面向服務的復雜成形裝備產品架構設計與優(yōu)化

嚴建文，袁成明，張 強，范 煜,3

(1.合肥工業(yè)大學管理學院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學工業(yè)與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009; 3.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 引言

復雜成形裝備作為高端制造產業(yè)的基礎裝備，是各產業(yè)轉型升級和技術進步的重要保障。服務作為產品服務系統(tǒng)中最靈活的要素，在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等新興信息技術快速發(fā)展的背景下，已經成為裝備制造業(yè)創(chuàng)新不可或缺的組成部分。服務與產品的組合構成了更大的解決方案空間，可以更好地滿足顧客的個性化需求。

面向服務的復雜成形裝備的產品設計是制造企業(yè)從提供產品轉變?yōu)樘峁┊a品服務整體解決方案的重要保障，改變了傳統(tǒng)的裝備制造業(yè)的開發(fā)方式和模式，極其深刻地影響著復雜成形裝備產業(yè)的制造模式和發(fā)展戰(zhàn)略。而產品架構設計作為產品開發(fā)工程的關鍵管理技術，是產品開發(fā)設計的重要結果和企業(yè)經營的產品根基，決定了其開發(fā)過程的創(chuàng)新性與高效性。

產品架構是通過將產品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案[1-2]，體現(xiàn)了產品系統(tǒng)的分解與集成。Ulrich[1]首先從設計理論、軟件工程、運作管理和產品開發(fā)管理等多學科的角度，對制造企業(yè)提出了產品架構的概念，認為產品架構是通過將產品功能分派給物理組塊而形成的系統(tǒng)性方案。它包括三方面的內容，一是功能元素的安排，二是功能元素與物理組件之間的映射，三是相互作用的物理組件之間的界面，體現(xiàn)了產品系統(tǒng)的分解與集成。

面向服務的產品架構設計是以服務為核心，將產品的不同功能單元(稱為服務)通過這些服務之間定義良好的映射關系有效地組合聯(lián)系起來，有效地將系統(tǒng)技術服務化。利用服務組件來執(zhí)行各種任務和業(yè)務功能，并對這些服務組件進行協(xié)調組合以適應復雜多變的業(yè)務流程。基于面向服務的產品架構設計理念，企業(yè)可以實現(xiàn)異構系統(tǒng)資源的有效集成，解決企業(yè)信息孤島問題，在適應企業(yè)業(yè)務需求不斷變化的同時，可以靈活地構建新的系統(tǒng)服務組件，滿足產品的功能需求，快速實現(xiàn)系統(tǒng)重構和業(yè)務流程的變更。

在實際應用中，產品架構理論更多地關注產品架構和組塊在研發(fā)和制造階段的作用及分析，而對于產品架構中的組塊在服務階段的情境和系統(tǒng)分析仍有待于研究和完善。在制造業(yè)服務化的背景下，一些學者在傳統(tǒng)產品和服務設計建模方法的基礎上，提出了一系列設計工具、技術和方法來支持產品服務的設計[3-6]。針對于復雜產品開發(fā)過程中的任務調度和分配等方面，鐘金宏等[7]提出了一種基于相似系統(tǒng)工程方法的試驗任務確認框架；秦健[8]則側重于研究通過實現(xiàn)研發(fā)/制造/營銷的跨職能組織整合提升新產品開發(fā)績效。考慮到服務提供商開展非透明銷售的趨勢，鄢章華等[9]基于Bling booking業(yè)務研究非透明銷售渠道產品的設計優(yōu)化問題。姚錚等[10]基于中國制造業(yè)企業(yè)的實證案例研究新產品開發(fā)中的資源匹配關系，為企業(yè)提高新產品開發(fā)效率、降低開發(fā)風險提供了決策支持與理論依據(jù)。以上研究主要集中在產品開發(fā)過程中的理論體系、組織與實現(xiàn)機制及初步應用探討等方面，尚未考慮新興信息技術環(huán)境下復雜產品服務模式及其過程的轉變，也缺乏產品和服務的統(tǒng)一表達方法及產品服務集成設計的結構化建模方法。

本文基于公理化設計域結構的思想，通過獲取客戶產品和服務需求，建立需求與功能的映射關系，再將系統(tǒng)的功能模塊設計為易于理解的業(yè)務架構模塊，將面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架建模為需求域、功能域、架構域及其之間的映射關系；并對復雜成形裝備產品設計的功能、服務架構進行設計建模，利用模塊化理論方法，考慮成本因素對產品架構進行優(yōu)化。

