面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

楊 桄 李文強(qiáng) 萬昌富

1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都，610065 2.四川大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方法四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610065

0 引言

目前，企業(yè)迫切需要使產(chǎn)品能更好地滿足用戶需求以提高自身的競爭優(yōu)勢。在此背景下，包括質(zhì)量功能配置(quality function deployment，QFD)和發(fā)明問題解決理論(TRIZ)在內(nèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用[1]，如張居鳳等[2]利用QFD理論中的質(zhì)量屋建立了裝備作戰(zhàn)需求與性能指標(biāo)間的相互關(guān)系；權(quán)龍哲等[3]采用TRIZ理論提高了系統(tǒng)的采收作業(yè)性能。為提高應(yīng)用效果，研究人員還將多種創(chuàng)新方法進(jìn)行集成應(yīng)用，如王曉暾等[4]將QFD理論與TRIZ理論相結(jié)合，解決了軟件開發(fā)中技術(shù)沖突難以求解的問題；付敏等[5]將約束理論、公理設(shè)計(jì)分析法與TRIZ理論相結(jié)合，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中制約設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，沖突數(shù)量不斷增長，而傳統(tǒng)TRIZ理論往往只能針對一組沖突得到有效解，忽視了顧客多樣化的需求。為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的多組沖突問題，KHOMENKO等[6-7]和CAVALLUCCI等[8]所研究的強(qiáng)大思維理論(general theory of powerful thinking ,OSTM)，通過構(gòu)建多沖突問題參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，從減少多沖突問題數(shù)量的角度來求解多沖突問題；韋子輝等[9]在約束理論(theory of constraints, TOC)的基礎(chǔ)上引入故障樹分析法，用以確定多沖突問題中的核心問題，并采用TRIZ工具來解決核心問題；張彩麗等[10]從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度提出一種解決多沖突問題的方法；梁瑞等[11]采用技術(shù)進(jìn)化定律對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測，并建立參數(shù)與技術(shù)進(jìn)化定律之間的關(guān)系，從而確定產(chǎn)品的關(guān)鍵沖突。上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法一定程度上有助于多沖突問題的解決，但仍存在以下問題：一是部分方法僅從產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的多沖突問題本身提出解決思路，而不從產(chǎn)生多沖突問題的原因角度出發(fā)對沖突問題進(jìn)行分析；二是缺少對引起多沖突問題各類原因關(guān)聯(lián)關(guān)系和重要性的有效識別的方法，這導(dǎo)致在解決多沖突問題時多依靠主觀判斷來確定主要沖突問題，使得多沖突問題的解決效率和質(zhì)量無法保障。

近年來，包括可拓法、拓?fù)浞ê推钚《朔ǖ确椒ㄒ脖挥糜诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中的多沖突問題解決過程：張建輝等[12]采用可拓學(xué)的物元模型對沖突問題進(jìn)行規(guī)范性描述并建立問題流網(wǎng)絡(luò)，通過可拓變換確定和解決關(guān)鍵沖突問題；魏新園等[13]采用偏最小二乘法對數(shù)控機(jī)床使用過程中受到的多種干擾因素進(jìn)行分析，建立機(jī)床熱誤差的預(yù)測模型，給出了提高機(jī)床精度的方向；胡啟國等[14]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法解決工業(yè)機(jī)器人中多參數(shù)間的沖突問題。上述方法通過構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)中各種沖突的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)學(xué)手段來求解沖突問題，但由于各沖突間存在復(fù)雜的多重相關(guān)性，故這些求解模型的準(zhǔn)確性難以得到保證。

