全壽命周期設計技術

設計產品不僅是設計產品的功能和結構，而且要設計產品的規劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養、直到回收再用處置的全壽命周期過程。全壽命周期設計意味著，在設計階段就是考慮到產品壽命歷程的所有環節，以求產品全壽命周期所有相關因素在產品設計分階段就能得到綜合規劃和最佳化。

基本介紹

• 中文名：全壽命周期設計技術
• 類型：設計技術
• 屬於：全壽命周期
• 屬性：概念

技術概述

新產品是一個相對概念，具有很強的時間性、地域性和資源性，全壽命周期設計的最終目標是儘可能在質量、環保等約束條件下縮短設計時間並實現產品全壽命周期最優。以往的產品設計通常包括可加工性設計、可靠性設計和可維護性設計，而全壽命周期設計並不只是從技術角度考慮這個問題，還包括產品美觀性、可裝配性、耐用性甚至產品報廢后的處理等方面也要加以考慮，即把產品放在開發商、用戶和整個使用環境中加以綜合考察。

由於是對同一種產品對象進行設計，不同的設計人員很可能會設計出不同的模型，這樣往往會造成不必要的紊亂，所以為了解決這個問題，統一的模型是必不可少的。同時，為了進行這一模型的統一講解，要求工作人員在表達產品製造、生產設備和管理等方面必須擁有統一的知識表達模式。

全壽命周期設計的最重要的特點是它的集成性，要求各部門工作人員分工協作，所以注定他們的工作地點是分散的，尤其在計算機技術已經充分利用到傳統工業設計中來的時候，每個工作人員都擁有自己的工作站或終端。所以，分散式環境是全壽命周期設計的重要特點。

全壽命周期設計始終是面向環境資源（包括製造資源、使用環境等）而言的，它的一切活動都是為了使製造出來的產品能夠“一次成功”並在當地的資源環境下達到最優，而不必進行不必要的返工。在設計過程中，不僅要考慮產品功能，造型複雜程度等基本的設計特性，而且要考慮產品設計的可製造性。

全壽命周期設計的關鍵問題在於建立面向產品全壽命周期的統一的、具有可擴充性的能表達不完整信息的產品模型，該產品模型能隨著產品開發進程則自動擴張並從設計模型自動映射為不同目的的模型，如可製造性評價模型、成本估算模型、可裝配性模型、可維護性模型等，同時產品模型應能全面表達和評價與產品全壽命周期相關的性能指標；面向用戶的全壽命周期的產品智慧型建模策略，開發相應的計算機的輔助智慧型導航產品建模框架系統，包括產品的全過程仿真和性能評價模型、面向全壽命周期的廣義約束模型；複合知識的表達模型及其進化策略，全壽命周期設計涉及到大量的非數值知識，現有的簡單的數值化方法不能很好反映非數值知識的本質，不僅造成模型的失真，更使模型不易被用戶理解。解決數值和非數值混合知識的表達和進化已成為產品全過程尋優的關鍵。

現狀及國內外發展趨勢

國內外發展現狀

由於市場競爭的日益激烈，人們開始認識到有效利用企業資源的重要性。已開發國家從1968年就提出：應該設計出能一次生產成功的產品，以有效利用生產資源，獲得最大的效益。美國總統防務諮詢委員會早在1986年就向總統報告：“武器系統的開發周期太長，生產費用太高，且使用效果不盡人意。”為此，美國國防部指示防禦分析研究所對相關的全壽命周期設計及其用於武器系統的可行性進行研究。於1988年10月提交了題為“並行工程在武器系統採購中的作用”的研究報告，建立了並行工程研究中心（CERC）。它致力於並行工程的設計、開發和促進技術以及相應的實踐和標準工作。現在該中心的技術已在全國範圍內得到了廣泛的套用。美國國防部在軍工生產中也在向全壽命周期設計方向發展，其武器系統的試驗項目、全規模開發項目及生產項目都採用了這種方法，與此同時，很我支持全壽命周期設計的工具軟體也在研製和開發中。

通過“九五”攻關和國家863項目的組織實施，我國在CAD/CAM、並行工程、工程廣義最佳化和全壽命周期設計技術方面有了較好的基礎，浙江大學、華中理工大學、清華大學、北京航空航天大學、上海交通大學和其他院校相繼開展了並行最佳化、並行工程技術的研究工作。早在1991年，這些院校已經開始認識到開展並行工程技術研究的重要性。近年來，他們一直致力於並行工程環境的研製工作，並取得了顯著的成績。

發展趨勢

從產品的全壽命周期設計的發展過程來看，它的發展肯定是從簡單到複雜、從小領域發展到大領域。美國的DEC公司的專家提出了建立並行工程自動化環境的幾個階段，套用於全壽命周期設計也同樣適用：內部可操作工具及任務；內部可操作計算環境；產品數據管理；過程管理和決策支持。

發展第一階段僅限於實現單個任務內部的集成；第二、第三階段可實現任務之間的集成；第四階段實現全過程的集成；第五階段為高級階段，可根據現有產品要求及歷史經驗，給各級管理者和設計者提供決策支持。