在新興信息技術環(huán)境下，借助于產品運行的海量數(shù)據(jù)，復雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復雜產品的新功能，改變產品與人、其他產品及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞眨铀僦圃鞓I(yè)服務化進程。面對著智能互聯(lián)環(huán)境給復雜成形裝備所帶來的機遇，企業(yè)必須重塑現(xiàn)有價值鏈，打造以服務為導向的競爭優(yōu)勢。在企業(yè)價值鏈中，產品架構設計是實現(xiàn)從傳統(tǒng)復雜成形裝備到面向服務的復雜成形裝備戰(zhàn)略轉變的關鍵環(huán)節(jié)，是銜接新產品的市場需求和產品新技術的橋梁，決定了復雜成形裝備服務創(chuàng)新的成敗[11-13]。

2 面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架

在復雜成形裝備產品架構設計過程中，需要將客戶需求轉化為復雜成形裝備的系列功能，建立復雜成形裝備的產品功能模型。根據(jù)產品功能模型，構建復雜成形裝備的產品和服務模塊，進而形成復雜成形裝備的產品架構設計方案，最后按照模塊化設計思想對產品架構設計方案進行優(yōu)化改進。因此，需要建立面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架，并給出相應的設計要素模型及其關鍵生成技術。

2.1 面向服務的產品架構設計特征

隨著互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展，新一代信息技術(物聯(lián)網(wǎng)、云計算等)為復雜成形裝備帶來了革命性的變化。信息技術正成為復雜成形裝備本身不可分割的一部分[14]。因此，不同于傳統(tǒng)復雜成形裝備架構設計，智能互聯(lián)環(huán)境下面向服務的復雜成形裝備無論是在產品功能、使用范圍和服務周期等產品特征方面，還是在產品架構和技術體系等產品結構方面，都需要全新的系統(tǒng)結構來支持。此外，為了保證服務戰(zhàn)略的順利實施，企業(yè)需要在復雜產品設計階段就考慮所希望提供的服務，而服務的引入導致了設計復雜性的增加。這些變化都使得智能互聯(lián)環(huán)境下，面向服務的復雜成形裝備的產品架構設計呈現(xiàn)出新的特點和需求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

① 設計主體的多樣性。為了加快產品創(chuàng)新和高效滿足日益多元化的客戶需求，制造企業(yè)越來越傾向于充分利用軟件。這需要覆蓋多個領域的設計主體參與到復雜產品的設計過程，形成跨領域的設計方案。

② 設計對象的異質性。面向服務的復雜成形裝備設計對象不僅包括了機械部件、電子部件和軟件等有形產品部分，也包括了無形服務部分。這兩者是兩類本質不同的設計對象，具有典型的異質性。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復雜成形裝備設計強調產品生命周期內產品和服務共同提供的效用價值，需要將產品和服務兩類異質的設計對象組合在一起，共同滿足用戶所期望的結果。

③ 架構設計的全面性。在新興信息技術環(huán)境下，企業(yè)應該利用服務的方式在產品全生命周期范圍內將產品與服務集成起來。因此，面向服務的復雜成形裝備架構設計應考慮產品生命周期各階段的用戶特征、用戶需求、協(xié)作需求和技術需求等，強調產品與服務的整體運作過程，形成面向全生命周期的產品設計和服務設計方案。

這些新的特點和需求對傳統(tǒng)復雜成形裝備設計建模和決策方法提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)復雜成形裝備架構設計是面向物理產品的，側重于產品具體屬性需求，并以產品功能實現(xiàn)為最終目標，缺乏產品設計與服務設計的交互關系(如圖1)。但是，在面向服務的產品架構設計過程中，產品與服務需要集成設計，保證產品與服務設計的一致性，從而共同滿足顧客的需求(如圖2)，是一種并行設計環(huán)境結構[15]。因此，傳統(tǒng)方法難以適應需要在產品空間與服務空間上同時進行設計的新特點和新要求，無法實現(xiàn)產品架構設計方案在其生命周期內整體性能的最優(yōu)。

