基于成本元的產品概念設計方案經濟性評價方法研究

宋　淼，姜少飛，柴國鐘

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

基于成本元的產品概念設計方案經濟性評價方法研究

宋淼，姜少飛，柴國鐘

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

摘要：為了使設計過程中概念設計方案的評價充分考慮方案的經濟性因素，提出一種基于擴展成本元的產品概念設計方案評價的新方法.該方法基于動態設計過程中經濟性信息，對成本元定義進行擴展，將成本元作為產品經濟性設計的基本元素，初步建立了成本元的框架模型.然后結合相關知識模型在設計早期階段盡可能多的獲取產品經濟性信息，闡述了將成本元作為經濟性評價的智能體，建立了與概念設計并行的經濟性模型.最后詳細描述了成本元方法對概念設計方案經濟性評價的流程.以土豆收獲機概念設計方案的經濟性評價為例驗證了該方法的有效性.

關鍵詞：概念設計方案；成本元；評價；經濟性

Schemes economic evaluation methods of product conceptual

design based on cost unit

SONG Miao, JIANG Shaofei, CHAI Guozhong

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of

Education, Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014, China)

Abstract:An evaluation method of product conceptual design based on expand cost unit was proposed to give due consideration to schemes economic factors during products design process. Based on the economic information of dynamic design process, this method expand the definition of cost unit and establish the framework model of cost unit as the basic elements of product economy design. Then, combined with the related knowledge model, product economy information was got at the early design stage as much as possible. Economic model was founded based on the design information of the current design process. Economic evaluation on the conceptual design scheme using cost unit method was considered finally. A potato harvester conceptual design scheme economic evaluation example was present to verify the feasibility of this method.

Keywords:conceptual design schemes; cost unit; evaluation; economy

概念設計方案的評價是產品取得市場競爭力的重要一步.對于概念設計方案評價方法,國內外學者做了大量的研究：Wang等[1]借助模糊二元語義計算，實現了產品開發過程中主觀評估整合.Akay等[2]提出改進區間模糊信息公理方案的評價方法.李家杰等[3]利用灰色關聯分析模型對產品的概念設計方案進行優劣排序；李善倉等[4]利用層次分析法(AHP)對概念設計方案進行評價研究；Gulfen等[5]采用網格分析法、模糊聚類相結合的評價方法優化了材料處理設備選擇問題.楊濤等[6]從客戶的需求偏好角度，提出基于客戶聚類分析的產品概念設計方案評價決策方法.上述評價方法雖然解決了方案的選擇問題，但評價方法集中于從技術性的角度評價概念設計方案，沒有從經濟性角度去評價設計方案，沒有從設計的角度剖析經濟性與設計的關系.

姜少飛等[7]對成本元理論和方法已經進行了前期的探索研究，在降低成本設計中得到了應用.成本元建模理論是在這個的基礎上對成本元涵義的深入擴展以及對成本元知識進行表達，并應用成本元方法對產品概念設計方案進行經濟性評價.

1成本元方法

1.1成本元描述及定義擴展

成本元是產品設計過程中經濟性信息的一個抽象化說明，存在于設計過程的各個階段，是對產品各個設計元素所包含的經濟性信息及其關系的一種描述.

成本元定義擴展:成本元是時間維和空間維的一個組合值，它依附于設計過程中的動態信息而存在，用以表征產品設計過程中所有能量轉換、物料轉換、信號轉換、原理、結構、工藝、決策等行為所涉及的與經濟性有關的信息,且能夠被惟一標識的實體單元.對一個成本元形式化描述為

CE=

其中：Index為成本元標識，取值為時間維和空間維分類的組合值，用以表征成本元類型，便于匹配與推理；C為成本知識集，用以表征產品成本的形成過程，即原理解、結構、工藝等設計進程元素衍生的成本信息集合，如原理解-成本知識，結構-成本知識，工藝-成本知識；A為C的屬性集，用以表達C的內部狀態或屬性參數；R為關系集，用以表達成本元與成本元之間的關系層次，如一些常用邏輯關系如等于、不等于、包含、被包含等；E表示成本元評價對象的關系，在對概念設計方案經濟性評價中，評價單元是成本信息的承載主體；M為對象的方法集，包括對象所具有的內部處理方法及受理消息的操作，它反映了成本元的自身職能行為；MI為成本知識集的消息接口，用于對所接收的外部信息與有關的內部方法間建立關聯的惟一接口.

