并行產品設計人員學習與交流能力對下游活動影響的研究

田啟華， 汪巍巍， 杜義賢， 董群梅， 文小勇

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌 443002)

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并行產品設計人員學習與交流能力對下游活動影響的研究

田啟華， 汪巍巍， 杜義賢， 董群梅， 文小勇

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌 443002)

設計人員的學習與交流能力是影響并行產品開發的重要因素.為了研究設計人員學習與交流能力對下游設計活動的影響，構建了學習知識量函數與返工率函數，提出了下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的數學模型，研究了設計人員學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻及設計活動間信息交流次數的影響，得出了下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的判斷條件，并通過實例對判斷條件進行了分析驗證.根據判斷條件以及設計人員學習與交流能力指數，計算出下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數.研究結果為縮短產品開發時間與減少產品開發成本提供了理論參考.

并行產品開發； 學習能力； 交流能力； 啟動時刻； 信息交流次數

在產品開發過程中，產品開發任務主要是由企業的產品開發部門承擔，但產品開發部門并不能單獨完成整個產品開發過程，需要其他多個部門共同參與才能完成.對企業來說，縮短產品開發時間是企業提高經濟效益的重要方式之一，為了縮短產品開發時間，下游設計活動經常會在上游設計活動還沒結束前就與上游設計活動進行信息交流，使下游設計活動能夠提前啟動[1].但是企業往往忽略了下游設計活動提前啟動存在的弊端：1)下游設計活動啟動時刻選擇不恰當會引起下游設計活動出現較大的迭代返工，使產品開發成本和開發時間不但不能減少反而會增加；2)上游設計活動與下游設計活動間進行的信息交流不夠充分，則可能會引起產品開發出現大面積的修改和返工，情況嚴重時會降低產品開發的質量；3)設計活動間進行的信息交流同樣需要一定的時間和成本，信息交流過于頻繁則會打亂各設計活動預定的開發計劃.由此可以看出，企業內部在進行產品協同開發時，關鍵是要確定下游設計活動的啟動時刻與上下游設計活動間進行信息交流的次數[2].

從產品開發過程來看，設計人員的學習與交流能力等是影響下游活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的重要因素.徐亮亮等[3]研究了在產品開發過程中影響產品開發的相關因素及其影響原理，并闡述了設計需求和方案求解協同演化創新設計方法的邏輯過程.王娟茹等[4]的研究說明了開發團隊的交流能力對制造業復雜產品的開發成本有影響.賈軍、吳慶鳴等[5-6]所作的研究表明產品開發的成本與設計人員的學習能力有關.馬文建等[7]的研究表明下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數是可以通過計算得出的，并提出要得到最優的產品開發時間就需要考慮下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數.劉偉、王志亮等[8-11]針對設計任務的重疊問題以不同的優化目標進行了研究.徐巖、周雄輝等[12-15]研究了如何確定下游活動啟動時刻的問題.Sosa，Gokpinar等[16-17]的研究說明了在研究最優研發迭代次數時必須考慮研發團隊交流成本這一因素.柴國榮等[18]也提出了能夠計算產品開發時間與產品開發成本的數學模型.但這些研究均未具體考慮設計人員的學習與交流能力對下游設計活動的影響.本文擬以設計人員的學習與交流能力為研究對象，通過構建與學習能力有關的學習知識量函數以及與交流能力有關的返工率函數，研究設計人員學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的影響，得到對下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的判斷條件，從而為確定下游設計活動啟動時刻以及設計活動間信息交流次數提供決策參考.

在產品開發過程中，一方面設計人員對所設計產品的相關知識是通過不斷學習積累的，而學習知識量與設計人員的學習能力有直接關系，設計人員學習能力的大小決定了學習知識量的大小與累積速度，為了描述學習能力對學習知識量的影響，擬構建學習知識量函數來描述學習能力對學習知識量的影響；另一方面，當下游設計活動啟動時以及啟動之后，上游設計活動與下游設計活動的設計人員需要進行信息交流并對已經完成的設計活動進行適當返工，設計人員的交流能力越強，則設計活動間的信息交流越充分，使得設計活動的返工率越低，為了描述交流能力對返工率的影響，擬構建出返工率函數來描述設計人員交流能力對返工率的影響.

設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數是影響下游設計活動的關鍵因素，所以在研究設計人員學習與交流能力對下游設計活動的影響時，可以通過學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的影響來體現.在研究設計人員學習與交流能力對并行產品開發下游設計活動的影響時，可以通過構建與設計人員學習、交流能力相應的學習知識量函數與返工率函數，推導出下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的數學模型，進而對數學模型進行分析，得出設計人員學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的影響，即設計人員學習與交流能力對下游設計活動的影響.

