產品平臺設計的可適應性研究與評價

孫劍萍，湯兆平

SUN Jian-ping,TANG Zhao-ping

（華東交通大學 交通運輸與物流學院，南昌 330013）

0 引言

基于產品平臺的產品族設計和生產是實現大規模定制（Mass Customization，MC）的有效策略。由于客戶需求的多樣化和個性化、市場競爭態勢的瞬息萬變、技術發展的日新月異以及全球經濟、資源和環境的動態變遷，大大加劇了大規模定制生產模式下技術和商業環境的不穩定性，導致企業快速預測產品未來功能、技術、性能、外觀和尺寸等需求發展變化并敏捷做出響應的難度越來越大。與此同時，產品功能-結構-技術的復雜性不斷提高以及它們之間的相互影響，增加了產品平臺設計及生產過程的復雜性，影響其功能和服務的延伸與擴展，即可適應性。因此，可適應設計應更多考慮需求、市場與技術等方面的復雜動態不確定性，旨在擴展設計和產品的效用，強調設計的重用、產品提升和延長使用壽命。

可適應設計包括合理化的功能結構、可適應模塊化構架、可適應接口以及設計與產品的可適應性評價等四大基本要素[1]，目前已經成功應用于各種系統、產品及平臺的開發，為企業建立產品快速設計及制造的響應機制，提高企業的市場競爭力奠定了基石。針對產品的可適應性，徐仟[2]基于可拓理論和面向對象技術，結合轉向架模塊特性，提出了高速列車轉向架可拓適應性變型設計方法；Cheng Q[3]建立了產品適應性評價模型，從產品的本質適應性和行為適應性兩個方面進行了度量；陳永亮[4]等利用信息熵表征產品設計的不確定性，通過計算結構配置圖和功能結構圖的可適應度，對產品的可適應性進行評價；滿佳等[5]基于價值工程理論，以用戶使用產品后獲得的效益與完成這一系列任務所消耗資源量的比值作為評價產品可適應性的指標。在平臺可適應性方面，Schuh G[6]提出了適合于實現未來產品變體和更改自由度的模塊化產品平臺設計方法，提高了平臺的可適應性；千紅濤[7]以平臺指數和調節指數區分柔性模塊中的平臺參數和獨立參數，通過識別柔性模塊中的平臺組件和調節組件，實現環境試驗箱產品平臺的可適應設計；程賢福[8]從平臺的重用性、定制性、接口柔性和升級能力四個方面考慮，以公理設計理論中的信息量作為測度，衡量平臺適應客戶需求更改的能力，提出了平臺設計可適應性的計算方法。在設計可適應性方面，Li[9]考慮所有的結構或功能特征以及客戶滿意度、制造成本、銷售價格、市場銷售和間接因素的隨機性，構建了基于貝葉斯網絡的定量產品進化設計模型，對產品的結構功能演化進行了設計適應性研究；Tumer[10]從可靠性、健壯性、生存性和可更改性等方面對產品設計適應性進行定義，提出了基于效用和設計變更成本、產品體系結構特征更改兩種設計適應性評估方法，研究需求變化下的設計適應性度量問題。

現有研究成果主要圍繞產品的可適應、平臺可適應性以及設計可適應性的度量與評價，而鮮見對產品平臺設計的可適應性進行研究。產品平臺設計是一個集技術、經濟、市場、環境等多方面因素為一體的復雜綜合工程。為應對設計需求的變化，如何在功能或結構上通過很小的設計改變、以盡可能快的速度和盡可能低的成本提供產品平臺的衍生、更新與升級，實現產品平臺的動態更迭與不斷演進，提升派生產品的競爭優勢。本文構建了產品平臺設計的可適應性評價指標，以現有的平臺設計在適應性要求上所處的狀態相對于理想平臺設計狀態的隸屬匹配度作為模型的初始數據，提出了基于熵理論賦權和改進TOPSIS法的產品平臺設計適應性分析的模型與方法。從平臺設計的動態發展角度對平臺設計的可適應性進行系統、全面的研究與評價，并將其應用于復合式土壓平衡盾構機平臺設計的適應性分析，為提高復雜產品平臺設計的可適應性提供了可操作的思路。

