需求驅動的大型集裝箱起重機產品綠色配置設計模型

楊勇生， 許波桅， 任洪敏， 于洋， 羅輝

(上海海事大學 a. 物流工程學院；b. 科學研究院；c. 信息工程學院，上海 201306)

0 引 言

為響應全球提倡低碳環保理念要求，近年來世界各個港口都將節能減排作為首要任務，積極采用新技術、新工藝、新設備、新材料等節能減排技術以提升港口企業核心競爭力.作為港口四大貨種之一的集裝箱，其裝卸主力設備——集裝箱起重機正不斷更新換代，朝著智能化、低能耗、高效環保型方向發展.大型集裝箱起重機[1]主要由起升機構、俯仰機構、小車機構、大車機構和其他機構等組成，機構設計和金屬結構計算是大型集裝箱起重機設計中的重要內容.通過反復驗算來確定產品零部件的關鍵特征參數，是大型集裝箱起重機設計的基本特征.經濟全球化帶來的市場飽和及競爭加劇、客戶需求的不斷變化與提高要求集裝箱起重機制造企業將綠色設計[2]思想與產品配置設計技術相結合，設計和開發出環境友好型產品.

近年來，國內外對產品配置的研究極為廣泛.文獻[3]對大批量定制產品配置的框架進行概述；文獻[4]提出一種基于可拓展產品族的產品配置建模方法；文獻[5]應用遺傳算法研究注塑模冷卻系統的配置空間設計方法；文獻[6]研究通用產品配置系統中的知識表示及應用；文獻[7]利用混合的模糊邏輯方法建立從客戶需求到產品配置設計的參數化模型；文獻[8]用p-median問題模型研究產品配置優化問題；文獻[9]應用數學編程方法提出基于產品功能分解的離散設計變量分層優化方法.雖然以上研究均可提高產品配置的效率，但都主要針對產品常規性能設計要求的配置建模與求解，很少考慮綠色特性要求.

為使產品配置方法能夠支持綠色設計，文獻[10]研究大規模定制模式下綠色設計產品信息模型、產品族規劃；文獻[11]提出將可拓學中轉換橋方法引入綠色設計沖突消解研究；文獻[12]研究基于拆卸樹模型的定制產品綠色設計支持系統；文獻[13]提出一種基于四層類模塊產品結構的方法，為綠色產品的設計與開發帶來便利；文獻[14]提出產品可拆卸結構單元圖譜構建與演化方法.然而針對集裝箱起重機這種特殊的復雜產品的綠色配置設計的研究還剛剛起步.

鑒于以上分析，本文將綠色設計思想融入集裝箱起重機產品配置設計模型，建立基于實例模板的產品功能結構映射；針對客戶需求，進行需求分析與反求工程設計，給出需求驅動的綠色產品配置設計流程；基于實例模板與客戶需求的局部相似度、局部綠色特性滿足度、子零部件間的可裝配度，構建多目標帶約束0-1規劃數學模型.該模型可有效支持大型集裝箱起重機產品的綠色配置設計優化和開發.

1 需求驅動的綠色配置基因進化模型

1.1 基于實例模板的產品功能結構映射

實例模板[1]是指產品零部件某一組實例的共同特征屬性的抽象與分類，具體表現為具有共同特征屬性的多個實例集合.應用實例模板作為產品配置設計的進化平臺與工具可使配置設計的進化模型簡化、產品實例檢索空間縮小、配置設計技術方法容易實現.參照生物基因工程原理，通過對實例模板實施基因化操作，表達產品虛擬特征基因來支撐產品配置設計.產品虛擬特征基因是一個抽象的概念，決定著產品的特定結構、功能特征，是有遺傳價值的、標準化的產品特征信息的有機集成.