針對上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)中多沖突解決方法的不足，筆者在此提出一種面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法，通過質(zhì)量屋(house of quality)獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突關(guān)系進(jìn)而定義設(shè)計(jì)問題，并從中選取核心問題；采用根因分析法(root cause analysis，RCA)獲得各核心問題的系統(tǒng)原因，并根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立核心問題與系統(tǒng)原因間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖；采用最佳-最差法(best worst method，BWM)獲得各系統(tǒng)原因的重要度并依次開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過對重要度較高的系統(tǒng)原因進(jìn)行求解從而實(shí)現(xiàn)對多組沖突問題的求解。該方法不局限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突問題本身，而是通過挖掘引發(fā)沖突問題的各類系統(tǒng)原因，獲得系統(tǒng)原因與沖突問題之間的內(nèi)在關(guān)系，從引起問題的深層次原因角度出發(fā)來解決多沖突問題。此外，因?yàn)樵摲椒ㄔ诮鉀Q沖突問題過程中只需關(guān)注關(guān)鍵系統(tǒng)原因，故而提高了沖突問題的解決效率。

1 面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程是一個往復(fù)解決問題的過程，準(zhǔn)確確定設(shè)計(jì)問題是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵。本文提出的面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法包括三個階段，如圖1所示。

圖1 面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法

階段一是通過對用戶進(jìn)行需求分析并從大量的設(shè)計(jì)需求中確定核心問題；階段二是通過挖掘引起核心問題產(chǎn)生的各類系統(tǒng)原因，獲得解決多種需求的各種潛在方向；階段三是通過對各個系統(tǒng)原因進(jìn)行重要度分析，確定最終需解決的問題方向，并采用創(chuàng)新方法獲得相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)對多對矛盾沖突的解決。

1.1 需求分析與核心問題確定

QFD理論中的質(zhì)量屋工具可以建立用戶需求與工程特征間的相關(guān)關(guān)系[15]，本文采用質(zhì)量屋將用戶對產(chǎn)品相對模糊、離散的需求信息轉(zhuǎn)化為清晰、明確的工程特征，并建立市場需求與工程特征之間的相關(guān)性，以及各工程特征之間的沖突關(guān)系。需求獲取與轉(zhuǎn)換的過程如圖2所示。

圖2 需求獲取與轉(zhuǎn)換過程

通過質(zhì)量屋可以獲得用戶需求與工程特征間的全部沖突關(guān)系從而定義設(shè)計(jì)問題，由于設(shè)計(jì)問題之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜且數(shù)量較多，故設(shè)計(jì)人員沒有必要對所有的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行求解，而是重點(diǎn)求解其中的核心問題，以簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。核心問題是指設(shè)計(jì)時必須解決的設(shè)計(jì)問題，核心問題的改善將有利于與之相關(guān)設(shè)計(jì)問題的整體簡化或消失，因此本文暫不考慮各設(shè)計(jì)問題間的耦合關(guān)系。確定某個設(shè)計(jì)問題是否為核心問題可以根據(jù)以下判別方法：

(1)該設(shè)計(jì)問題是否與其他設(shè)計(jì)問題具有較多的關(guān)聯(lián)性，改善該設(shè)計(jì)問題能否引起其他設(shè)計(jì)問題的積極變化，達(dá)到簡化或消除關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)問題的目的。

(2)該設(shè)計(jì)問題是否影響系統(tǒng)的主要功能，該設(shè)計(jì)問題的缺失會不會導(dǎo)致系統(tǒng)功能嚴(yán)重受損。

(3)該設(shè)計(jì)問題是否是需求分析中設(shè)定的必達(dá)要求，改善該設(shè)計(jì)問題能否滿足市場和顧客的重要需求。

只要滿足上述三個判別條件中的任意一個，即可將該設(shè)計(jì)問題定義為核心問題。

1.2 系統(tǒng)原因分析與識別

根因分析法是一種通過逐級分析來獲得引發(fā)問題原因的方法[16]。為獲得產(chǎn)生核心問題的各級系統(tǒng)原因，本文采用魚骨圖法對核心問題進(jìn)行分析，以得到引發(fā)核心問題的系統(tǒng)原因。鑒于根因分析法分析得出的系統(tǒng)原因具有數(shù)量多、關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，可以用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論描述其關(guān)系并分析其重要性[17-18]。

