定制复杂产品设计中客户需求变更响应及其关键技术

摘要

随着全球经济发展速度的放缓，市场竞争激烈程度不断加剧，提升制造业尤其是装备制造业水平是国家应对竞争压力的有效途径。在装备制造业中，复杂产品既是核心生产工具，也是主要输出产品。因此，复杂产品对于装备制造业举足轻重。在复杂产品设计过程中，客户需求变更时常发生且难以避免，在此情形下，企业准确回答客户“是否接受需求变更请求”、“产品再配置方案如何”、“何时可完成设计任务”、“变更成本如何”等一系列关键问题对于保证客户及企业的双方利益至关重要。然而，由于复杂产品组成零部件及其设计任务之间存在复杂的关联关系，加之普遍存在的变更传播现象，基于当前的大多数技术方法，难以准确评估需求变更对设计过程的影响，难以实现需求变更的准确决策。这样一来，基于变更决策结果形成的产品再配置、设计任务再分配以及资源再调度等方案的合理性便会受到影响。如果在产品再设计过程中才发现响应方案不合理，可能会降低客户对企业满意度，甚至导致设计任务拖期、成本增加，进而影响企业效益。因此，当客户需求变更时，如何对其影响做出准确评估，以快速科学实现产品再配置、设计任务再分配以及设计资源再调度，进而形成科学准确的需求变更响应方案是企业必须面对的问题。
　　为此，本文基于近年来快速发展的复杂网络理论以及复杂系统动力学方法，以复杂产品设计基本特征为基础，研究复杂产品设计中客户需求变更响应问题，论文主要研究工作及成果如下所述：
　　第一，研究复杂产品设计中客户需求变更响应过程模型。首先，提出需求变更响应过程模型总体研究思路；其次，分析复杂产品及其设计的基本特征，明确复杂产品设计中客户需求变更响应的基本目标；然后，建立复杂产品设计中客户需求变更二级响应过程模型，其中，一级响应模型主要针对是否接受客户需求变更请求展开，二级响应模型主要针对产品再配置方案以及产品设计任务完成日期展开；最后，分析需求变更响应过程中的关键问题，并确定相应关键技术，为后续进一步的深入研究奠定基础。
　　第二，研究复杂产品设计中客户需求变更决策方法。首先，基于需求变更对复杂产品设计过程影响进行评估，构建变更决策过程模型，并将变更影响划分为直接影响和间接影响两方面：为分析变更直接影响，根据复杂产品零部件的关联关系，构建复杂产品结构网络模型；为分析变更间接影响，根据企业客户需求以及产品特性之间的关系，构建客户-需求-特性网络模型。与此同时，根据零件约束及客户间的波及效应，提出复杂产品结构网络及客户-需求-特性网络中的变更传播分析方法；基于上述研究，提出综合反映网络拓扑结构、网络收敛时间及网络经济效益的变更影响全局评价指标；然后，根据评价结果对客户需求进行决策；最后，以某2.5MW风力发电机组设计过程中的需求变更请求决策问题为例对本章研究方法加以验证，案例仿真结果表明本章所提方案可从全局角度较为准确地对需求变更影响进行评估，这为提升决策结果的准确性奠定了基础。
　　第三，研究客户需求变更驱动的复杂产品再配置方法。首先，基于前文成果，构建基于变更零件分类的复杂产品再配置过程模型；其次，基于复杂网络理论提出零件全局通用性分析方法以综合考虑零件功能和数量两个方面的指标，提高复杂产品零部件分类的客观性及准确性；然后，针对通用件再配置问题建立基于自上而下-自下而上混合的再配置双层规划模型，并给出基于嵌入双层迭代比较规则的遗传算法对其求解，针对定制件再配置问题，根据HIB和SIB原则，分别构建相应的再配置模型，并给出嵌入逻辑运算规则的进化算法对其求解；最后，通过某2.5MW风力发电机组产品再配置问题验证本章研究的有效性，分析结果表明本章所提方法可有效提升复杂产品再配置效率。
　　第四，研究客户需求变更驱动的复杂产品设计任务再分配方法。首先，分析客户需求变更条件下复杂产品设计任务再分配的基本特征；其次，根据设计任务再分配目标及相关现实约束构建需求变更下考虑模糊性的复杂产品设计任务再分配数学模型；然后，为提高模型求解效率，提出基于事件-周期混合驱动的设计任务再分配流程；基于此给出多目标自适应分配算法；最后，以某2.5MW风力发电机组产品设计任务再分配问题为案例分析验证本章研究的有效性，通过求解结果的对比分析发现，本章所提方法可显著提升客户需求变更条件下复杂产品设计任务再分配方案帕累托解的最优性。
　　第五，研究客户需求变更驱动的复杂产品设计资源再调度方法。首先，分析客户需求变更条件下复杂产品设计资源再调度的基本特征；其次，根据设计资源再调度目标及相关现实约束条件构建需求变更下复杂产品设计资源再调度模型；然后，提出基于滚动优化的设计资源调度流程，以降低资源调度问题的求解复杂度；基于此给出自适应多目标资源再调度算法；其中，为明确设计任务优先序列，提出基于设计任务-设计资源网络脆弱性的设计任务重要度评价方法；最后，以某2.5MW风力发电机组产品设计资源再调度问题为案例对本章所提方法加以验证，通过结果的对比表明本章所提方法不但具有较好的求解效率，同时所求方案的全局最优性更好。
　　为进一步提高复杂产品设计中客户需求变更响应效率和响应方案的准确性，本文提出了复杂产品设计中客户需求变更二级响应过程模型，并从需求变更二级响应过程中的关键环节客户需求请求决策、产品再配置、设计任务再分配以及设计资源再调度等方面展开深入研究，希望为准确解答需求变更响应过程中“是否接受需求变更请求”、“产品再配置方案如何”、“何时可完成设计任务”、“变更成本如何”等关键问题提供方法指导，以期形成一套复杂产品设计中客户需求变更响应方法体系，进一步丰富和拓展复杂产品设计领域相关理论和方法。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2问题的提出

