专利名称：岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设计方法
技术领域：
本发明涉及一种集装箱起重机大车机构的设计方法，特别涉及一种岸边集 装箱起重机大车机构杂交配置设计方法。
背景技术：
随着市场竞争的日趋激烈和先进技术在现代工业中的广泛应用，制造企业 之间的竞争开始转向基于时间和基于客户需求的竞争。高质量、低成本、短交 货期、个性化产品己经成为现代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势。采取 何种生产方式以适应个性化的市场环境，是制造业面临的一个重要课题。
集装箱起重机是单件小批量生产模式下的演化型的系列化、个性化产品。 目前采用的主要设计方法是，根据客户定单的功能与参数需求，设计者凭经验
在相近似的、多则70 80%，少则40 50%现有二维产品工程图纸中借用或修 改，设计出新的二维产品工程图。这种设计模式存在大量的重复劳动，影响了 对产品历史设计与信息的科学利用，影响了产品设计效率与质量的进一步提 高。深入剖析其根源，其中关键问题之一是，缺少一套适合于演化型的系列化、 个性化产品设计理论与方法，这是制约港机制造企业产品设计技术发展的瓶颈 问题之一。
由于客户需求的不断驱动，产品(类生命系统)的功能结构和特性参数在 不断的改进与演化。比如，随着集装箱运输业的快速发展及集装箱船的大型化 趋势，集装箱起重机由60年代的第一代发展到目前的第六代。产品发展的演 化规律如同生物演化过程一样[l]。集装箱起重机通过各零部件的不断继承与 改变(变异)，在功能结构上，机构和外形有很大的改变，有的由单台小车演 化到双台小车；特征参数(起重量、外伸距/内伸距、起升高度等)均有很大的改 变与增加。因此，新旧产品之间、同一类型的系列产品之间存在不同程度的相 似性与演化关系。
目前，尚未得到关于产品杂交配置设计研究的报道。由于本课题研究主要涉及产品配置设计和演化(进化)设计等两个研究领域。因此，以下主要就两 个相关研究领域分析国内外的研究现状。
近年来，国外对产品配置理论及技术的研究极为广泛,中国的华中科技大
学、浙江大学、清华大学、大连理工大学和上海海事大学等高校也对产品配置 技术进行了研究。其中有代表性的研究及应用成果如下。
(1) 支持大批量定制的产品配置模型及系统。英国Danid等人对大批量 定制产品配置的框架进行了概述。而后，许多学者针对大批量定制生产模式， 进行了产品配置模型及系统的研究。美国的Zhang等人提出了一种基于可拓 展产品族的产品配置建模方法。刘晓冰等人引入了类和特征的概念，建立了基 于类和特征的产品配置模型。张劲松等人提出了基于产品模型的智能化配置系 统框架。谭建荣等人提出了基于配置模板的产品配置设计系统。在谭建荣研究 的基础上，王世伟应用实例推理(CBR)和约束满足问题(CSP)的集成方法， 研究了基于实例的产品配置模型。新加坡的Ong等人研究了一种基于网络的 配置设计系统。陈继忠、童秉枢等人研究了面向协同设计的产品结构与配置管 理系统。杨勇生等人研究了单件小批量生产模式下产品设计配置器的运行模 式。
(2) 产品族设计方法。目前，产品族的研究主要集中在产品族的设计方 面。 一是面向变型的设计方法(Design for Variety, DFV)，利用基于参数化方 法来提高产品变型能力。美国的Deciu等人研究了一种基于特征的产品族配置 方法。韩国的Myung等人提出了设计单元和基于功能特征的参数化建模的概 念，研究了产品配置条件下基于知识的参数化设计方法。日本的Fujita等人研 究了一套基于模块整合和模块特征配置的产品变型设计方法。二是基于产品平 台(Product Platform)的设计方法。美国的Corbett等人应用离散设计空间 法，研究了一种产品配置设计的产品族公共平台建立方法。
(3) 产品配置系统的应用。目前，实用的产品配置系统主要有(l)DEC 公司的XCON是大型计算机的配置系统，存在知识库维护困难问题。(2) Westinghouse电梯公司的VT(Vertical Transportation)是电梯配置器。(3) XEROX公司的COSSACK是小型计算机配置系统。
演化设计是基于演化算法或基于生物演化机理和过程的一种现代设计方法。对于演化设计，国外作了大量的研究，中国的华中科技大学、浙江大学、 大连理工大学、上海交通大学、合肥工业大学等高校也作了研究。新加坡的
Tay等人研究了一种支持概念设计的基于功能的进化设计方法。美国的Jin等 人提出了一种支持概念设计的分等级共同进化方法。任尊茂、蒋祖华等人研究 了基于双层进化的产品客户化设计方法。李洪杰、肖人彬等人研究了基于功能 构造的复杂产品进化设计基因模型。周美立基于相似性原理，提出了机电产品 杂交集成设计的新概念和新方法。
