自愈理念下DCC與TRIZ集成的設(shè)計方法研究

郭昆

自愈理念下DCC與TRIZ集成的設(shè)計方法研究

郭昆

（河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130）

為提高復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將自愈理念引入復(fù)雜系統(tǒng)概念設(shè)計階段，結(jié)合設(shè)計過程復(fù)雜性（DCC）與發(fā)明問題解決理論（TRIZ），提出一種自愈理念下DCC與TRIZ集成的設(shè)計方法。首先，對系統(tǒng)進行功能分析，并通過DCC理論判斷系統(tǒng)中功能的實現(xiàn)概率；其次，確定實現(xiàn)概率低的潛在問題功能，對這些功能進行自愈設(shè)計；之后，使用TRIZ工具解決出現(xiàn)的問題；最后，將上述過程集成，形成自愈理念下DCC與TRIZ集成的過程模型。通過一個密集柜車庫的案例驗證了過程模型的有效性。

自愈理念；設(shè)計過程復(fù)雜性；TRIZ；概念設(shè)計

在工程實踐中，大多數(shù)的裝備故障不是突發(fā)性的[1]，而是由疲勞、磨損、偏差等累積造成，是漸進性的。若能在故障初始形態(tài)時便通過裝備本身的智能調(diào)控系統(tǒng)進行消除，無疑是解決故障的最佳手段。為實現(xiàn)這一目標，高金吉[2]提出“故障自愈化”的原理，希望可以通過復(fù)雜系統(tǒng)的自我檢測修復(fù)愈合來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在此基礎(chǔ)上，研究者們?yōu)樽杂碚摰陌l(fā)展做出了巨大貢獻。王仲生等[3]在對飛行器早期故障自愈機理進行分析的基礎(chǔ)上，建立了飛行器早期故障自愈模型。黃利權(quán)等[4]根據(jù)自愈的理念提出一種轉(zhuǎn)子同頻振動的在線消除策略，實現(xiàn)同頻振動的在線消除。馬晉等[5]提出基于瞬時轉(zhuǎn)速波動率的內(nèi)燃機故障診斷方法，實現(xiàn)內(nèi)燃機點火狀態(tài)的早期預(yù)警。隨著“故障自愈化”的原理在工程領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，高金吉[1]進一步提出“人工自愈（Artificial self- recovery，AS）”概念，將復(fù)雜系統(tǒng)自愈研究推向了一個全新的高度。

自愈理論在復(fù)雜裝備領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛，且還在不斷地發(fā)展成熟。姚劍飛等[6]通過構(gòu)建靶向自愈調(diào)控系統(tǒng)，有效解決了在透平機中一直存在工作中轉(zhuǎn)子不平衡的振動故障問題。Yang等[7]提出一種由太陽能電池和一個自修復(fù)摩擦發(fā)電納米發(fā)電機組成的混合能源系統(tǒng)，解決了太陽能電池的潛在機械損壞導(dǎo)致其輸出能力降低的問題。Huang等[8]提出一種基于有機水凝膠的自修復(fù)摩擦發(fā)電納米發(fā)電機，在實際應(yīng)用方面擁有可靠的輸出性能和自我修復(fù)能力。

目前自愈理論的發(fā)展逐漸深入化、全面化，覆蓋了各個領(lǐng)域。若將自愈理論引入系統(tǒng)的概念設(shè)計階段，會給復(fù)雜系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行提供良好的保障。

將自愈理念應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計階段需要充分考慮系統(tǒng)中具有的強耦合、非線性、時變性和開放性等特征的復(fù)雜特性。Suh[9-10]提出了設(shè)計過程復(fù)雜性（Design-Centric Complexity，DCC）理論的概念。該理論主要研究復(fù)雜系統(tǒng)在設(shè)計過程中產(chǎn)生的復(fù)雜性，以系統(tǒng)設(shè)計時功能的實現(xiàn)概率為切入點，并以概率的高低評價系統(tǒng)的復(fù)雜性程度[11]。這與自愈的理念相契合。

本文采用自愈理念，在設(shè)計階段通過對系統(tǒng)功能的分析與設(shè)計使系統(tǒng)具有自愈能力。在此基礎(chǔ)上，對相關(guān)理論進行了研究，并提出自愈理念下DCC與TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems，發(fā)明問題解決理論）集成的設(shè)計方法。