圖1 傳統(tǒng)復雜成形裝備設計

圖2 面向服務的復雜成形裝備設計

2.2 面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架

面向服務的復雜產品架構設計的過程是獲取客戶產品和服務需求，然后通過需求要素的傳遞和分配，進行復雜成形裝備的功能建模，然后根據(jù)功能模型設計

產品和服務模塊，建立復雜成形裝備產品架構模型。

基于公理化設計域結構的思想[16]，公理化設計理論是一個常用的結構化設計方法。可以通過建立評價設計的指標以及支持這些指標的工具來改善設計活動[16-17]。公理化設計理論的兩個重要的公理是獨立性公理和信息公理。為了應用這兩個公理，該設計方法的實現(xiàn)需要一個良好的設計結構，即水平的域結構和垂直的域內層次化結構。根據(jù)公理化設計理論，任何設計對象的設計過程可以描述在四個域中：顧客域、功能域、物理域和過程域，如圖3所示。這樣一個域結構反映了分析和解決設計問題的基本框架。公理化設計理論已成功地用于各種產品的設計過程中，例如：制造系統(tǒng)的系統(tǒng)化設計和軟件系統(tǒng)設計[18]等。

圖3 設計域及映射

面向服務的產品架構是構建由若干個業(yè)務模塊組成的服務組件。本文將面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架建模為需求域、功能域、架構域及其之間的映射關系，通過獲取客戶產品和服務需求，建立需求與功能的映射關系，再將系統(tǒng)的功能模塊設計為易于理解的業(yè)務架構模塊，以便于技術人員與業(yè)務人員的有效溝通。框架如圖4所示。

圖4 面向服務的復雜成形裝備產品架構設計框架

(1)需求域

在傳統(tǒng)產品設計中，客戶需求僅局限于對產品功能的要求。在智能互聯(lián)環(huán)境下，復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗挟a品服務。企業(yè)需要依據(jù)客戶所要完成的工程實踐，從產品功能和服務需求兩個方面對需求進行分析和描述。因此，需求域的核心活動是分析客戶對工程任務的需求，建立任務模型，然后根據(jù)任務模型，建立產品需求模型和服務需求模型。

(2)功能域

與需求域從客戶視角個性化描述產品和服務需求不同，功能域是從功能視角對復雜成形裝備的整體性能做出貢獻的獨立的運行能力和傳輸能力的描述。因此，功能域的核心活動是根據(jù)產品需求模型和服務需求模型，建立產品架構設計的功能模型。功能模型描述了復雜成形裝備的功能結構及其模塊間的邏輯關系。

(3)架構域

架構域是決定復雜成形裝備設計功能域中各項功能具體形式的重要環(huán)節(jié)。產品架構設計主要是根據(jù)復雜成形裝備的功能模型，配置各功能模塊的技術參數(shù)和結構參數(shù)。產品架構通過層次結構描述產品結構及其特征，而服務架構是通過服務活動圖來表達。在工程實踐中，由于產品和服務存在信息的交互、組合的相容和匹配約束，產品架構與服務架構間的交互關系表現(xiàn)為具有不同的約束關系。因此，產品架構和服務架構集成是實現(xiàn)面向服務的復雜成形裝備設計的基礎。

3 復雜成形裝備功能建模

3.1 復雜成形裝備的功能模型

復雜成形裝備由于其小批量單件式的生產模式、單件規(guī)模大成本高的產品特點，要求復雜成形產品相較于簡單產品需要在產品設計前更好地把握產品整個使用周期各階段的用戶需求、用戶特點、產品技術需求、產品服務要求等，并快速準確地將需求映射到產品功能與服務功能上，在進行產品功能模型的構建時需要充分考慮到復雜成形產品的生產技術水平和人員服務水平。

復雜成形產品的功能不僅僅包括產品自身基本的使用功能，同時還包括客戶在使用產品過程中所要求的服務功能。在構建復雜成形產品的功能模型時應同時考慮產品功能與服務功能，產品及其服務各個部分要素都具備各自特有的功能，相互區(qū)分的同時又相互聯(lián)系，兩者不可分割，相輔相成一起構成復雜成形產品在整個使用周期的總功能。

充分表達功能與功能之間的關系(功能的分解與結合)、功能的描述與表達是功能模型建立的重點。有關傳統(tǒng)產品的功能模型的構建通常采用樹狀的結構來表示產品功能之間的分解與結合關系，簡單產品由于功能不涉及服務功能因此模型的物質輸入與輸出僅涉及數(shù)據(jù)、物質條件和工程特性。