由于不同核心問題具有不同的權(quán)重，故現(xiàn)有的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論無法完全適用，筆者將關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖分為問題層和原因?qū)?，其中問題層包括核心問題節(jié)點(diǎn)，核心問題節(jié)點(diǎn)集合P= {P1，P2，…，Pj，…,PJ}，原因?qū)影ㄏ到y(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)C= {C1，C2，…，Ci，…,CI}，問題層與原因?qū)油ㄟ^有權(quán)邊E1連接(其權(quán)重為對應(yīng)核心問題的權(quán)重)，原因?qū)又g通過無權(quán)邊E2連接，構(gòu)建了核心問題與系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。通過對關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖關(guān)系中的節(jié)點(diǎn)度、通路路徑數(shù)量和平均最短路徑(average shortest path，ASP)進(jìn)行分析，提出帶權(quán)路徑長度(weighted path length，WPL)的計(jì)算方法，以獲得各系統(tǒng)原因的相對重要程度。根據(jù)帶權(quán)路徑長度的計(jì)算方法可知，重要度較高的系統(tǒng)原因?qū)Χ鄠€核心問題起到改善作用，為準(zhǔn)確解決多組沖突問題提供了依據(jù)。

圖3 核心問題與系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖

1.2.1確定關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖的影響關(guān)系

對關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行矩陣化處理，以利于對關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析。如圖3所示，該關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖有3個核心問題節(jié)點(diǎn)和7個系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)，可用10×10階連接矩陣M來表示(核心問題節(jié)點(diǎn)在前，系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)在后)，其元素定義如下：

(1)

圖3所示的核心問題和系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖可以用連接矩陣M表示：

連接矩陣反映了關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖中各節(jié)點(diǎn)之間的影響關(guān)系，但是在面向核心問題的系統(tǒng)原因識別過程中，需更加關(guān)注系統(tǒng)原因是否會引發(fā)核心問題，所以需要建立關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖的可達(dá)矩陣C，其元素定義如下：

(2)

圖3所示的核心問題和系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖可以用可達(dá)矩陣C表示為

1.2.2相對重要性分析

得到連接矩陣和可達(dá)矩陣后，首先需要計(jì)算關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖中的節(jié)點(diǎn)度和通路路徑數(shù)量等參數(shù)，進(jìn)而對各系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)的相對重要性進(jìn)行計(jì)算。

節(jié)點(diǎn)度(node degree，ND)包括入度與出度，表示該節(jié)點(diǎn)的重要程度。入度指以該節(jié)點(diǎn)為終點(diǎn)的有向邊的數(shù)量，出度指以該節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的有向邊的數(shù)量，節(jié)點(diǎn)度越大表明該節(jié)點(diǎn)越重要，可以通過連接矩陣計(jì)算出每個節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度。

通路路徑數(shù)量和路徑長度可以反映系統(tǒng)原因?qū)诵膯栴}的影響程度。定義任意兩個節(jié)點(diǎn)i和j滿足i，j∈P∪C，且Cij= 1，表示節(jié)點(diǎn)i與j為通路。記節(jié)點(diǎn)i與j間通路路徑為Sij，路徑數(shù)量為T，每條路徑的長度為Lt(t=1,2,…，T)，有

Sij={L1，L2，…，LT}

(3)

對于式(3)中的情況，若節(jié)點(diǎn)i∈C且節(jié)點(diǎn)j∈P，則某一系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)i到所有核心問題節(jié)點(diǎn)的通路路徑為Si，有

(4)

其中Ni表示與系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)i形成通路的核心問題節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

最短路徑為某系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)至核心問題節(jié)點(diǎn)的最短路徑，其長度由所經(jīng)過的最短邊數(shù)n確定，用SPij表示。平均最短路徑表示了系統(tǒng)原因引發(fā)核心問題的能力。定義任意兩個節(jié)點(diǎn)i和j滿足i∈C且j∈P，其最短路徑和平均最短路徑分別為