1 相關(guān)理論

1.1 人工自愈理論

當一個正常工作的復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生微小變化時，該系統(tǒng)一般可以自適應(yīng)地繼續(xù)保持正常工作，而當系統(tǒng)發(fā)生較大變化或有其他干擾時，該系統(tǒng)將會發(fā)生故障等異常狀態(tài)。為避免因停機維修造成大量的人力物力損失，人工自愈理論近幾年被推上了學(xué)術(shù)界的風(fēng)口。

人工自愈是一種以工程自愈為基礎(chǔ)，來自仿生機械學(xué)研究的理論。它是由中醫(yī)學(xué)中的自主調(diào)理引發(fā)出來的理念，將人和動物的自愈機制賦予機械系統(tǒng)，使機械系統(tǒng)儲存、補充和調(diào)動自愈力，以維持機體健康狀態(tài)[12]。

人工自愈理論借鑒現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，以故障診斷為基礎(chǔ)，研究以故障預(yù)防和消除為目標的自主調(diào)控和自修復(fù)技術(shù)。建立了包含數(shù)據(jù)獲取、信息認知、科學(xué)決策、精準執(zhí)行的理論框架，并在上述框架的基礎(chǔ)上得到機器自愈調(diào)控系統(tǒng)。自愈理念調(diào)控系統(tǒng)模型如圖1所示。

細線代表普通流程；粗白線代表數(shù)據(jù)傳遞；粗黑線代表更高級的系統(tǒng)傳遞。

1.2 公理設(shè)計理論

在公理設(shè)計框架中，從一個領(lǐng)域到另一個領(lǐng)域的映射包含了組織決策、技術(shù)決策、產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)建過程中應(yīng)用的過程信息。

利用公理設(shè)計的自頂向下的分解過程，通過功能域和結(jié)構(gòu)域之間的映射，同時考慮功能需求與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系?？筛玫貙ο到y(tǒng)的功能及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行分析。如圖2所示。

FR為功能；DP為結(jié)構(gòu)。

1.3 TRIZ理論

TRIZ理論是用來解決問題的一種工具，其認為沖突普遍存在于各種產(chǎn)品與設(shè)計之中[17]。沖突主要分為兩類，即物理沖突和技術(shù)沖突。其中物理沖突指為了實現(xiàn)某種功能，子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性，但同時出現(xiàn)了與該特性要求相反的特性。技術(shù)沖突是指一個作用同時導(dǎo)致有用及有害兩種結(jié)果，也可指有用作用的引入或有害效應(yīng)的消除導(dǎo)致一個或幾個子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)變壞。

2 DCC角度下的故障機理與自愈方式

在DCC理論中，系統(tǒng)所具有的設(shè)計過程復(fù)雜性大小能夠用功能實現(xiàn)概率進行表征，可以看作是產(chǎn)品功能需求的設(shè)計范圍與系統(tǒng)范圍之間關(guān)系的函數(shù)，如圖3所示。

系統(tǒng)中功能所具有的信息含量大小是計算功能實現(xiàn)概率高低的決定性因素。由于系統(tǒng)存在耦合性或時變性等因素，系統(tǒng)范圍不會如初始值一樣不發(fā)生變化，系統(tǒng)范圍的改變，將會造成功能實現(xiàn)概率的變化[14-15]。

圖3 功能需求的概率密度函數(shù)[13]

2.1 故障系統(tǒng)偏差

從設(shè)計過程復(fù)雜性的角度看，功能失效的根本原因是系統(tǒng)范圍偏離了設(shè)計范圍，產(chǎn)生的機理可分為兩種類型，如圖4所示。其中，在第一種偏離方式下，系統(tǒng)范圍的“公差帶”變寬，其對稱中心偏離設(shè)計范圍的中心。

圖4 兩種偏離方式的系統(tǒng)范圍變化

兩種系統(tǒng)范圍變化的最主要的區(qū)別是變化的時間不同。雖然最終的變化狀態(tài)相同，但一般有：

(2－0)＞＞Δ（1）

式中：0為初始時刻系統(tǒng)范圍。

系統(tǒng)范圍降級后能恢復(fù)其初始分布，系統(tǒng)功能具有的這種特性被稱為周期性。所以可以引入設(shè)計過程中常用的建立功能周期解決時間相關(guān)組合復(fù)雜性的方法解決系統(tǒng)故障問題，如圖5所示。

