基于過程方法的硬件產(chǎn)品結(jié)構缺陷影響因素分析*

劉衛(wèi)東，胡偉立，鄭慧萌，肖承地

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

基于過程方法的硬件產(chǎn)品結(jié)構缺陷影響因素分析*

劉衛(wèi)東，胡偉立，鄭慧萌，肖承地

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

為了減少產(chǎn)品在設計過程中因影響因素的考慮不足而導致的結(jié)構缺陷，基于過程方法分析了影響結(jié)構缺陷各個設計活動模塊的影響因素，并且建立了產(chǎn)品結(jié)構缺陷的影響因素關系模型。在此基礎上，利用模糊層次分析法對結(jié)構缺陷設計活動與影響因素定量化描述。研究成果對企業(yè)預防和控制硬件產(chǎn)品結(jié)構缺陷起到重要指導意義。

結(jié)構缺陷；影響因素；關系模型；過程方法

0 引言

受硬件產(chǎn)品復雜性和多樣性等特點的影響，其設計過程中存在眾多的影響設計質(zhì)量的不確定因素。隨著設計過程的展開，若某一環(huán)節(jié)處理不當，都會影響產(chǎn)品的設計質(zhì)量，甚至可能導致設計缺陷的產(chǎn)生。在質(zhì)量工程領域，設計缺陷是指因產(chǎn)品設計存在的問題或不足造成產(chǎn)品存在缺陷，即產(chǎn)品不能滿足預期或規(guī)定用途的相關要求。文獻[1]將設計缺陷分為功能缺陷、結(jié)構缺陷、性能缺陷、工藝缺陷四種類型。其中結(jié)構缺陷是指因產(chǎn)品結(jié)構設計存在問題或不足而導致產(chǎn)品存在的缺陷，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品存在結(jié)構可靠性、材質(zhì)適應性、結(jié)構緊湊性、人機安全性等方面的缺陷?？紤]到結(jié)構缺陷的產(chǎn)生主要集中在設計過程的概念設計和詳細設計兩階段，這兩個階段設計參數(shù)的設定、材料的選取以及結(jié)構布置都可能導致結(jié)構性能缺陷，并且有可能直接或間接地增大后續(xù)過程工作性能缺陷和工藝缺陷的發(fā)生概率。因此,預防和控制結(jié)構設計缺陷應成為產(chǎn)品開發(fā)關注的焦點。然而，由于設計過程的動態(tài)性，使得難以把握設計過程與結(jié)構缺陷的影響因素關系，可能造成結(jié)構設計缺陷的影響因素及其影響程度也不明確，使得設計者對結(jié)構缺陷進行預防和控制時過于盲目。

目前對硬件產(chǎn)品設計缺陷形成的一般規(guī)律進行系統(tǒng)研究的成果極少，僅文獻[2-3]從改進設計的角度，對設計缺陷的數(shù)學模型及其在不同設計開發(fā)模式中的形成、發(fā)展過程和改進質(zhì)量成本等問題，應用神經(jīng)單元模型等理論和方法進行了初步的研究探討。而在設計質(zhì)量影響因素的研究方面，國內(nèi)外學者從不同的角度對設計缺陷影響因素分析方面主要有：文獻[4]從設計技術、設計管理和設計環(huán)境等方便提出九種可能造成設計質(zhì)量的影響因素；文獻[5]則從人、機、料、法和環(huán)五個方面分析了設計質(zhì)量的影響因素;西北工業(yè)大學研究團隊研究了影響產(chǎn)品設計過程中的制造知識、材料等質(zhì)量信息[6-7]。然而，這些研究僅定性地分析了影響因素對設計質(zhì)量的影響，缺乏對設計缺陷影響因素與設計缺陷形成過程的研究，特別是定量分析設計缺陷因素對設計過程的影響。鑒于此，本文從質(zhì)量管理的角度出發(fā)，基于過程方法對設計過程的影響因素進行系統(tǒng)全面的研究分析，在此基礎上運用模糊層次分析法，定量化描述結(jié)構缺陷影響因素對設計活動的相對重要程度。研究有利于企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中有針對性地采取措施，為預防和控制設計缺陷提供理論依據(jù)。

1 基于過程方法的結(jié)構缺陷因素分析

1.1 過程和過程方法

圖1 結(jié)構缺陷影響因素結(jié)構關系模型

ISO9000質(zhì)量管理體系對過程定義為“一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關聯(lián)或相互作用的活動”[8]，過程方法是指組織內(nèi)各過程的系統(tǒng)的應用，連同這些過程的識別和相互作用及其管理。從定義可知，任何一個過程都包括輸入、輸出、增值轉(zhuǎn)換活動、活動所需資源、過程所處的環(huán)境和檢測評價活動等六要素。輸入是實施過程的基礎或依據(jù)，輸出是完成過程的結(jié)果，通過使用資源和管理，對過程進行一系列的增值轉(zhuǎn)換活動。同時，每一個過程都是在一定的設計環(huán)境下進行的，為了確保過程的質(zhì)量，對輸入過程的信息、要求和輸出的產(chǎn)品(有形的或者無形的)以及在過程中的適當階段應進行必要的監(jiān)控和評價。