1　學習知識量函數與返工率函數的構建

1.1學習知識量函數的構建

從產品開發的特征來看，設計人員的學習能力是各個設計活動能否順利完成的重要影響因素，擬構建設計人員學習知識量函數來描述設計人員學習能力對上游設計活動學習知識量的影響.設計人員的學習能力反映了承擔該產品開發設計活動人員的設計能力，對于學習能力不同的設計人員而言，在完成相同設計任務時的難易程度是不同的，設計人員學習能力的不同導致學習知識量的大小與積累速度不同，所對應的設計能力也會不同，最終使得產品開發周期和成本都不相同.文獻[7]提出的知識累積率函數中用設計活動的技術創新程度來反映承擔設計活動的團隊的技術開發能力，設計活動的技術創新程度可以從技術的角度體現團隊中設計人員的開發能力，但是團隊中設計人員的技術開發能力與設計人員的學習能力有直接關系，且設計人員的學習能力比設計活動的技術創新程度更能體現設計人員在設計活動中的重要作用.參考上游設計活動知識累積率函數，采用學習能力指數λ來描述設計活動與設計人員之間的關系，定義設計活動學習知識量函數f(t)如下：

(1)

式中：t為設計活動已經執行的時間；T為設計活動的預計完成時間；λ為設計人員學習能力指數，0<λ<1，若λ趨近于0，則表明設計人員學習能力弱，即在任務執行中設計人員不能有效地學到知識，學習的知識量少，若λ趨近于1，則表明設計人員學習能力強，即在任務執行過程中能高效地學到知識，學習的知識量多，因此λ體現出設計人員學習能力對設計活動的影響；(1-λ)表示設計人員對外界提供知識幫助的依賴度，λ越大表明設計人員對外界提供知識幫助的依賴越小，反之則越大；α為設計活動中學習的知識演化路徑指數，其大小取決于設計活動的特性.

1.2返工率函數的構建

當上游設計人員學習的知識信息需要傳遞給下游設計人員時，設計人員間的交流能力越強，則上、下游設計活動之間的信息交流越充分及信息交流率越高，上游設計活動傳遞的信息對下游設計人員的影響程度就越大，下游設計活動返工率越低；反之，設計人員間的交流能力越弱，則上、下游設計活動之間的信息交流越不充分，下游設計人員在與上游設計人員進行信息交流時，從上游設計活動中獲得的信息越少，信息交流率越低，使下游設計人員在完成設計活動時需要作的假設就越多，下游設計活動返工率越高.在文獻[7]的下游設計活動返工函數中，用上游設計活動信息對下游設計活動開展的重要度體現設計活動間傳遞的信息對設計活動的重要性，但設計活動間的信息傳遞與設計人員的交流能力有直接關系，即設計活動的信息在進行傳遞時會受到設計人員交流能力的影響，設計人員交流能力越強，則上、下游設計活動間的信息交流就越充分，使得傳遞的信息越容易被接納和利用，信息的重要度也越能被體現出來，所以設計人員的交流能力比上游設計活動信息對下游設計活動開展的重要度更能體現設計活動與傳遞的信息之間的重要關系.參考下游設計活動的返工函數，用設計人員交流能力指數γ來描述設計活動與傳遞的信息的關系，定義下游設計活動返工率函數g(x)如下：

(2)

式中：x為上游設計活動學習知識量，即式(1)中f(t)；γ為設計人員的交流能力指數，0<γ<1，當γ趨近0時，表明設計人員的交流能力低，此時下游設計活動具有較高的返工率，當γ趨近1，表明設計人員的交流能力較高，此時下游設計活動具有較低的返工率，因此，γ也體現了設計人員的交流能力對下游設計活動執行的重要度；β為下游設計活動開發團隊具有的技術能力指數，β≥0.

2　下游設計活動的數學模型的構建

下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數是影響下游設計活動的重要因素，因此在構建下游設計活動的數學模型時，主要構建下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的數學模型.

假設一個產品開發項目有多個設計活動，現選取其中2個重要設計活動——產品的結構設計與工藝設計來研究，前者為上游設計活動，后者為下游設計活動.上游設計活動預計完成時間為T1，假設下游設計活動在上游設計活動開始后的t0時刻啟動(0≤t0≤T1)，上、下游設計活動在t0～T1時間段內進行n次信息交流(n≥1)，假設每次進行信息交流的時間間隔相同，則相鄰兩次信息交流的時間間隔Δt=(T1-t0)/(n-1).下游設計活動在每個Δt內的工作分為任務返工和有效工作兩部分，則Δt包含了任務返工時間與有效工作時間.

將式(1)代入式(2)，得

(3)

式(3)描述了下游設計活動啟動后其返工率g(t)與時間t的關系，也體現出上游設計活動對下游設計活動影響的連續性，隨著上游設計活動學習知識量的不斷增加,下游設計活動的返工率在不斷降低.

