基于功能聚类映射的应急救援器材箱模块化设计方法

李安虎,李 乔,高 飞,刘广军,李梦如

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

模块化设计技术迄今一直处于实践领先理论的状态.较多领域(例如机床、减速器、计算机、家电和家具等领域)虽然已经渗透了模块化的思想,但是相关设计技术及理论还不够完善,导致现今的生产不能很好地解决产品多样化与成本低廉化之间的生产矛盾.

国内外学者对模块化设计做了大量研究:在模块化设计方法上,高淑英[1]结合广义模块化设计原理,使用相似特征聚类的方法形成广义模块,对粗纱布机进行了广义模块表达，并对粗纱机广义模块化设计原型系统进行了构建;唐涛等[2]在模块化设计中融合了绿色设计思想,提出并详细介绍了绿色模块化设计方法.

模块划分是模块化设计的关键技术，且一直是该领域的研究热点.在模块划分方法研究上,谌炎辉等[3]总结了现今已有的模块划分方法,将其归纳为基于功能的模块划分方法、基于功能和结构的模块划分方法、面向产品生命周期的模块划分方法等类型;高浪等[4]在模块化设计中掺入了多策略设计目标,从而提出了有关机电产品的多策略模块划分方法;Tsai等[5]从几何约束、机械强度、能量流、信息流等功能相关类型出发,利用并行工程的相关概念,对功能相关度进行模糊聚类划分;Tseng等[6]从绿色生命循环的角度提出了一种评价产品模块化的方法,先使用积分系统对产品间的关联密度进行评价,然后用集群遗传算法对产品模块进行聚类,最后以污染和花费分析来评价聚类结果.

从目前对模块化设计方法的研究情况来看,大多数学者并未对模块化方法进行系统性设计,有些模块划分方法与模块表达方法比较繁琐且不通用.因此,本文从实现产品的基本功能出发,系统地设计了一种产品模块化过程模型.在该模型中,提出了一种功能聚类映射的模块划分方法,并将产品的模块进行了参数化表达.

1 基于功能聚类映射的产品模块化设计过程模型

本文设计了一种基于功能聚类映射的产品模块化设计方法.① 针对市场需求或者相关工程问题进行分析,得到满足需求和解决问题的产品总功能;② 对产品总功能进行功能分解,分解成功能单元,功能单元再根据相关性聚集成功能模块;③ 在每个模块功能中加入结构、功能等信息形成广义模块,在对新产品的产品族进行分析规划之后,结合广义模块的概念,运用参数化设计技术可快速设计出模块的变形结构;④ 将参数、结构等数据整合形成模块库.

1.1 产品功能分析

为了满足市场需求以及解决某类工程问题,首先应该确定解决这些问题的产品总功能.某待设计产品总功能的确定可以采用任务抽象化方法以及黑箱法[7].以黑箱法为例,把产品系统看作一个不透明的黑色箱子,忽略该系统具体结构和工作原理,通过系统输入输出量(输入量和输入量体现为3种形式:物料、能量和信号)的变化特点,了解一个特定系统的规律,并推出该产品系统的总功能.

为了更好地描述产品的功能,将复杂的设计问题简化,则需将该产品总功能细分成多个子功能,即将总体、抽象、复杂的总功能向下拆分成局部、具体、简单的子功能,从而得到能以某种手段解决的功能单元.所谓功能单元是指用于完成某项功能的不宜再进行分解的基本单位.在机械结构设计学中,功能单元一般分为3种类型:数学功能单元、逻辑功能单元和物理功能单元[7].

功能单元按照一定的组织关系构成一个产品的总功能,主要有层次组织和非层次组织,设计问题中功能分解一般由抽象到具体,由整体到局部,所以层次组织较为通用.但是在一些不能分清层次组织关系的设计中,就需要进行非层次组织,该组织关系能够较好地反映不同功能之间的相互关系.

1.2 相关性聚类与功能-结构映射

独立性是所有模块所具有的一个主要特征,在将产品的总功能分解成一系列功能单元之后,若某个功能单元满足一定的独立条件(例如技术独立、参数独立、工艺独立等),则该功能单元可以单独作为一个功能模块;若某些功能单元不满足独立条件,则对于不独立的功能单元,可对其进行相关性分析聚类来形成模块.

功能单元与功能单元之间大致有如下相关类型[8].

(1) 功能相关:两个或多个功能单元(或子功能)之间同属于一个上级子功能,则这些功能单元(或子功能)功能相关.

