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在产品需求建模方法理论研究的基础上，分析了基于产品需求拓扑结构的产品需求建模过程存在的问题及操作的困难性，提出了基于可视化技术的主动性需求拓展概念。进而详细论述了基于产品概念模型的需求拓展的具体实现方法、辅助工具开发及应用实例
０ 引言
在并行工程中，产品需求概念不仅是产品最终用户的需求，而且是与产品有关的所有群体（如使用者、设计者、制造者等）的需求。因此，产品用户与产品需求的概念应该是广义的，它应包括与产品相关的所有参与者。产品用户及相应的需求类型如表１所示。
在并行工程中，产品需求建模是指产品需求的获取、产品需求的分析、设计问题定义，以至对设计过程的规划。笔者在文献［１～３］中，已系统研究了面向并行工程的产品需求建模理论和方法；提出了基于需求拓扑结构和信息模板的需求获取方法；基于模糊数学的需求信息分析方法，以质量功能展开矩阵为纲领的需求信息映射方法，以及设计过程规划方法。本文在上述基础上，重点分析了基于拓扑结构的被动性需求获取方法的局限性，提出了主动性需求获取和拓展方法，并实际应用于模块化数控机床系统的设计之中。
１ 基于需求拓扑结构的产品需求建模
１．１ 产品需求与需求拓扑结构
产品需求建模力图在产品定义阶段，尽可能地搜集、获取产品的各种需求。从产品全生命周期的观点出发，产品需求包括了产品最终用户需求、设计开发过程的技术需求、管理需求以及协作需求。
产品需求拓扑是产品需求获取与组织的基础，ＩＳＯ９００１（４．４．３）产品设计导则中所规定的设计输入的内容［４］，是构造需求拓扑结构的主要依据之一。产品需求拓扑结构呈树状结构，如图１所示。产品需求为根结点、树结点对应具体的需求项。产品用户的详细需求，对应着其层次结构中需求结点的多级分解，不同层次的需求具有继承性。
１．２ 基于需求拓扑结构的需求建模过程
基于产品需求拓扑结构的建模过程［１，２］，如图２所示。该图揭示了在需求信息获取中产品需求拓扑结构、产品用户（顾客、设计人员、制造和管理人员等）、需求信息模板之间的关系。基于产品拓扑结构的需求获取，需求建模过程类似于专家系统技术中知识获取的过程。在产品需求获取中，需求拓扑结构首先确定了需求信息的组织方法与结构，以层次化组织的树结点作为需求获取的问题源，启发引导用户逐次深入地阐述其观点，并利用问题分解（结点细化），产生新的子问题，使需求拓展活动在更深层次上进行。
需求信息模板［１］，按需求信息描述规范化规定的特定形式描述，它将需求信息以一致的、简明的、为用户开发者所理解的形式表示出来。同时，将形式化的内容按需求树的组织结构存储于数据库中。基于产品需求拓扑结构及需求信息模板的产品需求获取过程，不仅为市场调研在广度与深度上确定了系统化的组织结构与指南，而且可实现对信息内容描述的完备化和规范化。
在产品需求建模过程中，需求分析和后处理是需求获取的后续环节。质量功能配置作为需求分析和后处理的基本框架，通过采用特定的矩阵构造质量屋，以图形形式表示出用户需求、产品工程特性及其相互关系，进而采用模糊数学等方法，将用户需求映射到产品设计、工艺、制造过程各个阶段。在文献［３］中详细论述了产品需求建模中，需求分析和后处理的方法及相应辅助工具的功能与实现。
２ 主动性需求拓展原理
２．１ 基于产品需求拓扑的需求获取过程困难性分析
基于ＰＲＴ的需求获取过程中，ＰＲＴ只起到了与产品用户交互的“问题生成器”的作用。其中，产品用户则需不断就所提问题进行回答，用户始终处于一种被动状态，参与兴趣不高、回应质量低、回应数量少；由于ＰＲＴ生成的问题针对性差，使用户对一些问题的回答模糊、不准确，甚至无法回答，其结果是使需求获取空间的有效域大大降低。造成这种建模过程困难的原因，主要是在需求拓展中缺乏对目标产品的必要信息描述，产品用户与目标产品间没有建立起必要的联系。在建模过程中，割裂了需求建模与产品开发过程的内在联系。对需求建模过程特性的研究［１］表明，应用可视化技术，将有助于提高产品需求建模的效率。
２．２ 主动性需求建模的基本思想基于以上分析，本文提出主动性需求建模方法，如图３所示。这种方法将需求建模过程分解为两个阶段，即基于ＰＲＴ的需求初始获取与需求拓展获取。在需求拓展获取中引入可视化技术，以提高产品用户的参与度。主动性需求拓展实现的基础，是建立产品用户、目标产品及需求拓扑结构之间的关联，其关键技术是构造与提供一种产品在生命周期的不同阶段、不同形态的可视化及关联交互机制。产品用户与目标产品间关联的建立，可使产品用户以特定的方式与目标产品进行交互，这种关联实际上是将目标产品以特定形式展示给产品用户，从而使用户主动地针对具体产品进行需求建模。
