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•专题综述*
基于目标层级分析法的复杂重型装备
顶层任务分解
刘颖1,董浩然1,王富强2,焦喜振1
(,重庆400044;
,陕西西安710032)
摘要:针对复杂重型装备在进行初期任务分解时总体任务所具的复杂性的特点,提出了一种基
于目标层级分析法的复杂重型装备顶层任务分解方法。该方法将目标层级分析法与任务分解相结合,
分析了不同层级系统之间的目标规划与信息传递,构建了复杂重型装备双层分解系统。结合复杂重型
装备总体任务的实际各项指标要求,分别建立了顶层系统目标分析模型和分系统级目标分析模型。最
后以挤压机为例对所建模型进行计算,证明所提方法的有效性。
关键词:目标层级分析法;复杂重型装备;任务分解
中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号:1001-196X(2021)03-0001-07
Top-leveltaskdecompositionofcomplexheavyequipmentbased
onanalyticattargcicascading
LIUYing1,DONGHao-ran1,WANGFu-qiang2,JIAOXi-zhen1
(,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;
.,Ltd.,Xi'an710032,China)
Abstract:Foathecomplexityofcomplexheavyequipmeniaithebeeinningofthedecompositionoftotaltask,a
methodoftop-
targetcascadingandtaskdecomposition,thismethodanalyzecthegoalprogrammingandinformationtransmic-
heavyequipmeniobjectiveanalysismodelsoftop-,an
extrudesisperformedicalculatethemodelandtheresultcanverifytheeffectiveness.
Keywords:analyticaltaraetcascading;compleeheaveequipment;taskdecomposition
复杂、个性化定制程度高、研制周期长等特
0前言
点[1]%复杂重型装备的研制过程涉及了大量不
同的和行,要
复杂重型装备是我国制造产业链中的关键基
同%,要对复杂重型装备研制初
础装备,标志着国家的制造能力与制造水平,对
我国的经济发展与国防安全具有重要作用%复杂期总体任务进行合理分解,从而提高资源的利用
重型装备不同于其他普通装备,其一般用于核和研制期%
电、化工和国防等特定领域,具有规格大、结构在任务分解方面,已有大量学者对此进行研
究。庞辉)2*等借用了软件度量的思想,建立了
收稿日期:2021-03-21修订日期:2021-04-19任务内聚系数的计算公式,同时提出了一种基于
基金项目:国家重点研发计划(2018YFB1703000)
项目、任务和活动的定性任务分解策略。包北
作者简介:刘颖(1972-),女,重庆大学副教授,研究方向:
智能制造、网络化协同制造。方)3*等综合考虑任务粒度、耦合度和均衡度等
-2-
因素,提出一种基于定量分析的任务分解系统模者提出了层级框架理论,在降低了模型复杂度的
型,从而对定制产品协同开发过程中的资源进行同时也牺牲了系统优化的协同性,导致分析模型
合理配置并缩短了开发周期。刘明周⑷等对云的失真,实用性较差。针对这一情况产生的协同
制造环境下的任务模型和任务约束结构进行描优化方法,虽然增加了联系变量和各分支间的藕
述,采用基于分层任务网络的递归分解算法,解合信息,提分解的分析模型于
