模塊化的毛衫產(chǎn)品族設計及評價指標

劉艷梅， 王花娥

(嘉興學院 設計學院, 浙江 嘉興 314001)

模塊化的毛衫產(chǎn)品族設計及評價指標

劉艷梅， 王花娥

(嘉興學院 設計學院, 浙江 嘉興 314001)

針對毛衫產(chǎn)品族設計中的模塊劃分規(guī)則不清晰、可操作性不強等問題，提出一種模塊化的毛衫產(chǎn)品族設計方法。根據(jù)毛衫結構的特點，設計了模塊劃分規(guī)則:突出變型設計的方便性和產(chǎn)品族設計的通用性；將基于區(qū)域結構的橫向模塊、縱向模塊與獨立于區(qū)域結構的全身結構、裝飾結構有效結合在一起，構成毛衫產(chǎn)品族的基本設計單元。另外，設計了一套模塊化產(chǎn)品族設計的評價體系，根據(jù)多樣性、通用性和新穎性3個指標計算出平均設計時間成本，并給出了評價指標與時間成本的關系、時間成本與企業(yè)收益之間的關系。驗證結果表明，所設計模塊化方法在不降低產(chǎn)品族通用性的同時，可提高產(chǎn)品族的新穎性，進一步提升產(chǎn)品族的多樣性，從而降低設計時間與成本。

模塊劃分； 產(chǎn)品族設計； 評價指標； 大規(guī)模定制

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，人們不再滿足于選擇企業(yè)提供的標準產(chǎn)品，個性化、多樣化需求越來越旺盛。對于企業(yè)來說，能夠快速響應市場，在最短時間內(nèi)開發(fā)出滿足客戶需求、定制的個性化產(chǎn)品極為迫切。在這種背景下，大規(guī)模定制生產(chǎn)方式成為取代大規(guī)模生產(chǎn)的新生產(chǎn)方式[1]。產(chǎn)品族設計是大規(guī)模定制的關鍵技術之一，因其能有效地實現(xiàn)大規(guī)模定制的思想而成為過去十幾年來一個非?；钴S的研究課題，并受到越來越多的關注。產(chǎn)品族設計的研究主要有2種類型[2]：基于組件或模塊的產(chǎn)品族設計和基于參數(shù)尺度變化的產(chǎn)品族設計。模塊化設計方法有利于實現(xiàn)標準化和規(guī)模化經(jīng)濟，已成為工程產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。

目前在產(chǎn)品族模塊化設計方法和實施上，國內(nèi)已有一定的研究。陳陌等[3]將產(chǎn)品族模塊分為必選模塊和可選模塊，設計主從對策模型處理2類模塊的組合問題。涂建偉等[4]提出一個基于模糊設計結構矩陣的模塊化設計方法，基于模塊功能部件間關聯(lián)矩陣確定模塊化設計任務的執(zhí)行順序。Koschke等[5]從模型演化的角度提出模塊之間的轉化關系。以上方法更多注重的是模型本身的描述，沒有從產(chǎn)品整體結構上給出模塊劃分規(guī)則。李達等[6]根據(jù)領部件功能及幾何相關性分配相應權重，對產(chǎn)品族等模塊進行劃分，吳永明等[7]對產(chǎn)品族中的核心系統(tǒng)劃分為多個子功能模塊。孟祥慧等[8]給出了模塊優(yōu)化準則，并以基于整數(shù)編碼的遺傳算法對模塊規(guī)劃問題進行求解。以上模塊劃分方法在制造業(yè)取得了較好的應用效果，而在服裝產(chǎn)品族設計上的應用研究較少，李克兢等[9]提出通過服裝工藝系統(tǒng)化規(guī)范化組織，應用產(chǎn)品族和模塊組合的設計方法實現(xiàn)服裝快速生產(chǎn)，但模塊內(nèi)容劃分粒度較粗，變型設計困難。

毛衫大規(guī)模定制產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，設計一種規(guī)則清晰、可操作性強的模型很有意義?；诖?，本文設計了一種基于模塊劃分的毛衫產(chǎn)品族設計方法，劃分規(guī)則很好地表達了毛衫的設計結構，同時給出了產(chǎn)品族設計的評價指標。

