第 1 章 绪论
1.1课题背景及意义
随着全球化竞争日趋激烈，制造业不断面临着一轮又一轮的技术与产业变革。制造业作为国民经济的重要支柱产业，其水平反映了一个地区甚至国家的经济实力、科技水平以及综合国力等多方面情况。目前，中国已经成为制造业大国，如果想要进一步向制造业强国迈进，就需要实现信息化和自动化的融合以及生产模式的转变。技术的不断进步、产品开发设计周期缩减，使得传统的相对固定单一的市场已经逐渐转换成个性化多变的市场。产品的品种和数量的供应越来越丰富，更加剧了市场的分化与竞争，传统生产模式的弊端也逐渐暴露出来，比如缺乏对市场的快速响应能力、资源无法得到高效的利用等等。因此，制造业的生产模式也将由传统的大批量生产向大规模定制进行过渡。大规模定制作为现代化先进性的生产模式，通过产品结构和制造流程的重构，运用现代化的信息技术，把产品的定制生产问题全部或部分转化成为批量生产，以大批量生产的成本和速度，为客户提供个性化定制产品[1]。以客户个性化需求作为其源动力，综合考虑了成本、时间和质量等诸多因素，致力解决客户个性化的需求与大批量生产之间的冲突[2]。优化制造工艺过程是实现大规模定制的一种可靠的手段，由于市场的多变给制造过程带来了更多的不确定因素，制造工艺过程问题变得更为复杂，对制造过程中每一个环节的处理提出了更高的要求[3]。目前，客户对于产品的需求已经从结构提升到性能，传统单一维度的产品族已经无法使企业在激烈的市场竞争中取得优势[4]。产品族不仅要为客户需求提供搜索平台，更要为制造资源提供匹配信息，多维度的产品族是实现设计与制造信息传递、提升产品配置设计速度、降低制造工艺过程复杂性最直接有效的方法。此外，当前制造工艺过程的优化更侧重于每一个环节的管理和重组，没有从源头上解决设备利用率低的问题。因此，研究考虑针对整个制造过程的优化方法以及其优化体系十分具有意义。
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1.2 相关问题的国内外研究现状
随着科技的发展和社会的进步，市场竞争日益激烈，市场划分愈加细致，制造企业竞争的焦点越来越集中于如何才能更快、更好地满足客户多样化的需求。企企业若想在激烈的竞争中取得一定的地位，其相应的生产模式也应试图向着大规模定制进行转型升级[5]。所谓的大规模定制就是将客户的需求作为出发点及向导的一种属于拉动类型的生产模式，其中客户的需求被当做是用来驱动大规模定制实现相应产品设计力量的源泉。对于企业想要以大规模定制方式兼顾客户个性化需求，就必须以更快的速度及更精确的方式来分析处理客户需求，进而使其能够转变成供企业相应生产进程中可以直接实现运用的相关信息[6]。研究发现，客户的个性化、多样化的需求在具有个性的同时也具有共性。在相应的范畴之间，针对要求差距不是很大的客户，能够实现相同的产品或者是服务在同一时间都能取得相当高的满意度。这会使我们有更大的几率以聚类获得客户需求为基础实现大规模定制[7]。客户需求是贯穿于相应产品配置设计与制造过程中的，为了能够使其功能获得更大的发挥空间，在针对客户需求该怎样分析方面，学者们已做了大量的研究。研究主要内容在以下两个方面具体说明。但斌等以大规模定制环境中提取了相应需求信息进行了不同类别的区分，其中各类需求信息形式化的语义描述方法进行了研究，并且构建框架对需求信息进行表达[8]。
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第 2 章 客户需求性能特征分析
2.1 客户性能需求表达
客户需求作为产品设计开发的起始输入变量，同时也是用来衡量产品配置设计与制造过程优化是否合理的最基本的指标。性能需求作为客户需求中最重要的类型，与产品制造过程各个环节具有最直接的关联，因此性能需求直接制约着产品设计与制造过程优化。从不同的约束角度划分，可以将客户需求整合为三种类型，即性能需求、时间需求和经济需求，如下图 2-1 所示。其中，性能需求由三个主要部分组成，包含技术性能需求、环境性能需求和服务性能需求。技术性能包含有物理性能、运行性能、结构合理性及工艺性等内容；环境性能主要指产品的工况、介质和密封等内容；服务性能需求包含有产品的寿命、质量信息、可靠性等具体内容。性能需求信息具有信息量巨大、结构复杂、更新速度快、缺乏准确性和顺序差异等特点，建立客户需求本体模型，为产品配置设计奠定基础。对性能需求进行本体描述，为下一步利用主层次分析法提取性能特征提供统一化的数据，为更好的实现客户需求定量的分析奠定基础。随着多样化和定制化产品的急剧增加，产品性能需求信息呈几何倍数增长，每个产品订单都需要巨大的性能信息作为支撑。大规模定制生产模式下，涌入的大批量的订单更是伴随着性能需求信息的爆炸。同时，产品设计与制造过程优化也在向着多学科融合的方向发展，使得交互型性能知识数量大幅度激增。因此想要通过单一方式对性能需求描述、处理显得困难重重。
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2.2 基于主成分分析法的性能特征的提取