1.2 設計過程影響因素分析

產(chǎn)品設計過程是指產(chǎn)品設計相關的一切活動、信息、數(shù)據(jù)、資源的總和。它是由一系列子過程及設計活動組成，通常的產(chǎn)品設計過程分為四個階段：設計規(guī)劃階段、概念設計階段、詳細設計階段和工藝設計階段。每個階段對應的設計缺陷也不同，在文獻[1]的研究中，已明確結(jié)構缺陷主要在概念設計和詳細設計產(chǎn)生。

產(chǎn)品概念設計作為產(chǎn)品設計過程中最關鍵最復雜的設計階段，它是一個技術系統(tǒng)和功能層分解的過程，根據(jù)既定的設計需求構建產(chǎn)品的主要功能和關鍵結(jié)構原理，并選擇合適的求解方法，依據(jù)經(jīng)濟、技術和開發(fā)周期等指標對產(chǎn)品設計方案進行評估[9]。此過程主要集中在產(chǎn)品總體功能、結(jié)構方案的規(guī)劃上，綜合考慮到企業(yè)生產(chǎn)加工能力，技術水平、質(zhì)量成本等因素確定最優(yōu)方案。這些活動中需要的資源信息包括技術、設備等信息，并綜合考慮過程所處的環(huán)境，包括技術標準、決策信息、質(zhì)量成本、設計人員素質(zhì)等。在詳細設計階段，設計活動主要集中在功能載體結(jié)構的確定、材料選擇和功能載體的詳細設計等活動，是將原理設計方案結(jié)構化的一個過程，所處的環(huán)境和資源等因素錯綜復雜，需要綜合考慮零部件的可制造性、可裝配性、可靠性、可檢測性和經(jīng)濟性等方面。

2 結(jié)構缺陷因素結(jié)構模型的構建

2.1 硬件產(chǎn)品結(jié)構缺陷影響因素模型構建

硬件產(chǎn)品設計過程是一個多層次、多步驟和分階段的反復迭代的設計過程，其涉及的影響因素眾多，分布于產(chǎn)品設計過程的各個階段。并且為了避免設計的反復性，在設計過程的初始階段就要考慮到影響整個產(chǎn)品缺陷的因素。因此，為了更好的表達缺陷因素與設計過程的關系，避免設計缺陷的產(chǎn)生，本文采用過程方法構建了結(jié)構缺陷影響因素結(jié)構關系模型，如圖1。

在該模型中，不僅表達出設計過程中各設計階段間的邏輯順序關系，理順了設計階段的各個活動的輸入、輸出，而且還清晰地呈現(xiàn)出設計資源、環(huán)境等缺陷因素與設計過程的關系，為以后的設計缺陷的預防和控制提供了理論基礎。然而，從該模型可以看出，影響結(jié)構缺陷的因素比較多，在具體的設計活動中，往往由于以上原因不能合理有效的控制這些因素，這也同時增加了設計缺陷的風險。因此，需要進一步定量掌握設計階段的影響因素對設計活動的影響程度，以便有針對性地采取措施來優(yōu)化設計過程，提高設計質(zhì)量。

3 結(jié)構缺陷影響因素定量化描述

關于因素權重確定，學者從不同角度提出了專家調(diào)查法、層次分析法、信息熵法等不同的方法，這些方法在某個方面有一定的合理性，但結(jié)構缺陷影響因素與設計過程之間存在模糊性和不確定性，很難用精確的標度來衡量因素間的關系，而模糊層次分析法[10-11]可用模糊數(shù)學中的隸屬度來表示因素之間模糊關系的程度，大大降低了人的主觀性。因此，本文引入模糊層次分析法來確定缺陷影響因素對各設計活動的相對影響程度。

3.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法最早由張吉軍教授提出，它是在層次分析法的基礎上將層次分析法和模糊綜合評判結(jié)合起來求因素權重的方法，該方法克服了普通層次分析法要經(jīng)過調(diào)整、檢驗、再調(diào)整才能使矩陣具有達到一致性的缺點，通過因素之間比較來構造一致性判斷矩陣，從而求出各因素的相對權重，使評估更具有可靠性和有效性，步驟如下：