1.2成本元模型的構建

概念設計階段后期對方案經濟性評價時，某一方案的結構會涉及到多種類型的成本元，在構建成本元模型時應該考慮不同類型成本元之間的關聯與組合.成本元形式化的主要任務是建立零件/物料知識庫，成本元知識庫以及元關系知識庫.首先以成本元知識庫為中心，根據零件/物料知識庫尋找相對應的關系，再根據各類型的成本元的消息接口尋找出元之間的關系，并建立成本元的框架模型，如圖1所示，其中Mij為元標識，Cj為成本元知識庫，C1，C2，C3，C4分別為各類型成本元，Pi，P1，P2，P3分別為各成本元對應的零件或者物料，R1，R2，R3，R4分別為元之間的作用關系.然后，按照工程設計功能構造方法，對應能量轉換、物料轉換、信號轉換過程中分別設置這三類成本元類型.分析成本元中能量、物料以及信號的轉換信息，并在初步的成本單元中引入與成本元知識庫直接相關的能量、物料以及信號轉換流得到完善化的成本元，圖1中M—M′表示物料流，S—S′表示信號流，E—E′表示能量流.

圖1　成本元框架模型Fig.1　The framework model of cost unit

2基于成本元方法概念設計方案經濟性評價

2.1概念設計過程中經濟性模型研究

在概念設計過程中，一個功能可能有多種原理解，一個原理解可能有多種虛結構，這樣就會產生多套設計方案，如何確定最經濟性方案，可以采用以下方法：由功能推理原理求解虛結構解過程中，加入成本元作為經濟性參考，縮小解的空間.成本元只是設計過程中產品經濟性的載體，必須以某種方法建立起與設計并行的經濟性求解體系才能夠發揮其在概念設計過程中方案經濟性評價中的作用.建立如圖2所示設計過程中經濟性總體研究方案.

圖2　產品設計過程中經濟性總體研究方案Fig.2　 The overall of economy research plan in design process

經濟性總體研究方案分為三大模塊：

模塊1(概念設計過程)：根據用戶需求，利用功能輸入輸出i—o關系(例如：用戶腳的直線移動，旋轉運動)建立產品的功能模型.通過知識數據系統(KBS模型)尋找匹配的概念設計方案，進行虛結構設計.

模塊2(經濟性建模)：根據設計過程中功能-虛結構-經濟性的映射信息可建立起如圖2所示的包含材料元、結構元、加工元等經濟性知識的動態成本元知識庫.然后根據當前的設計進程的設計信息進行經濟性建模.因一個功能可有多個原理解，每個原理解又有多個虛結構解，每個虛結構解又有一個或多個成本元解，所以此時得到的是多個經濟性求解模型(多套經濟性決策方案)，對每個求解模型進行成本元知識推理，或繼續建立成本元與具體經濟性的關聯模型，可以實現設計早期階段的多設計方案的動態經濟性評價決策.

模塊3(成本元模型)：從成本元分類看，評價成本元模型有材料元模型、加工元模型、結構元模型、裝配元模型等.每一種模型作為一個獨立的智能體，設計者可根據設計進程的動態信息添加和提取所需要的經濟性信息.它們有各自的知識表示規則和自己的領域知識庫，每個評價模型可以獨立完成某一方面經濟性評價，評價過程完全獨立進行.

2.2基于成本元方案經濟性評價模型

建立概念設計階段方案的經濟性評價模型是一個復雜的任務，擬采用基于成本元分析法來完成這一任務，即通過不同類型的成本元分別對概念設計方案進行評價.如圖3所示的基于成本元方法產品概念設計方案經濟性評價模型中，各設計方案層和目標層之間加入成本元，運用成本元方法評價方案的經濟性.

圖3　基于成本元產品概念設計方案經濟性評價模型Fig.3　Economic evaluation model based on cost unit

其中目標層為方案的經濟性C，一級評價準則為成本總元，如材料元(C1)、結構元(C2)、加工元(C3)、裝配元(Cm)、標準化元(Cj)等;二級準則層為一級準則層的成本子元，如材料子元1—選材元(C11)，加工子元1—毛坯工藝與成形方法元(C32)等；評價時，依據產品設計過程中所涉及的經濟性信息選取該方案的成本元，先按二級評價準則將每一成本子元進行模糊綜合評價，得出各成本子元的評價結果；再將各成本子元的評價結果進行模糊綜合，得出所有成本總元的綜合評價結果.

