杨勇生， 许波桅， 任洪敏， 于洋， 罗辉

(上海海事大学 a. 物流工程学院；b. 科学研究院；c. 信息工程学院，上海 201306)

0 引 言

为响应全球提倡低碳环保理念要求，近年来世界各个港口都将节能减排作为首要任务，积极采用新技术、新工艺、新设备、新材料等节能减排技术以提升港口企业核心竞争力.作为港口四大货种之一的集装箱，其装卸主力设备——集装箱起重机正不断更新换代，朝着智能化、低能耗、高效环保型方向发展.大型集装箱起重机[1]主要由起升机构、俯仰机构、小车机构、大车机构和其他机构等组成，机构设计和金属结构计算是大型集装箱起重机设计中的重要内容.通过反复验算来确定产品零部件的关键特征参数，是大型集装箱起重机设计的基本特征.经济全球化带来的市场饱和及竞争加剧、客户需求的不断变化与提高要求集装箱起重机制造企业将绿色设计[2]思想与产品配置设计技术相结合，设计和开发出环境友好型产品.

近年来，国内外对产品配置的研究极为广泛.文献[3]对大批量定制产品配置的框架进行概述；文献[4]提出一种基于可拓展产品族的产品配置建模方法；文献[5]应用遗传算法研究注塑模冷却系统的配置空间设计方法；文献[6]研究通用产品配置系统中的知识表示及应用；文献[7]利用混合的模糊逻辑方法建立从客户需求到产品配置设计的参数化模型；文献[8]用p-median问题模型研究产品配置优化问题；文献[9]应用数学编程方法提出基于产品功能分解的离散设计变量分层优化方法.虽然以上研究均可提高产品配置的效率，但都主要针对产品常规性能设计要求的配置建模与求解，很少考虑绿色特性要求.

为使产品配置方法能够支持绿色设计，文献[10]研究大规模定制模式下绿色设计产品信息模型、产品族规划；文献[11]提出将可拓学中转换桥方法引入绿色设计冲突消解研究；文献[12]研究基于拆卸树模型的定制产品绿色设计支持系统；文献[13]提出一种基于四层类模块产品结构的方法，为绿色产品的设计与开发带来便利；文献[14]提出产品可拆卸结构单元图谱构建与演化方法.然而针对集装箱起重机这种特殊的复杂产品的绿色配置设计的研究还刚刚起步.

鉴于以上分析，本文将绿色设计思想融入集装箱起重机产品配置设计模型，建立基于实例模板的产品功能结构映射；针对客户需求，进行需求分析与反求工程设计，给出需求驱动的绿色产品配置设计流程；基于实例模板与客户需求的局部相似度、局部绿色特性满足度、子零部件间的可装配度，构建多目标带约束0-1规划数学模型.该模型可有效支持大型集装箱起重机产品的绿色配置设计优化和开发.

1 需求驱动的绿色配置基因进化模型

1.1 基于实例模板的产品功能结构映射

实例模板[1]是指产品零部件某一组实例的共同特征属性的抽象与分类，具体表现为具有共同特征属性的多个实例集合.应用实例模板作为产品配置设计的进化平台与工具可使配置设计的进化模型简化、产品实例检索空间缩小、配置设计技术方法容易实现.参照生物基因工程原理，通过对实例模板实施基因化操作，表达产品虚拟特征基因来支撑产品配置设计.产品虚拟特征基因是一个抽象的概念，决定着产品的特定结构、功能特征，是有遗传价值的、标准化的产品特征信息的有机集成.

基于实例模板的产品功能结构映射关系见图1.产品层存储满足客户功能需求的a个产品(P1,P2,…,Pa),每个产品均是由功能层的若干实例模板(Ti,i=1,…,b)组成，而功能单元的实现需借助于结构层的产品虚拟特征基因X完成.结构层通过访问支持层中的知识库获得配置信息.客户需求的差异导致产品功能实现结构上的差异,因而产品虚拟特征基因可能有若干种表达方式，与这些表达方式相对应的具体结构称为该产品虚拟特征基因的实例.

图1 基于实例模板的产品功能结构映射关系

1.2 需求驱动的绿色产品配置设计流程

由于结构层产品虚拟特征基因所表现出的绿色特性各不相同,配置结果的绿色特性影响也各不相同.为优化配置结果的绿色特性,以基于实例模板的产品功能结构关系为基础,以知识库中规则库、关键字库、实例模板库、进化库、装配库的信息为支持，给出需求驱动的绿色产品配置设计流程，见图2.

图2 需求驱动的绿色产品配置设计流程

需求驱动的绿色配置基因进化模型是将满足客户需求和设计者反求工程设计的产品配置问题转化为以关键字过滤的零部件特征属性的组合优化问题，主要从两个方面进行：一是基于客户需求的分析；二是基于知识库的反求工程设计.

