基于模块化的智能设计实现优化方案

1.基本概念

产品模块化设计的定义是：对产品中的相同和相似模块识别、分类、定义、规范，建立通用模块，在此基础上对通用模块进行组合和变型，设计出低成本、高质量、快速地满足用户的多样化和个性化需求的定制产品。

产品模块化设计主要包括两个过程：产品模块化过程和基于模块的订单产品设计过程。

（1）产品模块化（即产品模块建立）过程。在全面分析和研究客户需求、根据产品历史生产情况和市场预测的基础上，按照系统工程思想，将复杂成套装置/整机/部件/零件等分解成系列化和通用化的，易于组合、变型和快速重用的模块，并对模块的变型范围进行标准化，最终建立模块化产品平台。

产品模块化过程往往与产品开发过程结合在一起。

在不同时期，不同企业和产品的模块化水平也不相同。

（2）基于模块的订单产品设计（即模块的重用）过程。根据客户的产品订单需求，选择合适的模块组成满足客户需求的产品，其中某些模块有时需要进行重新设计（适应性设计）或变型设计。

2.基于模块化的智能设计的需求

（1）产品技术创新的需求

模块化技术能够很好地支持产品创新，其作用主要是：减少产品开发设计复杂性、缩短产品开发周期、有效支持企业间的协同创新设计、支持客户参与产品开发设计。

1）减少产品开发设计复杂性。制造业的复杂性主要源于产品的复杂性。模块化技术通过降低产品的复杂性，进而提高产品开发设计效率。

复杂产品如果不进行模块化，而是作为一个内部高度关联的整体进行设计，那么开发设计的复杂性急剧增加，多人协同开发设计的难度大大增加，从而严重阻挠了产品开发设计。

2）缩短产品开发周期。在产品开发设计阶段，设计人员可以大量利用其他产品中的通用模块，通过通用模块与新设计模块的组合，开发出新产品，从而缩短产品的开发时间。而在进行按订单的产品设计时，可以利用已有的模块或增加少量的专用模块组合成满足客户需求的产品。据统计，在设计过程中利用模块化技术能节约50%的时间。

3）有效支持企业间的协同创新设计。模块化改变了企业间的关系，可以让模块供应商在开发模块方面有更大的自主权，它们可以千方百计提高模块的性能，降低模块的成本，赢得某类模块的市场份额，成长为所谓的“小巨人企业”。通过模块供应商之间的竞争，进一步提高整机的性能。

4）支持客户参与产品开发设计。模块化技术可以使客户也有可能参与产品开发设计，支持客户配置设计出自己想要的产品。

图3.11描述了产品开发设计阶段不同环节中不同层次的产品模块化技术的作用。

图3.11　不同层次的模块化技术在产品创新设计中的作用

（2）提高效率的需求

1）提高制造协同的效率。模块化的产品结构是组织专业化生产和社会化协作的基础。产品中的许多模块可以交由专业厂生产，在专业厂中，模块成为系列化的商品，实现了批量生产，大大降低了成本，许多整机厂增加了外购和外协模块的数量，减少了自行设计和制造的工作量，从而缩短了产品制造周期，降低了产品的成本。如波音公司的主要工作是整机的组装和新品种的开发，而将非核心的作业扩散给1 600家零部件企业，大大缩短了产品的交货周期和新产品的开发周期。

2）提高企业制造和管理的效率。在模块化技术基础上容易采用成组技术，形成较大成组批量，提高制造和管理的效率。例如，单元制造系统、独立制造岛等制造模式都是建立在产品模块化基础上的。模块化技术使相似模块集中在一起加工，将加工该类模块的设备和人员集中在单元中，完成模块加工所需要的工艺设计、数控编程、生产调度、各种相关工种的加工，既满足人的高层次需求，如对工作全流程的自主掌控、有较多的学习机会等，提高了人的积极性，又简化了管理。企业可以利用各种模块化的零部件，根据客户的不同需求组合成不同的产品。对于客户来说，得到的是符合特定需求的“新产品”；而对于制造厂来说，则是利用成熟技术和模块制造的“成熟产品”，只是组合方式和构成要素不同而已。

3）提高制造信息化的效率。模块化技术使制造信息系统得以简化，而信息技术使模块化技术的作用得到充分发挥。例如，计算机辅助工艺设计系统可以采用变型设计方法，充分利用以往的工艺设计模板和知识。

（3）低碳环保的需求

1）满足绿色产品的快速开发要求。按模块化设计开发的产品结构是由便于装配、易于拆卸和维护、有利于回收及重用的模块单元组成的，从而明显简化了产品结构，并能快速组合成客户和市场需求的产品。

