一種確定產品可重用資源選擇閾值方法

李富昌 程幼明 吳 英

（安徽工程大學管理工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

生產制造業作為國家經濟發展的支柱型產業，其核心任務是設計制造出滿足顧客和市場需求的產品。由于客戶需求的個性化和多樣化以及產品開發設計人員的隨意性，造成了大量產品零部件的冗余和產品設計資源的浪費。因此，對產品設計資源的有效重用提出了要求。

設計資源重用研究涉及重用層次和重用匹配選擇等方面。在重用層次研究方面，Gautam等[1]將重用劃分為基于組件、架構、平臺等實體資源的粗粒度重用和基于需求、過程、模型等知識資源的細粒度重用；武守飛等[2]提出將產品設計資源重用層次劃分為產品層、部件層、零件層和特征層，并對產品設計資源的重用選擇給出了定性分析；于加晴[3]基于檢索匹配程度將設計重用分為完全重用、部分重用和近似重用等三類。在重用匹配選擇方面，偉俊民等[4]計算了零件形狀特征之間的相似度，通過設計人員給定的相似度閥值對零件進行分類及標準化處理；劉征等[5]提出一種基于發明問題解決理論（TRIZ）融合規則推理（RBR）和案例推理（CBR）的產品生態設計方法，根據新設計需求選取相似匹配程度高于所給定閥值的原始設計方案，通過對原始設計方案的修改得到符合要求的新設計方案。通過文獻整理可以發現，重用層次等研究已經相對比較成熟，而重用匹配選擇問題則多是定性研究，在相關定量研究中，閾值也多是由設計人員或設計專家給定，缺乏科學性與客觀性。針對上述不足，提出依據韋伯定律設計出不同重用策略的閾值確定方法，以科學合理的方式匹配選擇對應的重用策略，提高產品設計資源的有效重用程度。

2 產品設計資源重用及其常用策略

大規模定制已成為產品生產組織運營的主流。大規模定制的產品并不是完全全新產品，大多是基于基型產品基礎上的變型產品。一般通過產品模塊化設計和基于工藝特征相似基礎上的產品零部件標準化等方式來實現變型產品的設計。其本質是對現有產品開發設計資源的重用，產品設計資源重用的實質是將產品外部多樣化轉化為內部少量化的方法和處理變與不變的哲理。如今，“企業對現有產品資源有效重用的程度已成為我國與國外產品競爭中最主要的差距”[6]。因此，產品設計資源的有效重用成為企業產品競爭的關鍵。

產品設計資源重用是指將過去的設計信息、設計知識或者設計經驗應用到當前的設計活動中，以便達到快速設計出滿足要求的新產品的目的。其可重用性度量是基于相似度評價基礎上進行的。產品設計資源重用的關鍵是對資源重用策略的合理應用。產品設計資源重用策略是指對設計資源進行重用的方式或方法。而產品設計資源的重用具有多種形式，“以重用對象的類型分有基于實例的重用、基于參數的重用、基于知識的重用及基于規則的重用等；以匹配程度分有精確匹配重用和近似匹配重用；以對象的重用程度分有完全重用和部分重用等”[7]。“另據調查顯示，在絕大多數新產品開發設計中，大約40-50%是直接重用過去的零部件，30-40%是重用修改后的零部件，完全創新的設計僅占10-20%。”[8]

綜上所述，將產品設計資源重用策略歸集為直接重用、修改重用和重新設計等三種。直接重用是指將檢索到符合新設計要求的可重用設計資源不做任何修改直接應用到新產品設計中；修改重用是指檢索到的可重用設計資源并不完全符合新設計要求，把符合要求的部分直接重用，其余部分作相應修改并作為新產品的設計；重新設計是指檢索到的可重用設計資源與設計需求存在較大差異，需要對其進行大量修改或者另行設計。

3 基于韋伯定律確定重用閾值

三種重用策略的選擇一般是根據相似匹配程度來進行的[3-5]。大多是根據設計者的經驗規定一個定量化閾值，相似度高于某一水平（T1）則直接重用、低于某一水平（T2）則重新設計，介于兩者之間則進行修改重用。由此可見，重用閾值的確定是產品設計資源重用策略選用的關鍵，直接影響并決定開發設計成本的高低和響應需求變化時間的長短。針對閾值確定缺乏科學性和客觀性，在此依據反映感覺差異規律的韋伯定律理論來設計出資源重用策略選用的閾值。