(1)建立優(yōu)先關系判斷矩陣A

將各個因素兩兩判斷，按 “0.1-0.9”標度法定量表示因素之間的相對重要程度,得到因素的隸屬度，構建模糊優(yōu)先判斷矩陣A。

(1)

(2)構建模糊一致性矩陣R

將模糊互補矩陣R做數(shù)學變換，如下所示:

(2)

得到模糊一致性矩陣

(3)

并對該矩陣進行檢驗是否滿足條件：

rij=rik-rjk+0.5 (4)

(3)計算排序向量W

(5)

(6)

因此得到模糊一致性矩陣的排序向量W=(w1,w2,...,wn)T。

3.2 舉例分析

為了便于表達，將結(jié)構缺陷的設計模塊及影響因素用符號來表示，六個設計模塊即功能分析及功能結(jié)構設計模塊、結(jié)構動作的分解和構思模塊、結(jié)構系統(tǒng)方案構思與設計模塊、確定功能載體結(jié)構模塊、材料選擇模塊、詳細設計功能載體模塊，分別用F1、F2、F3、F4、F5、和F6表示。在過程方法中由于上一階段的輸出即為下一階段的輸入，因此把輸入輸出因素歸為一類表示，用a1，a2，a3和a4分別表示輸入輸出類、資源類、環(huán)境類以及監(jiān)測評價四大類結(jié)構缺陷影響因素，各設計缺陷影響因素的符號描述見圖1。下面以F1功能分析及功能結(jié)構設計模塊的影響因素為例進行分析。

3.3.1 構建以模塊F1的模糊判斷矩陣

根據(jù)標度法對結(jié)構缺陷的各影響因素打分，得到因素的模糊判斷矩陣A，由于篇幅有限，此處不再列舉。

3.2.2 計算影響因素權重

根據(jù)式(2)構建的模糊一致性判斷矩陣代入式(6)，即得到F1模塊各影響因素的權重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，根據(jù)上述步驟可得到其它模塊F2、F3、F4、F5、和F6影響因素的權重排序，結(jié)果如表1。

4 結(jié)果分析

結(jié)合圖1所示的結(jié)構缺陷影響因素結(jié)構關系模型與表1的影響因素對各設計活動模塊的影響程度結(jié)果，對上述結(jié)構關系模型在設計階段中的應用進行分析和總結(jié)，可以得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)構關系模型詳細描述了影響結(jié)構缺陷的設計活動與影響因素之間的關系，某一設計活動的影響因素控制不利，都可能導致此活動存在缺陷的風險，進而影響下一個設計的質(zhì)量。該結(jié)論指出了結(jié)構缺陷的傳導路徑和缺陷源，為預防和控制結(jié)構缺陷指明了方向。

(2)結(jié)構關系模型不僅全面描述了產(chǎn)生結(jié)構缺陷階段的各個設計活動模塊的影響因素，而且還綜合專家經(jīng)驗和知識定量描述了各設計活動模塊影響因素的權重。這在以后的產(chǎn)品設計中，設計工程師有針對性地監(jiān)控對設計活動影響較大的因素，以此預防和控制結(jié)構缺陷的產(chǎn)生。

(3)結(jié)構缺陷影響因素眾多，有些相同的影響因素在不同的設計活動中的影響程度不同。因此，在不同的設計活動中，要根據(jù)企業(yè)情況合理的分配資源對其控制，在有限的資源和時間內(nèi)使各設計活動存在缺陷的風險最小化。

5 結(jié)束語

在硬件產(chǎn)品設計開發(fā)中，影響產(chǎn)品結(jié)構缺陷的設計活動眾多，相應的影響因素錯綜復雜。本文采用過程方法，分析了影響硬件產(chǎn)品結(jié)構缺陷的設計階段以及各個活動模塊的影響因素。從輸入、輸出、所需資源、所處環(huán)境、增值轉(zhuǎn)化活動及監(jiān)測評價過程六要素全面系統(tǒng)地構建了結(jié)構缺陷的結(jié)構關系模型，彌補了以往產(chǎn)品設計過程中對設計缺陷影響因素關注的不足，直觀展現(xiàn)了影響因素、設計活動與結(jié)構缺陷之間的作用關系，并且采用模糊層次分析法實現(xiàn)了影響因素與各設計活動之間的定量化關系，其結(jié)果對制定預防和控制設計缺陷的措施具有重要指導意義，也為研究產(chǎn)品設計缺陷的形成原因奠定了基礎。

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(編輯 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

國家自然科學基金資助項目(71161018)

劉衛(wèi)東(1962—)，男，江西新干人，南昌大學教授，博士，從事質(zhì)量管理與可靠性研究，(E-mail)liuwd@ncu.edu.cn。

TH165+.3;TG65

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