產品的總功能被分解為由產品功能實現(xiàn)與由服務功能實現(xiàn)兩個子功能，再將兩個子功能向下分解直至不能分解為止。該功能模型完整表達了產品功能系統(tǒng)和服務系統(tǒng)的邏輯結構與功能結構。

其中功能模型結構的頂端是產品的總功能，被分解為下層的兩個產品子功能，即下層兩個產品子功能負責不同的功能實現(xiàn)，兩者結合起來共同實現(xiàn)產品總功能，接著再將兩個產品子功能進行分解，形成下層的產品功能，直至不能再被分解，則樹狀結構完成。功能模型中采用工程特性對功能進行描述與表達，工程特性主要用于描述產品功能實現(xiàn)所需的物質、信息和能量的輸入與輸出流動。

由于復雜成形產品的功能包含了產品功能與服務功能兩個方面，所以在構建功能模型時需要考慮服務功能模塊的分解與結合，同時為了更好的區(qū)分服務功能與產品功能，服務功能有關的信息、能量與人員流動等都需要引入服務類型來進行描述，如圖5所示。

復雜成形產品功能結構采用黑箱表示法表示功能，產品功能內部的物質流動、能量流動與信息流動，以及服務功能的物質流動、信息流動與人員流動對外封閉。由于功能模型的高適應性要求各相關模塊間耦合較低，同一功能模塊下的子模塊聚合程度較高，以便客戶的需求發(fā)生變動時，可根據(jù)客戶的需求變化進行相關功能模塊的更改。

3.2 基于QFD的復雜成形裝備功能生成方法

3.2.1 QFD 簡介

本文基于質量功能展開方法(Quality Function Deployment—QFD)提出復雜成形裝備功能生成方法。在質量功能展開的過程中，最直觀反映客戶需求與產品設計之間關系的是質量屋，它在質量展開過程中占主體地位。

在實際應用中，通常根據(jù)企業(yè)或產品自身情況進行質量屋的拆分、簡化或變形，由于復雜成形產品與傳統(tǒng)相比的特殊性，需要根據(jù)產品特點對質量屋進行相應調整。復雜成形產品的需求與功能都涉及兩方面，即產品需求與服務需求，因此在構建需求到功能的質量屋時需將產品與服務進行并行設計。

圖5 復雜成形產品功能結構圖

3.2.3 QFD 步驟

根據(jù)上述復雜成形產品質量屋的架構，在實施質量屋時應遵循以下幾個步驟：

(1)客戶需求獲取及分析

客戶需求的獲取及分析是質量屋中較為關鍵的一步，通常通過市場調研的方式來獲得客戶對產品和服務的需求與意見，同時針對復雜成形產品還應要求內部人員基于對產品和服務的了解提出對產品及服務的需求，之后建立需求矩陣。在建立需求矩陣時需確定客戶與內部人員的權重：

①客戶權重的確定

設有nk個客戶對產品和服務提出了需求，待開發(fā)的產品與待添加的服務共有m個，每個客戶針對需求和服務的重要程度進行了打分，用DKi={Pi1,Pi2,Pi3,……,Pim}表示第i個客戶對各個產品需求與服務需求的打分。本文采用余弦相似度Cij對用戶進行分類，并用類的人數(shù)判斷該類客戶的權重,其中

(1)

設定相似度閾值a(0a時將客戶i與客戶j歸為一類，否則視為兩類；直至所有的客戶都被歸到類群中，設共有l(wèi)個類群，若類群Lb的人數(shù)Sb，則類群Lb中客戶的權重都為：

(2)

②內部人員權重的確定

內部人員的權重系數(shù)由人員的個人能力決定，設內部人員共nr個，第i個人員的能力為e(0

(3)