1 模塊化產(chǎn)品族設計

1.1 模塊化設計方法

模塊化設計是對一定范圍內(nèi)不同功能、不同規(guī)格的產(chǎn)品劃分并設計出一系列功能模塊，通過組件和模塊的選擇和組合可快速構建不同的產(chǎn)品，以適應客戶多樣化需求的方法[10]。模塊化設計方法縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了成本，是實現(xiàn)大規(guī)模定制的有效手段[11]，適合應用于機械產(chǎn)品開發(fā)和服裝產(chǎn)品開發(fā)等領域。

1.2 模塊劃分規(guī)則

模塊劃分是指對產(chǎn)品的總體功能進行分解，得到一系列基本功能單元，然后聚類成多個具有典型功能模塊的過程[4]。在產(chǎn)品族變型設計中，大部分模塊是不需要修改的，可大量節(jié)省設計成本和生產(chǎn)成本；另一方面，通過增加個性化的組件設計、對部分模塊修改或者在重要功能模塊中融入新技術，就能使產(chǎn)品達到煥然一新的效果[12]，因此，對產(chǎn)品要進行合理的模塊劃分，以達到低成本和高速度響應市場多樣性、個性化的需求。毛衫產(chǎn)品與機械產(chǎn)品有較大的區(qū)別，毛衫產(chǎn)品主體結構的模塊與其他模塊之間的耦合度更大，不宜過度劃分；附加結構的模塊與其他模塊之間的耦合度小，可劃分為獨立模塊，實現(xiàn)延遲設計。毛衫產(chǎn)品模塊劃分應遵循以下規(guī)則：1)互換性。要通過模塊的組合快速地構成產(chǎn)品，同類模塊之間應該具有良好的互換性；2)結構完整性。保持模塊結構獨立完整，為組合設計和生產(chǎn)制造提供便利；3)個性化模塊獨立性。個性化模塊通常是為特定用戶的需要設計的，在描述其個性化需求時，模塊獨立更容易精確定位；4)易變型模塊獨立性。有些模塊更適合作變型設計，單獨對其修改能夠將設計變化影響限制在盡量小的范圍內(nèi)，從而增加整個產(chǎn)品族的通用性。

2 毛衫產(chǎn)品族設計

2.1 模塊劃分

2.1.1 區(qū)域結構劃分

縱向劃分以有利于組成整體模塊為原則，縱向將毛衫劃分為左衣袖區(qū)、衣身區(qū)和右衣袖區(qū)。橫向劃分以衣身結構為主，兼顧衣袖的結構，因此，橫向將毛衫劃分為一區(qū)至三區(qū)。一區(qū)包括衣領、肩部和掛肩；二區(qū)包括胸部、腰部、臀部和袖中；三區(qū)包括下擺以及袖口。有些劃分是為設計上的方便，比如衣袖，在生產(chǎn)時，仍是不宜分割的模塊。以平肩套衫為例，其縱向和橫向區(qū)域劃分如圖1所示。