SPij=min(n)

(5)

(6)

式中,SLij為節(jié)點(diǎn)i至節(jié)點(diǎn)j最短路徑值相同的路徑數(shù)；NP為與節(jié)點(diǎn)i形成通路的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

1.2.3相對重要性確定

確定系統(tǒng)原因的權(quán)重首先要確定核心問題的權(quán)重。由于在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題評價中容易出現(xiàn)專家背景存在差異的情況，因而在群決策時有必要先確定專家權(quán)重，從而保證專家對核心問題評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文采用專家互評的方法，假設(shè)有m個專家，dab為專家a給專家b的互評權(quán)重，B=[dab]稱為專家互評權(quán)重矩陣，則群體指定給專家b的權(quán)重為

(7)

為準(zhǔn)確確定系統(tǒng)原因的相對重要性，定義帶權(quán)路徑長度為系統(tǒng)原因到核心問題的所有路徑的帶權(quán)和，其值越大，代表該系統(tǒng)原因越容易引發(fā)核心問題，其相對重要性越大，其表達(dá)式為

(8)

式中，NDi為節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度；Lo為系統(tǒng)原因到核心問題的第o條通路路徑的長度；Wj為核心問題j所占權(quán)重。

1.3 關(guān)鍵系統(tǒng)原因確定

最佳-最差法是一種以成對比較矩陣為基礎(chǔ)的多指標(biāo)決策方法，它以一致性最佳為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型，確定最佳權(quán)重[19]，本文采用該方法對各類問題或原因進(jìn)行評價，具體評價過程如下：

(1)建立指標(biāo)集合。根據(jù)產(chǎn)品的系統(tǒng)原因建立系統(tǒng)原因集合{C1，C2，…,CI}。

(2)確定最重要系統(tǒng)原因和最不重要系統(tǒng)原因。根據(jù)所得各系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)的帶權(quán)路徑長度，選擇出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最重要的系統(tǒng)原因B和最不重要的系統(tǒng)原因W。

(3)獲得相對重要權(quán)重值。根據(jù)所得各系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)的帶權(quán)路徑長度，使用數(shù)字1～9給出最重要系統(tǒng)原因與其他系統(tǒng)原因的相對重要性和其他系統(tǒng)原因與最不重要系統(tǒng)原因的相對重要性，數(shù)字越大則重要程度越高。得到權(quán)重矩陣AB和權(quán)重矩陣AW：

AB=[AB1AB2…ABI]

(9)

AW=[A1WA2W…AIW]

(10)

式中,ABi為最重要系統(tǒng)原因B相對于第i個系統(tǒng)原因的重要程度；AiW為第i個系統(tǒng)原因相對于最不重要系統(tǒng)原因W的重要程度。

(4)求解最優(yōu)權(quán)重ω。定義最優(yōu)權(quán)重集合ω為{ω1，ω2，…，ωI}，該線性模型的最優(yōu)權(quán)重集合的約束條件為{|ωB-ABiωi|,|ωi-AiWωW|}的最大絕對差最小。式中，ωB為最重要原因B的權(quán)重，ABi為最重要原因B相對于原因i的重要程度，ωi為原因i的權(quán)重，AiW為原因i相對于最不重要原因W的重要程度，ωW為最不重要原因W的權(quán)重。在該模型中所有的權(quán)重均為正值且權(quán)重總和為1，所以可以將該問題轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問題的最優(yōu)解，即

(11)

其中，N+表示正的自然數(shù)集合。將式(11)轉(zhuǎn)化為如下約束問題：

(12)

求解式(11)可以得最優(yōu)權(quán)重ω和ε，其中ε用于檢驗(yàn)成對比較矩陣的結(jié)果，ε的值越小，說明權(quán)重求解結(jié)果越可靠。