(2)將產品和服務需求轉化為技術需求

將需求轉化為產品功能特征與服務特征，需求與產品功能特征與服務特征的關系的強弱由專家給定，得到二維表，如表1所示。

其中根據(jù)專家判斷在表中填入1、2、3；代表需求與特征之間的相關程度大小，1表示不太相關，2表示相關，3表示非常相關。

(3)確定產品功能特征與服務特征之間的關系

建立與步驟2相似的二維表，用數(shù)字表示功能特征與服務特征之間的相關關系。

(4)確定功能特征與服務特征的權重

功能特征與服務功能的權重由需求矩陣與相關矩陣共同確定，即某一功能特征或服務特征的權重與其對應的需求以及其與其它特征之間的關系共同決定。

表1需求與功能特征二維表

3.3 復雜成形裝備的功能模型約簡

復雜成形裝備因其技術工藝復雜功能多樣等特性，在產品開發(fā)研制過程中，對功能模型進行必要的約簡成為重要的一環(huán)。復雜產品功能模型冗余產生的原因主要有以下幾點：第一，復雜產品系統(tǒng)的研制周期較長，由于新技術產生造成的相同功能不同實現(xiàn)原理改進容易形成功能的異質性；第二，復雜產品系統(tǒng)研制主體企業(yè)對競爭企業(yè)的吸納和收購造成相似功能系統(tǒng)的異質性；第三，企業(yè)人力資源管理政策變動使得核心設計人員的流動率不斷增大，在進行改型產品設計時無法對現(xiàn)有設計成果進行有效借用和參考，容易導致功能結構出現(xiàn)顯著的異質性；第四，其他原因造成的功能異質性[19]。

參考粗糙集理論中根據(jù)特定需要，將數(shù)據(jù)集中的冗余屬性刪除的屬性約簡特點[20]，接下來重點介紹復雜成形裝備的功能模型約簡。該方法首先通過顧客需求[21]和產品結構功能—結構映射矩陣，尋找實現(xiàn)功能相同的部件。然后對這些功能進行功能相似度分析[22]，最后基于信息公理原則，提出復雜成形裝備功能模型約簡過程，得到異質性較低的功能設計組合，滿足顧客需求。

如圖6所示，顧客首先向企業(yè)提出自己所需的復雜產品所要具備的功能[23]，稱為功能集R。廠商根據(jù)現(xiàn)有復雜產品具備的已有功能(稱為現(xiàn)有產品功能集F)進行內部分析，關聯(lián)客戶所需功能集進行產品功能再設計。廠商重新評估現(xiàn)有產品的功能種類，淘汰冗余功能[24]，合并與客戶所需相似的功能，重新設計開發(fā)所需新功能，最終完成復雜成形裝備功能模型設計。以下為實現(xiàn)復雜成形裝備功能約簡的詳細步驟。

圖6 復雜成形裝備功能模型約簡過程

(1)建立顧客需求功能集

廠商通過市場調研以及現(xiàn)有客戶所提出的功能需求建立顧客需求功能集(R)。將顧客需求功能集模塊按照功能大類進行歸類合并。

(2)建立現(xiàn)有產品功能集

廠商根據(jù)已有復雜產品功能特性，建立現(xiàn)有產品功能集(F)。將所有功能模塊整理分類，建立數(shù)據(jù)庫儲存。

(3)建立關聯(lián)整合功能集

廠商根據(jù)顧客需求功能集和現(xiàn)有產品功能集，將功能模塊劃分為期望功能模塊和已有功能模塊，通過功能集內部映射尋找冗余功能模塊、已實現(xiàn)功能模塊和期望功能模塊。通過需求功能集和物理結構集分別向現(xiàn)有功能集和期望功能集映射，尋找相似功能模塊。

(4)分析功能映射關系

分析需求功能集(R)和已有功能集(F)的映射關系可以發(fā)現(xiàn)并剔除冗余功能模塊和不需要的功能模塊，添加沒能實現(xiàn)的新功能模塊，整合需求功能和已有功能相似的模塊，如圖7所示。

圖7 功能映射關系簡圖

(5)功能模型約簡

設計研究人員根據(jù)最終分析的功能映射關系，完成復雜成形產品功能模型約簡，最終制定出滿足客戶需求和市場需求的復雜成形裝備功能集(RF)，為后續(xù)通過功能模塊劃分設計制造復雜成形裝備提供功能導向，可以解決復雜產品功能模塊復雜繁多、功能設計規(guī)則難以提煉的兩個關鍵問題[25]。

4 復雜成形裝備的產品服務架構建模

客戶需求需要經過一系列映射轉化過程，設計團隊需要描述產品架構、服務架構，并使用技術參數(shù)來描述復雜成形裝備的架構設計方案特征，最終形成可行的產品服務集成架構模型。復雜成形裝備的架構模型由具有關聯(lián)關系的產品架構模型和服務架構模型構成。如圖8所示。

