品设计过程进行考虑，必须借助设计模型。因此，对产品开发设计过程进行建模附】，用模型来对产品开发过程进行仿真分析，实现企业生产的全局管理和协调这一思路就凸现出来。在并行工程中，产品开发过程建模就是对产品开发过程的描述、抽象和提炼，并以此为基础完成对产品开发过程的规划、分析和仿真，进而达到从整体上对产品设计过程进行分析和管理的目的。
华中科技大学硕士学位论文建立～个复杂过程的初始模型后，一般还要对模型进行优化和重组。重组是依据产品开发设计过程的自身的复杂性和相关性，按照一定的理论和方法对设计过程中的耦合和迭代关系进行处理，减少耦合，限制迭代，使得设计过程更趋向于并行化和串行化，从而达到缩短设计过程周期和优化设计过程的目的。尽管目前对于产品开发过程的重组和改进尚无通用的理论或方法，但在设计过程中较为常用的方法是对设计过程的任务进行分解和对循环进行割裂，减少设计过程的复杂程度。
基于以上的认识，本文将对现行的产品开发设计中的建模、优化重组方法进行分析和研究，提出一些具体的改进方法，并在理论上做出了稍许有意义的探讨，以期在产品设计过程建模中做出进一步研究和探索。
１．２文献综述
产品设计是包含创新活动的复杂过程，正是由于设计过程的复杂性，要求利用模型来对其进行系统的分析和改进。设计过程建模是用形象、模拟或数学模型描述设计过程Ｉ７１，来对设计过程进行分析与控制，达到对设计过程的改进及优化。随着产品设计在企业竞争中占据着越来越重要的地位，而且现代产品结构越来越复杂，产品功能需求越来越多，就要求提供更好的设计手段和方法。产品设计过程建模正是针对现代产品的特点，利用模型理论的优势来完成对产品的复杂性和功能性设计。设计过程模型的构造以及构造模型的目的都是为了研究问题的需要，都是为了满足对研究问题上的某种需要面建立的：通过对建立的模型进行分析和研究，从更深层次上揭示研究问题的内在特征，从而指导问题的研究。结合产品设计过程建模，即通过建立的模型来对产品的设计过程进行分析和探讨，发掘产品设计过程中的内在复杂的特点，指导产品设计过程的进行，达到缩短产品开发设计的周期和提高产品质量的目的。
产品的设计过程中还应考虑各种各样的其他相关信息，如设计过程的管理，信息的交互等。Ａｓｓｉｎｅ将设计过程的管理分为四步完成１３】：（１）建立设计过程的信息和关系结构模型；（２）对设计任务的执行序列进行规划；（３）降低设计任务间大规模的迭代和循环：“１寻求缩短设计周期的可能性。近几十年来，针对并行工程产品设计过程（ＣｏｎｃｕｒｒｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒｅｓｓ，ＣＥＰＤＰ）的建模方法已经进行了多方面的探讨【９，１０ｌ。如工程评估和评审技术（ＰＥＲＴ）ｆｌｌ】，ＩＤＥＦ方法【１２】，ＰｅｔｒｉＮｅｔｓ［１３１、有向图ＩＭ。值得注意的是西弗吉尼亚大学并行工程研究中心提出的“五类活动法”Ｉｌ”。它采用一种形式化的方法，把并行工程中的活动分成五类，通过任务的分组，过程的分解和关键路径
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法，确定时间最短的产品设计流程。而基于规则的产品设计建模方法提出了一种用规则来组织设计过程信息【１６，１７】，将一个过程描述为从已有的结果到项目管理提出的问题。此外。由Ｓｔｅｗａｒｄ在１９８１年提出的设计结构矩阵（ＤｅｓｉｇｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭａｔｒｉｘ，ＤＳＭ）是一种广泛使用的、基于矩阵信息流的产品建模方法【ｌ钔，非常适用于非标准信息系统的建模㈣。
并行工程要求耦合的产品设计阶段能够同时执行【２０１，因此，将产品设计中的串行设计转换成并行设计就显得十分必要，这种转换的～种很重要的途径就是对设计过程进行重组【２１】。产品设计过程建模和重组早在２０世纪６０年代就开始兴起。尽管目前对产品设计过程模型建立和重组的研究还处于理论上探讨的阶段，但已经出现了很多设计过程建模和重组的方法。如基于ＩＤＥＦ系列的过程重组【埘，基于条件化有向图的过程优化［２３】，结合ＩＤＥＦ模型的流分析方法来对过程分析和重组【２４】等。