1 可適應性產品平臺設計的動態更迭機理

產品平臺設計的可適應性是指產品平臺設計應對未來需求變化與設計要求變更的能力，即針對新的需求進行產品平臺再設計的能力。由于市場需求的動態變化以及企業核心技術的不斷升級，產品平臺的設計必然是一個面向產品全生命周期的往復迭代的時變過程，以滿足不同需求及需求變化的可適應性為評價標準，提供具有快速響應客戶需求的動態變化能力、產品變型的重用性能、產品快速配置和可定制能力以及良好可擴展性的產品平臺為目標。然而產品平臺可適應的多目標設計過程存在多方面性能的博弈，需要在多性能間均衡[11]。單從操作層面通過平臺內部的協調，難以從根本上提高平臺的可適應性。為此，在產品平臺規劃之初，就要以全局的眼光，考慮平臺的派生、更新及升級，并對未來經濟利潤做出預估，規劃平臺功能和拓撲結構的優化、模塊的柔性化、接口的標準化等，保證平臺良好的派生效率和產品族較好的市場商業效果，從而實現平臺的可持續發展。

對于可適應性產品平臺設計而言，關鍵在于確定產品平臺中客戶共性需求設計參數（公共參數、平臺參數）與最優通用值，以及客戶個性化需求設計參數（變型參數與定制參數）和變化范圍。在保證產品平臺拓撲結構不被破壞的前提下，客戶個性化需求設計參數值可在一定約束范圍內進行水平或垂直調節。水平調節的本質是低層次橫向配置設計，通過對變型參數的添加、替換或移除，得到產品平臺變體，派生的產品將以新的結構滿足不同的功能性能要求（性能質變）；垂直調節的本質是深層次的縱向可定制設計，以結構相同，而設計參數存在大小差異進行產品平臺升級，派生出功能相似，但性能差異（性能量變）的系列產品（如圖1所示）。通過對現有平臺的改型設計，并不斷拓展、更新與升級，可使產品族得到進化發展，加速其適應需求和技術演變的能力。

2 產品平臺設計的可適應性評價指標

產品平臺設計的可適應性體現在平臺設計本身及其設計的產品平臺能夠適應社會經濟、環境、資源的動態變遷，技術的進步以及用戶個性化需求的進化。因此評價其可適應性，不僅應考慮產品平臺的實現，更應關注其衍生、擴展、提升等適應能力的可能性，保證產品平臺的最佳生存力及企業利益最大化的潛能力[12]，具體對以下五個指標進行分析。

圖1 可適應性產品平臺設計的動態更迭機理

2.1 功能適應性

功能作為客戶需求的映射分析結果，驅動著整個設計過程與各項設計活動。滿足潛在的需求是產品平臺設計的最大優勢，所以產品平臺不僅要面向現有產品的顧客需求，更要考慮未來的變化與發展。產品平臺設計的功能適應性是指充分再利用產品資源及設計信息資源，通過產品平臺的功能拓展、升級換代和適應性變型，對現有客戶需求和未來個性化需求進行自動適應的程度。在滿足技術可行性的前提下，平臺功能的可擴展性是決定平臺派生產品能力以及產品族開發成本的關鍵因素。

2.2 結構適應性

可適應設計是一個功能驅動結構設計的過程，且功能和結構相互對應。一方面，產品平臺的功能通過具體的結構來實現，故產品平臺功能的拓展應根據所要滿足的需求選擇合適的產品平臺形態；另一方面，產品平臺設計在保持原有平臺主要功能不變的基礎上，通過選擇或改變影響平臺主要性能的功能參數，相應改變平臺的結構形式。結構化、可拓展的產品平臺應是動態的，其可適應性設計須注重結構在適應新需求及環境變化時重用產品和設計的能力，包括結構的合理性、零部件的可加工性，以及零部件的標準化和通用化程度，涉及到產品平臺的具體形式和參數。

2.3 環境適應性

復雜多變的環境制約和影響著產品平臺設計的整體競爭能力。環境的適應性也是產品平臺設計的重要特征之一，它主要強調企業能夠運用資源去適應外部環境和內在條件的變化，即將企業的資源和能力與環境中出現的機會相匹配，反映對產品平臺設計應對環境動態變化的能力，即環境的可適應性。產品平臺設計是否成功，取決于它與企業內外部環境相匹配的程度，需要尋求內外部環境和產品平臺設計的最佳結合。