2）便于拆卸回收和维护更换。模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块，便于拆卸回收和维护更换等。同时，由于产品由相对独立的模块组成，便于维修，必要时可更换模块，而不致影响生产。模块化产品互换性强，便于拆装、维修和搬运。通用模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以模块为单位进行，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，加快了维修速度，提高了维修质量。模块化后零部件数量显著减少，因而可显著降低维修配件库存，减少大量资源消耗和能耗。

3）减少零部件数量，简化产品结构。按照传统的观点，整机由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件。而按模块化的观点，产品由模块构成，模块是构成产品的单元，从而减少了零部件数量，简化了产品结构。模块化产品中的模块可以形成较大批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短。零部件数量过多会导致或加剧企业的很多问题，如管理混乱、成本过高等。产品模块化设计可以大幅度减少零部件以及工艺过程、工艺装备的种类，充分考虑零部件以及工艺过程、工艺装备的可重用性。减少了零部件数量能够明显减少资源和能源的消耗。

4）提高产品可重用性和可重构性。模块化设计可以根据绿色设计的不同目标要求来进行。如在模块化设计时，若以可重用性为主，则需要考虑两个主要因素：期望的零部件寿命及其重用性能。当考虑零部件寿命时，可将长寿命的零部件集成在相同模块中，以便产品维护和回收后的重用；当考虑可重用性（回收价值与回收成本之比）时，应将具有相同重用性的零部件集成在同一模块中。模块化产品能够很好地满足建立“环境友好型、资源节约型社会”的要求。模块化使得产品具有可重构性，当产品不再使用时，其中的许多模块还可以组成新的产品继续使用。这意味着减少了新产品中新模块的使用量，减少了零部件的制造量，降低了制造过程中的能耗和物耗，减少了污染。

5）解决客户需求个性化与环境友好的矛盾。客户需求个性化和多样化是当前工业化的必然趋势。根据批量—成本法则，这必然会带来更多的能耗和资源消耗，对环境产生更多的不良影响。模块化设计和制造有可能在以较低的成本和较快的速度满足客户需求多样化和个性化需求的同时节约资源和能源，减少污染，实现环境友好。基于模块化技术开发的新产品，具有高度的结构合理性，可以以较低的成本和交货期适应未来不同客户的多样化和个性化需求，使产品具有较强的市场竞争力。在满足产品多样化需求的同时，模块化技术有效地统一、简化和限制了零部件的品种和规格，有效地减少了产品的内部多样化。模块化产品是按模块来组织生产的，可以形成一定的批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短。模块化使得企业能够控制日益增加的产品和过程的复杂性，使设计人员、管理人员和使用者都获得了很大的灵活性。标准模块是一种技术比较先进、结构比较合理的通用部件，在作为标准模块之前，一般均经过试用和实践验证，并反复修改优化，因而标准模块的质量比较高，具有较高的可靠性。重复应用标准模块，便于总结经验、优化设计、提高质量。这意味着显著减少废品、延长产品的寿命，在帮助企业节省成本的同时，实现产品的环境友好。

6）支持绿色设计中的企业集成。当前，多企业协作的重要性越来越明显。例如产品模块的协同设计和制造的参与企业越多，模块的通用性往往就越好，能耗越少。产品模块化有助于设计师快速找到环境化零部件和相应的环境化制造企业，并快速确定最环境化的产品设计方案。

7）支持绿色设计的整体优化。相比传统的设计和制造，绿色设计增加了环境友好优化目标和约束，并且所优化的空间和时间范围大大拓宽，需要从产品全生命周期进行环境友好的整体优化。产品生命周期的某个局部环境友好不一定等于产品全生命周期的环境友好，还需要将相似的不同产品集成进行环境友好的整体优化，如产品模块化。

图3.12描述了基于模块化的智能设计的意义。

图3.12　基于模块化的智能设计的意义

3.基于模块化的智能设计的发展趋势

产品模块化智能设计的发展趋势主要是：大范围跨企业的产品模块化、从原理到结构的产品模块化、并行的产品模块化、基于Web 2.0的协同产品模块化、基于维基和掘客模式的零件本体自组织建设与维护、基于零件库的产品智能设计。

（1）大范围跨企业的产品模块化

互联网的发展使得产品模块化的范围在迅速扩张，如零件库的快速发展。这使得产品模块化范围从企业内向跨企业方向发展。产品模块化所考虑的产品种类越多，所得到的标准件和通用件的数量就越多，标准件和通用件的批量就越大，成本就越低，所消耗的资源和能源就越少。