基于實例模板的產品功能結構映射關系見圖1.產品層存儲滿足客戶功能需求的a個產品(P1,P2,…,Pa),每個產品均是由功能層的若干實例模板(Ti,i=1,…,b)組成，而功能單元的實現需借助于結構層的產品虛擬特征基因X完成.結構層通過訪問支持層中的知識庫獲得配置信息.客戶需求的差異導致產品功能實現結構上的差異,因而產品虛擬特征基因可能有若干種表達方式，與這些表達方式相對應的具體結構稱為該產品虛擬特征基因的實例.

圖1 基于實例模板的產品功能結構映射關系

1.2 需求驅動的綠色產品配置設計流程

由于結構層產品虛擬特征基因所表現出的綠色特性各不相同,配置結果的綠色特性影響也各不相同.為優化配置結果的綠色特性,以基于實例模板的產品功能結構關系為基礎,以知識庫中規則庫、關鍵字庫、實例模板庫、進化庫、裝配庫的信息為支持，給出需求驅動的綠色產品配置設計流程，見圖2.

圖2 需求驅動的綠色產品配置設計流程

需求驅動的綠色配置基因進化模型是將滿足客戶需求和設計者反求工程設計的產品配置問題轉化為以關鍵字過濾的零部件特征屬性的組合優化問題，主要從兩個方面進行：一是基于客戶需求的分析；二是基于知識庫的反求工程設計.

客戶需求是客戶在對產品功能、特性、外形、價格等了解的基礎上，從客戶對產品的個性化、綠色化要求出發對需求產品的直觀描述.客戶需求分析是集裝箱起重機產品配置設計的動力和源泉，決定產品配置設計決策和優化.通過對客戶驅動的信息特征的提取和處理，將客戶需求轉換成需求描述空間(性能特性需求、功能特性需求、結構特性需求、經濟特性需求、綠色特性需求)，即配置設計中的約束.因為目前產品知識庫中很少有能完全滿足其具體要求的產品，且滿足經濟特性需求和綠色特性需求的過程多在產品改進設計階段結合產品評價完成，所以進一步將客戶需求分為強制性約束和建議性約束.[10]為明確約束的作用范圍、提高配置效率，對產品的約束按照一定的映射規則轉化為數字屬性、文字屬性[15]和特征屬性權重，從而把配置約束轉變為與產品知識庫對應的、可直接參與產品配置的需求驅動參數空間.借鑒生物基因工程的原理與方法實施基因操作，得到產品虛擬特征基因和虛擬染色體.

反求工程設計是指設計者運用工程設計經驗、知識和創新思維，根據現有知識庫進行功能、結構、經濟、綠色等方面的解剖,并對約束規則、配置知識、進化操作進行分析，重構和再創造具有特定功能的產品或零部件以滿足客戶某種需求.

1.3 問題表述

以大型集裝箱起重機大車機構為研究對象，基因化的實例模板見表1.假設給定的產品有b個實例模板T={T1,T2,…,Tb}，與其相對應的產品虛擬特征基因X={X1,X2, …,Xn}構成產品虛擬染色體，每個產品虛擬特征基因均擁有Mi(1≤i≤n)個實例，Xij表示第i個產品虛擬特征基因的第j(1≤j≤Mi)個實例.客戶需求Rk是擬為第k個客戶定制的產品(1≤k≤q)，Rk=(R1k，R2k，…，Rik，…，Rnk).文字屬性為“抗風等級”“抗腐蝕等級”，屬性值為“低”“較低”“中”“較高”“高”.在實例特征表中存儲時，定義“低”為1，“較低”為2，“中”為3，“較高”為4，“高”為5.結合客戶對產品的綠色特性需求及其他配置約束，對滿足客戶功能需求的產品虛擬特征基因的實例進行優化組合，使最終配置結果的綜合特性在所有可行方案中最優.

表1 基因化的大車機構實例模板

1.4 局部相似度

局部相似度描述實例模板中的實例Xij與客戶需求Rik之間的相似程度，用S(Xij,Rik)表示，S(Xij,Rik)∈[0,1]，且滿足條件：對稱性S(Xij,Rik)=S(Rik,Xij)；自反性S(Xij,Xij)=1.