(2) 装配相关:两个或多个功能单元(或子功能)各自的功能载体包含装配关系,则这些功能单元(或子功能)装配相关.

(3) 空间相关:两个或多个功能单元(或子功能)各自的功能载体享受公共的空间,则这些功能单元(或子功能)空间相关.

(4) 信息相关:两个或多个功能单元(或子功能)有材料、能量、信号和力之间交换信息关系,则这些功能单元(或子功能)信息相关.

功能单元与功能单元之间的相关度如下:

(1)

假设某产品总功能共可划分成m个功能单元,考虑功能单元之间的相关类型以及根据相关理论设置相关类型权重后,可得出产品功能单元相关矩阵如下:

(2)

产品功能的实现要通过相应的机械结构,针对功能模块设计合理的机械结构模块,考虑产品结构的布局及其装配组合方式,对结构模块装配组合,最终形成能够实现产品总功能的结构有机体.

对于产品来说,产品功能域与结构域的映射包含1-1,1-n两种,图1表示了两个域之间的映射关系.如图1所示,以功能模块FM1与功能模块FM2的映射关系为例,功能模块FM1只能通过特定结构的结构模块SM1来实现,结构模块SM1在多个产品中共享,这种关系为1-1映射;功能模块FM2由不同结构的结构模块SM2j组成,结构模块SM2j的纵向、横向结构形式视具体应用场景而定,这种关系为1-n映射.

图1 产品功能-结构的映射Fig.1 The function-structure mapping

1.3 广义模块的创建

广义模块是指拥有某种功能，具有一种或多种结构实现的参数驱动的结构模型.广义模块是功能、结构、结构驱动参数、性能驱动参数的函数,定义如下:

(3)

式中:F为模块的功能集;S为模块的结构模型集,对应模块的功能集,有一种或多种结构模型实现方式;X为模块的结构驱动参数集,是结构设计中的关键变量,其值受几何尺寸、制造精度等约束;P为模块的性能驱动参数集,描述模块的材料性能、载荷、振动等性能参数集合.参数之间具有独立性,一组符合约束要求的参数能够驱动生成一个模块的结构实例.

1.4 产品族规划

以尽可能少的种类、数量的模块组装成尽可能多的种类和数量的产品，是模块化设计的主要目的.结合上文所述的功能-结构映射策略以及可变形设计的广义模块设计,对模块能够组合而成的多种产品进行科学的产品族规划.

产品族是一类具有相似功能的产品集合,产品族中包含着关系复杂的模块[10].为了描述产品族所包含的功能和结构组成,从产品规格和产品功能两个维度引入产品族矩阵的概念.定义产品族矩阵Pr如下:

(4)

式中:行矩阵(Pri1Pri2…Prin),i∈[1,m]为具有不同功能变化的相同规格的产品系列;列矩阵(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]为具有不同规格变化的相同功能的产品系列,当j=1(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]时,列矩阵为产品基型矩阵,当j≠1时,列矩阵为产品变型矩阵.

(5)

由于产品的各个功能模块依赖于具体结构来实现,所以产品功能模块矩阵Pfj可进一步扩展为产品结构模块矩阵Psj.Psj定义如下:

(6)

1.5 模块库创建

产品系列族谱中包含不同类型、特殊功用的产品,全部都由基本模块和可变模块拼装组合而成.基本模块结构形式不变,规格没有变化或有少许变化,而且是一类经常重复利用、不可缺少的模块.可变模块根据不同的需求定制成特殊的结构和规格.将基本模块和可变模块数据整合到一起形成模块数据库,构建成产品设计平台,可避免在设计过程中的大量重复劳动,提升设计效率，节省劳动力和成本.

模块数据库的内容包含以下部分.

(1) 参数数据:XML文件是一种轻量级的数据存储文件,互操作性和可扩展性强,格式规范,运用XML文件来存储模块的参数信息,可方便地进行数据交换和内容管理.

(2) 预览数据:模型结构通过图片格式来预览,可帮助设计人员快速获取结构信息.

(3) 结构数据:通过常用的三维建模软件(例如Pro/E,UG,SolidWorks等)对模块结构进行三维建模,可在模块化产品设计时快速调用.

(4) 管理数据:运用关系型数据库(例如Oracle,SQL Server,Access等)存储相关数据,并对器材箱模块数据进行分析和管理.

