基于过程方法的硬件产品结构缺陷影响因素分析*

刘卫东，胡伟立，郑慧萌，肖承地

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

基于过程方法的硬件产品结构缺陷影响因素分析*

刘卫东，胡伟立，郑慧萌，肖承地

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

为了减少产品在设计过程中因影响因素的考虑不足而导致的结构缺陷，基于过程方法分析了影响结构缺陷各个设计活动模块的影响因素，并且建立了产品结构缺陷的影响因素关系模型。在此基础上，利用模糊层次分析法对结构缺陷设计活动与影响因素定量化描述。研究成果对企业预防和控制硬件产品结构缺陷起到重要指导意义。

结构缺陷；影响因素；关系模型；过程方法

0 引言

受硬件产品复杂性和多样性等特点的影响，其设计过程中存在众多的影响设计质量的不确定因素。随着设计过程的展开，若某一环节处理不当，都会影响产品的设计质量，甚至可能导致设计缺陷的产生。在质量工程领域，设计缺陷是指因产品设计存在的问题或不足造成产品存在缺陷，即产品不能满足预期或规定用途的相关要求。文献[1]将设计缺陷分为功能缺陷、结构缺陷、性能缺陷、工艺缺陷四种类型。其中结构缺陷是指因产品结构设计存在问题或不足而导致产品存在的缺陷，主要表现为产品存在结构可靠性、材质适应性、结构紧凑性、人机安全性等方面的缺陷。考虑到结构缺陷的产生主要集中在设计过程的概念设计和详细设计两阶段，这两个阶段设计参数的设定、材料的选取以及结构布置都可能导致结构性能缺陷，并且有可能直接或间接地增大后续过程工作性能缺陷和工艺缺陷的发生概率。因此,预防和控制结构设计缺陷应成为产品开发关注的焦点。然而，由于设计过程的动态性，使得难以把握设计过程与结构缺陷的影响因素关系，可能造成结构设计缺陷的影响因素及其影响程度也不明确，使得设计者对结构缺陷进行预防和控制时过于盲目。

目前对硬件产品设计缺陷形成的一般规律进行系统研究的成果极少，仅文献[2-3]从改进设计的角度，对设计缺陷的数学模型及其在不同设计开发模式中的形成、发展过程和改进质量成本等问题，应用神经单元模型等理论和方法进行了初步的研究探讨。而在设计质量影响因素的研究方面，国内外学者从不同的角度对设计缺陷影响因素分析方面主要有：文献[4]从设计技术、设计管理和设计环境等方便提出九种可能造成设计质量的影响因素；文献[5]则从人、机、料、法和环五个方面分析了设计质量的影响因素;西北工业大学研究团队研究了影响产品设计过程中的制造知识、材料等质量信息[6-7]。然而，这些研究仅定性地分析了影响因素对设计质量的影响，缺乏对设计缺陷影响因素与设计缺陷形成过程的研究，特别是定量分析设计缺陷因素对设计过程的影响。鉴于此，本文从质量管理的角度出发，基于过程方法对设计过程的影响因素进行系统全面的研究分析，在此基础上运用模糊层次分析法，定量化描述结构缺陷影响因素对设计活动的相对重要程度。研究有利于企业在产品开发过程中有针对性地采取措施，为预防和控制设计缺陷提供理论依据。

1 基于过程方法的结构缺陷因素分析

1.1 过程和过程方法

图1 结构缺陷影响因素结构关系模型

ISO9000质量管理体系对过程定义为“一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的活动”[8]，过程方法是指组织内各过程的系统的应用，连同这些过程的识别和相互作用及其管理。从定义可知，任何一个过程都包括输入、输出、增值转换活动、活动所需资源、过程所处的环境和检测评价活动等六要素。输入是实施过程的基础或依据，输出是完成过程的结果，通过使用资源和管理，对过程进行一系列的增值转换活动。同时，每一个过程都是在一定的设计环境下进行的，为了确保过程的质量，对输入过程的信息、要求和输出的产品(有形的或者无形的)以及在过程中的适当阶段应进行必要的监控和评价。

1.2 设计过程影响因素分析

产品设计过程是指产品设计相关的一切活动、信息、数据、资源的总和。它是由一系列子过程及设计活动组成，通常的产品设计过程分为四个阶段：设计规划阶段、概念设计阶段、详细设计阶段和工艺设计阶段。每个阶段对应的设计缺陷也不同，在文献[1]的研究中，已明确结构缺陷主要在概念设计和详细设计产生。