(1)若Xij,Rik均是點值，則

(1)

(2)若Xij是點值，Rik是區間值，Rik∈[b1,b2]，則

(2)

若Xij為一個區間值，Rik為一個點值，兩者間的相似度計算與式(2)類似.

(3)若Xij和Rik均是區間值，Xij∈[a1,a2]，Rik∈[b1,b2]，則

S(Xij,Rik)=

(3)

1.5 局部綠色特性

(4)

1.6 配合親和力

每一級部件只有在下一級子部件兩兩間相互匹配的情況下才能順利裝配成功.基于大型集裝箱起重機產品配置設計系統和知識庫，將兩個基因實例(如Xij與XnMi(i≠n))在配置生成的產品方案中的相互配合情況稱為配合親和力[16]：

(5)

式中：d是兼容強度，0

為降低帶有配合度差的基因實例的產品方案的目標函數值，對配合親和力處以一個懲罰函數

(6)

式中：Yu是可變懲罰函數，用于處理第u個產品方案內零部件的可裝配度信息；ε為懲罰因子,與零部件的不兼容程度成正比，可表示為

(7)

式中：α是正的系數，β是正的懲罰基數.

1.7 數學模型

綜合考慮局部相似度、局部綠色特性滿足度、配合親和力，建立多目標帶約束0-1規劃數學模型.該模型的目標函數為

式(8)和(9)中：Fu是第u個產品方案的全局適應度值；Wu是第u個產品方案的重量；Wij是基因實例Xij的重量.該目標函數滿足如下約束.

(1)產品虛擬特征基因選擇約束.在配置過程中應保證在每個產品虛擬特征基因中僅選取一個基因實例，該約束關系可表示為

(10)

當基因實例Xij參與配置時，Xij=1；當基因實例Xij不參與配置時，Xij=0.

(2)產品虛擬特征基因配合約束.在配置過程中應保證從不同產品虛擬特征基因中選取的基因實例相互之間是可裝配的，該約束關系可表示為

A(Xij/Xnci)≠0,i≠n

(11)

(3)產品虛擬特征基因相關性約束[2].在配置過程中,屬于不同結構單元的產品虛擬特征基因實例間可能會具有一定的相關性.例如,結構單元X1中的基因實例X11需與結構單元X2中的基因實例X22配對使用,該約束關系可表示為

(12)

式中：δ為配置過程中需考慮相關性的產品虛擬特征基因實例的個數.

(4)產品虛擬特征基因成本約束.配置產品的總成本應在客戶的承受范圍內,該約束關系可表示為

(13)

式中：Cij表示基因實例Xij的成本；cr表示客戶可以承受的產品最高總成本.

(5)產品虛擬特征基因權重約束

(14)

式中：ei為基因Xi的相對權重，表示對顧客購買決策的重要度.

2 算 例

為驗證本文建立的配置模型，結合基于實例模板的層次化加權多級檢索算法[1]，基于已構建的大車機構實例庫[1]和知識庫[17]中產品零件材質、零件使用壽命、零部件聯接關系、零部件聯接深度、回收方法等信息，針對某一客戶需求進行集裝箱起重機大車機構設計.集裝箱起重機大車機構實例庫網狀結構模型見圖3.大車機構實例庫中有52個八輪大車機構實例，采用本文提出的大型集裝箱起重機產品模型進行配置設計，全局適應度值達到1.84，而大型集裝箱起重機結構的質量為659 854 kg.客戶需求信息及本文方法配置結果見表2.

圖3 集裝箱起重機大車機構實例庫網狀結構模型

表2客戶需求信息及本文方法配置結果

序號特征屬性權值客戶要求配置結果1輪距/mm0．201000～120011002電機功率/kW0．1013～1514．53行走速度/(m/min)0．2045～60454抗風等級0．10較高較高5高度/mm0．203500～400037006走輪直徑/mm0．04700～9008007最大輪壓/Pa0．10≤85808加速度/(m/s2)0．0250～60559工作風速/(m/s)0．0240～504610非工作風速/(m/s)0．0255～6560

由表2可見，該產品方案獲得的配置結果符合客戶要求，可見本文提出的模型是可行的.