在产品配置设计过程中对客户需求进行聚类，把数量众多大量的客户需求区分组成具有某个或某些特征的客户需求组，对具备相似特征的客户需求进行通用化处理，其余的根据定制需求的不同采取差异化处理，使企业获得最大的收益。在错综复杂的市场竞争中，人们往往忽视了性能才是产品竞争中最核心的要素。用户在进行购买某产品的时候其实是购买它所具备的功能，换言之就是达成所需要的完成某种行为的能力。但是功能只能对产品进行定性的描述，不能为理论研究提供有力的支撑。然而性能可以通过定量的方式来实现对产品差异化的描述，因此从性能出发解决产品制造规划问题显得尤为突出。大规模定制环境下，性能需求具有信息量巨大、结构复杂、更新速度快、缺乏准确性以及顺序差异的诸多特质。无论任何一种机电产品，只有将性能特征描述得越详尽，对产品整个设计与制造过程优化越有利，同时也对产品制造加工提出了更高的要求，企业不得不浪费更多的人力物力来逐个满足客户需求。因此，将性能需求中的性能特征进行提取，用以解决由客户需求带来的产品设计与制造加工之间的矛盾。性能特征也被广泛地应用到不同科研领域，对于狭义的性能特征，质量是对功能的具体化描述，而功能是对质量的概念阐述，两者之间相互约束，相互联系[52]。功能附属的参数从本质上说就是功能能够实现程度的评价量化的指标，它是衔接产品的功能到产品性能的有力途径。
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第 3 章 多维度产品族建模及产品配置设计.......18
3.1 产品配置设计.... 18
3.2 多维度产品族模型.......... 19
3.2.1 多维度产品族结构模型......... 19
3.2.2 产品族结构组成模型...... 20
3.3 产品族性能与结构映射体系........ 22
3.3.1 产品族性能与结构映射关系........ 22
3.3.2 基于模糊层次分析法性能与结构映射...... 23
3.4 产品族结构与工艺映射体系........ 25
3.5 本章小结..... 29
第 4 章 制造工艺过程优化方法......30
4.1 制造工序级资源配置模型..... 30
4.2 工序级资源配置优化...... 35
4.3 实例验证与分析....... 43
4.4 本章小结..... 48
第 5 章 产品制造工艺过程原型系统.....49
5.1 系统的体系结构....... 49
5.2 系统的工作机制....... 50
5.3 系统搭建与实现....... 51
5.4 系统实施价值.... 57
5.5 本章小结..... 58
第 5 章 产品制造工艺过程原型系统
5.1 系统的体系结构
原型系统的主要内容是将以性能需求为切入点，提取性能特征对客户需求进行聚类，建立多维度的产品族模型，提升产品配置设计速度，探索制造过程中任务分解、资源配置和调度的方式与方法，最终实现在大规模定制环境下制造过程的优化。系统从整体上可以分为四层，依次为客户信息层、数据服务层、应用系统层和执行组件层，系统的体系结构主要包括一下，如图 5-1 所示。
1．客户信息层 客户信息层是整个系统的基础，为数据服务层的顺利执行提供基础信息。包括：系统客户信息，例如用户注册，修改密码等；整个系统的全部客户信息的管理，例客户信息的记录与储存，客户的信用评价等。
2．业务平台层 业务平台层是系统运行的工作机制，由任务管理、资源管理、制造流程三个子系统组成。任务管理涵盖能特征提取模块、产品族模块、产品配置模块；资源管管理涵盖资源具备能力模块、资源具备属性模块；制造过程涵盖资源配置控制模块、调度协调模块、过程优化处理模块。
3．支撑系统层 支撑系统层提供了支持系统运行和管理，由协同、授权、工作流、报表、扩展多个模块组成。
4．数据服务层 数据服服务层能够为系统的数据提供服务支撑。数据服务层包含关联数据、基础数据和运行数据三部分：关联数据，表示的是系统的数据之 间的结构关系。例如，特征约束，配置规则等；基础数据，表示的是系统搭建所需要的历史记录数据、结构内容数据、资源属性数据；运行数据，主要是维持程序运行，包含安全数据、通信数据等。
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结论
制造业是国民经济的支柱产业，经济的全球化飞速发展使得制造企业处在一个需求多变、市场竞争日益激烈的环境中。如何在快速响应客户需求满足成本约束的基础上提升企业资源的利用率，是众多企业面临的核心问题。本文结合大批量定制环境下制造工艺过程的现状及存在的问题，阐述了研究的目的和意义，在此基础上，提出了基于多维度产品族的制造工艺过程优化方法，并进行了实例验证和原型系统开发。总结全文，得出以下结论：
（1）建立了客户需求的统一描述形式，分析了大规模定制环境下客户需求中性能需求的特点，从定量的角度分析了客户需求中性能特征进行选择与提取，提出了以性能特征为核心聚类的需求模型，为产品族本体映射提供了数据。
（2）研究建立了多维度产品族模型，描述模型中性能、结构和工艺三个维度的结构与组成，分析了性能与结构、结构与工艺的多维度映射关系，运用模糊层次分析法与多色集合理论实现映射，在此基础上构建了面向多维度产品族的产品配置设计模型，获得了从客户需求到性能特征、性能特征到产品结构、产品结构到工艺信息的逐层匹配。
（3）研究了制造工艺过程的基本流程，分别构建制造任务模型、制造资源模型和制造过程模型，建立了制造工序级资源配置模型，在满足质量、工期和成本的约束条件下，以时间和成本为目标函数，提出了基于综合评价的遗传算法，解决优化过程中设备利用率低的问题。此外，通过实例分析，验证了本文研究方法的有效性和可行性。
（4）分析了系统体系结构和工作机制，建立了原型系统。结合某阀门制造商案例，进行了系统的运行。通过对应用效果的分析，验证了本文关于基于多维度产品族的制造工艺过程优化方法研究结果的正确性和实用性。
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参考文献（略）