随着产品的日益复杂和现代技术的进步，并行工程和虚拟制造将称为未来产品开发设计的主导技术，而设计过程建模和重组正是其中的关键环节。本文将探讨设计过程建模的诸多问题，并对建立的模型进行试探性的重组分析和研究。
１．２．１产品设计过程建模
本质上讲，产品开发设计过程建模及重组研究属于工程设计领域的研究范围。如同原型在软件开发中的作用，设计过程模型为产品的开发设计提供了系统的指导和工程的方法。因此，在产品的设计过程建模和模型重组中，可以广泛地借鉴工程设计的理论与方法学，按工程设计的方法和步骤有条不紊进行产品的设计。
由于企业产品竞争主要是围绕产品的时间（Ｔｉｍｅｔｏｍａｒｋｅｔ，Ｔ）、成本（Ｃｏｓｔ，Ｃ）和质量（Ｑｕａｌｉｔｙ，Ｑ）几个因素进行的【２５‘２７】，因此这三个因素都可能是选择设计过程模型时的支配因索。按照选择这些支配因素的不同，可以把设计过程模型分为顺序过程模型（ＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＭｏｄｅｌ）、设计为中心的模型（ＤｅｓｉｇｎＣｅｎｔｅｒｅｄＭｏｄｅｌ）、并行设计模型（ＣｏｎｃＲｒｒｅｎｔＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌ）和动态过程模型（ＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅｌ）四种类型。
（１１顺序过程模型
选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本。顺序过程模型中，新产品设计在交给制造部门之前，按图中的顺序在不同部门内完成。经过试验、评估或后续的制造发现设计的不合理之处，再返回到设计的某个阶段，进行再设计，一直到满足
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要求为止。依据这一模型进行设计，其优点是过程比较简单。但对于复杂的设计过程，设计周期太长：而且，由于在设计过程中没有检测评估，当最终的设计方案不妥时，将进行大范围的重新设计。
ｆ２）设计为中心的模型
选择该模型的支配因素也是产品的质量与成本。与顺序过程模型不同的是，在设计为中心的模型中，设计人员在设计阶段要更详细的考虑到制造（ＤｅｓｉｇｎＦｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ＤＦＭ）、装配（ＤｅｓｉｇｎＦｏｒＡｓｓｅｍｂｌｙ，ＤＦＡ）、环境（ＤｅｓｉｇｎＦｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）和生命周期的成本（Ｌｉｆｅ．ｃｙｃｌｅＣｏｓｔ，ＬＣＣ）等因素，使设计反复的过程尽可能短。
（３）并行设计模型
选择该类模型的支配因素是产品质量及推向市场的时间。并行设计模型与设计为中心的模型的侧重点在于，该模型为小组工作方式，小组成员要具有不同的知识结构，要有产品开发的下游人员参加，为了共同的目的——尽快开发出新产品而共同努力。该类模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业，也适用于不具备网络环境的小企业。
（４）动态过程模型
与并行设计模型相比，动态过程模型的各个设计阶段同时开始，小组之间的信息交流更加重要，因此就需要更好的设计与过程的集成环境。选用这种模型的驱动力是产品推向市场的时间。
上述４种产品设计过程模型都包括概念设计、技术设计、详细设计和原型试验等几个阶段。概念设计主要从总体功能上对产品进行整体描述：技术设计则从技术的角度考虑产品设计中将会面临的设计问题，并对这些问题进行分析和提出可行方案；详细设计是在将概念设计和技术设计综合，整体、全面地对产品设计过程加以分析、研究和探讨；在详细设计的基础上，原型试验通过建立产品开发的原型系统，对产品设计过程进行测试和评估。这四种模型针对的问题不同，其侧重点也不同，因此在具体的产品开发设计过程中，可以根据实际情况选取模型，也可以将几种模型加以综合，以求用最有的模型来表达设计过程。
在选定了产品设计过程模型后，接下来就需要着重考虑过程建模方法的选择。设计