目标产品与需求拓扑结构间关联的建立，使需求拓扑结构中结点内容由一般性转向具体化，使其更具有针对性。产品用户与产品需求拓扑结构间关联的建立，将使产品用户由被动回应状态转化为针对索取方式。产品用户与目标产品间的关联，实际上是拓扑结构基于产品形态的具体化。目标产品生命周期不同形态的可视化，通过特定的视觉效果，以不同的粒度来反映与揭示产品的内在本质和变化规律，充分调动用户的视觉潜能和脑功能，启发引导用户进行需求拓展。
２．３ 产品形态及其可视性分析
产品生命周期中，产品形态是产品定义、设计开发过程的不同阶段对产品的表示描述方式。如产品形态的产品概念原型，包含了由主要需求所确定的主要功能实现方案及其结构特点。产品形态在详细设计中，可以几何（二维、三维）图形与实体方式，表示产品的具体结构特点及制造工艺信息（要求）等。
实现主动性需求建模的关键，是在产品定义阶段实现相应产品形态的可视化，以及建立产品用户与目标产品的交互机制。可视化技术的应用是建立在对设计对象一定认识，并具备一定信息量的基础上的。表２表示了产品生命周期中的产品形态及其可视性。在产品定义阶段，产品各种形态的不可视状况是主动性需求建模过程的最大障碍。
２．４ 产品概念原型的创建
在产品定义阶段，可依据市场调研以及利用基于ＰＲＴ的需求初始获取的结果，为产品需求拓展构造并提供一个产品概念原型，以此建立产品用户与产品间的关联，为产品用户主动性需求拓展创造前提条件。
根据产品设计的不同类型，产品概念原型的创建可采用不同的可视化形式。对于创新设计而言，由于可利用的信息量较少，其概念原型的可视化形式可为功能原理示意图，如机构简图等，以此作为向产品结构设计及制造需求拓展的基础。对于机械产品而言，通常是基于现有产品的变异设计，可利用已有的典型产品结构和标准化（模块化）零部件，组成产品概念原型。即根据用户输入的需求信息，可系统地利用设计规范、经验知识及事实，通过推理生成各种可行设计方案，以具体形象的形式展示出来。并在此基础上，从产品生命周期观点出发，系统获取制造、装配等后续环节的需求。
３ 基于可视化技术的主动性需求拓展的实现
３．１ 辅助工具的开发依据产品需求建模理论和方法，需求建模辅助软件工具系统的主要功能，应包括产品需求信息的组织、产品需求的获取与深化拓展、产品需求的分析、基于需求建模的设计过程规划以及建模过程回溯机制等，所提出的软件系统的总体结构与功能模块如图４所示。
３．２ 主动性需求拓展的应用实例
基于可视化产品概念原型的主动需求拓展方法与技术，在定单生产型企业的产品开发中有很强的实用价值和广泛的应用前景。目前，该方法已应用于某机床厂开发的棱柱类零件柔性加工设备的快速响应设计系统中。
该系统如图５所示，采用模块化设计来满足用户对机床产品的多样化需求，并在产品定义阶段构造产品概念原型。需求获取与拓展及后续以及后续的设计过程，都在一系列计算机辅助工具的支持下完成，如用户需求建模工具、模块创建工具、面向制造的设计评价工具等，从而系统地获取与分析产品用户需求，并快速合理地确定加工设备的设计方案。因而，应用系统可用于投标竞争和用户订货，直到支持详细结构设计、制造装配以及生产管理等产品生命周期的各个阶段。
在产品定义过程，通过分析被加工对象工艺信息和用户要求，自动选取相应的设计规范和标准，与图５ 主动性需求拓展应用系统与实例用户交互确定加工设备的功能、技术参数、结构布局形式等，产生各种可行的初始设计方案。在机械ＣＡＤ图形环境支持下产生三维总体布局和尺寸联系图，以可视化图形方式帮助设计者理解、预见设计结果，向用户直观、形象地展示设计方案，用经过渲染的三维造型图对机床进行全方位外观显示和运动仿真，并与用户交互。用户和设计人员可一起确定加工设备的功能领域、功能行为过程、技术参数、性能，共同完成产品的定义。随着设计进程，产品形态将以不同的可视化形式支持产品需求建模向广度和深度扩展，通过需求建模过程和产品开发过程的耦合，完成并行设计全过程。
计算机集成制造系统-CIMS 郭伟,于鸿彬,王凤岐,陈永亮
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