3.1 韋伯定律的基本原理

研究表明，人的感覺是由刺激引起的，將剛剛能引起感覺的最小刺激量定義為 “絕對閾限（absolute threshold）”，將所能察覺到刺激的最小差異量定義為“差別感覺閾限（just noticeable difference，JND）”。韋伯認為刺激增量的變化量與原刺激量之間存在著某種特定關系，即△I/I=K，I為原刺激量，△I為刺激增量的變化量，稱其為差別感覺閾限，K為韋伯常數。

“當產品主參數同人的感覺直接相關時，參數值的選擇與確定便受到人的生理功能和心理習慣的嚴格制約。”[9]韋伯定律恰好能反應這一規律。并且不同生理或心理方面常數K各不相同，如在重量感覺中 K是0.03，在視覺中 K是 0.01，在聽覺中K是0.1等。因此，可基于韋伯定律來設計重用策略選擇的閾值。

3.2 基于韋伯定律的閾值模型與測算方法

結合上述重用閾值的相關描述并依據韋伯定律構建出如圖1所示閾值模型。

圖1 重用閾值模型

圖1中I表示原有參數刺激量，X和Y表示變化后的參數刺激量。其中，X是恰好能被感覺到與I存在差異的界限參數值，Y則是恰好能被感覺到與X存在差異的界限參數值，認為Y是恰好能被感覺到與I存在較大差異的界限值。在此根據韋伯定律理論，將人們感覺到變化的刺激量差異（X-I）定義為變與不變的閾值，以T1表示此重用閾值，用來界定直接重用和修改重用；在此基礎上，將感覺到變化的刺激量X重新定義為原有刺激量，基于韋伯定律理論將再次感覺到變化的刺激量Y與I之間的差異（Y-I）定義為較大差異的閾值，以T2表示此重用閾值，用來界定修改重用和重新設計。

綜上所述，可以看出I與X以及X與Y均恰好遵循韋伯定律原理。文中假定韋伯常數K值是已知的。依據韋伯定律可得出由I和K所表征的X和Y的值，其具體表征過程如下列算式所示：

閾值實質上是一種臨界值。文中重用閾值是指針對相似度設定的臨界值，目的是對最大相似度產品設計資源進行界定，從而選擇對應的資源重用策略對其進行有效的重用。在對產品設計資源可用性進行相似度評價時，一般會有多個不同的參數指標參與評價；另外，重用閾值實際上是一種特殊相似度值。因此重用閾值是一種綜合性的相似度閾值，其測算方法與相似度計算方法相類似。相似度一般是通過歐氏距離計算得出，如式1和式2所示。

式中，S 表示相似度， d（x，y）表示兩個對象之間的歐氏距離，xi和yi分別表示不同對象的屬性值，ωi表示第 i（i=0，1，2，3，…，n）個屬性指標的權重值，一般通過專家法或基于消費者偏好問卷調查得出。

然而，歐氏距離表示的是一種絕對距離，在不對數據做規格化處理的情況下，各屬性指標之間的歐氏距離值不具有可比性，更不能進行加權相加處理。因此需要對歐氏距離做出相應的改進。改進結果如式3所示。

式中，D（x，y）表示相對距離，與韋伯定律理論具有內在一致性；在此公式中，xi是指原有參數刺激量，yi是指與xi相對應的變化后參數刺激增量（在閾值計算中表示X或Y）。值得注意的是，由于歐氏距離做出了改進，因此相似度的計算也必然是基于改進歐氏距離的基礎上進行的。

綜上所述，類比相似度計算公式，并結合改進的歐氏距離計算公式得出如下相似度閾值測算方法：

式中，T1、T2表示兩類相似度閾值，Ii表示參與評價的原有參數刺激量，Xi和Yi分別是與Ii相對應的兩類臨界參數刺激量，Ki為不同參數的韋伯常數，ωi表示各參數指標的權重值。