圖8 復雜成形裝備的架構模型示意圖

4.1 復雜成形裝備的產品架構模型

產品架構包括了產品結構及其相關關系，包括了產品部件的結構方案及其技術設計參數(shù)。傳統(tǒng)的產品架構建模方法主要包括圖結構模型、層次化模型和混合模型。圖結構模型利用類圖的形式描述產品模塊間的關系；層次化模型則將產品模塊分解為多個層次(如圖9所示)，與產品結構保持一致性；混合模型則結合了層次化模型和圖模型的優(yōu)點，在每個產品模塊上同時具有圖結構和層次化結構。

圖9 層次化產品架構

隨著復雜成形裝備復雜性的不斷提高，子系統(tǒng)與部件間交互也越來越頻繁，包括了信息、能量、物理結構等方面的交互，而傳統(tǒng)的層次化模型無法明確表示產品結構間的關系。為了描述的更加準確，本文采用設計結構矩陣(DSM，Design Structure Matrix)來描述復雜成形裝備的產品架構模型。因此，復雜成形裝備的層次化產品架構轉化為基于DSM的復雜成形裝備的產品架構模型。

圖10(a)描述了子系統(tǒng)A、B、C的交互關系，標記“X”表示兩子系統(tǒng)間存在信息、能量、物理結構等方面的交互。圖10(b)是進一步描述部件級的架構模型。基于DSM的復雜成形裝備子系統(tǒng)級產品架構模型如圖11所示，復雜成形裝備主要包括機身組件、移動工作臺組件、拉伸滑塊組件、壓邊滑塊組件、拉伸滑塊鎖緊機構、壓邊滑塊鎖緊機構、拉伸主油缸組件、拉伸側油缸組件、壓邊活塞缸組件、壓邊柱塞缸組件、提升夾緊缸等。

圖10 基于DSM的產品架構模型

圖11 基于DSM的復雜成形裝備子系統(tǒng)級產品架構模型

4.2 復雜成形裝備的服務架構模型

復雜成形裝備服務架構的設計對象是服務活動。面向服務的復雜成形裝備是以物理裝備為載體的服務集成體。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術支持下，借助于產品運行的海量數(shù)據(jù)，復雜成形裝備不但能夠提供跨界乃至超越傳統(tǒng)復雜產品的新功能，改變產品與人、其他產品以及制造企業(yè)的交互方式，而且使得復雜成形裝備演變?yōu)橐幌盗屑煞眨铀倭酥圃鞓I(yè)服務化進程。因此，服務架構設計需要考慮客戶在完成工程任務的整體需求。

在上述分析的基礎上，本文采用服務藍圖的基本思想，通過服務流程來描述服務過程來構建復雜成形裝備的服務架構模型。為了便于設計團隊成員間的數(shù)據(jù)共享，本文利用統(tǒng)一建模語言(UML，United Modeling Language)作為服務架構模型的描述語言。圖12是基于UML的復雜成形裝備服務架構模型。

圖12 基于UML的復雜成形裝備服務架構模型

①泳道：反映了復雜成形裝備服務流程的主要階段，包括了信息獲取、信息分析、信息處理和評價反饋四個階段。

②服務活動模塊：主要反映了服務過程所需要執(zhí)行的服務活動。活動的屬性包括名稱、輸入流、輸出流和資源。

③支持資源和設施：用UML類表示，主要是指在服務過程中，需要利用產品數(shù)據(jù)、檢測設備、專家支持和在線系統(tǒng)等資源。

④控制流：表示服務活動間的交互順序

4.3 復雜成形裝備的產品服務架構模型

復雜成形裝備的物理產品與無形服務具有高度耦合性，其中物理產品作為服務載體，影響著服務過程和實施效果。反之，服務作為復雜成形裝備客戶體驗的載體，也決定了物理產品的使用效率。復雜成形裝備的服務架構必須依托產品架構。因此，復雜成形裝備的產品服務架構模型就是集成產品架構和服務架構的描述性模型，不僅要分別描述物理產品結構和服務活動，而且需要側重于物理產品與無形服務的集成關系。