3 結束語

本文首先針對集裝箱起重機的特點，建立基于實例模板的產品功能結構映射.其次，為優化配置結果的綠色特性，以基于實例模板的產品功能結構關系為基礎，以知識庫為支持，設計需求驅動的綠色產品配置流程.最后，基于實例模板與客戶需求的局部相似度、局部綠色特性滿足度、子零部件間的可裝配度，構建多目標帶約束0-1規劃數學模型.該模型以產品虛擬特征基因的選擇、配合、相關性、成本、權重為約束，尋求配置設計方案與客戶需求的全局相似度最高和重量最輕之間的最佳平衡點,為大型集裝箱起重機產品配置設計的優化和開發奠定良好基礎.

參考文獻：

[1] 沈海榮, 楊勇生, 張軍. 集裝箱起重機設計的產品配置技術[J]. 上海海事大學學報, 2004, 25(3): 38-42.

[2] 張雷, 劉光復, 劉志峰, 等. 面向綠色設計的產品優化配置方法[J]. 農業機械學報, 2008, 39(9): 122-128.

[3] DANIEL S, RAINER W. Product configuration framework: a survey[J]. IEEE Intelligent Systems, 1998(13): 42-49.

[4] ZHANG S, CHENG H H. Product configuration design based on extensible product family for mass customization[C]// Proc ASME Int Design Engineering Technical Conf, 2005(2B): 1079-1089.

[5] LI C G, LI C L. Plastic injection mould cooling system design by the configuration space method[J]. Computer-Aided Design, 2008(40): 334-349.

[6] 席震宏, 嚴南南. 通用產品配置系統中的知識表示及應用[J]. 上海海事大學學報, 2008, 29(2): 82-85.

[7] GOLOGLU C, MIZRAK C. An integrated fuzzy logic approach to customer-oriented product design[J]. J Engineering Design, 2011, 22(2): 113-127.

[8] OSTROSI E, BI S T. Generalised design for optimal product configuration[J]. Int J Adv Manuf Technol, 2010(49): 13-25.

[9] YOSHIMURA M, YOSHIMURA Y, IZUI K,etal. Product optimization incorporating discrete design variables based on decomposition of performance characteristics[J]. J Mech Des, 2009, 131(3): 031004.

[10] 張雷, 劉光復, 胡迪, 等. 基于約束滿足問題的綠色產品配置設計[J]. 機械工程學報, 2010, 19(10): 117-122.

[11] 陳建, 趙燕偉, 李方義, 等. 基于轉換橋方法的產品綠色設計沖突消解[J]. 機械工程學報, 2010, 46(9): 132-142.

[12] 谷振宇, 曹華軍, 劉飛. 基于拆卸樹模型的定制產品綠色設計支持系統[J]. 計算機集成制造系統, 2009, 15(4): 639-644.

[13] LUH Yuan-Ping, CHU Chih-Hsing, PAN Chih-Chin. Data management of green product development with generic modularized product architecture[J]. Computers in Industry, 2010, 61(3): 223-234.

[14] 張秀芬, 張樹有, 伊國棟. 產品可拆卸結構單元圖譜構建與演化[J]. 機械工程學報, 2011, 47(3): 95-102.

[15] 朱蕓, 陳心昭, 張利, 等. 客戶驅動的廣義產品配置模型研究[J]. 中國機械工程, 2005, 16(13): 1175-1180.

[16] 周美立. 相似機電產品系統雜交集成設計[J]. 機械工程學報, 2002, 38(4): 96-99.

[17] 于洋, 楊勇生, 許波桅, 等. 岸邊集裝箱起重機產品雜交配置知識庫[J]. 上海海事大學學報, 2012, 33(4): 27-32.