硬件产品设计缺陷分析范文

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摘要：

串、并行设计模式下硬件产品的设计缺陷形成机理存在差异，对串、并行设计模式与设计缺陷之间的关系进行系统地分析、比较，有助于在产品设计过程中预防、控制设计缺陷。采用过程方法，分别构建了从输入、输出、资源、环境和监测评价活动五个方面系统反映串、并行设计各阶段缺陷影响因素的结构要素模型，进而迭代获得描述串、并行设计过程各设计阶段、各类设计缺陷和可能存在的缺陷因素三者之间的结构关系模型。在此基础上，利用区间层次分析法定量地表达了串、并行设计的设计缺陷与其影响因素之间的关系。最后，从设计缺陷预防和控制的角度，对串、并行设计模式下设计缺陷结构关系进行比较与分析，研究成果对设计过程中预防和控制设计缺陷具有理论和实际指导意义。

关键词：

设计缺陷；影响因素；过程方法；区间层次分析方法

ISO9000标准将产品分为服务、软件、流程性材料和硬件4种类别，其中硬件产品是有形的、使用最为广泛的一类，如汽车、空调等。从产品设计过程的角度，硬件产品设计主要包括以下两种模式：传统阶段化产品开发方式即串行设计和基于并行工程的集成产品开发方式即并行设计。串行设计模式下，通常将产品设计过程分为概念设计、系统性设计、详细设计和工艺设计4个递进阶段，各阶段由不同的设计小组独立完成。这种设计模式的优点主要在于简化了产品设计过程，降低了设计管理的复杂度，但同时也存在组织间的“壁垒”、“信息孤岛”等问题［1］。随科学技术的发展、计算机技术的普遍应用，以并行工程为基础发展起来的并行设计模式为解决串行设计过程中的问题提供了有效的解决方案。并行设计以过程为中心，通过早期产品开发的小循环使各个过程互通信息，实现上、下游工序协同设计，缩短了产品开发周期。但这种设计模式也存在设计过程中各功能设计环节相互制约和资源冲突等问题［2］。硬件产品设计缺陷形成机理研究［3］表明，串、并行设计模式与表征产品设计质量的设计缺陷密切相关，分析比较串、并行设计模式下设计缺陷与设计过程之间的关系，有助于设计团队在设计过程中预防和控制设计缺陷。

近年来，串、并行设计模式受到广泛关注，但当前串、并设计过程模式对产品设计的影响研究大多集中在宽泛的设计质量和设计开发过程方面，如性能、产品设计周期、资源利用、组织模式等［4－8］。虽然在软件工程领域有大量关于设计模式对设计缺陷影响的研究［9－11］，但硬件产品与软件在设计过程模式、设计缺陷等方面存在较大差异。在硬件产品设计领域对串、并行设计模式与设计缺陷关系的研究极少，目前刘卫东等对串行设计模式下设计缺陷影响因素和电子产品设计缺陷评估等方面进行了初步研究并取得一些阶段性成果［12－14］，但不同设计模式下设计缺陷形成机理的分析比较还是空白的。

由于硬件产品设计过程的复杂性和设计缺陷的多样性，设计缺陷的预防和控制非常困难。为更好地指导设计缺陷的预防和控制，提供全面的设计缺陷控制决策支持信息，文中采用过程方法，对串、并设计模式下各设计阶段的设计缺陷影响因素分别进行分析研究，构建串、并行设计缺陷及其影响因素的结构关系模型，并对模型中的设计缺陷与缺陷因素的关系进行定量分析。在此基础上，从技术管理的角度，对两种设计过程模式下设计缺陷与设计过程及其影响因素的关系进行分析和比较。

1设计缺陷影响因素分析

1．1设计过程构成要素模型依据ISO标准，将设计过程定义为：一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的设计活动。每一个设计过程都包含输入、输出、流程所需资源、增值转化活动、过程所处环境和监测评价活动6个要素。输入是过程实施的依据，输出是过程实施的结果，连接输入和输出的是一系列使用资源和进行设计开发、管理的增值转化活动。同时，每个设计过程都是在一定的资源环境下实施的，对过程实施效果或状态需按预先设定的准则进行监控和评价。设计过程的6个要素既相互联系，又相互作用，对其进行系统分析有利于把握过程的整体运行状态，实现对设计过程质量的有效控制。考虑到作为子过程的设计阶段所包含的增值转化活动可进一步视为分布于时空的产品规划、概念设计、详细设计和工艺设计等若干设计子过程，故根据过程的构成要素，可建立反映输入、输出、流程所需资源、流程所处环境和监测评价活动的一般硬件产品串、并行设计过程构成要素模型，如图1所示。