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过程模型是一种通过组成活动及其活动之间的逻辑关系来描述设计活动的模型，所以有很多方法都可以用来进行过程模型的定义和描述。具体而言可以分为两类：一是按照设计过程的逻辑顺序结构，如顺序、分支、条件、循环等；一是采用传统设计活动的概念和模型来表述设计过程，如ＰＥＲＴ图及各种形式的网络图。下面就来讨论较为通用的建模方法。
（１）ＣＰＭ与ＰＥＲＴ方法
关键路径法（ＣｒｉｔｉｃａｌＰａｔｈＭｅｔｈｏｄ，ＣＰＭ）和工程网络技术方法（ＰｒｏｇｒａｍＥｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄＲｅｖｉｅｗＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＰＥＲＴ）是２０世纪５０年代发展起来的用来管理和控制工程项目实施计划的网络图方法【２８１。这两个方法都是先对项目中的活动及其顺序关系建立活动网络，然后对其中的关键路径、完成时间、活动松弛时间进行计算，对关键路径上的活动完成时间进行控制，并适当调整非关键路径上活动的开始时间，保证项目的按时完成。
得到了设计活动的关键路径后，也就给出了设计过程。本质上，关键路径的思想就是找出在当前状况下最优的设计过程。ＰＥＲＴ方法和ＣＰＭ方法非常类似，也采用关键路径方法来确定设计过程的关键活动。一个比较明显的区别是，ＣＰＭ中活动的持续时间是一固定的值，而ＰＥＲＴ方法中则采用参数来反映活动持续时间，在此不再赘述。
（２）ＩＤＥＦ方法
ＩＤＥＦ方法是一种基于设计功能建模和重组的方法【２９１，于２０世纪８０年代初由美国空军集成化计算机辅助制造（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＩＣＡＭ）工程在结构化分析方法的基础上发展起来的一套系统分析和设计方法。ＩＤＥＦ０将计算机系统和软件工程应用中的技术引入到生产制作中：在另外的ＩＤＥＦ技术中，ＩＤＥＦｌ被发展用于信息分析，ＩＤＥＦ２用于动态分析，而ＩＤＥＦ３则用于过程建模。
如前所述，ＩＤＥＦ３方法主要是用来获取、整理和管理设计过程的知识，尤其是与过程相关的过程建模方法。ＩＤＥＦ３方法可用于描述依一个已有的或待建的系统活动，获取一个过程方案的过程知识。它为构造一个分析和设计模型提供了结构化的知识，可以直接建立结构化的描述模型。ＩＤＥＦ３中定义了两种描述方式：过程流和对象状态转移图。过程流描述设计活动中“活动如何工作”的信息，而对象状态转移图则描述一个特定的过程中活动可能发生的变化。
（３）Ｐｅ砸网方法
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Ｐｅｔｒｉ网是德国学者Ｃ．Ａ．Ｐｅ仃ｉ于２０世纪６０年代在其博士论文中提出来的，经过近四十年的发展，Ｐｅｔｒｉ网方法已经广泛应用于各个领域进行系统的建模、分析和控制。作为一种适用于多种系统的图形化、数学化建模工具，Ｐｅｔｄ网为描述和研究具有并行、异步、分布式和随机性等特征的复杂系统提供了强有力的手段。
一个Ｐｅｔｒｉ网可以看成是一种特殊类型的有向图，由三类元素：库所、变迁和连接库所与变迁的有向弧组成。实际上，库所就是部件，变迁就是对部件的处理，而连接弧则指出库所经变迁之后到库所的过程。
用Ｐｅｔｆｉ网来对产品设计过程建模和重组，一个首要的前提是建立产品开发设计过程的Ｐｅｔｒｉ网。一种方法是直接基于对设计过程的分析和Ｐｅｔｒｉ网建立的通用方法来建模模型；另外一种方法是先建立设计过程的ＩＤＥＦＯ图，然后将ＩＤＥＦ０图转换成Ｐｅｔｒｉ网模型。限于篇幅，在此不对Ｐｅｔｒｉ网的建立作详细介绍。
Ｐｅｔｒｉ网的关联矩阵是基于Ｐｅｔｒｉ网的设计过程重组的关键要素。Ｐｅｔｒｉ网关联矩阵能表达多种设计结构矩阵无法表达的关系。关联矩阵的每一行对应着某一库所与所有变迁之间的关系，关联矩阵的每一列对应着某一变迁与所有库所之间的关系。
（４）ＤＳＭ方法
