李文标
广州汉玛智慧信息技术有限责任公司
摘要：为了降低产品开发过程中的原材料与能源消耗、减少环境污染，通过产品的模块化与升级设计来延长产品生命周期、最大化产品效用。本文首先分析了产品模块化架构与生态升级协同设计，接下来详细对问题进行分析，最后对双层嵌套遗传算法以及由内到外的模块化生产网络模型构建做分析，希望给行业内人士以借鉴和启发。
关键词：协同产品；模块化架构；生态升级设计；主从关联；优化
引言
随着市场需求不确定性和顾客偏好多样化趋势的愈发明显，企业新产品的开发周期越来越短，产品的迭代速率逐步加快。然而，产品生命周期变短需要消耗更多的原材料和能源，使环境问题愈发凸显。因此，如何延长产品的生命周期并权衡好企业的经济效益和环境的可持续发展效益，已经成为企业管理者亟待解决的难题。基于此，本文将对协同产品模块化架构与生态升级设计的主从关联优化做具体阐述。
1产品模块化架构与生态升级协同设计
1.1问题描述
假设产品开发团队需要设计一款新产品以满足顾客的定制化需求，由于政府管控和社会倡导可持续发展，在新产品开发的早期阶段，需要考虑第一代产品能够在生命周期结束时回收再制造。因此，为了尽可能延长产品的生命周期，降低新产品开发活动过程中的原材料与能源消耗，产品开发团队中的新产品开发团队（小组）与再制造设计团队（小组）需要协同决策产品全生命周期内的模块化架构设计与模块升级设计。新产品开发团队需要选择产品架构及其候选项，以满足市尝环境和升级的需求；再制造设计团队则基于新产品开发团队给出的产品架构方案，在产品结构、环境影响和自身成本的约束下，对可升级的模块及其属性水平进行决策，以得到一个最优的产品生态升级设计方案，然后将该方案提交给新产品开发团队，评估是否已经最大程度满足现阶段的市场需求、环境需求和产品功能需求。若评估方案通过，则后期启动产品的再制造升级，否则双方需要进一步协同决策，直到对产品的架构与升级设计决策达成一致，实现双方利益的最大化。
2问题分析
从Stackelberg和双层优化决策理论的角度来看，上述问题实际上可以视为一个以新产品开发团队为主者，再制造团队为从者，具有主从关联特性的优化问题。就新产品开发者（主者）而言，在新产品开发时期，需要综合市场的顾客需求、政府制定的环境保护要求、企业本身规划的产品升级战略和产品的全生命周期成本，来决策新产品的架构方案。因为产品架构对产品升级的质量和有效性有深远影响，而模块化的产品架构能够降低产品功能和组件间的关联性，最小化产品升级过程中加入一个功能元素对其他功能或者产品结构的影响，所以产品开发者需要考虑如何决策整个产品变体PV的模块化架构，如复合模块CMr（r=1，…，R）的个数、基本模块SMk（k=1，…，K）的选择和模块候选项的属性配置，以实现单位成本下的顾客感知效用（顾客对新产品的功能感知效用和对再制造产品的功能升级感知效用）最大化（模块化产品组合优化的目标函数广泛表示为单位成本下的顾客感知效用）。然而，在进行产品的模块化设计时，会受到工程技术（技术可行性）、模块及组件间的兼容性、升级可行性和资源方面的约束。因此，上层的新产品模块化架构设计是一个最大化产品效用成本比的有约束工程优化问题。就再制造者而言，为了使产品全生命周期内的价值最大化，需要对产品的生命周期进行拓展，即当顾客使用的产品的生命周期结束时，再制造者从顾客回收产品，对其进行检测、拆卸，以及功能的修复或再升级，从而实现产品的二次甚至多次使用。因此，再制造者需要决策每一代产品的模块升级。
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3双层嵌套遗传算法