圖5 引入功能周期的系統(tǒng)范圍變化

然而并不是所有故障都適合引入功能周期進行解決，需要根據(jù)功能實現(xiàn)概率及概率變化率進一步判斷。概率變化率可表示為：

式中：()為概率變化率；()為某一時刻的功能實現(xiàn)概率，0≤()≤1；為時間。

根據(jù)系統(tǒng)的功能概率函數(shù)的分布情況，判斷結(jié)果可分為三類偏差產(chǎn)生機理。

（1）?，使()存在。表示為1。

含義為：此功能的系統(tǒng)范圍是逐漸偏離設(shè)計范圍的。則系統(tǒng)功能的第一種偏差產(chǎn)生機理的故障可以引入功能周期進行解決。

（2）?1，使(1)不存在，且(1＋Δ)＞0。表示為2。

含義為：此功能的系統(tǒng)范圍相對于設(shè)計范圍發(fā)生了突變，但系統(tǒng)范圍并無脫離設(shè)計范圍。

設(shè)為滿足系統(tǒng)功能需求的最低概率，則2包含兩種情況：當(1＋Δ)＞（Δ趨于無窮小）時，為2I情況；當(1＋Δ)＜時，則不可以引入功能周期，為2II情況。

2＝2I∪2II（3）

（3）?1，使(1)不存在，且(1＋Δ)＝0。表示為3。

含義為：此功能的系統(tǒng)范圍相對于設(shè)計范圍發(fā)生了突變，且系統(tǒng)范圍已脫離設(shè)計范圍。

2.2 自愈方式分類與選擇

通過上述設(shè)計過程復(fù)雜性與自愈理論的介紹可以看出，故障自愈過程與設(shè)計過程復(fù)雜性理論存在一定的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)功能實現(xiàn)概率正常－減小－正常的過程可以看作系統(tǒng)功能出現(xiàn)問題之后自愈的過程。

從改變功能實現(xiàn)概率的角度出發(fā)，實現(xiàn)自愈的方法可分為三種：①初始化自愈，指不需要額外的調(diào)控，只需對裝備進行初始化操作；②自身自愈，指系統(tǒng)利用系統(tǒng)存在的可用資源，通過整合來滿足功能需求；③輔助自愈，指通過額外增加智能輔助調(diào)控裝置進行的自愈。在設(shè)計過程中，針對不同系統(tǒng)需依據(jù)工作要求選擇適當?shù)淖杂绞健?/p>

采取初始化自愈方式解決系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的故障問題，易導(dǎo)致系統(tǒng)的制品出現(xiàn)問題，造成損失。

自身自愈與輔助自愈在原理上均是采取對問題功能結(jié)構(gòu)添加新的偏差補償結(jié)構(gòu)的方式進行自愈。兩者具體的區(qū)別為：自身自愈采用整個系統(tǒng)內(nèi)的可用資源，通過連接與轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)問題功能的自愈；輔助自愈則需要系統(tǒng)外的資源，為問題功能添加偏差補償機構(gòu)。這兩種自愈方法的具體選擇過程如下。

（1）在公理設(shè)計的功構(gòu)映射的基礎(chǔ)上，建立設(shè)計矩陣，為：

（2）針對問題功能進行變換，確定可行的偏差補償結(jié)構(gòu)(FR)。一般的，經(jīng)過變換會得到幾個合適的解。下文將直接用1、2、3代表偏差補償結(jié)構(gòu)所涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)集合。以1為例進行解算。通過系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)的組合可以得出偏差補償功能結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)表達式為：

式中：a為0或1的二進制數(shù)。

由式（4）可得：

將式（5）的矩陣形式代入式（6），得：

則偏差補償功能與現(xiàn)有功能的耦合關(guān)聯(lián)矩陣為：

耦合關(guān)聯(lián)矩陣表達了新添加的偏差補償功能與其他功能的耦合情況。選取矩陣中含零元素最多的行向量，即為耦合程度最低的解。若系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)無法滿足偏差補償功能，或者在整合結(jié)構(gòu)的過程中存在較高的復(fù)雜性，則只能選擇利用外部資源建立偏差補償功能的結(jié)構(gòu)，即采用輔助自愈方式，反之則可以選擇自身自愈方式。