2.1.2 獨立結構劃分

2.1.2.1 全身結構 有些組件或者模塊適合于全身范圍，不宜劃分到縱橫向區(qū)域中，將這樣的結構稱之為全身結構。全身結構包括紋理、圖案等模塊。

2.1.2.2 裝飾結構 有些模塊在衣身的布局中比較隨意，根據(jù)客戶的喜好，可放置在衣身或者衣袖的任意區(qū)域，比如口袋、裝飾、logo等。

將區(qū)域結構、獨立結構組合在一起，構成了毛衫的全局劃分結構，如表1所示。

表1 毛衫的全局劃分結構Tab.1 Global division structure of sweater

2.2 毛衫產(chǎn)品族設計流程

毛衫模塊化產(chǎn)品族設計流程如圖2所示。其實現(xiàn)過程如下：1)模塊、組件庫建立。當模塊、組件庫積累到一定規(guī)模的時候，模塊的選擇和組合才有余地。2)提煉需求。用戶的需求往往是多樣化的、個性化的，將用戶個性化的需求提煉出來，形成相應的功能模塊。3)產(chǎn)品族設計。從已有模塊中挑選合適的模塊設計產(chǎn)品族，橫向模塊基于衣身結構設計，縱向模塊考慮了模塊間的組合，全身結構設計從全局角度添加紋理、圖案等輔助效果，裝飾結構主要是局部設計。從模塊、組件庫中檢索不到相同模塊，則從檢索到的相似模塊中選擇合適模塊進行變型修改，或者和其他模塊組合設計。若從模塊、組件庫中檢索不到相似模塊，則需要設計人員開發(fā)新模塊，并完成產(chǎn)品族設計。4)產(chǎn)品族評價。理想的產(chǎn)品族有助于使得產(chǎn)品族既考慮產(chǎn)品多樣性、滿足更多客戶的需求，又使得企業(yè)成本達到較低的水平。

3 產(chǎn)品族評價指標

一個完善的產(chǎn)品族設計框架，除包含產(chǎn)品族設計方法外，還應該有一套切實有效的評價體系。對產(chǎn)品族設計評價，目前大部分文獻提出的方法是從單目標優(yōu)化的角度描述的，尚缺乏系統(tǒng)全面的產(chǎn)品族評價指標。通用性和多樣性是產(chǎn)品族的重要特征，是產(chǎn)品族評價指標研究的重點。如Siddique等[13]提出組件通用性、關聯(lián)通用性和裝配通用性，并計算出全局通用性指標；常艷[14]給出了多樣性指標模型，但產(chǎn)品族評價指標大都應用在標準件等機械產(chǎn)品的設計上，且計算較復雜。本文研究設計了適合在毛衫產(chǎn)品族設計上的幾個評價指標。

3.1 多樣性

顧客需求的差異導致產(chǎn)品的多樣性，產(chǎn)品族內(nèi)每個產(chǎn)品變型有著不同的功能，以滿足多樣化的顧客需求；一個產(chǎn)品族中的產(chǎn)品共享結構、模塊等，使得同一個產(chǎn)品族的產(chǎn)品變型又具有較高的相似性。

(1)

同理可得，產(chǎn)品變型Pi和Pj中所有相同組件的累加權重為

(2)

產(chǎn)品變型Pi和Pj的差異度表示為

(3)

產(chǎn)品族的多樣性表示為

(4)

3.2 通用性

通用性指標可解釋為產(chǎn)品族匯總通用組件與所有組件之間的比率。對于設計者而言，通用性高則表示設計的變更幅度小，成本低；反之，則說明設計變更幅度大，成本高。計算產(chǎn)品族通用性時，首先計算相比較的2個產(chǎn)品的相似度，產(chǎn)品變型Pi和Pj的相似度表示為

(5)

產(chǎn)品族的通用性表示為

(6)

3.3 新穎性

通用性指標較好地描述了同一產(chǎn)品族中產(chǎn)品變型之間變更的幅度。假設組件庫規(guī)模較大時，以已有的組件、模塊為基礎作變型設計，若僅僅是現(xiàn)有組件的組合設計，雖然通用性指標很小，但工作量仍然不大，即通用性指標不能完全體現(xiàn)設計工作量和設計成本。為此，采用新穎性指標計算創(chuàng)新設計的成本。新穎性強調(diào)組件是否在某產(chǎn)品族設計中首次設計并使用，方便后續(xù)的時間成本計算。NIi表示產(chǎn)品變型Pi所使用的新設計組件的數(shù)量，NNi表示產(chǎn)品所使用的非新設計組件的數(shù)量。產(chǎn)品變型Pi中的所有新設計組件的累加權重為

(7)

式中：ξ為修正系數(shù)；k為新設計組件在產(chǎn)品族中使用的次數(shù)。設計ξk-1的目的在于，如果新設計組件在產(chǎn)品族中重復使用，則該組件相比于新設計組件在產(chǎn)品族中僅用一次的作用更明顯，但隨使用次數(shù)增加，該組件在每次使用時的分量在降低。ξ的取值范圍在(0,1)之間，ξk-1隨k的變大逐漸降低。以ξ=0.5為例，新設計組件在產(chǎn)品族中使用5次，ξk-1的取值如表2所示。