客户需求是客户在对产品功能、特性、外形、价格等了解的基础上，从客户对产品的个性化、绿色化要求出发对需求产品的直观描述.客户需求分析是集装箱起重机产品配置设计的动力和源泉，决定产品配置设计决策和优化.通过对客户驱动的信息特征的提取和处理，将客户需求转换成需求描述空间(性能特性需求、功能特性需求、结构特性需求、经济特性需求、绿色特性需求)，即配置设计中的约束.因为目前产品知识库中很少有能完全满足其具体要求的产品，且满足经济特性需求和绿色特性需求的过程多在产品改进设计阶段结合产品评价完成，所以进一步将客户需求分为强制性约束和建议性约束.[10]为明确约束的作用范围、提高配置效率，对产品的约束按照一定的映射规则转化为数字属性、文字属性[15]和特征属性权重，从而把配置约束转变为与产品知识库对应的、可直接参与产品配置的需求驱动参数空间.借鉴生物基因工程的原理与方法实施基因操作，得到产品虚拟特征基因和虚拟染色体.

反求工程设计是指设计者运用工程设计经验、知识和创新思维，根据现有知识库进行功能、结构、经济、绿色等方面的解剖,并对约束规则、配置知识、进化操作进行分析，重构和再创造具有特定功能的产品或零部件以满足客户某种需求.

1.3 问题表述

以大型集装箱起重机大车机构为研究对象，基因化的实例模板见表1.假设给定的产品有b个实例模板T={T1,T2,…,Tb}，与其相对应的产品虚拟特征基因X={X1,X2, …,Xn}构成产品虚拟染色体，每个产品虚拟特征基因均拥有Mi(1≤i≤n)个实例，Xij表示第i个产品虚拟特征基因的第j(1≤j≤Mi)个实例.客户需求Rk是拟为第k个客户定制的产品(1≤k≤q)，Rk=(R1k，R2k，…，Rik，…，Rnk).文字属性为“抗风等级”“抗腐蚀等级”，属性值为“低”“较低”“中”“较高”“高”.在实例特征表中存储时，定义“低”为1，“较低”为2，“中”为3，“较高”为4，“高”为5.结合客户对产品的绿色特性需求及其他配置约束，对满足客户功能需求的产品虚拟特征基因的实例进行优化组合，使最终配置结果的综合特性在所有可行方案中最优.

表1 基因化的大车机构实例模板

1.4 局部相似度

局部相似度描述实例模板中的实例Xij与客户需求Rik之间的相似程度，用S(Xij,Rik)表示，S(Xij,Rik)∈[0,1]，且满足条件：对称性S(Xij,Rik)=S(Rik,Xij)；自反性S(Xij,Xij)=1.

(1)若Xij,Rik均是点值，则

(1)

(2)若Xij是点值，Rik是区间值，Rik∈[b1,b2]，则

(2)

若Xij为一个区间值，Rik为一个点值，两者间的相似度计算与式(2)类似.

(3)若Xij和Rik均是区间值，Xij∈[a1,a2]，Rik∈[b1,b2]，则

S(Xij,Rik)=

(3)

1.5 局部绿色特性

(4)

1.6 配合亲和力

每一级部件只有在下一级子部件两两间相互匹配的情况下才能顺利装配成功.基于大型集装箱起重机产品配置设计系统和知识库，将两个基因实例(如Xij与XnMi(i≠n))在配置生成的产品方案中的相互配合情况称为配合亲和力[16]：

(5)

式中：d是兼容强度，0

为降低带有配合度差的基因实例的产品方案的目标函数值，对配合亲和力处以一个惩罚函数

(6)

式中：Yu是可变惩罚函数，用于处理第u个产品方案内零部件的可装配度信息；ε为惩罚因子,与零部件的不兼容程度成正比，可表示为

(7)

式中：α是正的系数，β是正的惩罚基数.

1.7 数学模型

综合考虑局部相似度、局部绿色特性满足度、配合亲和力，建立多目标带约束0-1规划数学模型.该模型的目标函数为

式(8)和(9)中：Fu是第u个产品方案的全局适应度值；Wu是第u个产品方案的重量；Wij是基因实例Xij的重量.该目标函数满足如下约束.

(1)产品虚拟特征基因选择约束.在配置过程中应保证在每个产品虚拟特征基因中仅选取一个基因实例，该约束关系可表示为

(10)

当基因实例Xij参与配置时，Xij=1；当基因实例Xij不参与配置时，Xij=0.

(2)产品虚拟特征基因配合约束.在配置过程中应保证从不同产品虚拟特征基因中选取的基因实例相互之间是可装配的，该约束关系可表示为

A(Xij/Xnci)≠0,i≠n

(11)

(3)产品虚拟特征基因相关性约束[2].在配置过程中,属于不同结构单元的产品虚拟特征基因实例间可能会具有一定的相关性.例如,结构单元X1中的基因实例X11需与结构单元X2中的基因实例X22配对使用,该约束关系可表示为

(12)

式中：δ为配置过程中需考虑相关性的产品虚拟特征基因实例的个数.

(4)产品虚拟特征基因成本约束.配置产品的总成本应在客户的承受范围内,该约束关系可表示为

(13)

式中：Cij表示基因实例Xij的成本；cr表示客户可以承受的产品最高总成本.