2.4 技術適應性

技術是企業核心競爭力的重要組成部分，企業之間的較量很大程度上是技術適應性的比拼。技術的適應性主要體現在兩個方面：一是各種技術之間的適應能力，是某技術針對其他相關技術變化產生的應對與協同能力，即技術間的相互適應性。二是技術對環境變遷的適應能力，即技術因環境變化而采取的應對行為，最終呈現出技術性能、工藝性能、兼容性、易用性、可靠性以及適用面等方面的變化，反映技術對環境變化的適應能力以及環境對該項技術的偏好程度和容納能力。技術與技術之間、技術與環境之間的協同演化結果是在不同技術元素配置之間以及技術與環境之間獲得最佳的匹配，這種匹配性可反映產品平臺設計的技術適應性。

2.5 經濟適應性

經濟效益是企業進行產品平臺設計的核心目標，經濟性原則強調以盡可能小的代價與消耗來換取盡可能大的經濟價值。所以產品平臺設計時必須考慮功能設計 、結構設計、造型設計、材料選擇設計的經濟性，以及設計的制造成本等多方面因素，將宏觀經濟效益與微觀經濟效益、短期經濟效益與長期經濟效益相結合，保證產品在滿足必要功能的前提下，盡量加快開發速度、縮短開發周期、擴大市場空間、提高市場占有率和客戶滿意度、降低開發成本與制造成本，取得最大收益，這種回報收益可體現產品平臺設計的經濟適應性。

3 產品平臺設計的可適應性分析的模型數據

產品平臺設計在生命和應用能力上的擴展稱為適應過程。本文以現有的平臺設計在適應性要求上所處的狀態，相對于理想平臺設計狀態的隸屬匹配度作為產品平臺設計可適應性分析模型的初始數據。

設產品平臺設計P可分解為n個可適應性設計任務（可適應設計任務集TP表示為TP={TP1，TP2，…，TPn}），其第i項設計任務為TPi（i=1，2，…，n）；現有的平臺設計為O（source），理想平臺設計為D（target），S（D，O）表示現有的平臺設計O所處的適應性狀態相對于理想平臺設計D狀態的隸屬匹配度，其在[0,1]區間上取值，1表示完全匹配，0表示完全不能匹配；S（Dij，Oij）表示即第i項設計任務的第j項指標適應性上的局部隸屬匹配值。則：

式(1)中，aij表示第i項設計任務在第j項指標的適應性上的匹配度占整體匹配度的權重。

現需對每項設計任務進行m項指標的適應性分析。設O與D的設計特征向量分別為ROij=（rOij1，rOij2，…，rOijT）和RDj=（rDj1，rDj2，…，rDjT）。xij定義為平臺設計P執行其第i（i=1，2，…，n）項設計任務TPi時，在第j（j=1，2，…，m）項指標的適應性要求上的匹配度。xij構成的數據原始矩陣為X=（xij）n×m。

式(2)中，λijk表示第i項設計任務在第j項指標的設計特征向量的第k個元素的權重；S（rDijk，rOijk）為對應設計特征元素之間的匹配度。

計算rDijk與rOijk之間的匹配度S（rDijk，rOijk），首先要選擇一個合適的隸屬函數，常用的有三角函數、梯形函數和高斯函數[13]。考慮到現實工程中rDijk與rOijk多服從正態分布，用高斯函數能夠得到更為有效的結果，因此本文選取典型的高斯函數。若rDijk與rOijk為數值型屬性，則它們之間存在6種可能的關系：“=”、“＞”、“≥”、“＜”、“≤”及介于兩者之間[14]。通過構造不同型式的高斯函數來計算兩者之間的隸屬匹配度。若rDijk越小，相對rOijk的匹配度越高，則構造偏小型函數；若rDijk越大，相對rOijk的匹配度越高，則構造偏大型函數；而若rDijk取中間范圍值，相對rOijk的匹配度越高，則構造中間型函數。此外，若rDijk與rOijk為定性屬性則需構造定性屬性型函數。