1.4 方法優(yōu)勢對比

對比TRIZ理論和可拓學(xué)等沖突解決方法對系統(tǒng)多沖突問題的解決過程可知，這些方法通過對系統(tǒng)中多組沖突進(jìn)行重要性排序并依次解決各沖突問題，綜合各沖突解決方案并進(jìn)行差異消除后獲得最終設(shè)計(jì)方案。這些方法適合解決沖突數(shù)量有限且沖突關(guān)系明確的系統(tǒng)多沖突問題，本文方法則基于對系統(tǒng)中引起多沖突的各類系統(tǒng)原因進(jìn)行分析和權(quán)重確定，通過對關(guān)鍵系統(tǒng)原因進(jìn)行求解從而從整體上解決系統(tǒng)多沖突問題，本文方法有利于解決沖突問題數(shù)量較多且關(guān)系耦合的系統(tǒng)多沖突問題。偏最小二乘法等多沖突系統(tǒng)優(yōu)化方法通過獲取系統(tǒng)多沖突設(shè)計(jì)參數(shù)的樣本數(shù)據(jù)來創(chuàng)建優(yōu)化模型，小樣本沖突設(shè)計(jì)參數(shù)會極大影響模型的優(yōu)化精度和質(zhì)量，而大樣本沖突設(shè)計(jì)參數(shù)又難以解決參數(shù)間的耦合問題。本文方法可以利用影響系統(tǒng)多沖突原因的較少核心設(shè)計(jì)參數(shù)建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)系模型，通過對該關(guān)系模型進(jìn)行全局尋優(yōu)獲得系統(tǒng)多沖突問題解決的優(yōu)化方案，從而提高系統(tǒng)多沖突問題的解決效率和所獲設(shè)計(jì)方案的整體質(zhì)量。

2 基于系統(tǒng)原因識別的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程

基于所提出的面向核心問題的系統(tǒng)原因識別方法，建立圖4所示的基于系統(tǒng)原因識別的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，該過程包括如下5個步驟：

圖4 基于系統(tǒng)原因識別的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程

(1)定義設(shè)計(jì)問題并確定核心問題。首先獲取產(chǎn)品的用戶需求，結(jié)合專家意見建立QFD質(zhì)量屋，通過質(zhì)量屋的輸出結(jié)果重新定義設(shè)計(jì)問題，然后根據(jù)核心問題的判別方法確定設(shè)計(jì)問題中的核心問題集。

(2)系統(tǒng)原因識別。采用根因分析法對每個核心問題進(jìn)行分析，得到引發(fā)每個核心問題的系統(tǒng)原因，對系統(tǒng)原因整理、歸納獲得系統(tǒng)原因集。

(3)構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖并確定系統(tǒng)原因權(quán)重。根據(jù)核心問題與系統(tǒng)原因的關(guān)系以及系統(tǒng)原因之間的關(guān)系，構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖。從節(jié)點(diǎn)度、通路路徑數(shù)量和平均最短路徑出發(fā)獲得系統(tǒng)原因的帶權(quán)路徑長度，根據(jù)BWM方法，在帶權(quán)路徑長度的基礎(chǔ)上對各系統(tǒng)原因重要性打分，求得每個系統(tǒng)原因的權(quán)重。

(4)形成設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員按照系統(tǒng)原因重要度順序，通過知識檢索和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法獲得解決該系統(tǒng)原因的設(shè)計(jì)方案，從而形成最終的產(chǎn)品方案。

(5)設(shè)計(jì)方案評價。對設(shè)計(jì)出的新方案進(jìn)行評價，性能達(dá)標(biāo)則設(shè)計(jì)結(jié)束，反之則對新方案進(jìn)行問題重構(gòu)，再次執(zhí)行步驟(1)～(4)，直至獲得滿意解。