产品概念设计作为产品设计过程中最关键最复杂的设计阶段，它是一个技术系统和功能层分解的过程，根据既定的设计需求构建产品的主要功能和关键结构原理，并选择合适的求解方法，依据经济、技术和开发周期等指标对产品设计方案进行评估[9]。此过程主要集中在产品总体功能、结构方案的规划上，综合考虑到企业生产加工能力，技术水平、质量成本等因素确定最优方案。这些活动中需要的资源信息包括技术、设备等信息，并综合考虑过程所处的环境，包括技术标准、决策信息、质量成本、设计人员素质等。在详细设计阶段，设计活动主要集中在功能载体结构的确定、材料选择和功能载体的详细设计等活动，是将原理设计方案结构化的一个过程，所处的环境和资源等因素错综复杂，需要综合考虑零部件的可制造性、可装配性、可靠性、可检测性和经济性等方面。

2 结构缺陷因素结构模型的构建

2.1 硬件产品结构缺陷影响因素模型构建

硬件产品设计过程是一个多层次、多步骤和分阶段的反复迭代的设计过程，其涉及的影响因素众多，分布于产品设计过程的各个阶段。并且为了避免设计的反复性，在设计过程的初始阶段就要考虑到影响整个产品缺陷的因素。因此，为了更好的表达缺陷因素与设计过程的关系，避免设计缺陷的产生，本文采用过程方法构建了结构缺陷影响因素结构关系模型，如图1。

在该模型中，不仅表达出设计过程中各设计阶段间的逻辑顺序关系，理顺了设计阶段的各个活动的输入、输出，而且还清晰地呈现出设计资源、环境等缺陷因素与设计过程的关系，为以后的设计缺陷的预防和控制提供了理论基础。然而，从该模型可以看出，影响结构缺陷的因素比较多，在具体的设计活动中，往往由于以上原因不能合理有效的控制这些因素，这也同时增加了设计缺陷的风险。因此，需要进一步定量掌握设计阶段的影响因素对设计活动的影响程度，以便有针对性地采取措施来优化设计过程，提高设计质量。

3 结构缺陷影响因素定量化描述

关于因素权重确定，学者从不同角度提出了专家调查法、层次分析法、信息熵法等不同的方法，这些方法在某个方面有一定的合理性，但结构缺陷影响因素与设计过程之间存在模糊性和不确定性，很难用精确的标度来衡量因素间的关系，而模糊层次分析法[10-11]可用模糊数学中的隶属度来表示因素之间模糊关系的程度，大大降低了人的主观性。因此，本文引入模糊层次分析法来确定缺陷影响因素对各设计活动的相对影响程度。

3.1 模糊层次分析法

模糊层次分析法最早由张吉军教授提出，它是在层次分析法的基础上将层次分析法和模糊综合评判结合起来求因素权重的方法，该方法克服了普通层次分析法要经过调整、检验、再调整才能使矩阵具有达到一致性的缺点，通过因素之间比较来构造一致性判断矩阵，从而求出各因素的相对权重，使评估更具有可靠性和有效性，步骤如下：

(1)建立优先关系判断矩阵A

将各个因素两两判断，按 “0.1-0.9”标度法定量表示因素之间的相对重要程度,得到因素的隶属度，构建模糊优先判断矩阵A。

(1)

(2)构建模糊一致性矩阵R

将模糊互补矩阵R做数学变换，如下所示:

(2)

得到模糊一致性矩阵

(3)

并对该矩阵进行检验是否满足条件：

rij=rik-rjk+0.5 (4)

(3)计算排序向量W

(5)

(6)

因此得到模糊一致性矩阵的排序向量W=(w1,w2,...,wn)T。

3.2 举例分析

为了便于表达，将结构缺陷的设计模块及影响因素用符号来表示，六个设计模块即功能分析及功能结构设计模块、结构动作的分解和构思模块、结构系统方案构思与设计模块、确定功能载体结构模块、材料选择模块、详细设计功能载体模块，分别用F1、F2、F3、F4、F5、和F6表示。在过程方法中由于上一阶段的输出即为下一阶段的输入，因此把输入输出因素归为一类表示，用a1，a2，a3和a4分别表示输入输出类、资源类、环境类以及监测评价四大类结构缺陷影响因素，各设计缺陷影响因素的符号描述见图1。下面以F1功能分析及功能结构设计模块的影响因素为例进行分析。

3.3.1 构建以模块F1的模糊判断矩阵

根据标度法对结构缺陷的各影响因素打分，得到因素的模糊判断矩阵A，由于篇幅有限，此处不再列举。

3.2.2 计算影响因素权重

根据式(2)构建的模糊一致性判断矩阵代入式(6)，即得到F1模块各影响因素的权重W1=(0.0927 0.0662 0.0652 0.0691 0.1000 0.0812 0.0662 0.0643 0.0777 0.0914 0.0444 0.0744 0.0381 0.0691)