决了多层次、多粒度的任务分解与资源匹配问同一层次,相互间的较,对问题的分
题。刘建刚⑸等首先采用设计结构矩阵对产品解要求比较严格,稍有不慎,其收敛性以及收敛
结构进行建模,然后通过遗传算法实现了对产品效率均很难保证,在实际应用中普及难度较大。
结构模型的智能化分解聚类。Dan[6]对任务属性目标层级分析法正是结合层级优化框架和协
与源任务间的关系进行了研究,基于公理化设计同优论的优,将设问题逐层分解,
矩阵建立模型并给出任务分解的一般流程。石培经严格定义的优化问题的层级式集合。通过保证
文[7*利用WBS结构和任务相关度矩阵等方法对层级间目标传递的最,得系统部的
任务和合进行分析,建立设任务分兼容性和自适应性,其优点如下:
解方法一般模型。栾兆东[+]提出一种考虑结构(1)降低了分析模型的失真程度,具有较好
-工艺两模块协同分解过程,并且通过映射的方的实用性和可行性。
式构建了输入输出模型,最终得到任务总分解结(2)将目标的传递过程和匹配过程集成到一
构以及任务细化分解结构。上述研究成果大部分单一的进程中,大降低了整设的
从粒度较细的任务(如组件级和部件级任务)的次数%
角度出发,探究这些任务之间的交互关系并提出(3)允许子级优化问题采用并发式设计,根
相应的任务分解方法,鲜有对总体任务与系统及要对现的优设方法,具较
任务进行研究。同时这些方法的应用领域为结构高的灵活性,其优越的收敛特性及收敛效率也已
较为简单的普通设备,可能不适用于结构复杂的经得到证明%
个性化定制类复杂重型装备的任务分解。(4)将设计规划问题分解为系统、分系统、
系统和组构的机集合,降低了整
基于此,本文对复杂重型装备的顶层任务分
解问题进行研究。将目标层级分析法引入顶层任个设计问题的复杂性。
务分解程中,分析了顶层系统与分系统之间的
2复杂重型装备系统的顶层任务
信息传递,构建了复杂重型装备顶层目标分析模
分解
型和分系统级目标分析模型,实对模型
的有效性进行验证%
目标层级分析法目标分解系统的层分
1目标层级分析法概述
级优化设计方法,其目标的分解流程如图1所
目标层级分析法(AnalyticalTargetCasca­示。在此方法中,总任务按照层级分解到子任
ding,ATC)最初是由Kim等人在研究复杂工程务,系统可分解,一层级一系
优化问题时提出目标层级分析法是多学科统,系统且一上一级的系统,
设计优化方法的分支,采用并行思想来解决复杂但可有多个下一级的子系统,如图2所示%每个
系统的设计方法。结合传统的多学科设计优化方系统分析模型和优模型,且同时上
法(如两级集成系统综合法、协同优化理论等)一层级系统的分析信息和一层级系统的
及分解协调策略,基于模型的物理结构、生产流信息,且在分解的程中将这些信息
程等属性对系统逐层分析。ATC现已在汽车底数。该层级子系统的优化结果作为目标值下发给
盘和飞行器的设计中得到应用[9-10*%一层级的系统,同时性能的输出
目前在解决大型复杂问题的优化设计方法馈到上一层级的父系统。当各层级父系统、子系
中,传统的学科合优方法采单分析模型统之间的输入输出偏差符合要求时停止迭代。该
对整个设计问题进行控制,其效率和可行性均不方法一种上上复正的
尽如人意;为了提高优化模型的可行性,部分学程,层级分解程中任务分解,得
・3・
各子系统能并行处理,提高任务的执行效率。的协调向量%&1是其父系统计算并且下传的。!
经过自身的分析模块计算后,将'和联
系%上传系统,将'#1)(和%+1万向下
传递给系统!#1)(,分别!#1)(勺目标
和联系变量的协调%%+1)$分析求
出系的协调传递给下一层的所
系统%所!的所系统与得到的分配
系%+1)$相同的。其中,设
和'分别作为分析模块"的输入和输出%
目标层级分析顶层系统优化模型如下:
图1目标层分解过程
minII'-'*11+II%1-%!+!+
似".),%+1),!,!
S$"||('+1)(-'+++1)()||<!