實際應用中我們為了得到簡潔有效的數學模型，參考文獻[7]，取α=1，β=1，此時設計活動的學習知識量函數和返工率函數均為線性，則在第ti時刻時：

(4)

式中：ti=t0+(i-1)Δt，i=1，2，…，n-1.

將返工時間視為返工率與工作時間的乘積，根據返工率g(ti)計算得到在第i個時間間隔Δt內，有效的工作時間Twi與返工時間Tri分別為：

Twi=[1-g(ti)]×Δt，

(5)

Tri=g(ti)×Δt.

(6)

則總的有效工作時間Tw和總的返工時間Tr為：

(7)

(8)

視下游設計活動提前啟動所得的總收益為總的有效工作時間成本，付出的總成本為總的返工時間與信息交流成本，則下游設計活動提前啟動的全局收益π為

π=Twct-(Trct+ncm)，

(9)

式中：ct為下游設計活動單位時間成本，cm為下游設計活動與上游設計活動每次進行信息交流的成本，Twct為總收益，Trct+ncm為總成本.

將式(4)至(8)代入式(9)中整理得：在下游設計活動的啟動時刻為t0、設計活動間信息交流次數為n時的全局收益π(t0,n)為

(10)

對式(10)求全局收益函數π的無條件極值，可得當λ>0，γ>0，且0

(11)

3　學習與交流能力對下游設計活動的影響分析

我們在分析學習與交流能力對下游設計活動的影響時，主要分析其對下游設計活動啟動時刻以及設計活動間信息交流次數這2個方面的影響.

3.1對下游設計活動啟動時刻的影響分析

由式(11)可以看出，學習能力指數λ與交流能力指數γ都能對下游設計活動的啟動時刻產生影響，現就3種情況進行討論.

1)假設上游設計活動完成時或完成之后下游設計活動才開始執行，即t0≥T1.

(12)

可得當λ與γ滿足式(12)時，下游設計活動在上游設計活動完成時或完成之后才開始執行.

最后得出

(13)

可得當λ與γ滿足式(13)時，下游設計活動與上游設計活動同時開始執行.

3)假設下游設計活動在上游設計活動執行過程中開始執行，即0

(14)

可得當λ與γ滿足式(14)時，下游設計活動在上游設計活動執行過程中開始執行.

3.2對設計活動間信息交流次數的影響分析

根據式(11)可以看出，學習與交流能力同樣都能對信息交流次數產生影響，與學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻影響的3種情況同理分析，也可得出學習與交流能力對設計活動間信息交流次數的影響的3種情況：

綜上所述，得到下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的判斷條件如表1所示.

表1下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數的判斷條件

Table 1The judging conditions of downstream design activity start time and the times of information communication between design activities

下游設計活動執行模式λ與γ滿足條件下游設計活動啟動時刻t0信息交流次數n上游設計活動完成時或完成之后下游設計活動才開始執行λγ≥T1ct8cmT1-γT14λ+γT1cm2λct1下游設計活動與上游設計活動同時開始執行8λcmT1γct≤1-4λγγ≥4λ{0T1γct8λcm下游設計活動在上游設計活動執行過程中開始執行8λcmT1γct>1-4λγ或λγ

在并行產品開發中，根據以上判斷條件，判斷出下游設計活動啟動模式，將學習能力指數與交流能力指數以及其他相關參數代入式(11)中，以此確定下游設計活動的啟動時刻與設計活動間信息交流次數.

特別地，對學習能力指數λ與交流能力指數γ分別趨近于0時的2種特殊情況進行分析.

由式(11)可得：

1)當λ趨近于0時，由于t0≥0，所以此時t0趨近于0，設計人員的學習能力得不到體現，交流次數n會變得無窮大，上游設計活動的知識累積不能很好地通過設計人員的自主學習獲得，要求設計人員的交流能力很強.此時，可采用下游設計活動與上游設計活動同時開始執行的模式.

4　實例分析

現以某企業車載裝置開發為例.該企業的產品開發主要由2個部門參與，即產品設計部門與產品制造部門，設計部門的設計人員設計產品的結構、功

能等，設計人員工作一段時間后將設計信息傳遞給制造部門的制造人員，制造人員根據設計人員提供的信息進行制造生產.在產品開發過程中制造人員會與設計人員進行信息交流，設計人員根據制造人員反饋的信息不斷進行設計更改，并將更改后的信息再次傳遞給制造人員，如此反復交流多次后，最終完成整個產品開發過程.產品設計部門與制造部門的人員在產品開發過程中合理地進行信息交流，有效提高了產品開發的速度與效率，將總的成本控制在可以接受的范圍內.