设计结构矩阵（ＤｅｓｉｇｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭａｔｒｉｘ，ＤＳＭ）是Ｓｔｅｗａｒｄ在引入的，在９０年代获得广泛关注和发展。它是基于矩阵的信息流分析框架，用矩阵来描述设计活动之间的关系，并利用矩阵的特性来对设计活动的关系进行优化来达到重组设计过程的目的。ＤＳＭ的形成有多种起源。一个典型的ＤＳＭ是一个ＮｘＮ有序方阵，很久以来就被系统工程师用来描述结构组件和界面【３０．３２１。质量功能描述矩阵ｆ３３】的“顶”也显现了设计中的迭代。组织设计者也用基于矩阵的技术来建立信息网络的文档１３４１。经济学家用矩阵来概括一个产品属性的改变对其他产品的影响【３５】。直到Ｓｔｅｗｆ．Ｌ－ｄ［３６，３７１用基于矩阵的技术来系统设计过程的结构，并用“设计结构矩阵”来指代从六十年代起就用来管理工程【３８，３９ｌ的、基于时间的有序矩阵。设计结构矩阵一词才正式形成和得到确认。
目前ＤＳＭ已发展为四种类型：基于元素的模型，基于参数的模型；基于行为的模型：基于团队的模型，可以依据具体的设计问题来选取模型的类型。在ＤＳＭ中，关于元素间关系的构造有三种模块：平行模块、顺序模块和耦合模块。因此，使用ＤＳＭ可以对很多复杂的设计过程进行分析和研究。
上述几种设计过程建模方法是常用的几种。除此之外，还有基于有向图、基于工作流的设计过程建模等，在此不再赘述。
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１．２．３设计过程建模存在的问题
由于产品开发过程的研究在理论上还处在探索阶段，相关的理论还有待于充实和完善。此外现代产品的日趋复杂也对设计过程的模拟提出了更高的要求。因此，目前的产品设计过程建模无论是在理论上，还是在方法上都存在着缺陷。随着虚拟制造的发展，将促对进产品设计过程模型研究的进一步开展和深入。
（１）模型理论直到目前为止，还没有一种通用的产品开发设计过程模型。两方面的原因导致了现在的状况。其一，是建模理论本身。产品设计过程的研究属于工程设计研究领域。而关于工程设计理论与方法学在２０世纪６０年代才逐步开始发展起来。到８０年代后期９０年代初期逐渐掀起一个高潮，其标志是１９８６年发表在机械工程杂志上的两篇文章：（ＤｅｓｉｇｎＴｈｅｏｒｙａｎｄＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ—ＡＮｅｗＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅ））和１９８９年的
（ＲｅｓｅａｒｃｈｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ））［４０］ｏ所以建模理论的不完善是不可避免的。其二，是现代产品的复杂性和多样性。科技的发展，人们对产品的需求越来越多样化，越来越复杂化和精美化。这给产品的设计提出了更高的要求和难度。
（２１产品设计技术和方法在出现“产品设计”这个词之前，就出现了产品设计技术和方法。从古到今，设计方法和技术是不断进化，不断完善和不断发展的。类似地，现代产品设计技术也会随着时代的进步而进化和发展。现代产品设计方法和技术，是当今人们在现有科学技术水平下的反映（确＇－ｆｆｌ能还没有达到最优）。因此，应尽可能将新的技术，新的发明和新的知识运用的产品设计过程中来，提高设计技术和方法。
（３）模型功能和描述对于～个待开发的产品，如何描述其设计过程是至关重要的。只有先对产品本身有了清晰的认识，才能决定采用什么样的模型。反过来，模型的功能决定了模型对产品系统描述的精确程度，用模型直接来描述产品系统在现在还显得很不充分。尽管面向对象的模型提出了可能的解决方案，但还处于探索阶段。１．２．４产品设计过程建模的应用
产品设计过程建模及重组优化的产生本身就是为了适应现代产品制造的需要，满足对产品设计的各种需求。因此，从一开始出现，它就是与实际生产制造领域是紧密相关的。目前，产品设计过程建模及重组优化都是包含在大型系统集成开发环境中的，如计算机辅助制造系统（，ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＣＩＭＳ）１４１。２１，虚拟制造（ＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＶＭ）和敏捷制造（ＡｇｉｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）１４３】。这些技术