3 應(yīng)用實(shí)例

地鐵作為城市公共交通的骨架，具有快速、高效和安全等特點(diǎn)，在緩解交通壓力等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，由于地鐵修建位置處于城市建筑物下方，其振動和噪聲將對人們的生活和工作產(chǎn)生很大影響。浮置板隔振器作為浮置板道床的關(guān)鍵部分，可以起到良好的減振降噪作用。如文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一種帶位移放大裝置的浮置板隔振器，對低頻段振動浮置板有良好的減振作用，如圖5所示。然而，現(xiàn)有的隔振器仍存在減振降噪性能不足、不同工況時減振性能不一致、容易損壞、維修成本高等不足。下面將采用上述方法對浮置板隔振器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖5 浮置板道床[20]

3.1 需求分析與構(gòu)建質(zhì)量屋

浮置板隔振器屬于工程領(lǐng)域產(chǎn)品，其主要需求是工程性能參數(shù)方面，對外觀、造型等需求考慮較少。通過對隔振器進(jìn)行市場調(diào)查，同時結(jié)合專業(yè)人員對隔振器的性能要求，剔除一些非重要性的需求以后，統(tǒng)計(jì)得出的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮的市場需求如表1所示。

表1 隔振器市場需求

使用QFD理論構(gòu)建隔振器的質(zhì)量屋，將表1中的市場需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)品的工程特征，并建立市場需求與工程特征、工程特征之間的相關(guān)性，如圖6所示。

圖6 浮置板隔振器的質(zhì)量屋

圖6質(zhì)量屋中主要體現(xiàn)了市場需求與工程特征之間的相關(guān)性和工程特征之間的相關(guān)性，本文的設(shè)計(jì)方法主要關(guān)注浮置板隔振器的工程特征之間的沖突(負(fù)相關(guān)性)，例如，最大振動與可制造性存在沖突，快速置換與密封性存在沖突。解決工程特征之間的沖突有利于提高產(chǎn)品性能。

3.2 定義設(shè)計(jì)問題并確定核心問題

根據(jù)圖6中工程特征的沖突關(guān)系，重新定義隔振器的設(shè)計(jì)問題，如表2所示。

表2 隔振器設(shè)計(jì)問題

為了簡化隔振器的設(shè)計(jì)過程，根據(jù)核心問題的判別方法對設(shè)計(jì)問題進(jìn)行篩選，其篩選結(jié)果如表3所示。其中設(shè)計(jì)問題DP1、DP2、DP5和DP9滿足至少一個核心問題判別條件，故確定隔振器設(shè)計(jì)過程中的核心問題集為P={CP1，CP2，CP3，CP4，CP5}，如表3所示。

3.3 系統(tǒng)原因識別

采用根因分析法中的魚骨圖分析法對表3中各核心問題進(jìn)行根源分析，獲得產(chǎn)生核心問題的系統(tǒng)原因。在本例中環(huán)境因素對產(chǎn)品影響較小，故從人員、機(jī)械、方法、材料等4個方面對系統(tǒng)原因進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

(a)高減振性能隔振器難以制造

表3 隔振器核心問題集

將具有相似特點(diǎn)的系統(tǒng)原因歸納為同一個系統(tǒng)原因，同時去除某些設(shè)計(jì)人員無法解決的系統(tǒng)原因，得到最終可以用于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原因集Cn={C1，C2，…，C24}，如表4所示。

表4 隔振器系統(tǒng)原因集

3.4 構(gòu)建核心問題和系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖

以表3核心問題集P和表4系統(tǒng)原因集C作為節(jié)點(diǎn)，在圖7中系統(tǒng)原因關(guān)系的基礎(chǔ)上，繼續(xù)分析不同系統(tǒng)原因之間是否有相互影響的關(guān)系。依次分析各個系統(tǒng)原因之間的影響關(guān)系后，建立核心問題與系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，見圖8。

圖8 核心問題與系統(tǒng)原因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖

在該關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖中，實(shí)線代表系統(tǒng)原因?qū)诵膯栴}的影響關(guān)系，為有權(quán)邊，其權(quán)重大小由核心問題的權(quán)重決定；虛線代表系統(tǒng)原因之間的影響關(guān)系，為無權(quán)邊。