(5)产品虚拟特征基因权重约束

(14)

式中：ei为基因Xi的相对权重，表示对顾客购买决策的重要度.

2 算 例

为验证本文建立的配置模型，结合基于实例模板的层次化加权多级检索算法[1]，基于已构建的大车机构实例库[1]和知识库[17]中产品零件材质、零件使用寿命、零部件联接关系、零部件联接深度、回收方法等信息，针对某一客户需求进行集装箱起重机大车机构设计.集装箱起重机大车机构实例库网状结构模型见图3.大车机构实例库中有52个八轮大车机构实例，采用本文提出的大型集装箱起重机产品模型进行配置设计，全局适应度值达到1.84，而大型集装箱起重机结构的质量为659 854 kg.客户需求信息及本文方法配置结果见表2.

图3 集装箱起重机大车机构实例库网状结构模型

表2客户需求信息及本文方法配置结果

序号特征属性权值客户要求配置结果1轮距/mm0．201000～120011002电机功率/kW0．1013～1514．53行走速度/(m/min)0．2045～60454抗风等级0．10较高较高5高度/mm0．203500～400037006走轮直径/mm0．04700～9008007最大轮压/Pa0．10≤85808加速度/(m/s2)0．0250～60559工作风速/(m/s)0．0240～504610非工作风速/(m/s)0．0255～6560

由表2可见，该产品方案获得的配置结果符合客户要求，可见本文提出的模型是可行的.

3 结束语

本文首先针对集装箱起重机的特点，建立基于实例模板的产品功能结构映射.其次，为优化配置结果的绿色特性，以基于实例模板的产品功能结构关系为基础，以知识库为支持，设计需求驱动的绿色产品配置流程.最后，基于实例模板与客户需求的局部相似度、局部绿色特性满足度、子零部件间的可装配度，构建多目标带约束0-1规划数学模型.该模型以产品虚拟特征基因的选择、配合、相关性、成本、权重为约束，寻求配置设计方案与客户需求的全局相似度最高和重量最轻之间的最佳平衡点,为大型集装箱起重机产品配置设计的优化和开发奠定良好基础.

参考文献：

[1] 沈海荣, 杨勇生, 张军. 集装箱起重机设计的产品配置技术[J]. 上海海事大学学报, 2004, 25(3): 38-42.

[2] 张雷, 刘光复, 刘志峰, 等. 面向绿色设计的产品优化配置方法[J]. 农业机械学报, 2008, 39(9): 122-128.

[3] DANIEL S, RAINER W. Product configuration framework: a survey[J]. IEEE Intelligent Systems, 1998(13): 42-49.

[4] ZHANG S, CHENG H H. Product configuration design based on extensible product family for mass customization[C]// Proc ASME Int Design Engineering Technical Conf, 2005(2B): 1079-1089.

[5] LI C G, LI C L. Plastic injection mould cooling system design by the configuration space method[J]. Computer-Aided Design, 2008(40): 334-349.

[6] 席震宏, 严南南. 通用产品配置系统中的知识表示及应用[J]. 上海海事大学学报, 2008, 29(2): 82-85.

[7] GOLOGLU C, MIZRAK C. An integrated fuzzy logic approach to customer-oriented product design[J]. J Engineering Design, 2011, 22(2): 113-127.

[8] OSTROSI E, BI S T. Generalised design for optimal product configuration[J]. Int J Adv Manuf Technol, 2010(49): 13-25.

[9] YOSHIMURA M, YOSHIMURA Y, IZUI K,etal. Product optimization incorporating discrete design variables based on decomposition of performance characteristics[J]. J Mech Des, 2009, 131(3): 031004.

[10] 张雷, 刘光复, 胡迪, 等. 基于约束满足问题的绿色产品配置设计[J]. 机械工程学报, 2010, 19(10): 117-122.

[11] 陈建, 赵燕伟, 李方义, 等. 基于转换桥方法的产品绿色设计冲突消解[J]. 机械工程学报, 2010, 46(9): 132-142.

[12] 谷振宇, 曹华军, 刘飞. 基于拆卸树模型的定制产品绿色设计支持系统[J]. 计算机集成制造系统, 2009, 15(4): 639-644.

[13] LUH Yuan-Ping, CHU Chih-Hsing, PAN Chih-Chin. Data management of green product development with generic modularized product architecture[J]. Computers in Industry, 2010, 61(3): 223-234.

[14] 张秀芬, 张树有, 伊国栋. 产品可拆卸结构单元图谱构建与演化[J]. 机械工程学报, 2011, 47(3): 95-102.

[15] 朱芸, 陈心昭, 张利, 等. 客户驱动的广义产品配置模型研究[J]. 中国机械工程, 2005, 16(13): 1175-1180.

[16] 周美立. 相似机电产品系统杂交集成设计[J]. 机械工程学报, 2002, 38(4): 96-99.

[17] 于洋, 杨勇生, 许波桅, 等. 岸边集装箱起重机产品杂交配置知识库[J]. 上海海事大学学报, 2012, 33(4): 27-32.