根據式4和式5即可求出兩類相似度閾值，T1為第一類相似度閾值，可用其界定直接重用和修改重用；T2為第二類相似度閾值，可用其界定修改重用和重新設計。通過重用閾值對與新設計要求最相似的可重用設計資源或者產品零部件進行界定，進而選擇相應的資源重用策略對其進行合理重用以完成新產品設計。既滿足了客戶設計要求，又可有效重用現有產品設計資源以及減少產品設計信息的冗余。

4 實例

以柴油發動機設計為例[10]，對基于韋伯定律的重用閾值確定方法進行驗證說明。客戶設計要求（px）及現有相似設計方案（P1-P8）如表1所示。

表1 柴油發動機設計需求及相似設計方案

通常排量和發動機功率體現動力的大小，可通過對速度的改變給人以推背的壓覺感；功率轉速、扭矩和扭矩轉速都與功率相關，最終表現為給人以壓覺感受；油耗的高低一般由儀表盤顯示，通過眼睛給人以視覺刺激；噪聲主要由人的聽覺來感受。通過分析，可以得出七個設計要求參數的韋伯常數K，如表2所示。

表2 設計要求參數的K值

文獻[10]中給出設計要求參數的權重為 ω=（0.15,0.15,0.2,0.2,0.2,0.05,0.05）。 在改進歐氏距離基礎上，基于相似度計算公式可求出新設計要求與8個原有相似設計方案的相似度為Si={0.935，0.930，0.965，0.974，0.914，0.945，0.793，0.843}，其中P4的相似度最大為0.974。需要注意是，在相似度計算中，對參數進行比較分析時，均以最小參數作為原有參數刺激量，以使其符合韋伯定律理論。

通過式4和式5分別計算得出相似度閾值T1=0.979、T2=0.957， 原有設計方案最大相似度0.974 高于 T2=0.957 低于 T1=0.979， 因此選擇修改重用策略對該設計方案進行相應修改設計，最終完成新發動機的開發與設計。在一定程度上優化了產品可重用設計資源的選取與應用，提高了新產品開發設計效率。

5 結束語

針對設計過程中重用閾值設定的主觀性和隨意性，依據韋伯定律設計出了不同重用策略選擇閾值的確定方法，得出兩類相似度閾值。在此過程中，將產品設計資源的重用策略歸集為直接重用、修改重用和重新設計等三種，并揭示了閾值確定的重要性和必要性；同時，對歐氏距離公式做出了相應改進并將其運用到閾值計算及相似度計算中。文中基于韋伯定律的重用閾值研究具有一定的理論和應用價值，通過閾值的設定，能在一定程度上提高產品設計資源重用的有效性和合理性以及減少產品設計信息冗余。

[1]N.Gautam，R.B.Chinnam，N.Singh.Design reuse framework：a Perspective for lean development[J].International Journal of Product Development，2007，（5）：85-507.

[2]武守飛，潘曉弘，張勇，等.面向大批量定制的設計重用支撐平臺研究[J].計算機集成制造系統，2009，（2）：258-264.

[3]于加晴.基于分解的設計過程重用方法研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[4]韋俊民，金隼，林忠欽，等.產品族設計中的零件相似性評價方法[J].上海交通大學學報，2007，（8）：1218-1222.

[5]劉征，顧新建，潘凱，等.基于TRIZ的產品生態設計方法研究——融合規則和案例推理[J].浙江大學學報（工學版），2014，（3）：436-444.

[6]史俊友，翟紅巖.基于 SolidWorks的 CAPP 系統的研究與設計[J].制造業自動化，2005，（10）：50-54.

[7]許靜，紀楊建，祁國寧，等.基于模塊化產品平臺的技術對象重用建模技術研究[J].中國機械工程，2012，（14）：1681-1692.

[8]Aberdeen Group：The Design Reuse Benchmark Report：Seizing the Opportunity to Shorten Product Development[EB/OL].2007，http：//aberdeen.com/Aberdeen-Library/3908/DesRes_Out_3908.aspx.

[9]李春田.標準化概論（第五版）[M].北京：中國人民大學出版社，2010.

[10]萬立，侯添元，熊體凡.面向重用的產品設計過程知識建模與檢索[J].計算機工程與設計，2012，（8）：3176-3183.