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正是当前制造领域的研究热点和前沿技术，许多国家和研究机构都对设计过程建模及重组在这些技术中的应用进行研究。
在实际生产中，１９７８年由美国空军提出的ＩＤＥＦ方法被用于集成化计算机辅助制造中进行系统分析和设计。１９９０年由Ｈｕｇｈｅｓ飞机公司提出的、国际上应用最为广泛的设计过程信息建模方法是在ＩＤＥＦｌ基础上发展起来的。ＤＳＭ的研究和工业应用在９０年代得到了广泛的关注。ＤＳＭ已经用来建造建筑物【““，设计半导体１ｓｏ，５１１，设计汽车【５２’５５】，规划照相流程Ｉｓ６】，设计航天航空设备［５７４１１，优化车间装配１６２】，和设计电子产品【６３１。除此之外，Ｐｅｔｒｉ网、条件化有向图等设计过程建模和优化技术也应用在实际产品设计过程中。
１．３研究工作概述及意义
两年来，针对复杂产品设计过程建模及优化中的种种问题，作者进行了分析、探讨和研究。结合产品开发设计的实际情况，把设计结构矩阵、数据流图、灰理论等方法和理论应用到实际的产品设计开发中。深入分析和探讨了设计过程的优化重组。并在Ｂｏｒｌａｎｄｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ６的平台上，对整个产品系统的设计过程建模、模型的重组优化进一步了可视化的仿真演示。在完善系统的同时，发现并解决了部分过程建模中的问题。
在攻读硕士学位期间，参与了国家自然科学基金项目“基于共进化决策的沉浸式支持环境系统研究”（编号：７０１５０００１）的研究工作，重点探讨和研究了复杂产品设计过程中的重组优化问题，提出了新的重组算法。并结合产品设计实例，展现了整个设计建模和重组过程。
进行上述项目研究的基础上，针对一些理论和研究作了进一步的深化与拓展，在已有研究的基础上进行了进一步的探索，主要开展了以下工作：
（１）对现行结构建模技术进行了深入的探讨，分析了存在的问题。借鉴数据流图的描述功能，提出了扩展数据流图（ＥｘｔｅｎｄｅｄＤａｔａＦｌｏｗＤｉａｇｒａｍ，ＥＤＦＤ）。并对ＤＳＭ进行了深入的学习和分析。在这些工作的基础上，提出了基于ＥＤＦＤ和ＤＳＭ的产品设计过程建模的新方法。
（２）研究了基于设计结构矩阵划分和割裂的设计过程重组过程，针对割裂算法中存在的问题，提出了基于传输时间的设计结构矩阵割裂算法。在传输时间的计算中，引入了基于灰理论的专家群体评估法。然后，将割裂问题转换成求解赋权有向图的最短路径问题来求解。该方法较好的考虑了产品设计过程中的诸多因素，尤其是考虑到了设计后
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的实际设计制造过程中的因素。
（３）结合上面提出的方法，给出了一整套产品设计过程建模及重组的体系方法。通过建立产品设计过程的模型，以及对过程模型进行重组，得到一个优化的设计流程，来指导产品的开发设计。
１．４论文体系结构
本文主要研究的是产品设计过程中的建模及重组问题，针对其中存在的某些问题和缺陷提出了自已的观点和解决方法。在本文结构中，三、四两章构成了本文理论研究的主要内容，五、六章是对上述理论分析的实现。
第一章是绪论。综述了产品设计过程建模及重组技术的现状和研究进展，分析了现行产品设计过程建模及重组中的常用方法和存在的问题，指出了设计过程建模在产品开发中的重要性。并对作者的研究工作进行了总结。
第二章给出了产品设计过程建模及重组的方法体系结构。
第三章提出了一种新的设计过程建模技术并探讨了基于设计结构矩阵分解的过程优化。通过对数据流图进行分析，提出了扩展数据流图来加强和扩展数据流图的描述能力；然后强扩展数据流图跌射成设计结构矩阵，依据设计结构矩阵来达到对设计过程，尤其是复杂设计过程的建模。
第四章是基于割裂的模型重组。对现有的模型重组技术和方法进行了探讨和研究，根据设计结构矩阵的特点，在对现有的割裂算法的缺陷进行分析的基础上，引入了传输时间的概念，提出了一种新的割裂算法。
第五章构建了一个设计过程建模和重组原型系统。
第六章结合一个应用实例，对整个产品设计过程进行了演示和分析。
第七章是对全文的一个总结以及对将来研究的展望。
本文结构如图１．１所示。