大范围跨企业的产品模块化的特点和需求主要是：

1）自发性。要有“多赢”的机制，使企业乐于发布自己的产品模块资源，并乐于不断更新自己所提供的产品模块资源。通过产品模块资源整合模式，贡献产品模块资源的企业能够从中获利。

2）自组织性。要有技术的支持，能让产品模块资源在使用中不断有序化，而不是成为无序资源的堆砌。

3）自助性。要有信息技术的支持，让企业或个人能方便地将产品模块资源整合在一起，能让用户自助服务，这样可以显著降低产品模块资源发布和利用的成本，提高响应速度，满足多用户同时个性化服务的需求。 (www.xing528.com)

4）正反馈性。模块资源多了，价值大了，产品模块资源使用者就越来越乐于使用产品模块资源，人数也越来越多；使用人多了，产品模块资源更值钱了，产品模块资源发布者就越来越乐于发布产品模块资源，发布者的人数也就越来越多。两者互动，形成良性正反馈发展态势。

5）集成性。产品模块资源整合中最大的问题是发布者和使用者习惯用自己的描述体系（如名称、定义、结构等），结果使产品模块资源的搜索难度加大，重用性降低。本体技术可以帮助解决这方面的问题，但本体的应用也需要一种自组织、自优化、正反馈的发展模式。

6）广域性。整合的模块资源范围越广，内容越多，模块资源的利用效率也就越高。

（2）从原理到结构的产品模块化

产品模块化最初只是从产品结构优化入手，追求降低成本，促进产品大批量定制。随着产品模块化向纵深方向发展，将产品功能原理、技术方案和结构优化的全面模块化结合起来，可以全面支持产品创新、产品大批量定制和绿色设计：设计人员在产品概念设计阶段，就可以充分利用已有的产品功能原理、技术方案和结构等方面的模块化信息及知识，提高产品创新、产品大批量定制和绿色设计能力。

（3）并行的产品模块化

传统的产品模块化是串行进行的，产品开发结束后再进行产品模块化。未来越来越多的产品模块化工作将与产品开发工作并行进行，这将带来如下好处：

1）支持复杂产品的协同开发。不同企业共同参与复杂产品的开发，如果能够尽可能早地将产品模块化，定义好接口，各协作企业分头开发各自负责的模块，无疑会提高产品开发的效率。

2）充分利用现有的通用模块。在产品开发阶段尽可能利用通用模块可以提高新产品的模块化率，降低成本，缩短交货期，提高产品开发质量。

3）使产品模块化的潜力得到充分发挥。在产品开发阶段就考虑模块化问题，可以充分挖掘产品模块化的潜力，使产品性能优化。

（4）基于Web 2.0的协同产品模块化

产品模块化是当今机械制造业的发展方向之一，企业协同化也是当今制造业的发展方向之一。产品模块化能够有效支持企业协同化，通过不同专业化企业生产的模块，整机厂能够快速配置出用户需要的个性化产品。这种产品具有成本低、交货期短、质量稳定等特点。

如何对来自不同企业的产品进行整合，确定被各企业认可的通用的产品模块，并快速形成相关标准，是产品模块化的关键。

传统的方法是将生产某类相似产品的企业标准化人员召集在一起，进行该类产品模块标准的制定。这种方法花费成本高，所需要的周期长。

互联网技术，特别是Web 2.0技术的发展使得企业可以在互联网环境中方便地开展产品模块化工作。

1）任何在基于互联网的模块化产品平台中注册的产品生产企业都可以在平台中发布模块化的信息，如某类产品模块的标准阶段稿、结构文件及相关文档等，以征求其他企业的意见。

2）其他生产相似产品的企业以及使用该类产品的企业可以对该模块的标准阶段稿进行评论、修改，甚至提出自己的标准阶段稿、结构文件及相关文档等。

3）在经过一段时间的征求意见后，进入投票阶段。各企业对不同版本的产品模块的标准阶段稿、结构文件及相关文档进行网络投票，并根据得票数，进行各种版本的排队。

4）得票数多的产品模块的标准阶段稿作为正式的标准阶段稿，并发布和听取大家的意见，进行修改完善。其他企业可以对标准阶段稿中各条款和产品模块中的各种属性特征项进行评论和修改，提出自己的意见。

5）在经过一段时间的征求意见后，再次进入投票阶段。各企业以及使用该类产品的企业对产品模块的标准阶段稿中各个条款、结构文件及相关文档各种属性特征项的不同评论和意见进行网络投票，并根据票数，吸收最能反映大家意愿的评论和意见，形成产品模块的标准、结构文件及相关文档。