综观国内外现状，目前诸多产品配置设计理论及技术有待进一步研究。主 要表现在(1)从产品配置的研究对象来看，主要集中在大批量定制生产模式 下，而单件小批量生产模式下的研究相对较少。(2)从产品配置的应用水平来 看，现有的产品配置系统主要应用于计算机、电梯和小汽车等产品领域，还不 能适合于复杂机械产品的配置设计。(3)从产品配置的理论与方法来看，对于 列入常规设计(Routine design)的产品配置设计，其理论与方法还不能适应于不 断演化的产品模型的配置设计。比如，当新一代产品开发后，现有的产品配置 系统需要作大量的实例和知识的更新。(4)从产品配置的参数化建模方法来看， 最具代表性的建模方法是韩国Myung的。虽然王峰等人已对产品级参数化建 模方法进行了研究，但至今还没有得到配置设计条件下的产品级参数化建模方 法。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的问题，而提供一种针对当前大车产品配置设 计过程研究瓶颈，在分析产品实例模型的基础上，通过复制、继承、变异以往成功的大车 实例零部件，同时结合国内外产品设计理论和方法研究模型，提出在快速、高效地进行产 品设计方法。
为了达到上述目的，本发明提供的岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设
计方法，其主要包括以下步骤
(l)客户定制需求分析。实例模板操作的前提是对产品功能和特点有比较 全面的认识，对产品的适用环境因素进行了深入分析后，可以确保得到产品的 大致设计方案，同时，这也是产品进化思想的直接体现。(2) 杂交配置实例模板的选择。产品的配置首先应对原有产品有充分的认 识和分析，并在此基础上寻找创新突破点。通过选择尽量符合客户定制要求的 实例模板，为产品设计人员提供有效的操作对象，准确把握产品内部组件之间， 以及内部和外部组件的关系，为模板杂交操作模块提供良好的平台。
(3) 杂交操作过程。通过选择出来已存在的产品实例模板，结合产品设计
和配置规则，运用杂交操作进行产品配置操作，得到新的、符合客户要求的新 实例模板。
(4) 评价。评价是较为重要的一个环节，通过对实例模板的杂交操作过程， 产生新的实例模板进行分析和评价，可以得到最优的配置方案。
(5) 新的产品实例模板输出。 所述步骤(3)中杂操作过程包括以下步骤
(5) 首先进行复制、变异、迁移的变化；
(6) 产品基因的重组；
(7) 得到新的实例模板；
(8) 对产品进行评价。
根据上述技术方案得到的本发明具有以下优点
(1) 可操作性
基于模板理论的产品杂交配置设计理论是在分析大量的大车产品实例基 础上总结得到的，其中包含了许多具有操作性的原理和方法，比如进化模板中 的复制操作方法、继承操作方法、变异操作方法等。这些方法具有极强的操作 性，有利于产品创新方案的构思和提出。
(2) 新颖性
模板理论是近几年才提出的一种创造性问题解决理论，目前，国内关于这 方面的研究和报道还很少，本文探讨的模型和方法具有一定的前沿性。
(3) 可预测性
在产品杂交配置设计过程中，运用模板操作方法，从一定程度上可以预测 问题解决方案的基本趋势，即具备创新特性的产品与产品的应用环境以及市场 需求紧密相关。
(4) 低风险性
在进行产品创新概念设计时，将顾客的需求以及产品的属性作为设计的基 本准则，确保提出的解决方案基本符合市场的需求，从而从产品开发的源头降 低了开发成本和风险，为新产品的成功开发奠定坚实的基础。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。
图1为本发明的设计流程图。
图2为大车机构实例模板数据表。
图3为基于实例模板的产品杂交配置模示意图。
图4为复制操作过程示意图。
图5为变异操作过程示意图。
图6为迁移操作过程示意图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 实例模板的定义
实例模板是具有公共属性和相同归纳性知识的一类产品实例集合。它是某 一类产品实例的代表，是根据产品实例之间或子实例之间存在相似性，经过抽 象得到的。
实例模板的作用和意义-
实例模板是实例的具体化和抽象，不但有利于从总体上把握产品实例的设 计过程，而且使整个实例推理过程和设计过程失败的可能性变小。实例模板是 抽取实例的关键特征属性及其连接关系而建立起来的信息模板，其本身就是对 一类产品实例的索引，使产品实例的査找变得快捷和方便，会使后来的产品实 例库扩充更加简单。实例模板对实例的检索有着重要的作用，它能够帮助从实 例库中迅速找到与新的设计任务相似的实例模型，限定了检索的范围，使是实 例检索可以在尽量小的搜索空间中进行，而不是在整个实例空间中盲目搜索， 从而提高了搜索效率。
实例模板的建立-
实例模板建立的主要原则是以最少的特征属性覆盖最多的实例，且各个实 例模板之间能够相互区别。实例模板具有相同关键特征属性的多个产品实例， 而具有共同特征属性的多个产品实例对应着一个实例模板。本课题根据大车机 构的结构组成特点，以"轮数"这一关键特征属性来建立实例模板。由于目前大
车机构主要有三种结构形式，即8轮大车、10轮大车和12轮大车，以后由于
