基于功能-结构-材料-工艺模型的产品全生命周期设计冲突量化与消解

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.001

摘要/Abstract

摘要：

在全生命周期设计中，高维度、多目标的设计冲突难以有效量化与消解，为此，提出了一种基于功能-结构-材料-工艺（FSMP）多层级模型的全生命周期设计冲突量化与消解方法。首先构建FSMP信息模型，实现跨生命周期设计信息的集成表达；然后将设计冲突分解为目标冲突和决策冲突，目标冲突采用层次分析法和模糊综合评价进行量化，决策冲突基于元素-参数-量值模型与相似性度量进行求解；最后提出融合剪枝策略的广度优先搜索算法，在约束消解域内高效搜索目标冲突最小设计方案。风力发电机组的设计案例冲突消解验证了方法的有效性。结果表明，该方法能够实现目标冲突与决策冲突的量化和消解。

关键词: 全生命周期设计, 功能-结构-材料-工艺模型, 设计冲突, 冲突量化, 冲突消解

Abstract:

In life cycle design， high-dimensional and multi-objective design conflicts are difficult to effectively quantify and resolve. To address this， a life cycle design conflict quantification and systematic resolution method based on a multi-level FSMP model was proposed. First， an FSMP information model was constructed to achieve integrated representation of life cycle design information. Second， design conflicts were decomposed into objective conflicts and decision conflicts： objective conflicts were quantified using the analytic hierarchy process （AHP） and fuzzy comprehensive evaluation （FCE）； decision conflicts were resolved based on the element-name-value model and similarity measure. Then， a breadth-first search algorithm integrated with a pruning strategy was proposed to efficiently search for design solutions with minimized objective conflicts within the constraint resolution domain. Finally， the effectiveness of the method was verified through a case study on conflict resolution in wind turbine system design. The results demonstrate that the proposed method can achieve the quantification and resolution of both objective and decision conflicts.

Key words: life cycle design, function-structure-material-process （FSMP） model, design conflicts, conflict quantification, conflict resolution

中图分类号:

TH122

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图/表 15

图1 产品全生命周期多层级模型

Fig.1 Multi-layer model of PLCD

表1 产品全生命周期设计评价指标体系

Tab.1 Assessment index system of PLCD

指标体系	生命周期阶段	指标类型	指标名称	指标代号	对应层级
	原材料获取及制造阶段	技术	材料易加工性	B₁	M
			制造工艺复杂性	B₂	P
			原材料获取技术水平	B₃	M
		经济	材料成本	B₄	M
		经济	制造成本	B₅	P
		环境	制造能源消耗	B₆	P
			制造资源消耗	B₇	P
			制造环境排放	B₈	P
	使用维护阶段	技术	可靠性	B₉	F
			使用寿命	B₁₀	F
			性能表现	B₁₁	F
			可维修替换性	B₁₂	F
		经济	使用成本	B₁₃	F
		经济	检修维护成本	B₁₄	F
		环境	使用能源消耗	B₁₅	F
			使用资源消耗	B₁₆	F
			使用环境排放	B₁₇	F
	回收处置阶段	技术	回收技术水平	B₁₈	S
		经济	回收成本	B₁₉	S
		环境	回收率	B₂₀	S
			退役处置能源消耗	B₂₁	S
			退役处置资源消耗	B₂₂	S
			退役处置环境排放	B₂₃	S

图2 产品全生命周期决策冲突ENV模型

Fig.2 ENV model of decision conflict in PLCD

图3 冲突量化空间几何模型

Fig.3 Spatial geometry model of conflict quantification

图4 冲突消解域

Fig.4 Conflict resolution domain

图5 冲突解决流程

Fig.5 Conflict resolution flow

图6 融合剪枝策略的广度优先搜索算法

Fig.6 Breadth-first search algorithm with pruning strategy

图7 2.5 MW风力发电机组设计空间（部分）

Fig.7 Design space of the 2.5 MW wind turbine （part）

表2 设计空间一级功能判断矩阵

Tab.2 Judgment matrix for primary functions of design space

	F₁	F₂	F₃	F₄	F₅	F₆	F₇
F₁	1	3	1/2	3	3	1/3	3
F₂	1/3	1	1/3	1/2	1	1/3	1
F₃	2	3	1	3	3	1	1
F₄	1/3	2	1/3	1	2	1/3	1
F₅	1/3	1	1/3	1/2	1	1/3	3
F₆	3	3	1	3	3	1	3
F₇	1/3	1	1/3	1	1/3	1	1

表3 设计空间二级指标判断矩阵

Tab.3 Judgment matrix for secondary index of design space

	B_m	B_u	B_r
B_m	1	1	2
B_u	1	1	1
B_r	1/2	1	1

表4 风能转换的模糊综合评价矩阵

Tab.4 Fuzzy comprehensive evaluation matrix of wind energy conversion

	很好	较好	一般	较差	很差
B₉	0.3	0.7
B₁₀	0.4	0.6
B₁₁	0.3	0.7
B₁₂				0.5	0.5
B₁₃		1
B₁₄			0.4	0.5	0.1
B₁₅		1
B₁₆		1
B₁₇		1

图8 设计方案冲突消解模型

Fig.8 Conflict resolution model for design schemes

图9 原始和优化方案的空间几何模型

Fig.9 Spatial geometric models of the original and optimized schemes

图10 设计方案综合评价结果对比分析

Fig.10 Comparative analysis of comprehensive evaluation results for design solutions

图11 不同功能系统的设计方案决策冲突对比

Fig.11 Comparison of design schemes and decision-making conflicts for different functional systems

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