6）在该类产品模块的使用过程中，企业可以及时将使用中出现的问题通过基于互联网的模块化产品平台进行反馈和发布，并得到大家的评价。在此基础上，形成该类产品模块的标准、结构文件及相关文档的修改稿。经过一定的时间，组织重新投票，形成该类产品模块的新标准、结构文件及相关文档，使该类产品模块与时俱进，适应市场和企业环境的变化。

未来，当零部件库中的信息非常丰富时，就会出现这种情况：通过各种模块的组合，很容易获得新的产品。更多的情况是：在一些老产品中，采用模块化的零部件降低成本。总之，让分散的、大量的中小企业通过互联网协同进行产品模块化信息的发布、评论、修改、投票和应用，可以快速地、大范围地实现产品模块化，并且不断进行产品模块的优化。（5）基于维基和掘客模式的零件本体自组织建设与维护

维基是一种支持多人协作的写作工具，它提供“共同创作”的环境，赋予用户相当大的编辑修改权，允许任何人创建新网页，编辑自己或他人已经创建的网页。维基技术的以下特性保证了其可应用于零件本体的协同共建：

1）相关性。维基网站一般都有一个统一的关注主题，维基站点的内容必须与主题有高度的相关性。

2）权威性。维基网站具有信息的完整性和充分性的特点，从而使其具有权威性。

3）协作性。通过许多有共同志向的人的协作，完成主题的共建。

同一个站点下的零件本体编撰者构成了一个社群，维基系统能够为该社群提供简单的交流工具。社群中任何一个人都可以根据需要修改或添加新的条目。每一个条目对应了零件本体中的一个零件族。为避免恶意修改或删除网页，所有维基都有“版本控制”的概念，用于帮助使用者找回之前的正确版本。为了避免由于零件名称不统一而造成零件本体概念的冗余，建议编撰者在编写新的条目前，利用零件核心词对词典进行搜索，选择符合该零件定义的条目，并添加新的零件名称作为同义词。在本体构建过程中，领域专家和知识工程师可以借助维基平台各自发挥特长进行合作来创建形式化的本体，而大众可为本体知识的获取、知识管理及知识服务提供语义级的支持，为最终实现本体知识的集成、共享和重用提供保证，如图3.13所示。

图3.13　基于维基的零件本体共建流程

随着零件本体库在使用中不断增长，不经过优化处理的零件本体库中难免存在大量的冗余信息，为此，需要采用以下的优化方法进行处理：

1）冗余本体信息的优化方法。去掉重复的、不相关的信息，将长期无人问津的信息放入“非常用本体库”。除非特别请求，否则在一般设计中不使用“非常用本体库”。同时，应该能够建立本体信息目录，将搜索到的本体信息自动分配到正确的目录下，以保证本体信息的搜索和匹配效果。

2）基于掘客技术的零件本体优化的自组织机制。利用掘客模式，可以对零件本体进行评价和过滤，将使用次数多、评价度高的零件本体推荐给用户，如图3.14所示。

图3.14　基于掘客技术的零件本体优化的自组织机制

（6）基于零件库的产品智能设计

当人们设计新产品的时候，会发现新产品所需要的零件在网络零件库中都可以找到，此时设计工作会变得很轻松。网络零件库不仅提供了组成新产品所需要的零件，还告诉设计者，这些零件用在哪些相似的产品中，被做过什么样的仿真分析和试验，在使用中的表现如何。所有这些信息，可以帮助设计者减少大量的试验分析工作，提高设计的质量。

基于零件库的智能设计的特征是：

1）更透彻的感知。知道擅长制造某类零部件供应商；知道他们的水平、价格、交货情况和信誉；知道他们制造的零部件曾用于哪些产品；知道这些零部件的性能和制造过程中的碳排放数据；可以方便找到这些零部件的三维模型，以便用于产品设计；知道供应商的信息；零部件供应商也清楚地知道整机企业的需求。

2）更全面的互联互通。快速搜索零件、组合产品，进行仿真测试；让用户参与产品仿真测试，参与设计自己喜欢的个性化产品；客户需求信息迅速分解给各供应商，反馈回报价和交货期信息；订单需求信息迅速分解给各供应商，组织协同制造；企业获知供应商的生产计划，并可实时监督；对供应商的生产过程和零部件质量可远程监控。

3）更深入的智能化。自动搜索所需要的零件组合产品；自动集成和综合供应商的报价，给出产品的报价和交货期；自动监督供应商的供货情况，对可能的延误提出预警；对协同制造中的问题快速提出解决预案；设计和制造出低碳化的产品。