同理，根据上述步骤可得到其它模块F2、F3、F4、F5、和F6影响因素的权重排序，结果如表1。

4 结果分析

结合图1所示的结构缺陷影响因素结构关系模型与表1的影响因素对各设计活动模块的影响程度结果，对上述结构关系模型在设计阶段中的应用进行分析和总结，可以得到以下结论：

(1)结构关系模型详细描述了影响结构缺陷的设计活动与影响因素之间的关系，某一设计活动的影响因素控制不利，都可能导致此活动存在缺陷的风险，进而影响下一个设计的质量。该结论指出了结构缺陷的传导路径和缺陷源，为预防和控制结构缺陷指明了方向。

(2)结构关系模型不仅全面描述了产生结构缺陷阶段的各个设计活动模块的影响因素，而且还综合专家经验和知识定量描述了各设计活动模块影响因素的权重。这在以后的产品设计中，设计工程师有针对性地监控对设计活动影响较大的因素，以此预防和控制结构缺陷的产生。

(3)结构缺陷影响因素众多，有些相同的影响因素在不同的设计活动中的影响程度不同。因此，在不同的设计活动中，要根据企业情况合理的分配资源对其控制，在有限的资源和时间内使各设计活动存在缺陷的风险最小化。

5 结束语

在硬件产品设计开发中，影响产品结构缺陷的设计活动众多，相应的影响因素错综复杂。本文采用过程方法，分析了影响硬件产品结构缺陷的设计阶段以及各个活动模块的影响因素。从输入、输出、所需资源、所处环境、增值转化活动及监测评价过程六要素全面系统地构建了结构缺陷的结构关系模型，弥补了以往产品设计过程中对设计缺陷影响因素关注的不足，直观展现了影响因素、设计活动与结构缺陷之间的作用关系，并且采用模糊层次分析法实现了影响因素与各设计活动之间的定量化关系，其结果对制定预防和控制设计缺陷的措施具有重要指导意义，也为研究产品设计缺陷的形成原因奠定了基础。

[1] 刘卫东，肖承地，朱敏. 基于灰色聚类评估的硬件产品设计缺陷分类研究[J]．机械设计与制造，2012(12):65-67．

[2]Wei-dong LIU，Gui-hai YANG．On the Formation of Mathematical Model in the Defective Design in Mechanical Products [J]．Proceedings of IEEE 17th International Conference On Industrial Engineering and Engineering Management，IEEE Press，2010: 867-870．

[3]Gui-hai YANG，Wei-dong LIU． The model research of minimizing the concurrent design cycle based on process conflict[J]．Proceedings of the Third International Conference on Management Science and Engineering Management，Bangkok: World Academic Union， 2009: 484 - 488．

[4] V. Hubka．Design for Quality and Design Methodology [J] ．Journal of Engineering Design，1992(3): 5-15．

[5]夷嬿霖．设计质量控制系统的研究与开发[D]．重庆大学，2005．

[6]邢芳,同淑荣.支持产品设计决策的质量信息分类研究[J].制造业自动化，2006，28(3)：6-9.

[7]王克勤,同淑荣.产品设计知识分类及知识供应研究[J].机械科学与技术,2008(12)：1655-1658．

[8]国家质量技术监督局.GB/T 19000-2008 质量管理体系—基础与术语[M].中国标准出版社，2008．

[9]闻邦椿.产品全功能与全性能的综合设计[M].北京：机械工业出版社，2007．

[10]张吉军. 模糊层次分析法(FAHP)[J].模糊系统与数学，2000,14(2):80-88．

[11]兰继斌,徐扬，霍良安，等. 模糊层次分析法权重研究[J].系统工程理论与实践，2006(9):107-112．

(编辑 李秀敏)

An Analysis of Influential Factors on Hardware Product Structure Defects Based on the Process Method

LIU Wei-dong, HU Wei-li, ZHENG Hui-meng, XIAO Cheng-di

(The College of Mechanical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

In order to reduce the structure dftects which caused by insufficient consideration during the design process, this paper establish a relationship model on product structure defects based on the process method, which is applied to analyze the influential factors on each design activity module. On this basis, the fuzzy-AHP was applied to provide a quantitative description on the relationship between the structure defects design and their affective factors. The research result presents great references to develop measurements on prevention and control of hardware structure defects in the future.

structure defect；influential factors；relationship model；process method

1001-2265(2014)07-0034-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.010

2013-10-22；

2013-11-28

国家自然科学基金资助项目(71161018)

刘卫东(1962—)，男，江西新干人，南昌大学教授，博士，从事质量管理与可靠性研究，(E-mail)liuwd@ncu.edu.cn。

TH165+.3;TG65

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