2.3概念設計方案經濟性評價流程

在概念設計階段對方案的經濟性評價分為5個步驟，下面將從材料元和加工元兩個方面對方案進行經濟性評價，具體的經濟性評價過程如圖4所示.

步驟1選擇某一概念設計方案，構建虛結構模型.在概念設計過程中，每個原理解有多個虛結構解.

步驟2將虛結構方案分解為組件.每個虛結構方案是由很多部件或組件構成，在對方案進行評價時先將其分解，分別對其子組件進行評價，最后再對方案總體進行考慮.

步驟3分別選取每一子組件，確定其制造過程材料.為了使評價結果具有客觀性，在對組件進行某一成本元的經濟性進行比較時，必須滿足其他類的成本元相同.在確定了組件的制造方法的情況下，通過劍橋大學開發的多材料選擇軟件(CSE)選擇多種材料方案，將其抽象為不同的材料子元.

步驟4在確定組件的材料元制造元后，利用知識數據系統(KBS)里面的規則檢測特征的可制造性，如果特征可制造，則通過成本估算模型估算其制造時間，成本及相關經濟性值.如果特征和知識數據庫里的規則不匹配，則需要修改組件模型.

步驟5待估算完每一組件的制造時間、成本及相關值之后，然后對總體方案進行經濟性評價.輸出評價結果，選擇相對經濟性的方案.

圖4　概念設計方案經濟性評價過程Fig.4　Economic evaluation process at conceptual design

3實例分析

3.1基于成本元的土豆收獲機概念設計過程分析

以土豆收獲機為例來驗證所提方法的可行性和有效性.土豆收獲機是實現土豆挖掘、分離輸送和裝袋的復合機構，其功能結構如圖5所示.

圖5　土豆收獲機的功能結構Fig.5　The function structure of potato harvester

根據功能結構圖，可建立土豆收獲機形態學矩陣，如表1所示.從表1可得到：一個分功能有多個原理解，每個原理解對應多個虛結構.實現土署分離功能的虛結構解有以下3種：鉤桿式、鏈桿式、帶桿式；其工作原理是當被挖起的土壤、薯塊、莖稈等被向上輸送時，在輸送鏈的作用下，土壤被疏松，通過間隙被篩出.各方案的經濟性分析如下：

方案一(鉤桿式)：采用普通圓鋼，價格低廉；采用折彎的方法加工而成，制造工藝簡單；桿的兩端彎成鉤，每個桿的連接是一個單獨的零件； 裝配簡單.

方案二(鏈桿式)：常采用的材料有鋼、鑄鐵、及非金屬材料，選用材料為鑄鐵； 制造方法復雜；一個零件是由相鄰兩桿和連接節組成，比鉤桿式結構復雜； 裝配復雜.

方案三(帶桿式)：桿條采用普通圓鋼；兩端采用沖壓的方法沖成平面，然后在平面上沖孔；將桿條的兩端固定在橡膠帶上，用鉚釘聯接；裝配較復雜.

綜合以上成本元分析，得出各方案的經濟性評價結果，其方案一鉤桿式經濟性最好，表2為土署分離的各方案經濟性的語言變量描述.

表1　土豆收獲機形態學矩陣

表2　土署分離各方案經濟性評價

3.2經濟性方案組合選擇

同理，其他分功能方案用同樣的方法進行評價，經分析該土豆收獲機選用的經濟性方案為A2B5C1D2E3F5G2H1，其總結構如圖6所示.

1—機架；2—萬向節傳動軸；3—變速箱；4—集薯箱；5—齒輪箱；6—莖稈分離器；7—挖掘鏟；8—抖動分離輸送器；9—抖動輪；10—地輪；11—升運鏈圖6　土豆收獲機結構圖Fig.6　Potato harvester structure

4結論

針對復雜機電產品設計過程中的經濟性決策與技術性能的設計存在不同步、不協調，經濟性總是滯后于技術性問題.在研究的基礎上，對成本元的涵義深入擴展，構建了成本元框架模型，探索將之應用于概念設計過程中的策略，為后續的概念設計方案的經濟性評價打下堅實的基礎.通過土豆收獲機實例分析表明，運用成本元方法對設計者在概念設計早期階段經濟性方案的選擇方面有一定的參考意義.

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(責任編輯：劉巖)

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0265-05

作者簡介：宋淼(1989—)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為設計自動化，E-mail:570221516@qq.com.通信作者：姜少飛教授，E-mail:jsf75@zjut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51005211)

收稿日期：2015-01-05