楊勇生， 許波桅， 任洪敏， 于洋， 羅輝

(上海海事大學(xué) a. 物流工程學(xué)院；b. 科學(xué)研究院；c. 信息工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

為響應(yīng)全球提倡低碳環(huán)保理念要求，近年來世界各個港口都將節(jié)能減排作為首要任務(wù)，積極采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料等節(jié)能減排技術(shù)以提升港口企業(yè)核心競爭力.作為港口四大貨種之一的集裝箱，其裝卸主力設(shè)備——集裝箱起重機(jī)正不斷更新?lián)Q代，朝著智能化、低能耗、高效環(huán)保型方向發(fā)展.大型集裝箱起重機(jī)[1]主要由起升機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)等組成，機(jī)構(gòu)設(shè)計和金屬結(jié)構(gòu)計算是大型集裝箱起重機(jī)設(shè)計中的重要內(nèi)容.通過反復(fù)驗(yàn)算來確定產(chǎn)品零部件的關(guān)鍵特征參數(shù)，是大型集裝箱起重機(jī)設(shè)計的基本特征.經(jīng)濟(jì)全球化帶來的市場飽和及競爭加劇、客戶需求的不斷變化與提高要求集裝箱起重機(jī)制造企業(yè)將綠色設(shè)計[2]思想與產(chǎn)品配置設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計和開發(fā)出環(huán)境友好型產(chǎn)品.

近年來，國內(nèi)外對產(chǎn)品配置的研究極為廣泛.文獻(xiàn)[3]對大批量定制產(chǎn)品配置的框架進(jìn)行概述；文獻(xiàn)[4]提出一種基于可拓展產(chǎn)品族的產(chǎn)品配置建模方法；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用遺傳算法研究注塑模冷卻系統(tǒng)的配置空間設(shè)計方法；文獻(xiàn)[6]研究通用產(chǎn)品配置系統(tǒng)中的知識表示及應(yīng)用；文獻(xiàn)[7]利用混合的模糊邏輯方法建立從客戶需求到產(chǎn)品配置設(shè)計的參數(shù)化模型；文獻(xiàn)[8]用p-median問題模型研究產(chǎn)品配置優(yōu)化問題；文獻(xiàn)[9]應(yīng)用數(shù)學(xué)編程方法提出基于產(chǎn)品功能分解的離散設(shè)計變量分層優(yōu)化方法.雖然以上研究均可提高產(chǎn)品配置的效率，但都主要針對產(chǎn)品常規(guī)性能設(shè)計要求的配置建模與求解，很少考慮綠色特性要求.

為使產(chǎn)品配置方法能夠支持綠色設(shè)計，文獻(xiàn)[10]研究大規(guī)模定制模式下綠色設(shè)計產(chǎn)品信息模型、產(chǎn)品族規(guī)劃；文獻(xiàn)[11]提出將可拓學(xué)中轉(zhuǎn)換橋方法引入綠色設(shè)計沖突消解研究；文獻(xiàn)[12]研究基于拆卸樹模型的定制產(chǎn)品綠色設(shè)計支持系統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]提出一種基于四層類模塊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方法，為綠色產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)帶來便利；文獻(xiàn)[14]提出產(chǎn)品可拆卸結(jié)構(gòu)單元圖譜構(gòu)建與演化方法.然而針對集裝箱起重機(jī)這種特殊的復(fù)雜產(chǎn)品的綠色配置設(shè)計的研究還剛剛起步.

鑒于以上分析，本文將綠色設(shè)計思想融入集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品配置設(shè)計模型，建立基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射；針對客戶需求，進(jìn)行需求分析與反求工程設(shè)計，給出需求驅(qū)動的綠色產(chǎn)品配置設(shè)計流程；基于實(shí)例模板與客戶需求的局部相似度、局部綠色特性滿足度、子零部件間的可裝配度，構(gòu)建多目標(biāo)帶約束0-1規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.該模型可有效支持大型集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品的綠色配置設(shè)計優(yōu)化和開發(fā).

1 需求驅(qū)動的綠色配置基因進(jìn)化模型

1.1 基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射

實(shí)例模板[1]是指產(chǎn)品零部件某一組實(shí)例的共同特征屬性的抽象與分類，具體表現(xiàn)為具有共同特征屬性的多個實(shí)例集合.應(yīng)用實(shí)例模板作為產(chǎn)品配置設(shè)計的進(jìn)化平臺與工具可使配置設(shè)計的進(jìn)化模型簡化、產(chǎn)品實(shí)例檢索空間縮小、配置設(shè)計技術(shù)方法容易實(shí)現(xiàn).參照生物基因工程原理，通過對實(shí)例模板實(shí)施基因化操作，表達(dá)產(chǎn)品虛擬特征基因來支撐產(chǎn)品配置設(shè)計.產(chǎn)品虛擬特征基因是一個抽象的概念，決定著產(chǎn)品的特定結(jié)構(gòu)、功能特征，是有遺傳價值的、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品特征信息的有機(jī)集成.

基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射關(guān)系見圖1.產(chǎn)品層存儲滿足客戶功能需求的a個產(chǎn)品(P1,P2,…,Pa),每個產(chǎn)品均是由功能層的若干實(shí)例模板(Ti,i=1,…,b)組成，而功能單元的實(shí)現(xiàn)需借助于結(jié)構(gòu)層的產(chǎn)品虛擬特征基因X完成.結(jié)構(gòu)層通過訪問支持層中的知識庫獲得配置信息.客戶需求的差異導(dǎo)致產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的差異,因而產(chǎn)品虛擬特征基因可能有若干種表達(dá)方式，與這些表達(dá)方式相對應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)稱為該產(chǎn)品虛擬特征基因的實(shí)例.

圖1 基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射關(guān)系

1.2 需求驅(qū)動的綠色產(chǎn)品配置設(shè)計流程

由于結(jié)構(gòu)層產(chǎn)品虛擬特征基因所表現(xiàn)出的綠色特性各不相同,配置結(jié)果的綠色特性影響也各不相同.為優(yōu)化配置結(jié)果的綠色特性,以基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ),以知識庫中規(guī)則庫、關(guān)鍵字庫、實(shí)例模板庫、進(jìn)化庫、裝配庫的信息為支持，給出需求驅(qū)動的綠色產(chǎn)品配置設(shè)計流程，見圖2.

圖2 需求驅(qū)動的綠色產(chǎn)品配置設(shè)計流程

需求驅(qū)動的綠色配置基因進(jìn)化模型是將滿足客戶需求和設(shè)計者反求工程設(shè)計的產(chǎn)品配置問題轉(zhuǎn)化為以關(guān)鍵字過濾的零部件特征屬性的組合優(yōu)化問題，主要從兩個方面進(jìn)行：一是基于客戶需求的分析；二是基于知識庫的反求工程設(shè)計.

客戶需求是客戶在對產(chǎn)品功能、特性、外形、價格等了解的基礎(chǔ)上，從客戶對產(chǎn)品的個性化、綠色化要求出發(fā)對需求產(chǎn)品的直觀描述.客戶需求分析是集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品配置設(shè)計的動力和源泉，決定產(chǎn)品配置設(shè)計決策和優(yōu)化.通過對客戶驅(qū)動的信息特征的提取和處理，將客戶需求轉(zhuǎn)換成需求描述空間(性能特性需求、功能特性需求、結(jié)構(gòu)特性需求、經(jīng)濟(jì)特性需求、綠色特性需求)，即配置設(shè)計中的約束.因?yàn)槟壳爱a(chǎn)品知識庫中很少有能完全滿足其具體要求的產(chǎn)品，且滿足經(jīng)濟(jì)特性需求和綠色特性需求的過程多在產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計階段結(jié)合產(chǎn)品評價完成，所以進(jìn)一步將客戶需求分為強(qiáng)制性約束和建議性約束.[10]為明確約束的作用范圍、提高配置效率，對產(chǎn)品的約束按照一定的映射規(guī)則轉(zhuǎn)化為數(shù)字屬性、文字屬性[15]和特征屬性權(quán)重，從而把配置約束轉(zhuǎn)變?yōu)榕c產(chǎn)品知識庫對應(yīng)的、可直接參與產(chǎn)品配置的需求驅(qū)動參數(shù)空間.借鑒生物基因工程的原理與方法實(shí)施基因操作，得到產(chǎn)品虛擬特征基因和虛擬染色體.

反求工程設(shè)計是指設(shè)計者運(yùn)用工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，根據(jù)現(xiàn)有知識庫進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、綠色等方面的解剖,并對約束規(guī)則、配置知識、進(jìn)化操作進(jìn)行分析，重構(gòu)和再創(chuàng)造具有特定功能的產(chǎn)品或零部件以滿足客戶某種需求.

1.3 問題表述

以大型集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)為研究對象，基因化的實(shí)例模板見表1.假設(shè)給定的產(chǎn)品有b個實(shí)例模板T={T1,T2,…,Tb}，與其相對應(yīng)的產(chǎn)品虛擬特征基因X={X1,X2, …,Xn}構(gòu)成產(chǎn)品虛擬染色體，每個產(chǎn)品虛擬特征基因均擁有Mi(1≤i≤n)個實(shí)例，Xij表示第i個產(chǎn)品虛擬特征基因的第j(1≤j≤Mi)個實(shí)例.客戶需求Rk是擬為第k個客戶定制的產(chǎn)品(1≤k≤q)，Rk=(R1k，R2k，…，Rik，…，Rnk).文字屬性為“抗風(fēng)等級”“抗腐蝕等級”，屬性值為“低”“較低”“中”“較高”“高”.在實(shí)例特征表中存儲時，定義“低”為1，“較低”為2，“中”為3，“較高”為4，“高”為5.結(jié)合客戶對產(chǎn)品的綠色特性需求及其他配置約束，對滿足客戶功能需求的產(chǎn)品虛擬特征基因的實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化組合，使最終配置結(jié)果的綜合特性在所有可行方案中最優(yōu).

表1 基因化的大車機(jī)構(gòu)實(shí)例模板

1.4 局部相似度

局部相似度描述實(shí)例模板中的實(shí)例Xij與客戶需求Rik之間的相似程度，用S(Xij,Rik)表示，S(Xij,Rik)∈[0,1]，且滿足條件：對稱性S(Xij,Rik)=S(Rik,Xij)；自反性S(Xij,Xij)=1.

(1)若Xij,Rik均是點(diǎn)值，則

(1)

(2)若Xij是點(diǎn)值，Rik是區(qū)間值，Rik∈[b1,b2]，則

(2)

若Xij為一個區(qū)間值，Rik為一個點(diǎn)值，兩者間的相似度計算與式(2)類似.

(3)若Xij和Rik均是區(qū)間值，Xij∈[a1,a2]，Rik∈[b1,b2]，則

S(Xij,Rik)=

(3)

1.5 局部綠色特性

(4)

1.6 配合親和力

每一級部件只有在下一級子部件兩兩間相互匹配的情況下才能順利裝配成功.基于大型集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品配置設(shè)計系統(tǒng)和知識庫，將兩個基因?qū)嵗?如Xij與XnMi(i≠n))在配置生成的產(chǎn)品方案中的相互配合情況稱為配合親和力[16]：

(5)

式中：d是兼容強(qiáng)度，0

為降低帶有配合度差的基因?qū)嵗漠a(chǎn)品方案的目標(biāo)函數(shù)值，對配合親和力處以一個懲罰函數(shù)

(6)

式中：Yu是可變懲罰函數(shù)，用于處理第u個產(chǎn)品方案內(nèi)零部件的可裝配度信息；ε為懲罰因子,與零部件的不兼容程度成正比，可表示為

(7)

式中：α是正的系數(shù)，β是正的懲罰基數(shù).

1.7 數(shù)學(xué)模型

綜合考慮局部相似度、局部綠色特性滿足度、配合親和力，建立多目標(biāo)帶約束0-1規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.該模型的目標(biāo)函數(shù)為

式(8)和(9)中：Fu是第u個產(chǎn)品方案的全局適應(yīng)度值；Wu是第u個產(chǎn)品方案的重量；Wij是基因?qū)嵗齒ij的重量.該目標(biāo)函數(shù)滿足如下約束.

(1)產(chǎn)品虛擬特征基因選擇約束.在配置過程中應(yīng)保證在每個產(chǎn)品虛擬特征基因中僅選取一個基因?qū)嵗?，該約束關(guān)系可表示為

(10)

當(dāng)基因?qū)嵗齒ij參與配置時，Xij=1；當(dāng)基因?qū)嵗齒ij不參與配置時，Xij=0.

(2)產(chǎn)品虛擬特征基因配合約束.在配置過程中應(yīng)保證從不同產(chǎn)品虛擬特征基因中選取的基因?qū)嵗嗷ブg是可裝配的，該約束關(guān)系可表示為

A(Xij/Xnci)≠0,i≠n

(11)

(3)產(chǎn)品虛擬特征基因相關(guān)性約束[2].在配置過程中,屬于不同結(jié)構(gòu)單元的產(chǎn)品虛擬特征基因?qū)嵗g可能會具有一定的相關(guān)性.例如,結(jié)構(gòu)單元X1中的基因?qū)嵗齒11需與結(jié)構(gòu)單元X2中的基因?qū)嵗齒22配對使用,該約束關(guān)系可表示為

(12)

式中：δ為配置過程中需考慮相關(guān)性的產(chǎn)品虛擬特征基因?qū)嵗膫€數(shù).

(4)產(chǎn)品虛擬特征基因成本約束.配置產(chǎn)品的總成本應(yīng)在客戶的承受范圍內(nèi),該約束關(guān)系可表示為

(13)

式中：Cij表示基因?qū)嵗齒ij的成本；cr表示客戶可以承受的產(chǎn)品最高總成本.

(5)產(chǎn)品虛擬特征基因權(quán)重約束

(14)

式中：ei為基因Xi的相對權(quán)重，表示對顧客購買決策的重要度.

2 算 例

為驗(yàn)證本文建立的配置模型，結(jié)合基于實(shí)例模板的層次化加權(quán)多級檢索算法[1]，基于已構(gòu)建的大車機(jī)構(gòu)實(shí)例庫[1]和知識庫[17]中產(chǎn)品零件材質(zhì)、零件使用壽命、零部件聯(lián)接關(guān)系、零部件聯(lián)接深度、回收方法等信息，針對某一客戶需求進(jìn)行集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)設(shè)計.集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)實(shí)例庫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型見圖3.大車機(jī)構(gòu)實(shí)例庫中有52個八輪大車機(jī)構(gòu)實(shí)例，采用本文提出的大型集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品模型進(jìn)行配置設(shè)計，全局適應(yīng)度值達(dá)到1.84，而大型集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為659 854 kg.客戶需求信息及本文方法配置結(jié)果見表2.

圖3 集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)實(shí)例庫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型

表2客戶需求信息及本文方法配置結(jié)果

序號特征屬性權(quán)值客戶要求配置結(jié)果1輪距/mm0．201000～120011002電機(jī)功率/kW0．1013～1514．53行走速度/(m/min)0．2045～60454抗風(fēng)等級0．10較高較高5高度/mm0．203500～400037006走輪直徑/mm0．04700～9008007最大輪壓/Pa0．10≤85808加速度/(m/s2)0．0250～60559工作風(fēng)速/(m/s)0．0240～504610非工作風(fēng)速/(m/s)0．0255～6560

由表2可見，該產(chǎn)品方案獲得的配置結(jié)果符合客戶要求，可見本文提出的模型是可行的.

3 結(jié)束語

本文首先針對集裝箱起重機(jī)的特點(diǎn)，建立基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射.其次，為優(yōu)化配置結(jié)果的綠色特性，以基于實(shí)例模板的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，以知識庫為支持，設(shè)計需求驅(qū)動的綠色產(chǎn)品配置流程.最后，基于實(shí)例模板與客戶需求的局部相似度、局部綠色特性滿足度、子零部件間的可裝配度，構(gòu)建多目標(biāo)帶約束0-1規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.該模型以產(chǎn)品虛擬特征基因的選擇、配合、相關(guān)性、成本、權(quán)重為約束，尋求配置設(shè)計方案與客戶需求的全局相似度最高和重量最輕之間的最佳平衡點(diǎn),為大型集裝箱起重機(jī)產(chǎn)品配置設(shè)計的優(yōu)化和開發(fā)奠定良好基礎(chǔ).

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