當前已有的產品與服務集成模型，包括擴展服務藍圖、改進服務藍圖、產品服務藍圖。這些建模方法側重于以服務活動為主體的系統(tǒng)，物理產品以輔助角色提供相應的資源和數(shù)據(jù)支撐，產品架構沒有體現(xiàn)在產品服務集成模型中。針對以上問題，張在房[26]提出了融合產品結構的交互服務藍圖來描述產品服務系統(tǒng)的集成方案，如圖13所示。在該模型中，產品方案采用反映產品模塊結構的樹狀圖表達，服務活動則采用服務藍圖來表示，服務活動的輸入和輸出信息和產品結構的設計和狀態(tài)信息存在交互關系。該模型能夠準確描述產品與服務間的交互關系，并且反映了產品層次化結構。但是，隨著復雜成形裝備產品與服務交互方式、交互頻率的不斷擴展，該模型過于復雜和繁瑣，無法提供產品服務架構優(yōu)化的基礎。

圖13 產品服務方案模型

因此，本文采用領域映射矩陣(DMM，Domain Mapping Matrix)表達產品服務架構模型，如圖14所示。產品架構和服務架構采用DSM來表達產品部件間和服務活動間的關聯(lián)關系。標志“*”表示了產品部件或服務活動內部間的關聯(lián)關系，標志“◎”則表示產品部件和服務活動之間的關聯(lián)關系。

5 復雜成形裝備的產品架構優(yōu)化

5.1 基于模塊化設計的產品架構優(yōu)化思路

模塊化設計是對產品系統(tǒng)的功能和結構進行層次化的分解從而降低產品的復雜程度。模塊是指可組成系統(tǒng)的，具有特定功能的獨立單元。通過模塊內部的高效協(xié)作和模塊之間的高效交互實現(xiàn)產品的有效運作。模塊劃分和模塊優(yōu)化是模塊化設計的核心內容。模塊劃分是模塊化設計的基礎，主要是實現(xiàn)產品功能和產品結構的組合。模塊劃分的方法很多，主要分為啟發(fā)式方法和聚類式方法。啟發(fā)式方法主要是通過建立數(shù)學規(guī)劃模型，采用模擬退火算

圖14 基于DMM的產品服務架構模型

法等啟發(fā)式方法實現(xiàn)最優(yōu)的模塊劃分方案。聚類式方法指利用矩陣、圖、網(wǎng)絡等工具對產品結構和功能元素之間的拓撲關系進行形式化表達，并通過聚類方法實現(xiàn)模塊的劃分。本文的模塊優(yōu)化是以產品系統(tǒng)運行總成本作為優(yōu)化目標來構建產品的系統(tǒng)架構。

5.2 基于權重復雜網(wǎng)絡的模塊劃分

復雜產品系統(tǒng)的組成結構元素之間的交互形成了權重復雜網(wǎng)絡，其中節(jié)點表示結構單元，節(jié)點與節(jié)點之間的邊則表示結構之間存在的連接交互，邊的權重表示兩個結構單元之間的連接強度，具體如圖15所示。

圖15 權重復雜網(wǎng)絡示意圖

由于產品系統(tǒng)的結構組件的信息傳遞一般都為相互的，因此，本文中產品系統(tǒng)的權重復雜網(wǎng)絡設置為無向圖。權重復雜網(wǎng)絡可以用鄰接矩陣W表示，鄰接矩陣W由元素Wij組成，Wij表示節(jié)點i和節(jié)點j的連接權重，Wij=0則表示節(jié)點i和節(jié)點j之間沒有連接。一般Wij連接強度由功能連接強度Fij和結構連接強度Sij組成，如果兩種連接強度的權重均為0.5，則Wij可表示為：

Wij=0.5(Fij+Sij)

(4)

以上權重復雜網(wǎng)絡示意圖可以轉換成如上鄰接矩陣W：

(5)

本文不考慮權重復雜網(wǎng)絡的節(jié)點自相關問題，因此鄰接矩陣W不存在對角線元素。而且易得出鄰接矩陣W為對稱矩陣。在產品復雜網(wǎng)絡中，節(jié)點的度和個數(shù)是復雜網(wǎng)絡中兩個重要的參數(shù)。

節(jié)點i的度可以用di表示，對于具有n個節(jié)點的復雜網(wǎng)絡，節(jié)點的度可以通過以下公式進行計算：

(6)

(7)

在產品系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡中，模塊可以定義為緊密連接的節(jié)點集合。因此，模塊劃分就是讓模塊內的節(jié)點連接盡可能的緊密，模塊之間的連接盡可能的疏遠。模塊劃分效果示意圖如圖16所示。