1）偏小型：

2）偏大型：

3）中間型：

4）定性屬性型：

式(3)～式(5)中，σ為高斯函數寬度。本文采用6σ作為特征函數定義域。

4 產品平臺設計的可適應評價方法

TOPSIS法作為多目標決策分析的一種有效方法，具有原理直觀，對樣本的要求不高等優點。但也存在權重的確定比較主觀隨意，且不易求出正、負理想解等缺點[15]。本文在建立產品平臺設計的可適應性評價模型原始矩陣的基礎上，將熵權法與改進的TOPSIS法相結合，利用信息熵客觀賦權，并在TOPSIS法具體操作中對數據矩陣進行規范化處理，限定正、負理想解的取值范圍，簡化其求解。具體過程如下：

1）對原始矩陣X進行數據規范化處理，得矩陣Y=（yij）n×m，即：

式(8)中yij∈[0，1]。i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

2）計算第i項設計任務占第j項評價指標適應性的比重：

3）計算第i項設計任務的熵值ei：

式(10)中，熵值ei∈[0，1]。

4）計算第i項設計任務在設計適應性上的優勢度gi：

gi是基于信息熵理論對適應性最直觀的反映。對于給定的i，xij的差異性越小，則ei越大，gi越小，反映該設計任務Tpi對平臺設計各方面適應性的影響程度越小，也就是該設計任務對適應性評估提供了較小的貢獻值，適應性越弱。通過優勢度分析，可以間接反映平臺設計的各項設計任務的適應性大小或強弱。表1列出了適應性優勢度評價的等級劃分[16]。

表1 適應性優勢度評價等級劃分

5）計算第i項設計任務的熵權值ωi：

式中：0≤ωi≤1，∑ωi=1（i=1，2，…，n）。

6）構造加權規范矩陣R=（rij）n×m，如式(6)所示。

7）確定正理想解A+和負理想解A-。

傳統TOPSIS法正負理想解的元素分別為指標中的最優值和最劣值，因取值范圍寬泛，求解過程較為繁瑣。現對TOPSIS法進行改進。在式(8)中規范化矩陣Y的任意元素yij∈[0，1]，使最低與最高目標屬性取值分別限定在0和1之間。針對平臺設計適應性的5項指標，正理想解均希望現有的平臺設計在適應性要求上所處的狀態相對于理想平臺狀態的隸屬匹配度最大，故均有。即正負理想解分別為：

8）計算平臺設計的可適應性評價各項指標與正負理想解的歐式距離，即：

9）計算各項指標的適應性與理想解之間的相對接近度cj：

10）按相對接近度的大小對各項適應性指標的適應性進行排序，cj越大，相應的適應性指標的適應性越強，反之，則越弱。

5 應用實例

復合式土壓平衡盾構機屬于復雜的巨型施工機械，適用于高透水的礫砂土層或卵（礫）石土層中的掘進，其參數設計與制造需要結合具體的地質條件和施工要求，進行“量體裁衣”的配置，具有“定制化”的明顯特點。下面以復合式土壓平衡盾構機為例，分析該平臺設計的可適應性分析與評價過程。

1）產品平臺的主要設計參數。土壓平衡式盾構機總質量：520t，裝機總功率：1744.6KW，最大掘進速度：80mm/min，總體外形尺寸：Φ6280×75000mm。開挖直徑是盾構機最重要的性能參數，將它作為該機型平臺的特征參數。其次是刀盤驅動功率、掘進速度、掘進模式、盾體結構等，如表2所示。

2）產品客戶需求。現客戶需定制一臺開挖直徑為Φ6400mm的復合式土壓平衡盾構機，其主要技術參數如表3所示。由于水文地質構造、開挖直徑、施工的長度與線型等不同，則相應機構的參數如功率、裝備扭矩、刀盤刀具尺寸及布置等可能會不同。另外，客戶提出了自動泥漿保壓、管片一次調運等定制的個性需求，這需要通過計算，水平或垂直調節相應的可適應設計中的變型參數與定制參數來實現。此外，對于客戶指定隧道導向系統的生產廠家，還需要對平臺接口進行調整。此變型產品可在上述機型上進行改進，利用可適應平臺開發出快速響應市場變化的產品。