表2 ξk-1的取值Tab.2 Value of ξk-1

產(chǎn)品變型Pi中的所有非創(chuàng)新組件的累加權重為

(8)

產(chǎn)品變型Pi的新穎性表示為

(9)

產(chǎn)品族的新穎性表示為

(10)

4 實驗與分析

為驗證本文方法的合理性，以歐洲風產(chǎn)品族(產(chǎn)品族1)、長款休閑型產(chǎn)品族(產(chǎn)品族2)、秋款寬松型產(chǎn)品族(產(chǎn)品族3)以及實例庫中的所有產(chǎn)品族設計為例，對產(chǎn)品族設計進行評價與分析。產(chǎn)品族1的產(chǎn)品變型如圖3所示。

案例1：以產(chǎn)品族1和產(chǎn)品族2為例進行對比分析。2個產(chǎn)品族分別有產(chǎn)品變型15個，每個產(chǎn)品變型包含6～11個模塊或者組件不等。

根據(jù)3小節(jié)設計的評價指標計算公式，可分別計算多樣性、通用性和新穎性指標。評價指標的計算過程主要包含產(chǎn)品族內(nèi)某產(chǎn)品變型和其他產(chǎn)品變型之間的比較關系，如2個產(chǎn)品之間的相同組件個數(shù)NS、不同組件個數(shù)ND、相同組件的累加權重WS、不同組件的累加權重WD、產(chǎn)品變型間的差異度DI、產(chǎn)品變型間的相似度SI等。以計算產(chǎn)品族1中的產(chǎn)品變型1和其他產(chǎn)品變型的多樣性和通用性指標為例，對其計算過程進行分析，所用到的中間變量值如表3所示。

表中P2～P15分別表示產(chǎn)品變型2到產(chǎn)品變型15。兩產(chǎn)品變型比較時，相同的組件數(shù)重復計算。從表3中可看出，P1和P2共用的組件數(shù)為3個，所以NS的第1個值NS1為6；P1和P2不共用的組件數(shù)為16個，所以ND1的值為16；P1和P2中所有相同組件的累加權重WS1為0.14，所有不同組件的累加權重WD1為0.46。在計算出每2個產(chǎn)品間的DI和SI性。案例1的評價數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 評價指標計算時所用的中間變量Tab.3 Intermediate variables used to calculate evaluation indexes

注：本表中的數(shù)據(jù)均為產(chǎn)品變型P1與同一產(chǎn)品族中其他產(chǎn)品變型間的關聯(lián)數(shù)據(jù)。

表4 案例1的評價指標Tab.4 Evaluation index of case 1

從表4可看出：產(chǎn)品族1的多樣性比產(chǎn)品族2略高，但產(chǎn)品族2的通用性更好；產(chǎn)品族2的新穎性比產(chǎn)品族1高，說明產(chǎn)品族2使用的全新組件多，創(chuàng)造性高。從產(chǎn)品族1和產(chǎn)品族2對比結果看，產(chǎn)品族2通用性好，制造成本會降低；新穎性高，包含的創(chuàng)造性設計多。由此可見，產(chǎn)品族的多樣性高，不一定是添加了很多的創(chuàng)新設計。

新穎性高同時也意味著設計時間成本高。用式(11)計算產(chǎn)品族1和產(chǎn)品族2的設計時間成本。

(11)

式中：N表示產(chǎn)品族中產(chǎn)品變型的個數(shù)。對于第i個產(chǎn)品變型的設計，tS表示從實例庫中挑選一個組件或模塊所用的時間，tD表示設計一個全新的組件所用的時間，tC表示組合組件、模塊至成品所用的時間。從產(chǎn)品族1和產(chǎn)品族2的對比結果可看出，由于產(chǎn)品族2設計了較多的新模塊，導致設計時間大幅提高。