2 应急救援器材箱设计案例

近年来,我国各类灾害、事故频频发生,严重影响公民的生命财产安全.应急救援器材车作为器材主要的运输工具承担着重要作用,在很大程度上影响救援效率.目前,应急救援器材车存在器材装载量小、种类少、体积大、设计效率低、功能集成化程度低等问题,难以满足复杂现场对各种救援功能的需求.器材箱是应急救援器材车重要组成部分,针对器材箱进行模块化设计,可以实现应急救援器材车的快速设计以适应不同的救援场景,安全高效地施展应急救援工作.

2.1 器材箱功能分析

对于应急救援器材箱,建立其黑箱模型，如图2所示.系统的工作环境为应急救援场景以及车辆底盘进行搭载运输;系统的物料输出较之输入无任何变化,都是各种类型的救援器材,能量和信号则由输入时的驱动存储动能、存储信号分别变成了驱动取出动能及取出信号.因此,可以确定应急救援器材箱的总功能是存储各种救援器材,在不同应急救援场景快速取用以开展救援工作.

图2 器材箱功能分析Fig.2 Function analysis on the equipment box of emergency vehicle

基于器材箱的总功能特点,结合层次组织关系的功能分级思想,可将器材箱主要功能分为基本功能和辅助功能两大类:基本功能包含器材支撑、约束、锁定、运动及其数据管理等功能;辅助功能包含动力提供和照明等功能.功能模块还可进一步细分为如图3所示F1～F12的12个功能单元.

2.2 器材箱模块划分

根据1.2节所述的4种相关类型,结合应急救援器材箱功能特点及工程经验,运用层次分析法计算上述相关类型的权重，结果分别为0.382,0.238,0.304,0.076.再结合式(1)和式(2)可得产品功能相关矩阵如下:

图3 功能模块的动态聚类Fig.3 Dynamic clustering of function modules

(7)

式(7)共有8种相关度值,从大到小依次设为阈值TR,大于该阈值的功能单元可以聚集成一个模块,得如图3所示的功能模块动态聚类图.对每一种方案进行平均聚合度和平均分离度计算，如表1所示,方案2为最佳划分方案.

表1 不同方案的平均聚合度和平均分离度Tab.1 Mean integration values and mean division values of different schemes

在功能模块划分完成之后,结合图1分析功能-结构映射关系:信息存储-标签、信息读写-读写器、信息计算-主机符合1-1映射关系,标签、读写器以及主机在不同类型器材箱产品中可以共用;其他功能模块与对应的结构模块都满足1-n映射关系.以平移功能模块到平移导轨机构的映射为例,该映射为典型的1-n映射,其存在有横向和纵向的结构-功能映射关系,横向为导轨节数的变化,纵向为拉伸长度的参数变化,具体节数及拉伸长度视特殊救援场景中使用的器材箱类型而定,如图4所示.应急救援器材箱经过功能-结构映射后，最终结构模块划分结果如图5所示.

图4 平移功能模块到平移导轨机构的1-n映射Fig.4 The 1-n mapping relationships corresponding to the panning function modules to panning guide mechanisms

2.3 器材箱产品族规划与模块库形成

综合分析应急救援器材箱功能树状图和结构树状图：① 利用三维建模软件创建广义模块基型结构模型文件(见图6);② 编写该模块所必须的结构驱动参数、性能驱动参数数据文件;③ 对市场现有的器材箱品种进行产品族规划、分析和预测产品需求,实现由需求-功能的转化.

图5 应急救援器材箱结构模块树状图

融合广义模块的概念,运用参数化设计技术对相关参数等作出相应调整,可由基型模块出发设计满足不同需求产品的变形模块,并形成相应的数据文件,汇集成应急救援器材箱数据库.以数据库为基础搭建应急救援器材箱数字产品平台,通过模块接口添加配置专用模块,可对不同类型器材箱进行快速设计.

图6 应急救援器材箱广义模块基型结构Fig.6 Basic structures of the generalized modules in the emergency rescue equipment box

3 结语

本文分析研究了模块化设计技术,设计了基于功能聚类映射的产品模块化的设计过程模型,在该过程模型中提出了功能聚类映射模块划分方法,并通过平均聚合度和分离度来挑选划分方案.将模块进行了参数化表达,有利于实现横向或纵向等不同方式的模块化设计.将此过程模型应用到应急救援器材箱的设计,得出了器材箱最佳模块划分方案,在器材箱产品族的基础上继续创建应急救援器材箱模块库,基于模块库搭建器材箱产品设计平台,可针对不同工程需求,快速设计不同类型的应急救援器材箱.