表2 復合式土壓平衡盾構機平臺主要設計參數

3）產品平臺設計的可適應性任務評價。針對客戶需求進行盾構機平臺設計的總體規劃，且根據項目組實際情況分配設計任務。建立適應性任務集Tp={開挖系統、主驅動系統、推進系統、出碴系統、注漿系統、管片安裝系統、注脂系統、液壓系統、碴土改良系統、泡沫系統、膨潤土系統、電氣控制系統、自動導向系統及通風、供水、供電系統、有害氣體檢測裝置}，分別用Tp1～Tp15表示。

根據第3節中的匹配度計算方法，得到產品平臺設計適應性分析模型的初始數據，并根據公式，對原始數據進行規范化處理，如表4所示。

表3 客戶需求

表4 初始數據和處理后的數據

根據式(9)，計算第i項設計任務占第j項評價指標的適應性比重pij，其值如表5所示。

由式(10)～式(12)得各可適應任務的熵值ei、優勢度gi和熵權值ωi。結果如表6所示。

表6中所有可適應任務的優勢度g1～g15取值均介于[0.405866，0.414753]。根據表1判定，0.3≤gi＜0.5，表明該盾構機平臺設計的15項設計任務的適應性優勢度評價等級均為良好，表明該盾構機平臺設計整體具有良好的適應性。

4）產品平臺設計的可適應性評價指標排序。由式(13)，可得加權規范化的數據矩陣，如表7所示。

由式(14)～式(18)，計算可得5個適應性指標的相對接近度cj及其排序情況，如表8所示。

由表8可知，該產品平臺設計的5項評價指標的適應性強弱依次為功能適應性→技術適應性→結構適應性→環境適應性→經濟適應性。表明該復合式土壓平衡盾構機平臺設計注重平臺的功能拓展、升級換代和適應性變型能力；注重技術整合以及自主創新技術應用的磨合適配；較為注重結構的合理性和零部件的標準化和通用化的程度。使得平臺設計擁有較強的功能適應性、技術適應性和結構適應性（在5項評價指標中分別居于第一、第二和第三）。同時發現，盾構機平臺設計的環境適應性及經濟適應性排序相對較后（在5項評價指標中分別居于第四和第五），究其原因，主要在于盾構機掘進中會遇到各種不同地質水文條件，施工環境惡劣且復雜多變，使得掘進過程難以完美地解決復雜地層中施工的多種問題，即環境適應性受限；此外，與大多機械設備不同的是，制造商必須根據特定的施工地質條件，有針對性地設計和制造相應的盾構機或在盾構機上專門附設相應裝置，致使盾構機價格高昂，即經濟適應性變差。顯然，本方法對產品平臺設計的5項評價指標的適應性排序結果與實際分析相符，具有較好的實用性和可信性。

表5 第i項設計任務占第j項評價指標的適應性比重

表6 各可適應任務的熵值、優勢度和熵權值

表7 加權規范化的數據矩陣

表8 相對接近度及排序結果

6 結論

為保持產品平臺設計在個性化需求與定制市場需求背景下的競爭優勢，產品平臺設計的可適應性研究與評價意義重大。本文以復合式土壓平衡盾構機平臺設計為例，對平臺設計整體任務進行分解，建立可適應設計任務集。將熵權法與改進的TOPSIS法相結合，對其適應性進行分析和評價，得出以下結論：

1）以現有的平臺設計在適應性要求上所處的狀態相對于理想平臺設計狀態的隸屬匹配度作為分析模型的初始數據，構造出基于高斯函數的匹配度計算方法。提出了基于熵理論賦權和改進TOPSIS法的產品平臺設計適應性分析的模型與方法。通過實例驗證，該方法可成功應用在復雜機械的產品平臺設計的可適應性分析和評價。

2）盾構機平臺設計的15項設計任務的適應性優勢度取值介于[0.405866，0.414753]，評價等級均為良好，表明該盾構機平臺設計整體具有良好的適應性。

3）盾構機產品平臺設計的5項適應性評價指標的強弱依次為功能適應性→技術適應性→結構適應性→環境適應性→經濟適應性。由此也可以得出，要進一步提高復合式土壓平衡盾構機平臺設計的整體適應性水平，還應著重提升其環境適應性和經濟適應性。這為今后提高國產盾構機的技術水平和市場競爭力提供了很好的思路。