美國的全壽命周期設計發展很快，已形成了多層次的集民軟體框架產品，當前正致力於開發過程軟體框架。在設計自動化方面，電子設計自動化進展得較快，設計工具正從CAX向DFX（Design for X）方向發展，並已較完整。機械設計自動化，由於產品本身複雜，正在不斷完善，基於STEP的標準發展較迅速，已經從CAD擴展到全過程，並正在發展中。

無疑，當前中國應當走這條路，並完全可以跳過第一階段，而以第二、第三階段為基礎，主攻第四階段，在今後10年中，要儘量向第五階段發展。當然，這需要軟體方面的大力支持。

市場需求

全壽命周期設計是跨世紀的現代企業特徵，它強調技術、組織和人員素質的集成，採用並行的、小組化的工作方式，不斷提高產品質量，降低成本，以增強企業的應變的競爭能力。

現代設計方法要求在初始設計階段就將產品的功能需求轉化為設計概念、初步設計參數，再將這些參數往下傳遞，以約束後續的進一步詳細設計。全壽命周期設計要求在設計過程中儘早考慮後續階段對設計施加的設計約束，以達到“一次成功”，從而減少在設計後期發現錯誤而導致的返工。

現代製造業再也不象本世紀初那樣長期生產單一的產品了，任何產品都需要在很短的時間內做出新改進，而且品種要相對增多，以適應市場的需求。由於時間短，因此也就決定了產品設計必須滿足小批量、多品種的要求，但這並不是說產品結構會越來越簡單，而是恰恰相反會越來越複雜。全壽命周期設計恰好能滿足這一特點。

當前社會已經進入到計算機時代，通過計算機輔助設計，可以非常逼真地模仿設計的各個過程，降低成本。所以，對於我國的機械製造業來說，必須大力推廣計算機的套用，以提高經濟效益。

產品數據共享是企業過程自動化的基礎，當然也是全壽命周期設計的基礎。資料庫涉及到幾何、拓撲等定義信息，也涉及到產品結構、開發過程等管理信息。因此如何最佳化資料庫環境、減少查詢時間就成為了今後企業發展的必要環節。

發展前沿

全壽命周期設計的基本內容就是面向製造及其維護和回用處理的設計，實現產品全壽命周期的最最佳化，所藉助的手段是並行設計，而要順利完成設計任務的基礎是設計過程和數據的管理。

成型產品很大一部分可以使用權設計產品化，也可以進一步商品化，但在我國，由於沒有一個合理的設計過程，很多圖紙上的產品不能及時轉化為實際的產品，採用面向製造的設計技術，是改變一現狀的關鍵。並行設計強調從產品開發的初始階段就考慮壽命周期後續活動對產品綜合性能的影響及產品各方面屬性的聯繫，以達到最優的產品性能。於是可以縮短產品開發周期，以提高產品競爭力。

全壽命周期設計會產生大量的數據和信息，它們都將存儲到資料庫中，產品數據管理可以保證數據的一致性和共享性。保證最有效地利用和調度企業的各種資源，及早發現錯誤，縮短產品開發時間。

技術目標

合理化

（1）用系統論和全壽命周期綜合考慮的觀點提出產品的合理開發進程、開發的組織結構，研究解決產品開發各階段的關鍵技術，建立全壽命周期設計理論體系，開發出相應的計算機輔助產品創新設計工具，實現產品開發時全、快和優的全壽命周期設計思想。

實用化

（2）在一批產品開發中套用全壽命周期設計技術，並在實踐中不斷檢驗和完善全壽命周期設計的理論體系和開發工具，使全壽命周期設計技術完全實用化。

研究內容

（1）並行設計技術

在並行工程中，最重要的問題是如何處理各個任務間的耦合及協調並行設計群體的活動方式，因此，有效地建立並行工程的模型和優先順序是並行設計技術發展的突破點。

①支持全壽命周期所有相關信息的產品多重表達模型，建立一個統一的產品模型以支持產品產品的全壽命周期，實現多側面模型的自動映射；

②多功能設計小組所處理各個任務間的解耦、耦合及協調策略和方法，計算機輔助解耦及協調方法和系統的研究。

（2）面向製造的設計技術

①系統總結面向製造的機械零部件結構設計知識，並在此基礎上建立面向掛靠的機械零部件結構設計的專家系統；

②建立面向製造的機械零部件結構信息特徵模型；

③建立面向製造機械部件和整機裝配設計的專家系統及支持虛擬現實環境裝配模型；

④建立面向製造機械部件結構的並行設計支持系統，該系統還應包括企業製造資源庫、標準件和外購件庫、原材料加工和裝配成本庫、多計算機並行設計協調系統的評價和決策支持系統等。

（3）全壽命周期設計數據管理技術

①研究支持跨平台數據集成與共享的PDM系統，實現網路上不同平台和系統的真正一體化；

②研究支持全壽命周期的動態模型的資料庫和設計過程管理技術；

③研究支持異地流動計算的自治體表達模型及其代理策略。