通过分析上述模型可知，模型的目标函数与约束条件均为非线性，且决策变量是0-1整数变量与连续变量的混合情形。因此，这是一个0-1混合整数非线性规划（MINLP）模型，这类模型的求解已被证实是一个NP难题。由于模型的部分决策变量（如模块候选项的选择变量、基本模块的选择变量和复合模块的组合变量）规模庞大且复杂性较高，决策变量的取值范围非连续，传统的间接求解方法如分支定界法、罚函数、信赖域方法、KKT条件等难以求解这类组合优化问题，而遗传算法（如嵌套遗传算法）因搜索速度快、鲁棒性强、收敛效果好等优点，目前已被广泛运用到产品开发的各类工程优化问题（如具有主从关联结构的优化问题）中。因此，本文采用双层嵌套遗传算法直接对模型进行求解。算法的一般思路是：首先基于上层目标函数和约束条件得到一个上层初始可行解（初始种群），然后将该解以参数的形式传递到下层来求解下层模型。若上下层模型都得到满意解，则找到了整个模型的最优解；否则需要按照一定的优化迭代规则进行迭代，直到找到上下层的满意解为止。整个算法的寻优、收敛过程通过上下层算法的种群适应度评价函数的计算排序和交叉变异实现，终止寻优则是通过设置终止条件（如达到最大迭代次数）实现。
4由内到外的模块化生产网络模型构建
4.1模块化生产网络模型构建
在产品研发端，企业借助于销售服务中心获取用户需求、细分全球化市场，从而开展产品的模块化设计，并划分出共用模块和个性模块--前者是在不同产品系列中通用的模块，且能实现产品的基本功能，例如压缩机、保温箱体等模块；而后者是产品造型或符合当地市场准入的差异化模块，例如产品造型及需要满足当地用户需求或市场准入的特定模块。共用模块（自制）需要安排在企业具备最佳研发能力的区域开发，例如企业研发中心，企业为控制核心技术或模块的所有权，需要集中精力控制模块的接口和平台架构的构建；而个性模块可以安排在靠近当地市场的区域开发，以保证用户的需求可以被精准把握并反映到技术研发过程中，另外，企业还可以及时掌握用户需求的变异情况并采取应对措施。
4.2模块化生产线优化布局策略
基于在模块化设计阶段的关键输出--模块化产品架构，结合上述模块化生产效能提升路径，本文特提出一种承接模块化产品架构的模块化生产线布局方案，其中在总装线（主线）两侧分布有模块的生产或暂存区域，包含共用模块（自制/外购）和个性模块（自制/外购）。
4.3主从对策的决策机制
模块化产品族设计中的多层次主从关联优化问题其本质是主从对策问题，基
于主从对策的理论基础与决策框架可以构建模块化产品族优化设计问题的决策体系。在所有决策问题中，决策主体中的主者L(leader)多处于模块化产品族设计问题中的高层次或在时间顺序上更靠前，从者F(follower)则处于相对靠后的层次或设计顺序，这里的主者或从者可以是企业的实际设计团队或虚拟的设计决策者，也可以是顾客等其他利益相关者。
结语
模块化产品族设计的主从关联优化问题是以Stackelberg博弈、对策理论及双层规划模型为基础的，但其优化模型又具有模块化产品族设计的一般设计特色及具体协同特征。本章针对模块化产品族设计的一般决策关系与优化结构进行研究，从模块化产品族设计的主从关联结构出发，阐释了模块化产品族设计中不同设计主体、不同设计层次、不同设计对象以及不同时间顺序等的主从关联问题及其现象。
参考文献
[1]王丹萍，杜纲．结合供应链设计的产品族模块配置的主从优化［J］．计算机集成制造系统，2015,21（4）:894-903.
[2]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社,2000:24,26
论文作者:李文标
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：产品论文; 品族论文; 模块论文; 主从论文; 架构论文; 模型论文; 生命周期论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;