3.5 確定帶權(quán)路徑長度

核心問題與系統(tǒng)原因之間連接邊的權(quán)重取決于核心問題的權(quán)重，核心問題的數(shù)量較少，可以直接使用BWM方法得到。首先采用專家互評的方法獲得專家{D1，D2，D3,D4}的權(quán)重矩陣B：

(13)

根據(jù)式(7)由矩陣B計(jì)算出4位專家的權(quán)重為{0.3625，0.2250,0.2250,0.1875}，通過專家打分的方法獲得各個核心問題的重要度評估，如表5所示，然后根據(jù)式(11)、式(12)以及專家的權(quán)重值，獲得各核心問題的權(quán)重，如表6所示。

表5 BWM方法下核心問題的重要度評估

從表6中可以看出，4位專家打分的結(jié)果較為理想(ε均小于0.1)，基于各專家的權(quán)重得到核心問題的最終權(quán)重，可以進(jìn)行后續(xù)的分析。確定各核心問題的權(quán)重后，通過計(jì)算各系統(tǒng)原因的節(jié)點(diǎn)度、通路路徑數(shù)量和平均最短路徑可以獲得各系統(tǒng)原因的帶權(quán)平均路徑。

表6 各核心問題的權(quán)重

(1)確定節(jié)點(diǎn)度。根據(jù)式(1)將圖9所示關(guān)系網(wǎng)用26×26階連接矩陣M和可達(dá)矩陣C表示出來，從而求出各系統(tǒng)原因的節(jié)點(diǎn)度。

圖9 系統(tǒng)原因的節(jié)點(diǎn)度

(2)通路路徑數(shù)量和路徑長度。為確定系統(tǒng)原因?qū)诵膯栴}產(chǎn)生的影響，根據(jù)式(4)求出每個系統(tǒng)原因到所有核心問題的通路路徑數(shù)量和路徑長度，如表7所示，其中花括號內(nèi)數(shù)字的個數(shù)代表路徑數(shù)量，數(shù)字的大小代表該路徑的長度。

表7 通路路徑數(shù)量和路徑長度

(3)平均最短路徑。根據(jù)式(5)、式(6)得出每個系統(tǒng)原因的平均最短路徑，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)原因的平均最短路徑

(4)帶權(quán)路徑長度。為確定各系統(tǒng)原因的重要性評估值，根據(jù)式(8)確定各系統(tǒng)原因的帶權(quán)路徑長度，如表8所示。

表8 帶權(quán)路徑長度

3.6 確定關(guān)鍵系統(tǒng)原因權(quán)重

各個系統(tǒng)原因的帶權(quán)路徑長度差異很大，表9中平均帶權(quán)路徑長度為0.4723，其中節(jié)點(diǎn)C1、C3、C5、C7、C10、C14、C15、C16均超過平均帶權(quán)路徑長度，確定為關(guān)鍵系統(tǒng)原因節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)的帶權(quán)路徑長度較小，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新機(jī)會不大。根據(jù)帶權(quán)路徑長度確定最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)原因?yàn)镃16，最不重要的關(guān)鍵系統(tǒng)原因?yàn)镃10，使用數(shù)字1～9對各個關(guān)鍵系統(tǒng)原因打分，結(jié)果如表9所示。

表9 BWM方法下關(guān)鍵系統(tǒng)原因的重要度評估

根據(jù)式(11)、式(12)獲得各關(guān)鍵系統(tǒng)原因的權(quán)重，如圖11所示，同時獲得一致性值為0.0613，其結(jié)果較為理想。