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图１．１全文组织结构
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２产品设计过程ｔ模和重组体系框架
２．１产品设计过程建模和重组的总体思路
产品设计过程的建模和重组涉及到工程研究领域的建模理论和产品设计技术，虽然现在建模和重组理论、方法和技术都不是很成熟，但其在实践中的应用和已经取得的成果使得越来越多的研究机构和团体加入到这一领域中来。本文旨在对产品设计过程建模和重组优化中的一些问题进行分析和探讨，提出了一种新的建模技术，并在过程模型重组方面做出了值得关注的探讨。结合上述研究线路，给出本文的总体研究思路如下：（１）利用提出的描述能力更强的扩展数据流图对复杂设计过程进行描述，可以描述过程中的并行、串行和选择关系。
（２）通过对扩展数据流图的分析，将其映射成为设计结构矩阵。并简单介绍了映射得以实现的关键因素：有向图。此外，由于扩展数据流图可能对应多个设计结构矩阵，因此简单的介绍了关于设计结构矩阵模型的评价。
ｆ３）经扩展数据流图映射来的设计结构矩阵是一个顶层的矩阵，相当于设计过程中的概要设计流程。对此，采取对设计结构矩阵进行逐步细化分析的方法，将设计任务（或活动）逐一细化，直到达到设计要求为止。在这一过程中，还要始终保持各个设计活动之间的联系和层次关系。在得到最后设计结构矩阵的各个活动的同时，也得到了这些活动之间的关系。
（４）建立了细化后的设计结构矩阵后，其中的设计活动之间的关系显得杂乱无章。通过对设计结构矩阵实旌划分，使得整个矩阵尽可能下三角化，将设计活动中的循环控制到最少，达到缩短设计周期的目的。
（５）对于建立的设计过程模型，要进行重组优化。在设计结构矩阵中，一般是通过割裂算法来实现重组的，但目前并没有成熟通用的割裂算法。本文提出了基于传输时间的设计结构矩阵耦合集割裂算法。传输时间的度量不仅考虑了设计过程中任务间传输信息的时间，还考虑到了实际生产制造中可能消耗的时间。由于影响传输时间的因素很多，为了较客观评估各个影响因素对传输时间的重要性，采用了基于灰理论的专家群体评价方法来对各个影响因素进行评估和计算。最后，将耦合任务集的割裂问题转换成求解赋权有向圈的最短路径问题。
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２．２产品设计过程的方法体系
根据上述思路，参考１．２．１中描述的四种设计过程模型，给出一种新的设计过程建模方法，并针对这种建模方法提出了新的设计过程重组优化算法。下面分两个部分来加以讨论。
２，２．１基于ＥＤＦＤ和ＤＳＭ的设计过程建模
ＥＤＦＤ是对ＤＦＤ的描述能力进行扩充形成的，通过将ＥＤＦＤ转换成ＤＳＭ来建立设计过程的ＤＳＭ模型。整个过程的概念框架如图２．１所示，具体的步骤如下：（１）分析待设计的产品系统，找出其中的设计任务和关系；
（２）利用ＥＤＦＤ描述产品设计过程的设计任务及其关系；
（３）将ＥＤＦＤ映射成为ＤＳＭ；
Ｈ）从多个可能的ＤＳＭ中评选出当前最优的一个；
（５）依据评选出的ＤＳＭ对设计过程进行细化。
图２．１基于ＥＤＦＤ和ＤＳＭ的建模框架
在图２．１的框架结构中，产品设计过程的ＥＤＦＤ描述和ＤＳＭ映射是本文讨论的重点，在下一章中将详细叙述。对于产品分析，有专门的方法和技术手段，本文并不作仔细分析。由ＥＤＦＤ映射到ＤＳＭ，可能存在多种可能的结构，因此要对多个ＤＳＭ作简要的评估，选出在当前条件下最合理的一个。本文将对此作简要的分析。建模框架中的最后一步是任务细化。如前所述，由ＥＤＦＤ映射得到的ＤＳＭ多是顶层ＤＳＭ，还需将其逐步分解细化，直到达到要求。
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＝＝＝≈＝＝＝＝＝≈＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＃＝＝＝＝＝≈＝一＝
２，２．２基于ＤＳＭ的设计过程重组
基于ＤＳＭ的设计过程重组分两个步骤完成：第一步是ＤＳＭ的分解；第二步是ＤＳＭ的割裂。此外，还引入了传输时间，依据传输时间对ＤＳＭ的割裂算法进行改进。综合上述思路和想法，给出基于ＤＳＭ的设计过程重组框架如图２．２，基本步骤如下：（１）ＤＳＭ分解：
