可持续生产与消费、以顾客为中心的商业模式和产品日趋同质化等因素,促使制造企业从单一产品的设计生产转移到整体解决方案(包含产品与服务)的设计生产。产品服务系统(Product service systems,PSS),正是适应制造企业这一战略转移而提出的一个新理念(面向制造业的产品服务系统也称作工业产品服务系统)。产品服务系统设计研究是当前制造领域的发展前沿,方案设计作为其中的关键环节,致力于建立顾客满意的产品服务组合形成的整体解决方案。在产品服务系统方案设计中,顾客立足于所要完成的工程,从施工环境和工程任务角度对需求进行描述。该设计方式具有设计对象的异质性(包括设计对象的异质性、组合性和匹配性)和设计过程的复杂性(包括设计过程的交互性、方案求解的多样性和决策的混合性)等特点,传统的设计理论和技术方法难以有效解决这一复杂课题。以顾客需求为驱动,围绕顾客需求向产品服务系统方案特征有效传递与分配和产品服务系统方案生成两个科学问题,将水平定向钻机产品服务系统作为设计对象,提出了基于需求域、功能域和方案域的产品服务系统方案设计框架,着重研究顾客需求传递与分配、方案配置和方案决策三个关键技术,以辅助设计师完成产品服务系统方案设计,实现顾客满意的整体解决方案,并提高设计质量和设计效率。全文主要从以下几个方面展开研究:(1)分析了产品服务系统的定义与分类,以及现有的研究体系和技术方法。在总结相关研究的基础上,归纳了产品服务系统方案设计的主要特点及其科学问题。阐述了顾客需求驱动的产品服务系统方案设计技术研究的主要内容及其创新点,回顾和总结了产品服务系统方案设计相关技术方法的研究进展。(2)在分析与传统设计区别的基础上,拓展了公理化设计域的内涵,建立了需求域、功能域和方案域的产品服务系统方案设计框架,分别以交互图和任务模型、交互图和功能结构模型、以及网络图表达。建立了产品与服务的集成机制和产品服务系统方案配置模型,分析了配置模型和配置过程对设计变化的适应机制,并给出了产品服务系统方案设计的三个关键技术。全文以维修服务作为服务的典型代表开展相关研究。(3)研究了基于多模式映射的顾客需求向产品服务系统方案特征的传递与分配问题。当前制造企业多处于从传统设计到产品服务系统设计的转变阶段,新设计方式下的数据积累少,难以利用智能学习方法来构建相应的映射空间。因此建立并行结构质量屋,实现顾客需求到产品方案特征和服务方案特征的传递与分配。基于最小二乘距离的非线性优化算法融合质量屋构建时的多样化决策信息,并以正负关联规则来辅助产品服务系统质量屋的客观化分析。充分利用制造企业传统设计下已积累的产品与服务数据,提出了基于GA-BPNN-GA混合学习与优化的产品服务系统方案特征优化模型。在考虑服务对产品依赖的基础上,分别构建产品和服务成本学习网络,以任务偏好、成本和技术约束以及产品特征和服务特征的匹配关系来优化产品服务系统方案特征。(4)提出了产品服务系统方案的交互式配置设计技术。首先给出了产品服务系统方案的交互式配置流程;基于相容性分析,提出了服务模块方案到服务过程方案的合成方法;并利用最小二乘支持向量机进行服务方案定位分析,作为服务与产品选择和匹配评估的基准。其次,风险度是产品与维修服务交互的关键信息,因此提出了基于不确定性方法的风险度计算和不完全排序模型。量化风险评价指标间的数值补偿,以提高风险度计算的可靠性。最后,采用增量式变精度粗糙集方法挖掘产品服务系统配置规则以保障配置模型的有效性和更新性。(5)产品服务系统方案决策具有混合性的特点,决策对象中产品与服务混合,决策指标中定性定量指标混合,决策信息中设计信息与评价信息混合。首先采用扩展服务蓝图建立产品服务系统方案的表现模型,以评估服务与产品的整体匹配性。其次将已有设计信息与评价信息相混合作为产品服务系统方案决策的整体信息,以保障决策结果的一致性和可靠性。最后提出多算法混合的决策模型实现产品服务系统方案在定性定量指标下的评价,并基于Kano模型改进逼近理想解法来优选产品服务系统方案。本研究为产品服务系统方案设计建立了新的设计体系和方法论,为本领域的进一步深入研究打下了理论基础;为产品服务系统方案设计的顾客需求传递与分配、配置设计和方案决策提供了技术支持。并结合工程实例将本文提出的技术方法应用到水平定向钻机这一典型工程机械的产品服务系统方案设计中,取得了良好的效果。本文研究工作得到国家自然科学基金项目(顾客价值驱动的产品服务系统方案设计技术研究,No.51075261)和上海市科委重大科技攻关项目(基于知识的水平定向钻数字化创新设计系统开发与应用,No.04dz11005)的大力支持和资助,在此表示衷心感谢。