圖11 關(guān)鍵系統(tǒng)原因權(quán)重

3.7 關(guān)鍵系統(tǒng)原因求解

由圖11可知，關(guān)鍵系統(tǒng)原因C16、C3、C7所占比重超過10%，主要對這三個關(guān)鍵系統(tǒng)原因求解。

(1)對關(guān)鍵系統(tǒng)原因C16“剛度無法適應(yīng)載荷變化”進(jìn)行求解。隔振器受大載荷時有鋼彈簧提供較大的剛度，受小載荷時無小剛度材料提供較小剛度。通過知識檢索，發(fā)現(xiàn)橡膠可以提供較小的剛度，并在較小的外力下產(chǎn)生較大的形變。故設(shè)計(jì)時將隔振器的減振過程分為兩個階段，小載荷階段通過橡膠進(jìn)行減振，重載階段通過鋼彈簧和橡膠同時減振，如圖12所示方案。該系統(tǒng)原因的求解有效提高了隔振器的隔振能力和不同載荷下的適應(yīng)性，對核心問題CP1和CP3有很大的改善作用。

圖12 系統(tǒng)原因C16的解

(2)對關(guān)鍵系統(tǒng)原因C3“隔振器不穩(wěn)定”進(jìn)行求解。更改隔振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將鋼彈簧和橡膠分開置于不同空間內(nèi)，并把橡膠槽分為多個部分。同時采用多個防偏螺栓固定壓板和圓筒，使壓板限制在圓筒內(nèi)，提高隔振器的穩(wěn)定性，隔振器殼體方案如圖13所示。該系統(tǒng)原因的求解對核心問題CP1、CP2、CP3有很大的改善作用，穩(wěn)定性的優(yōu)化提高了隔振器的減振能力和使用壽命。

圖13 系統(tǒng)原因C3的解

(3)對關(guān)鍵系統(tǒng)原因C7“重載下容易變形”進(jìn)行求解。為隔振器增加限位裝置，可以在隔振器內(nèi)部設(shè)計(jì)限位螺桿，當(dāng)隔振器在大載荷的作用下產(chǎn)生的位移超過規(guī)定值時，該螺桿發(fā)揮作用阻止隔振器繼續(xù)產(chǎn)生位移。該系統(tǒng)原因的求解對核心問題CP4、CP5有很大的改善作用，可使隔振器擁有限位功能，從而降低隔振器的損壞風(fēng)險。

3.8 最終設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述對系統(tǒng)原因的求解過程，結(jié)合隔振器的實(shí)際工程應(yīng)用，得到了一種浮置板隔振器的設(shè)計(jì)方案，如圖14所示。

圖14 最終設(shè)計(jì)方案

本方案在輕載時由橡膠塊單獨(dú)工作，使得隔振器剛度較低時具備較好的隔振性能；重載時橡膠塊的壓縮變形量增大，鋼彈簧和橡膠塊共同作用，使得隔振器仍保持較好的隔振性能，若載荷過大還能起到限位作用。同時設(shè)計(jì)了限位螺栓和預(yù)壓盤，確保了隔振器始終具有穩(wěn)定的隔振性能。與文獻(xiàn)[20]相比，本文在設(shè)計(jì)隔振器時從用戶需求出發(fā)，針對核心問題和系統(tǒng)原因進(jìn)行分析，通過解決較少的關(guān)鍵系統(tǒng)原因高效地提高了隔振器的減振性能、使用壽命和適應(yīng)性，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

4 結(jié)論

(1)建立了用戶需求到系統(tǒng)原因的轉(zhuǎn)化過程，通過QFD法將用戶需求轉(zhuǎn)化為工程特征的沖突并確定核心問題，采用根因分析法識別各核心問題的系統(tǒng)原因并構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖。

(2)提出了系統(tǒng)原因權(quán)重的計(jì)算方法，采用帶權(quán)路徑長度表示系統(tǒng)原因的相對重要性，根據(jù)BWM法計(jì)算系統(tǒng)原因權(quán)重并排序，通過對關(guān)鍵系統(tǒng)原因的解決獲得產(chǎn)品多沖突問題的解決方案。將該方法應(yīng)用于浮置板隔振器的設(shè)計(jì)中，得到一種隔振性能良好、穩(wěn)定性強(qiáng)的浮置板隔振器，解決了現(xiàn)有浮置板隔振器隔振性能差、無法在多工況下保持良好隔振性能的問題。