（２）获取待割裂的耦合任务集：
（３）计算耦合集中任务问的传输时间；
（４）将耦合集割裂问题转换成求解赋权有向图最短路径问题；
（５）求解最短路径，并依此割裂耦合任务集。
图２．２基于ＤＳＭ和传输时同的设计过程重组
在图２．２的框架结构中，设计过程重组的ＤＳＭ分解是将ＤＳＭ任务细化后杂乱无章的设计任务进行整理和安排设计顺序，其目的是尽可能减少设计过程中大范围的迭代和循环，也为获取割裂模块做准备。割裂是将设计过程中存在的大循环中的小迭代解开，达到避免无限循环和缩短设计和制造周期的目的。因此，割裂模块的选取可以直接从分解后的ＤＳＭ中得到。基于传输时间的耦合集割裂算法将在第四章重点讨论，在此不再赘述。值得注意的是；图２．２中耦合集任务间的传输时间的计算，是本文提出的改进割
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＝＝＝＝；；＝≈＝＝≈＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝目＝＝≈＝＝≈＝＝＝＝；＝＝＝一
裂算法的基础。关于传输时间的分析和计算在第四章详细介绍。图２．２中最后～步是整个过程重组算法的目的之所在。
２．３设计过程的基本实现技术
依据上一节中的思路和方法，并经过对相关思路和方法的分析和研究，提出设计过程建模和重组的实现技术框架，如图２＿３所示。
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信息建模评估重组优化
图２．３设计过程建模和重组实现技术总体框架
图２．３从整体结构上给出了设计过程建模和重组的实现技术，针对其中的一些细节问题，下面给予迸一步讨论。
由设计过程流程到多个设计信息流程是通过分析得到的。一般而言，这一转换过程是比较复杂的，尤其是涉及到很多设计信息的大型设计过程，因此需要借助于分析工具来实现。考虑到本文涉及的复杂设计过程不是很庞大，因此可以依据设计流程直接对可能存在的设计信息进行分析，得到可能存在的多个设计信息流程。
图２．３中的映射原则涉及到图论中的知识。ＥＤＦＤ类似于有向图，而ＤＳＭ的转置矩阵就是有向图的邻接矩阵。基于这些认识和图论中的一些理论，给出了由ＥＤＦＤ到ＤＳＭ映射的一般规则。
ＤＳＭ的评估属于模型评价的范畴，在这方面的理论和方法已经有很多研究和探索。就具体的某些过程模型而言，通用的评选方法可能并不是太适用，因为具体的产品设计系统的设计要素、时间限制，资源限制和产品要求都是不同的，而评选的依据和标准应和这些因素有关。因此，在讨论ＤＳＭ模型的评估问题时，将结合具体产品开发设计过
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程来进行说明。
基于传输时间的ＤＳＭ耦合集割裂算法是本文的一个研究重点和难点。传统的ＤＳＭ割裂算法，都是基于某些给定的条件来割裂大循环中的小迭代。虽然这些给定的条件在某种程度上反映了迭代中的任务之闯的关系和相互联系的程度，在通常情况下都是能使割裂后的设计流程满足既定的要求。但这种割裂算法并没有完全反映出迭代中各任务间的属性及其关联程度，尤其是在需要精确割裂的产品设计过程中，将会使产品的设计流程存在较大的缺陷，直接影响产品制造和质量。本文提出的基于传输时间的割裂算法，在传输时间的评估和计算上考虑和分析多种因素，使得在此基础上的耦合集割裂更加符合产品实际设计过程。
２．４本章小结
本章首先给出了产品设计过程建模和重组的总体思路，依据这一思路，对产品设计过程中的两个重要方法进行了介绍，并描述了实现步骤，并对其中的一些问题和步骤进行了简单的叙述。最后结合总体思路和两个关键的方法，给出了产品设计过程建模和重组基本实现技术框架；针对实现技术中的几个问题，进行了简要的分析和说明。
在后续章节中，将结合产品设计的一般过程：产品系统分析，设计过程建模和设计过程重组等，对本章提到的方法和问题进行探讨和分析。
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３基于设计结构矩阵的产品设计过程ｔ横
３．１产品设计过程麓模概述