3 自愈理念下DCC與TRIZ集成的過程模型

在上述理論研究的基礎(chǔ)上提出自愈理念下DCC與TRIZ集成的過程模型，如圖6所示。具體步驟如下：

（1）對目標系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)分別進行分析；

（2）根據(jù)設(shè)計需求，尋找存在潛在問題的功能；

（3）利用功能實現(xiàn)概率導(dǎo)數(shù)法判斷問題功能所對應(yīng)的系統(tǒng)范圍變化類型；

（4）對符合自愈設(shè)計要求的問題功能，通過設(shè)計矩陣變換選擇自愈方式，并使用TRIZ工具解決系統(tǒng)中存在的問題，得出最終方案。

圖6 自愈理念下DCC與TRIZ集成的過程模型

4 工程實例分析及驗證

中國汽車工業(yè)協(xié)會相關(guān)數(shù)據(jù)[18]顯示，2021年上半年國內(nèi)汽車銷量仍保持一個相對較高的增速。城市中心的汽車保有量更是迅速增加，城市泊車愈發(fā)困難。在此背景下，通過分析國內(nèi)外對智能泊車的研究，并結(jié)合中心城區(qū)土地資源稀缺的情況，提出一種密集柜式智能立體車庫，如圖7所示。設(shè)計了可移動式泊車位，當需要泊車時，車位自動打開，自動泊車裝置將汽車移到對應(yīng)的車位上，泊車完畢后，車位收縮進入密集柜回到原位。通過設(shè)計減少了泊車道的數(shù)量，從而有效減少了占地面積。

圖7 密集柜車庫

現(xiàn)有密集柜車庫在使用方面仍有待改進，通過自愈理念下DCC與TRIZ集成的過程模型對密集柜車庫進行分析與設(shè)計，在得到良好方案的同時驗證了過程模型的有效性。具體步驟如下。

（1）對密集柜車庫進行功能分析。如圖8所示，首先分解總功能，得到三個分功能，然后將三個分功能進一步分解至功能元。功能分解之后，運用公理設(shè)計理論采用之字形映射的方式，將功能映射到結(jié)構(gòu)域。如：存儲汽車功能映射到結(jié)構(gòu)域為存放單元、移動車位功能映射到結(jié)構(gòu)域為移動裝置。具體結(jié)構(gòu)映射結(jié)果如圖9所示。

（2）車庫的首要要求是安全。一般車庫多為固定式，其框架為水泥鋼筋搭建，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強，對于汽車的擺放位置、順序并無明確要求。在密集柜車庫中，由于車庫具有移動性，所以其剛度、強度弱于傳統(tǒng)車庫。汽車的存放和提取具有隨機性，汽車可能全部集中在同一側(cè)，導(dǎo)致車庫進入整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖10所示，其受力仿真分析如圖11所示?？梢钥闯觯摖顟B(tài)下車庫單元進行移動時容易對車輪的一側(cè)造成額外的傾覆力矩，有嚴重的安全隱患。

圖8 功能域分解

圖9 結(jié)構(gòu)域分解

圖10 車輛不均勻擺放示意圖

圖11 不穩(wěn)定狀態(tài)的仿真分析

（3）從DCC的角度分析，車輪磨損過程屬于2.1節(jié)所述的第一類偏差產(chǎn)生機理。其系統(tǒng)范圍逐漸偏離設(shè)計范圍，即任意時刻()都存在。所以此問題功能可以進行自愈設(shè)計。

（4）在設(shè)計之初設(shè)計放置算法，使車輛的存入方式更加科學(xué)，可避免車輛放置入同一側(cè)的情況。但由于車主取車時的不確定性，此類車輛集中在一側(cè)的情況仍不能完全避免。

通過上述有關(guān)自愈的分析可以看出，該問題不適合采用初始化自愈。對問題功能進行TRIZ轉(zhuǎn)換。根據(jù)TRIZ工具中的技術(shù)沖突，將問題規(guī)范描述為：為消除車輛不均勻分布帶來的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定情況，需要增加平衡配重塊，并根據(jù)車輛分布情況，調(diào)節(jié)配重塊的位置。這樣將會導(dǎo)致裝置更加復(fù)雜。應(yīng)用技術(shù)沖突解決理論確定改善的參數(shù)為“可靠性”，惡化的參數(shù)為“裝置的復(fù)雜性”。