通過對產品設計部門與制造部門的人員進行問卷調查或訪談等方式，獲得產品設計部門與制造部門人員的交流能力指數γ.產品設計部門與制造部門人員的學習能力指數λ主要根據所需傳遞信息的信息量大小以及產品設計部門與制造部門人員的文化程度等因素綜合考慮，對參與人員進行問卷調查并打分獲得.參考文獻[5]和[7]中實例，并對實例數據進行優化與假設，得出產品開發相關參數如表2所示.

表2產品開發相關參數

Table 2The related parameters of product development

參數產品設計部門產品制造部門人員學習能力指數λ0.55人員交流能力指數γ0.72信息交流成本cm/(元/次)400預計信息交流次數n'/次7設計開發的單位時間成本ct/(元/d)1500設計活動預定的啟動時刻t1,t2/d133預計完成所需時間T1,T2/d4045

29.55d，

此時取t0=30 d.

此時，產品開發的總成本C總、總時間T總為：

C總=n×cm+(t0+T2)×ct=

400×5+(30+45)×1500=114 500元，

T總=t0+T2=30+45=75d.

7×400+(33+45)×1500=119 800元，

產品設計部門的任務預計完成時間為40 d，而產品制造部門的任務啟動時刻為第30天，總的交流次數為5次，這就意味著當產品制造部門的任務啟動后，產品設計部門和制造部門平均每兩天就要進行一次信息交流.產品開發進度表是由產品設計部門和制造部門相互溝通后共同制定出來的，并以設計人員的學習與交流能力指數為參考，計算出下游設計活動的啟動時刻與設計活動間信息交流次數后，對在什么時候需要進行信息交流作出調整，并確定每次進行信息交流時要達到的目標.由于有了具體的產品開發進度表，并嚴格按照進度執行，為成功開發產品提供了保障.

在實際開發中，由于明確了產品設計部門和制造部門之間的信息交流次數，而且每次交流的目的明確，使兩部門間的信息交流效率顯著提高，避免了在產品開發過程中各部門之間頻繁或過少進行信息交流的現象發生，產品制造部門任務啟動時刻的確定也減少了因任務提前或滯后啟動帶來的成本增大.有效的信息溝通和交流以及明確了制造部門任務的啟動時刻，使得產品開發任務總的完成時間從計劃的78 d減少為75 d；產品實際開發的總成本為114 500元，比企業計劃的總成本119 800元降低了4.42%.因此，最終提高了產品開發的速度，減少了成本.

5　結束語

本文考慮產品開發設計人員的學習能力和交流能力，提出了與學習能力有關的學習知識量函數以及與交流能力有關的返工率函數，推導出下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的數學模型，研究學習與交流能力對下游設計活動啟動時刻及設計活動間信息交流次數的影響，得出對下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數的影響情況與判斷條件，為確定并行產品開發中下游設計活動的啟動時刻與設計活動間信息交流次數，以及減少產品開發成本、提高產品開發效率提供理論參考.實例分析表明，本文得到的下游設計活動啟動時刻和設計活動間信息交流次數數學模型與判斷條件，對確定合理的下游設計活動啟動時刻與設計活動間信息交流次數有一定的參考作用，能夠縮短產品開發時間，控制設計活動間信息交流次數，最終減少產品開發成本.

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Research on influence of designers′ learning ability and information communication ability to downstream design activity in concurrent product design

TIAN Qi-hua， WANG Wei-wei， DU Yi-xian， DONG Qun-mei， WEN Xiao-yong

(College of Mechanical and Power Engineering， China Three Gorges University， Yichang 443002， China)

The designers′ learning ability and information communication ability are important factors affecting concurrent product development. In order to research the influence of designers′ learning ability and information communication ability to downstream design activity， the learning knowledge quantity function and the rework rate function were constructed， the mathematical model of start time of downstream design activity and information communication times between design activities was put forward， the influence of designers′ learning ability and information communication ability to the start time of downstream design activity and the information communication times between design activities was researched， and the judging conditions of the start time of downstream design activity and the information communication times between design activities were obtained， and the judging conditions were analyzed and verified through an example. The start time of downstream design activity and the information communication times between design activities were calculated on the basis of the judging conditions and the designers′ learning ability and information communication ability indexes. The study provides theoretical reference for shortening the product development time and reducing the product development cost．

concurrent product development; learning ability; information communication ability; start time; information communication times

2016-01-27.

國家自然科學基金資助項目(51475265).

田啟華(1962—)，男，湖北宜昌人，教授，博士，從事CAD/CAE/CAM、優化設計等研究，E-mail：tqh@ctgu.edu.cn.http://orcid.org//0000-0002-6084-6687

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.05.004

T -29； TB 472

A

1006-754X(2016)05-0424-07

本刊網址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb