武士祺，向 東，王 翔，游孟醒

（清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 引言

隨著制造業(yè)生產(chǎn)能力的不斷提高，用戶對(duì)于產(chǎn)品的大眾化需求得到廣泛滿足，而對(duì)于個(gè)性化需求越來越多。制造業(yè)也開始從大批量制造向生產(chǎn)個(gè)性化產(chǎn)品模式發(fā)展。大批量定制模式產(chǎn)品族的方式產(chǎn)品種類有限，已經(jīng)越來越無法支撐未來高度個(gè)性化產(chǎn)品的開發(fā)[1]。在此背景下，文獻(xiàn)[2]于2013 年提出了大批量個(gè)性化生產(chǎn)模式，并提出了對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品架構(gòu)—開放式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（Openarchitecture Products，OAP）。開放式架構(gòu)產(chǎn)品由開放的產(chǎn)品平臺(tái)和個(gè)性化模塊組成，其中個(gè)性化模塊可以由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較高程度的個(gè)性化，被認(rèn)為是解決未來產(chǎn)品個(gè)性化趨勢(shì)的重要技術(shù)手段。開放式架構(gòu)產(chǎn)品中同一平臺(tái)需要與不同的個(gè)性化模塊相匹配，這使得開放式架構(gòu)的性能匹配需要考慮其穩(wěn)健性。提出開放式架構(gòu)產(chǎn)品的穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的思路和方法進(jìn)行性能匹配設(shè)計(jì)，并以電冰箱作為案例驗(yàn)證方法了的有效性。

2 穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)研究

在大規(guī)模定制模式下，性能匹配設(shè)計(jì)的對(duì)象是現(xiàn)有的產(chǎn)品族，產(chǎn)品族中的產(chǎn)品序列及其規(guī)格參數(shù)均由制造企業(yè)定義，優(yōu)化問題是在一個(gè)確定的范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以可以采用配置設(shè)計(jì)的方式，通過建立配置規(guī)則對(duì)模塊之間的組合形式進(jìn)行約束，來保障產(chǎn)品的性能[3-4]。

穩(wěn)健設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)性能對(duì)設(shè)計(jì)值的變差不敏感，能夠在系統(tǒng)中有不確定的噪聲因素時(shí)，減少性能損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。在文獻(xiàn)[5-7]創(chuàng)立三次設(shè)計(jì)法確立了穩(wěn)健設(shè)計(jì)的基本原理后，在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于開放式架構(gòu)產(chǎn)品，通用的產(chǎn)品平臺(tái)需要覆蓋一類用戶的需求，與不同的個(gè)性化模塊組合形成產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品平臺(tái)需要具有一定的通用性和穩(wěn)定性，所以在進(jìn)行開放式架構(gòu)產(chǎn)品的性能匹配設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其穩(wěn)健性。另一方面，開放式架構(gòu)產(chǎn)品的產(chǎn)品平臺(tái)是開放的，個(gè)性化模塊的參數(shù)可能由用戶或其他企業(yè)決定，對(duì)于平臺(tái)的制造企業(yè)而言，其規(guī)格是不確定的。傳統(tǒng)性能設(shè)計(jì)方法中無法考慮不確定性對(duì)產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的影響，難以保證產(chǎn)品平臺(tái)與個(gè)性化模塊之間的性能匹配。

提出開放式架構(gòu)產(chǎn)品的性能匹配設(shè)計(jì)，采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的思路和方法，將個(gè)性化模塊設(shè)計(jì)變量的變化視為穩(wěn)健設(shè)計(jì)中的噪聲因素，降低個(gè)性化需求引起噪聲影響下產(chǎn)品性能的衰減，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)性能的綜合優(yōu)化。與傳統(tǒng)意義的穩(wěn)健設(shè)計(jì)中噪聲擾動(dòng)是考慮零部件制造誤差，裝配誤差，使用環(huán)境變化等不同，開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)中噪聲的來源是用戶的個(gè)性化需求。

3 開放式架構(gòu)產(chǎn)品的穩(wěn)健性能匹配

基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，將產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)變量作為可控因素，個(gè)性化模塊的設(shè)計(jì)變量作為噪聲因素，將產(chǎn)品平臺(tái)與個(gè)性化模塊之間的性能匹配問題看作噪聲影響下的產(chǎn)品平臺(tái)穩(wěn)健設(shè)計(jì)問題，建立開放式架構(gòu)產(chǎn)品性能匹配設(shè)計(jì)的流程，如圖1 所示。下文將詳述各部分。

圖1 開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)方法框架圖Fig.1 The Robust Performance Matching Process of OAP

3.1 模塊規(guī)劃

開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配首先需要定義產(chǎn)品平臺(tái)和個(gè)性化模塊。其中，構(gòu)成產(chǎn)品平臺(tái)的模塊用于滿足產(chǎn)品的核心功能，需要具有通用性，不受用戶個(gè)性化需求的影響，可以通過大批量制造的方式生產(chǎn)。按照多策略模塊劃分方法[8]，劃分的模塊中滿足標(biāo)準(zhǔn)化策略和的模塊構(gòu)成產(chǎn)品平臺(tái)，客制化策略的模塊構(gòu)成個(gè)性化模塊。

3.2 建立模型

開放式架構(gòu)產(chǎn)品往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)變量眾多，建立優(yōu)化問題模型往往首先需要根據(jù)性能目標(biāo)及約束，分析性能目標(biāo)及約束下設(shè)計(jì)變量對(duì)不同目標(biāo)性能影響程度（如性能關(guān)重度分析方法[9]），篩選出在性能匹配設(shè)計(jì)中產(chǎn)品平臺(tái)需要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)變量。

假設(shè)產(chǎn)品平臺(tái)需要考慮p個(gè)設(shè)計(jì)變量x1，x2，…，xp；個(gè)性化模塊包含 q 個(gè)設(shè)計(jì)變量 z1，z2，…，zq，考慮需求的多樣性，zi在范圍內(nèi)波動(dòng)。開放式架構(gòu)產(chǎn)品穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)的目的是確定產(chǎn)品平臺(tái)的設(shè)計(jì)變量，使個(gè)性化模塊的設(shè)計(jì)變量在范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，組合形成的產(chǎn)品滿足性能約束且目標(biāo)性能的損失最小。用公式描述：

式中：f—目標(biāo)函數(shù)；g、h—不等式形式和等式形式的約束函數(shù)；i—個(gè)性化模塊的數(shù)量。

3.3 穩(wěn)健優(yōu)化

采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的思路，構(gòu)建的穩(wěn)健性能匹配乘積表，其中產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)變量組成內(nèi)表，代表產(chǎn)品平臺(tái)的不同組合形式，如圖2 所示。個(gè)性化模塊設(shè)計(jì)變量組成外表，代表波動(dòng)的噪聲因子。采用正交實(shí)驗(yàn)或均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)表格，將內(nèi)外表的每個(gè)水平組合相乘組成直積表。

圖2 穩(wěn)健性能匹配的乘積表Fig.2 Tables of Robust Performance Matching

根據(jù)直積表指示的試驗(yàn)參數(shù)組合進(jìn)行仿真或試驗(yàn)，計(jì)算產(chǎn)品平臺(tái)在于不同的個(gè)性化模塊組合時(shí)的性能響應(yīng)及產(chǎn)品平臺(tái)的性噪比。依照不同優(yōu)化目的，性噪比的計(jì)算公式如下：

采用回歸分析方法，建立產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)與信噪比之間的擬合模型，對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，找到滿足性能約束條件下信噪比最大的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)變量的組合作為優(yōu)化問題的解。

4 實(shí)例設(shè)計(jì)

電冰箱是用戶個(gè)性化需求較強(qiáng)的典型產(chǎn)品，目前家電企業(yè)中冰箱產(chǎn)品的開發(fā)至少需要半年到一年的時(shí)間，其中大部分時(shí)間用于性能的匹配驗(yàn)證。面對(duì)個(gè)性化的產(chǎn)品需求，若對(duì)每一款產(chǎn)品都進(jìn)行獨(dú)立的性能匹配設(shè)計(jì)耗時(shí)耗力，容易失去市場(chǎng)先機(jī)。

4.1 模塊規(guī)劃

根據(jù)開放式架構(gòu)產(chǎn)品的模塊劃分策略[8]，開放式架構(gòu)冰箱的產(chǎn)品平臺(tái)包括冷凍室及制冷系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)核心的制冷功能；個(gè)性化模塊包括儲(chǔ)物模塊及其配套的風(fēng)道，如冷藏室和變溫室等，用于實(shí)現(xiàn)不同的保鮮功能和容積需求。因篇幅限制，只將容積作為個(gè)性化的需求，以三門冰箱的產(chǎn)品平臺(tái)為例，可附加不同容積的冷藏室和變溫室作為個(gè)性化模塊，產(chǎn)品容積覆蓋的范圍為（230～320）L。

4.2 建立模型

表1 開放式冰箱平臺(tái)參數(shù)水平設(shè)置Tab.1 Levels of Parameters of Open Architecture Refrigerator Platform

開放式冰箱穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)可以描述為：

4.3 穩(wěn)健優(yōu)化

選取設(shè)定范圍內(nèi)的三款箱體作為反映用戶個(gè)性化需求的容積值，T=［230，275，320］。個(gè)性化模塊箱體的寬度與長(zhǎng)度需與平臺(tái)模塊的尺寸相對(duì)應(yīng)，不同的容積是通過改變高度來實(shí)現(xiàn)的，通過冷藏室高度ha與變溫室高度hb來表示不同產(chǎn)品的容積，對(duì)應(yīng)尺寸，如表2 所示。

表2 個(gè)性化箱體模塊參數(shù)Tab.2 Parameters of Personalized Modules

對(duì)產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)采用均勻設(shè)計(jì)，其中每一組產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)組合分別與不同的箱體組進(jìn)行組合，形成開放式冰箱平臺(tái)與個(gè)性化箱體模塊的直積表。通過仿真模型計(jì)算每個(gè)組合下的性能響應(yīng)，限于篇幅性能約束的響應(yīng)結(jié)果不再列出，日耗電量的響應(yīng)結(jié)果及不同平臺(tái)參數(shù)組合的信噪比結(jié)果，如表3 所示。

表3 開放式架構(gòu)冰箱穩(wěn)健性能匹配直積表Tab.3 Tables of Robust Performance Matching of Open Architecture Refrigerator

運(yùn)用回歸分析方法建立產(chǎn)品參數(shù)（包括平臺(tái)參數(shù)和個(gè)性化模塊參數(shù)）與性能約束之間的回歸模型：

產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)與性噪比之間的回歸模型：

在性能約束的條件下對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行混合整數(shù)線性規(guī)劃，得出溫度均勻性、開機(jī)率和回氣溫度響應(yīng)均滿足性能約束并且性噪比最高的產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)變量組合為：Vth=9.05cm3，Lcap=2.7m，Le=6.2m。

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算出的產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)，與范圍內(nèi)的三款箱體（體積分別為248L，278L，310L）組合搭建樣機(jī)，依照新國(guó)標(biāo)在32 ℃和16℃環(huán)溫下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其中一個(gè)測(cè)試結(jié)果曲線，如圖3 所示。所有樣機(jī)的主要測(cè)試指標(biāo)，如表4 所示。三款樣機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足性能要求，能耗水平均達(dá)到了國(guó)家一級(jí)能效，說明能夠用同一產(chǎn)品平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與不同個(gè)性化模塊的性能匹配，滿足用戶在一定范圍內(nèi)的個(gè)性化需求，驗(yàn)證了方法的有效性。

圖3 BCD-278 16℃環(huán)溫下測(cè)試曲線Fig.3 The Testing Curve of BCD-278 in Temperature of 16℃

表4 同一產(chǎn)品平臺(tái)下樣機(jī)測(cè)試結(jié)果Tab.4 Experimental Resultsof Products in Same Product Platform

5 結(jié)論

針對(duì)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)模式下的開放式架構(gòu)產(chǎn)品，提出了穩(wěn)健性能匹配設(shè)計(jì)方法，將穩(wěn)健設(shè)計(jì)的思路應(yīng)用于性能匹配設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了開放式平臺(tái)與不同個(gè)性化模塊之間的性能匹配。

在開放式架構(gòu)冰箱的案例中，對(duì)搭建的平臺(tái)與三款不同箱體形成的樣機(jī)依照新國(guó)標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示均達(dá)到了一級(jí)能效要求，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平臺(tái)通用性的同時(shí)保證了產(chǎn)品性能。