设计复杂产品的困难不仅与产品的技术复杂性有关，而且还与管理不同的工程设计方法间的交互的复杂性有关，后者给设计过程增添了另外的困难。研究复杂问题的一个十分可行和有效的方法是对复杂问题建模，通过模型来对复杂问题进行分析和认识。一般来说，产品设计过程模型应包含产品本身的系统设计及组成该系统的子系统或部件的设计，因此制造业企业对产品设计过程建模一般采取的设计策略有两类【硎。策略１：设计过程产生多个可能的解，经过分析、比较与评价，确定一个较好的解，然后基于该解建立模型来完成后续的设计过程和优化。策略２：设计过程中只产生一个解，依据该解建立设计过程模型，然后对模型进行修改、完善和评价。如果该解是一个较好的解则进行后续的设计；反之，产生另一个新解，直到找到一个较好的解为止。
第～类策略是“以问题为中心（ＰｒｏｂｌｅｍＦｏｃｕｓｅｄ）”的设计思想的体现。通过对问题（如产品功能和质量需求）的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，然后依据产品系统的特征来评价确定一个解。该策略特别适用于新产品开发设计，即产品的核心技术采用了全新的原理。该策略可通过第一章中介绍的四种设计过程模型之一来实现。
第二类策略是“以产品为中心（ＰｒｏｄｕｃｔＦｏｃｕｓｅｄ）”的设计思想的体现，即待设计产品的某些概念是在对已有类似或相关产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来的。该策略较适用于适应性产品设计和变参数产品设计。该策略也可通过第一章中提到的四种模型之一来实现。
近年来，并行工程正在成为产品设计中一个十分重要和有效的方法。但并行工程面临着一个重要的挑战，即在产品设计的早期做出可行的决策，使得局部费用和整体费用都很低１６５１。这就是说，早期的设计阶段应考虑所有下游设计中的因素，使得潜在的问题尽可能早地发现。为了实现这一目标，并行设计是以小范围内的迭代来替代传统串行设计过程中的大规模迭代。在ＤＳＭ中，迭代的信息位于矩阵对角线的上方，很容易观察。通过对ＤＳＭ的操作和分析，可以尽早地考虑下游设计过程中的任务，达到节约费用的目的。
基于以上的认识，本章提出了一种基于ＥＤＦＤ和ＤＳＭ的产品设计过程建模方法，
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该方法体现了策略ｌ的设计思想。并结合某企业产品设计的实际过程，对提出的建模方法进行了详细、具体的分析。
３．２设计结构矩阵
３．２．１ＤＳＭ概述
关于ＤＳＭ，早期的工作是利用图来建立系统模型。例如，考虑一个由两个元素组成的系统：元素Ａ和元素Ｂ，并假定这两个元素完整地描述并刻画了该系统的行为。可以先设计一个图来表示这一系统。该系统图的构造方法如下：图上的一个顶点（或节点）表示一个系统元素，而连接两个节点的边则表示两个系统元素间的关系。两元素之间影响的方向性由箭头来刻画。这样得到的图称为方向图，或简称为有向图。
将有向图用矩阵来表示，就形成一个二元方阵，之所以称为二元方阵，是因为该矩阵中的元素只有Ｏ和ｌ，０表示对应的两个元素之间没有任何直接联系，ｌ则表示对应的两元素是直接相连的。该方阵有ｍ行和ｍ列，ｉ１个非零元素。其中ｍ是此有向图中节点的数目，ｒｌ是边的数目。矩阵的设计如下：元素名以相同的顺序放在矩阵的上方和左边，分别作为矩阵的行头和列头。如果从节点ｉ到节点ｊ存在一条边，则元素Ｅｉｉ（ｊ行ｉ列）的值是１（有时也用Ｘ来标记●。否则，元素的值就为０（有时直接设为空）。在一个系统的二元矩阵表示中，对角线上的元素在描述系统时没有任何解释，因此它们通常都被置为空或用黑色标记出来。
对于一个难以解决的问题，用二元矩阵对系统建模是很有用的，因为它们能揭示系统中的元素对之间是否存在连接关系。矩阵表示相对于有向图的一个很大的优势是它的简洁性，以及能为系统元素提供一个清晰、易于读懂而不考虑大小的系统映射。这是用ＤＳＭ进行建模的主要形式。
３．２．２ＤＳＭ的鳍构和类型
ＤＳＭ是一个方阵，方阵的第一行和第一列都列出了所有的任务，其余部分标出了这些任务间的关系。如果系统是由一组将被执行的任务表示的，那么ＤＳＭ的第ｎ行中非对角线上的所有标记，表示在执行第ｎ行对应的任务时，需要这些标记所对应的列的任务的输出。相似的，ＤＳＭ的第ｒｌ列中非对角线上的所有标记，表示执行第ｎ列对应