船舶的更大型化以及港口条件，可能会有其他轮数的大车模板。根据实例模板建立的主要原则，建立大车机构实例模板，如图2所示
本发明提出的基于实例模板的的产品杂交配置设计方法是在产品进化论、 产品基因理论和模板理论的基础上，通过运用种群遗传操作因子，在不同实例 模板之间进行操作的过程。其理论框架结构如图3所示。从图中可以知道， 基于实例模板的产品杂交配置模式主要包括三个方面的内容:产品进化论、产 品基因理论和模板理论。实例模板是杂交配置操作的主要对象，产品进化论、 产品基因理论和模板理论是理论基础。
杂交操作
要实现产品的杂交配置，必须有可操作的基因。复制、迁移、变异等因素 能引起种群基因频率变化，这些是生物小进化的主要因素。如果不存在上述因 素，则一个有性种群的遗传组成保持相对恒定。也就是说，在种群内不发生突 变，种群成员没有迁出，也没有其他种群成员迁入，没有自然选择作用，没有 任何其他进化因素作用的情况下，有性生殖过程不会改变基因库的基因频率。 本文提出的操作因子即是根据此原理提出来的。
《1)复制(如图4所示)
复制是指通过实例模板之间的杂交，直接复制遗传其他实例模板上的零件 基因就能完成产品装配的过程。
(2) 变异(如图5所示)
变异是指通过实例模板之间的杂交，不能直接复制其他模板上的零件基因 完成装配，而要通过变异其他实例模板上的零件基因，才能完成产品装配的过 程。
(3) 迁移(如图6所示)
迁移是指在产品实例模板中删减或增加零部件。产品在杂交过程中，由于 发生了零部件的重组和变异，以及客户需求的不同，所以配置出来新的产品实 例模板在某些零部件上会发生缺失或增加。
根据前面所述的研究，将产品进化论、产品基因理论和模板理论融合在一 起，构建了基于实例模板的产品杂交配置设计方法流程，如图1所示。可以分 为以下几个阶段
1) 客户定制需求分析。实例模板操作的前提是对产品功能和特点有比较全 面的认识，对产品的适用环境因素进行了深入分析后，可以确保得到产品的大 致设计方案，同时，这也是产品进化思想的直接体现。
2) 杂交配置实例模板的选择。产品的配置首先应对原有产品有充分的认识 和分析，并在此基础上寻找创新突破点。通过选择尽量符合客户定制要求的实例模板，为产品设计人员提供有效的操作对象，准确把握产品内部组件之间， 以及内部和外部组件的关系，为模板杂交操作模块提供良好的平台。
3) 杂交操作过程。通过选择出来已存在的产品实例模板，结合产品设计和 配置规则，运用杂交操作进行产品配置操作，得到新的、符合客户要求的新实 例模板。
该步骤中通过以下步骤实现
(1) 首先进行复制、变异、迁移的变化；
(2) 产品基因的重组； P)得到新的实例模板； (4)对产品进行评价。
4) 评价。评价是较为重要的一个环节，通过对实例模板的杂交操作过程， 产生新的实例模板进行分析和评价，可以得到最优的配置方案。
5) 新的产品实例模板输出。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1、岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设计方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤(1)客户定制需求分析，实例模板操作的前提是对产品功能和特点有比较全面的认识，对产品的适用环境因素进行了深入分析后，可以确保得到产品的大致设计方案；(2)杂交配置实例模板的选择，产品的配置首先应对原有产品有充分的认识和分析，通过选择尽量符合客户定制要求的实例模板，为产品设计人员提供有效的操作对象，准确把握产品内部组件之间，以及内部和外部组件的关系，为模板杂交操作模块提供良好的平台；(3)杂交操作过程，通过选择出来已存在的产品实例模板，结合产品设计和配置规则，运用杂交操作进行产品配置操作，得到新的、符合客户要求的新实例模板；(4)评价，评价是较为重要的一个环节，通过对实例模板的杂交操作过程，产生新的实例模板进行分析和评价，可以得到最优的配置方案；(5)新的产品实例模板输出。
2、 根据权利要求1所述的岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设计方法， 其特征在于，所述步骤(3)中杂操作过程包括以下步骤(1) 首先进行复制、变异、迁移的变化；(2) 产品基因的重组；(3) 得到新的实例模板;(4) 对产品进行评价。
全文摘要
本发明公开了岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设计方法，该方法主要包括以下步骤(1)客户定制需求分析，(2)杂交配置实例模板的选择，(3)杂交操作过程，(4)评价，(5)新的产品实例模板输出。本发明具有可操作性、新颖性、可预测性、低风险性。
文档编号G06Q10/00GK101604411SQ200810043468
公开日2009年12月16日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者杨勇生, 骁 马 申请人:上海海事大学