k#/j
"II(%+1)j-%++1)()II$
k#/j
石)$0
2#()#)30
图2多层分级系统结构
Ahere'3"())
xi#3[)+,%+,'+1)(,…,'+1)
在目标层级分析法这类模型中,顶层任务为
式中,/二-(1,(2,•••,($,/是系统!的子
单独一个模块,层次分系
系统;)+是!+的变量;%+1)丿丿!+的下一层
统,系统由两类不同的模块组成,分别为
子系统的联系的协调向量;%:+1)(是!的子
优化模块!分析模块"如图3)。分析模块是
、和系统之间的输入,系统!:1)〃向上反馈的联系;%是!的联系
分析模块的,输出并传递其相应变量;%;1!:系统为第,层的所系统联系
的优化设计模块。优设计模块分析模变量设定的协调变量;是!的父系统为其设
块出各层子系统问题的%如果同层级的定的反馈目标向量;'是!的向量;'+1)(
多个模块共享变量,那么将变量成为联系变量%是!+为其子系统!+1)(设的目标向量;
':+1)(是!(+1)(是向上传递的反馈值;1:!:的
不约束;2:是!:的等式约束;囲为
协调!包含的系统而设定的;!是
调系统的联系设定的误差
容限;II)II是向量)的范数%
!无子系统,目标函数就不包含
!,如底层系统。若某一层系统无联系变量,那
目标中系项和用于协调联系
所设的,如顶层系统%
图3各层级信息传递交互本文主要以复杂重型装备双层分解系统为
例,研究目标层级分析法在复杂系统中任务分解
图3描述了系统!与其上层父系统、子系
的优程%如4所,顶层为总任务,下层
统之间的交互,!的优化设计模块和相应的分系统级任务%目标层级分析法可到多层
分析模块之间的联系。!的分"和联系级复杂系统分级优化,若系统较为复杂,可进行
・4・
多层级优化分级设计%对于复杂重型装备产品的有限性,在分解过程中,需要考虑对各资源
的研制,需要多家企业、多个子单位协作共同的历史评价,以满足客户对其产品的要求,一
完成,在复杂重型装备产品的顶层任务分解过般要求包括成本、质量、工期、历史客户满意
程中需要对其分层降解,根据结构、功能等进度、综合能力、信任度和历史合作关系等,因
行初次分解后,同时保证子系统之间有较强的此构建模型时需要考虑以上约束对其进行任务
独立性。另外由于复杂重型装备分系统级服务分解,最终才能得到合理的分解结果%
图4顶层系统和各分系统信息传递过程
对于总任务!,下级分为N个子系统,顶层差容限约束的条件下,使顶层系统反应!对目标
任务的目标为最大程度满足客户各项指标要求的偏差最才
(成本、质量、工期、历史客户满意度、信任min(T-7)2+!
度、历史合作关系、综合能力),7;,8T,9;,:$,ST,<
务分解,各一次同项目,
(")2(C$C-C)+("7)2()+
有相应指标的历史记录,通过对指标的要求进行
合作伙伴的选择;顶层系统将目标进行分层降解
(")2(P)2+(")2(于)2+
传给分系统层,分系统层同样要满足以上客户要N
.
求的各项指标;同时分系统级根据自身情况将实
J=1财)2(譽)2+(")2(于)2+
际指标反馈给顶层系统,判断总任务指标是否符
合要求,若不符合则重新协调分配直到满足各项("W
指标要求为止。
(1)参数及变量表示%C。为顶层系统的成N
本;Cj为分系统/的成本;7。为顶层系统的质C$C
$1"
量;7竹为分系统的质量;8。为顶层系统的工认QT,QT,,,QN)%70
期;8竹为分系统的工期;9。为顶层系统对企业
mae(D[,D;,…,DNN$80
信任度要求;9竹为分系统对企业信任度要求(客
"9,9,・・,9!)%90
户、供应链等多角色对其的综合信任度);%为
厂,叭)%:0
顶层系统对企业的历史合作关系要求;为分
厂(si’s;,…,s!)%s°
系统对企业的历史合作关系要求;S。为顶层系
,<)%<0
统对企业的历史客户满意度要求;S6为分系统/
C;,Q;,D;,9;,W;,S;,耳%0j=1,2,…,N
对企业历史客户满意度要求;厶为顶层系统对企
NT
业的综合能力要求;<为分系统丿对企业的综合wT"$1C"q,q,…,q)
where1二---+--------------TTN+
能力要求(包括产品研制能力、供货能力等等)。00
(2)顶层系统目标分析模型。顶层系统要解max(DT,DT,,,DT)十"99…9)+
决的问题:在满足局部变量约束和分系统反应偏D09
・5・
"S【,S;,…,s!'C%Cp
So+:0+