通過查找沖突矩陣得到解決問題的發(fā)明原理，如表1所示。

表1 發(fā)明原理及注釋

根據(jù)發(fā)明原理1，將車庫每個列單元中的車位單元化，且增加移動能力，使其可以自行平衡車輛不均勻分布問題。用1表示。

建立功構(gòu)映射的第三層設(shè)計矩陣為：

式中：1為夾放汽車；2為運送汽車；3為承載汽車；4為固定汽車；5為移動車位；6為監(jiān)控車位；7為查詢車位；1為夾放裝置；2為移動裝置；3為承載裝置；4為固定裝置；5為移動裝置；6為監(jiān)控裝置；7為上位機系統(tǒng)。

設(shè)計矩陣為準耦合矩陣，通過改變設(shè)計順序可以滿足獨立性公理。則有：

得出耦合關(guān)聯(lián)矩陣為：

根據(jù)上述矩陣變換結(jié)果，可以認為，該問題可利用系統(tǒng)可用資源進行自愈設(shè)計，并且有兩種耦合程度不相同的解法。第一種利用泊車裝置的對車輛進行重新擺放，此過程會影響其他用戶的使用。第二種解法是利用車庫原有的內(nèi)部驅(qū)動力進行車位移動，此方案需要通過連接結(jié)構(gòu)傳遞動力。

選擇第二種解法，在車庫原有方案的基礎(chǔ)上，通過對密集柜車庫現(xiàn)有動力裝置的復(fù)用添加了車位內(nèi)部的運送裝置，如圖12所示。

圖12 內(nèi)部運送裝置

通過該裝置，可以在車庫內(nèi)部車輛擺放不合理時調(diào)整車輛的擺放方式，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。添加裝置后，車輛擺放方式如圖13所示，其受力仿真分析如圖14所示。

圖13 調(diào)整后的擺放方式

圖14 調(diào)整擺放方式后的仿真分析結(jié)果

由圖14可知，該方案可以明顯改善密集柜車庫因車輛擺放不當導(dǎo)致的隱患，并能在系統(tǒng)運行過程中通過自愈的方式使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

對人工自愈理論、設(shè)計過程復(fù)雜性理論進行了研究，闡述了設(shè)計過程復(fù)雜性理論與人工自愈理論之間的聯(lián)系及相似性。在自愈理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計過程復(fù)雜性與發(fā)明問題解決理論，提出一種自愈理念下的設(shè)計方法。通過分析現(xiàn)有理論和自愈理論的相似性，得出結(jié)合DCC的自愈思想，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的過程模型，最后通過密集柜車庫的設(shè)計驗證了該方法的有效性。該方法表明，當系統(tǒng)中存在必然會出現(xiàn)并影響系統(tǒng)功能實現(xiàn)的問題時，可以采用自愈理念對系統(tǒng)進行設(shè)計，使系統(tǒng)可以更穩(wěn)定持久地運行。

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Research on Design Method of DCC and TRIZ Integration under Self-recovery Concept

GUO Kun

( School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin300130, China )

In order to improve the stability of complex systems, the article introduces the concept of self-recovery into the conceptual design stage of complex systems and proposes a design method that integrates DCC (Design-Centric Complexity) and TRIZ (Theory of the Solution of Inventive Problems) by combining DCC and TRIZ based on the self-recovery concept. First, analyze the functions in the system and estimate the realization probability of the functions in the system through the DCC theory. Second, determine the potential problem functions with low realization probability, carry out the self-recovery design for these functions. After that, use the TRIZ tool to solve the problems. Finally, integrate above process to form a process model integrating DCC and TRIZ under the self-recovery concept, and the effectiveness of the process model is verified through a case of a dense cabinet garage.

self-recovery concept；design-centric complexity；TRIZ；concept design

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.09.002

1006-0316 (2022) 09-0007-08

2021-08-02

郭昆（1994－），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向為創(chuàng)新設(shè)計、機械工程，E-mail：394201178@qq.com。