1.3国内外研究现状

1.4研究目的及意义

1.5研究内容及章节安排

1.6课题来源

1.7本章小结

2 复杂产品设计中客户需求变更响应过程模型及其

2.1引言

2.2总体研究思路

2.3复杂产品及其设计过程的基本特征

2.4客户需求变更下复杂产品设计的基本特征

2.5复杂产品设计中客户需求变更响应目标

2.6复杂产品设计中客户需求变更响应过程模型

2.7变更响应过程中的关键问题

2.8本章小结

3 复杂产品设计中客户需求变更请求决策

3.1引言

3.2需求变更请求决策过程

3.3复杂产品结构网络

3.4客户-需求-特性网络

3.5客户需求变更传播

3.6变更影响评价及请求决策

3.7应用案例

3.8本章小结

4 面向客户需求变更的复杂产品再配置

4.1引言

4.2客户需求变更下基于零件分类的复杂产品再配置过程

4.3产品再配置中基于全局相关性的零件类别划分

4.4复杂产品通用件UB-BU混合再配置模型

4.5复杂产品定制件再配置优化模型

4.6应用案例

4.7本章小结

5 面向客户需求变更的复杂产品设计任务再分配

5.1引言

5.2基于事件-周期混合驱动的设计任务再分配策略

5.3复杂产品设计任务再分配模型

5.4多目标自适应任务分配算法

5.5应用案例

5.6本章小结

6 面向客户需求变更的复杂产品设计资源再调度

6.1引言

6.2复杂产品设计资源再调度滚动优化策略

6.3复杂产品设计资源再调度模型

6.4基于网络脆弱性的任务重要度评价方法

6.5自适应多目标资源调度算法

6.6应用案例

6.7本章小结

7 结论与展望

7.1论文结论

7.2研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表及完成的论文目录

B. 攻读博士学位期间参与的项目