案例2：對產(chǎn)品族3和實例庫中的48個產(chǎn)品族進行分析。產(chǎn)品族3有20個產(chǎn)品變型，其中有5個組件是創(chuàng)新設計，但這5個組件在產(chǎn)品族3中使用頻率較大。實例庫中每個產(chǎn)品族包含13～25個產(chǎn)品變型，實例庫中共有1 105個產(chǎn)品變型。案例2的評價數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 案例2的評價指標Tab.5 Evaluation index of case 2

從表5可看出，產(chǎn)品族3的多樣性、通用性和新穎性3項指標均比較高，而平均設計時間成本卻較低，分析其原因是由于在產(chǎn)品族3中雖然設計了多個新模塊，但其在整個產(chǎn)品族中的使用頻率較高，增加了產(chǎn)品族的設計通用性，降低了總的設計時間，因此，產(chǎn)品族3是較完美的產(chǎn)品族設計。從實例庫中的一千多個產(chǎn)品的評價指標上看，按照本文的設計思路也達到了較好的效果。從應用效果上看，基于模塊的設計，由于其變形設計速度快，與用戶溝通的成本將大大降低，而用戶的滿意度將會提高。

根據(jù)統(tǒng)計結果，多樣性、通用性和新穎性與時間成本之間的關系如圖4所示。圖中評價指標和時間成本圍成的區(qū)域為負收益區(qū)域，如圖中灰色區(qū)域所示。為使負收益盡量小，在時間成本較小的情況下，企業(yè)收益達到最大。從時間成本上分析，如果時間成本太小，多樣性和新穎性不夠，不能滿足客戶需求，企業(yè)收益不高；如果時間成本太高，通用性不高，設計成本和生產(chǎn)成本升高，企業(yè)收益降低。時間成本在(C1，C2)內(nèi)，企業(yè)的負收益較小，如圖5所示，企業(yè)的總收益也趨向于最大。從而達到了在滿足客戶對產(chǎn)品多樣性、個性化需求的同時，企業(yè)的收益也達到最大水平。

5 結 語

本文根據(jù)毛衫結構的特點，設計了模塊劃分規(guī)則，突出變型設計的方便性和產(chǎn)品族設計的通用性?；诖艘?guī)則，設計了具有一定規(guī)模的模塊、組件庫和產(chǎn)品族案例庫進行驗證，既考慮了用戶的多樣化需求，又兼顧設計時間成本與企業(yè)收益，達到了較好的平衡。在評價指標設計上，多樣性和通用性指標是常用指標，本文做了一些簡化處理，方便計算。新穎性指標是本文新設計的指標，原有模塊的任何修改都將被認為一個全新的模塊。如果記錄原有模塊的特征數(shù)據(jù)，可通過相似度計算的方法比較新模塊的創(chuàng)新性和工作量，數(shù)據(jù)指標將更有說服力，這將是今后進一步研究的目標。

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Modularized product family design method of sweater and evaluation indexes

LIU Yanmei, WANG Hua′e

(CollegeofDesign,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001,China)

In view that the rules of module partition are less clear and some are not so feasible in the product family design of sweater, a modularized product family design method of sweater is proposed. According to the structural characteristics of sweater, module partition rules are designed, which emphasize on the convenience of variant design and the generality of product family. Body regional structure-based horizontal module and vertical module are effectively combined with the whole structure and the decorative structure which is independent from the regional structure to constitute the basic design unit of the sweater product family. Furthermore, evaluation indexes of the modularized product family are designed, through which the average time cost of design is calculated according to the three indexes including diversity, universality and novelty. At the same time, the relationships of evaluation indexes and time cost, and time cost and enterprise profit are given. Experimental verification shows that the proposed modularization method can improve the novelty and diversity while without reducing the universality of the product family, so as to achieve the purpose of reducing the design time cost.

module partition; product family design; evaluation index; mass customization

10.13475/j.fzxb.20151100907

2015-11-03

2016-08-21

浙江省教育廳科研項目(Y201533781)；嘉興市科技計劃項目(2014AY11018)

劉艷梅(1975—)，女，講師，碩士。主要研究方向為針織服裝設計、服裝大規(guī)模定制。E-mail：yanmei0_lym@163.com。

TS 941.26

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