Q&$Qp
D
<0
.<B$$BP
式中,"("("、"("$(":、"分另u为
W$$Wp
分系统$5(7、86、9(:(S:、<的
偏差权重%目标偏差容限!的最小化使目标具S$Sp
有一致性,使分系统/的反馈5对目标5的
偏差、7对目标QJ的偏差、8对目标8$的Cpj,Qpj,Dpj,Bpj,Wpp,Spj,<j%0
偏差、9对目标B:的偏差、:对目标的在分系统层,局部设Cpj、Qpj、Dpj、
偏差、s?对目标s;的偏差和<对目标<的偏Bp]、Wp、Sp】、Ip是分析模块的输入%分析模
块将反馈、&、&:、&传递给
最%5、q;、D;、9、:!<分5Q8(BS<
析模块厂的输入,厂将!传递给设计模块设计模块作为输出%分系统级的目标是使5对
作为输出%反馈目标5、Q(对反馈目标Q!8(对反馈目
(3)分系统级目标分析模型%分系统级要解标8$B(对反馈目标B;、町对反馈目标W;、
决的问题是在局部约束的,使S(对目标S;、<对目标<的偏差最
分系统对顶层设定的目标的最小%
化。分系统级目标分析模型:
3案例分析
(";)2(T)2+("(TA
以125MN双动铝挤压机的制造任务为例,
("8)2("9)2(宁「+对本文提出的复杂重型装备的顶层任务分解方法
进行应用%125MN双动铝机是典型的复杂
min
(":)2(豐I'")2(宁)2重型装备,其体积庞大、结构复杂,由不同
的系统模块组成,工作缸系统、挤压系
+(")2(耳)2统、主剪刀系统、移模架及快换装置系统、润
滑装置系统、控制,组的零部众
-,Qpj,Dp-,Bp-,Wp-,Sp-,Ip-多%125MN双动铝挤压机的结构如图5所示%
----曲
图5125MN双动铝挤压机结构示意图
在机设计任务后,为了制造任务复杂性和提高其研制%
的顺和制的合,需要将挤压提出的分解模型,对125MN双动铝挤
机的复杂制造任务进行合理分解,并分给不同的机的制任务进行顶层分解%
制,降低总体制造任务的(1)步骤1%机的结构和功能特性,
・6・
对挤压机的总体制造任务进行分解层次规划%其机制造的各项指标如表1所示%
分解层次结构如图6所示%表1挤压机的指标参数
指标号单数值
本C万525
质量Q0分80
工期D天180
信任9%70
合系:0分75
图6挤压机顶层分解层次结构意S。%85
合能<0分77
在图6中,挤压机的总体制造任务作为顶层候选企业参数:对可以完成分系统层中不同
系统,机械任务、气任务和液任务类任务的候的资质进行调查,三家机
属的分系统%械企业、三家电气企业和两家液压企业%其对应
(2)步骤2。参数设置%顶层系统参数:挤压的指标如表2所%
表2企业相关指标
本质量工期信任合系意综合能力
1E仝\业【【/
/万/分/天/%/分/%/分
机械125090**********
机械2200958078859387
机械324092**********
气1120856090859689
气2150826085959289
气3140965095908792
液1100889084809286
液28092**********
权重%顶层任务分解的要求和挤压制造企业1承担制造任务、电气企业1承担电
机制造任务的实际分解,对权重进行设气任务、液2承担液压任务能够使得
定,如表3所示%机总体复杂制造任务得到合理分解。
01
表3系统偏差权重
9
.O7
o..O6
o..O5
..O
o..O4
..O
o.
1
合系:00
合能<
(3)步骤3%将步骤2中得到的带图7顶层分解结果图
入复杂重型装备系统顶层分解模型中,结合文
献[⑴和挤压机制造的实际,将目标:容
4结论
%应用MATLAB编程对模型
进行求解%顶层系统目标分析模型的目标针对复杂重型装备初期分解时总体任务所具
如图7所示%有的复杂性,本文提出一种基于目标层级分析法
如图7所示,当选择分解组合2,即(机械的复杂重型装备顶层任务分解方法。该方法将目
1,电气1,液2)时,顶层系统标层级分析法引入复杂重型装备顶层分解的过程
目标分析模型的目标达到最才、%,选中,分析了复杂重型装备总系统顶层任务分解到
-7-
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TheoryandMethodologyIntegratedSystemsDesign
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