圖16 復雜網(wǎng)絡模塊結構示意圖

復雜產品系統(tǒng)的模塊劃分本質上是復雜網(wǎng)絡社區(qū)發(fā)現(xiàn)問題，Girvan和Newman提出了GN算法用于復雜網(wǎng)絡中的社區(qū)發(fā)現(xiàn)。該算法的思路是識別出社區(qū)之間的邊并剔除，剩下的便是社區(qū)結構。該算法推廣了介數(shù)的概念，提出邊的介數(shù)：復雜網(wǎng)絡中通過該邊的最短路徑數(shù)量。該算法的具體流程如圖17所示。

圖17 復雜網(wǎng)絡GN算法流程

其中模塊度是度量復雜網(wǎng)絡社區(qū)結構程度的指標，本文模塊度計算方法如下公式所示：

(8)

其中，m為復雜網(wǎng)絡的總邊數(shù)，Ci和Cj表示節(jié)點i和節(jié)點j的所屬社區(qū)，如果Ci=Cj，δ(Ci,Cj)=1，否則等于0。可以看出不同的模塊度λ，形成的復雜網(wǎng)絡社區(qū)結構也不相同。

復雜產品系統(tǒng)的組成結構存在顯著的層次化，Yu Suiran等[27]在功能分解的基礎上將產品功能層次化，分為功能和子功能。因此，要得到完整的模塊劃分結構，還需要進行模塊的預劃分，并在預劃分的基礎上再進行詳細劃分。模塊的預劃分是指根據(jù)一定的規(guī)則將產品系統(tǒng)初步劃分為一些一級模塊和二級模塊。詳細模塊劃分是在預劃分的基礎上對基本部件聚類。

5.3 考慮成本因數(shù)的模塊優(yōu)化

本文主要考慮產品系統(tǒng)架構的交互成本來進行模塊優(yōu)化。對于復雜產品，模塊之間一般存在多種不同形式的交互，主要包括物理實物、機械力、能量和信息的傳遞[28-29]。其他形式的傳遞還有電子、熱能、振動等。在本文主要考慮能量(Ie)和信息(Ii)的交互成本[30]。圖18展示一個模塊劃分實例，其中模塊一由組件1,2,3,4組成，模塊二由組件5,6,7,8組成。

圖18 組件矩陣形成的模塊結構

由圖18的模塊劃分結構，我們可以得出模塊之間以及與外部環(huán)境之間的交互關系，如圖19所示。其中，模塊一組件4接受外部環(huán)境的輸入，并從組件3輸出到外部環(huán)境；模塊一與模塊二之間存在三條交互，包括從2到7，從6到2，從7到2的交互；模塊二通過組件6接受外部環(huán)境的輸入。

圖19 模塊與外部環(huán)境的系統(tǒng)架構

根據(jù)模塊之間以及外部環(huán)境交互的能量和信息成本，計算復雜產品系統(tǒng)運行的總成本。本文假定模塊劃分方案x的運行總成本為C(x)，Mi表示模塊i的運行成本，計算公式如下：

(9)

(10)

因此，從運行成本角度，最優(yōu)的模塊劃分方案滿足：

C(x*)=MIN{C(x)}

(11)

當然，模塊優(yōu)化需要考慮的因素還有很多，從產品全生命周期來看，我們需要考慮生命周期各個階段的運行成本和管理成本。包括原材料成本，服務成本和質量，以及產品的回收再制造。還可以從產品生命周期角度對產品架構進行優(yōu)化，基于產品全生命周期的設計思想被廣泛應用在產品工程領域。

6 結語

本文首先對面向服務的產品架構設計特征進行了分析和總結，并采用公理化設計域結構的思想，將復雜成形裝備架構設計分為需求域、功能域和架構域，以及三者之間的映射關系。然后對產品功能建模，采用了黑箱理論對復雜成形裝備的功能模型進行描述。進一步，提出了基于QFD的功能生成方法以及功能模型約簡方法，建立需求域和功能域的映射關聯(lián)。接著利用DMM表示產品服務架構，建立產品架構和服務架構之間的關聯(lián)關系,提出了復雜成形裝備服務架構的建模框架和方法。最后，利用模塊化理論與方法，并考慮產品運行成本因素對復雜成形裝備的產品架構進行優(yōu)化。