1．2各设计阶段的设计缺陷影响因素分析串行设计过程模式下硬件产品的设计开发过程可划分为规划阶段、概念设计阶段、详细设计阶段和工艺设计4个阶段［13］。而硬件类复杂产品的并行设计一般采用宏观并行，微观串行的模式，按该思路同样可将并行设计过程分成4个阶段。由于设计缺陷源于产品设计各阶段对设计任务的构思和实施，产品设计过程中的任一要素失控均可能导致设计缺陷产生。因此，可采用过程方法分别对串、并行设计模式下产品设计各阶段的设计缺陷影响因素进行分析。以串行设计的规划阶段为例，产品规划是整个产品设计开发过程的第一阶段，其目的是明确顾客需求和企业所处的环境，包括对技术开发和市场目标的评估。产品的设计任务一般来自企业的产品战略规划、技术更新、顾客的订单和产品市场质量状况反馈等，产品设计任务构成了规划阶段的输入。对新产品的规划需要系统地研究社会、市场、客户需求和顾客消费心理等，了解新技术、新工艺，根据产品生命周期规律并结合企业状况，规划产品设计目标。其主要工作内容即增值转化活动是确认市场机遇、项目评估和优先级排序、分配资源和安排时间等，其输出为产品的目标市场、商业目标、关键性假设条件和约束的项目任务书。规划阶段增值转化活动有效实施需要相关设计资源的支持，主要有外部竞争环境（竞争对手产品状况）、技术环境（技术标准、专利）、社会环境（社会和市场趋向）、内部环境（企业资源信息、项目经费）等。综合上述分析，从输入、输出、流程所需资源、过程所处环境和监测评价活动等5个要素的角度构建反映设计缺陷影响因素的规划阶段过程要素模型，如图2所示。按宏观并行，微观串行的思想，并行设计各阶段的要素同样可以采用过程方法进行分析。因此，可按上述方法分别对串、并行设计的概念设计阶段、详细设计阶段和工艺设计阶段的设计缺陷影响因素进行分析。由于分析思路相同，故直接将各阶段的设计缺陷影响因素分析结果进行汇总，如表1表示。

2设计缺陷的结构关系模型

硬件产品设计开发过程复杂，设计任务繁多，设计缺陷影响因素分布在产品生命周期的各个阶段。为了全面掌握各类设计缺陷的影响因素，采用在文献［13］中提出的硬件产品设计缺陷分类原则，从产品设计开发过程的角度建立反映设计过程与设计缺陷及其影响因素的结构关系模型，即将各阶段过程要素模型按图1所示的设计过程要素模型进行迭代，得到图3所示的设计缺陷、缺陷因素与设计过程的结构关系模型。该结构关系模型直观地表达了串、并行设计的4类缺陷即功能缺陷、结构缺陷、性能缺陷和工艺缺陷与设计过程及其各设计阶段所涉及的设计缺陷影响因素之间的关系。由于硬件产品各类设计缺陷的影响因素较多，如功能类缺陷的影响因素在串行设计下多达15个，而在并行设计下多达26个。因此，要在有限的资源和限定的设计时间内达到有效预防、控制设计缺陷的目的，还需要进一步定量掌握各设计缺陷影响因素对各类设计缺陷的影响程度。

3设计缺陷及其影响因素量化关系的构建

为了定量描述各要素在多属性决策问题中的相对重要度，层次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）是一种最常用、有效的方法［15-16］。由于设计缺陷影响因素与设计缺陷之间的关系存在模糊和不确定性，且这种不确定性问题在现实情况中普遍存在。为了解决这种不确定性导致的分析误差，提出了改进的层次分析法———区间层次分析法（IAHP）［17-18］。IAHP利用区间判断矩阵描述不确定的关系，能够有效地降低误差。因此，文中采用IAHP方法分析各设计缺陷影响因素对各类设计缺陷的相对重要度。

3．1设计缺陷影响因素区间判断矩阵为了便于表达，将设计缺陷及其影响因素用符号来描述。4类设计缺陷即功能缺陷、结构缺陷、性能缺陷和工艺缺陷分别用F1，F2，F3，F4表示。考虑到上一设计阶段的输出即为下一阶段的输入，因此将输入、输出合并为一类进行描述。用a1，a2，a3和a4分别表示输入输出类、资源类、环境类及监测评价类设计缺陷影响因素，各设计缺陷影响的符号描述如表2所示。根据图3结构关系模型中各类设计缺陷与影响因素之间的定性关系，由相关领域产品设计工程师、制造工程师、质量主管和设计质量领域教授共同组成专家组按照AHP法的1～9标度原则分别对串、并行设计各类设计缺陷的影响因素两两比较，构造各类设计缺陷影响因素的相对权重的区间判断矩阵。按该方法可以得到4类设计缺陷影响因素的权重区间判断矩阵。表3中给出了并行设计工艺缺陷影响因素相对权重的区间判断矩阵。例如：在表3中，对于工艺缺陷，详细方案（a110）与材质参数（a112）相比，认为a110比a112重要的程度在2．5～3．5之间，得出的区间数［2．5，3．5］，为相当于1～9标度法中的3，但不是整数3。这样得到的两个不同的区间数判断矩阵具有弹性，表达模糊关系时更科学、合理。同理，可得到串、并行各类设计缺陷影响因素的权重区间判断矩阵。

3．2设计缺陷影响因素权重矢量的计算对区间数判断矩阵A＝［A－，A＋］，求其满足一致性条件的权重矢量的步骤。根据式（2）计算得到设计缺陷影响因素区间数权重量，如表4所示。

3．3设计缺陷及其影响因素的量化关系根据并行设计缺陷影响因素权重PF1，PF2，PF3和PF4，实现了对图3所示结构关系模型中的并行设计缺陷与设计缺陷因素之间的关系进行定量化描述。在完成区间判断矩阵后即可通过MATLAB软件较方便地计算出上述各类设计缺陷影响因素权重，故串、并行模式下的各类设计缺陷的影响因素权重计算过程不再一一赘述，直接将各类设计缺陷的影响因素权重计算结果列出，如表6和表7所示。

4两种设计模式下设计缺陷结构关系的分析与比较

根据图3、表6、表7所示的串、并行设计缺陷及其影响因素的结构关系，从技术管理角度，对两种设计模式下设计缺陷及其影响因素与设计过程的关系进行比较和分析。

4．1设计缺陷与设计过程关系的比较根据串、并行设计过程、设计缺陷和缺陷因素的结构关系模型可以直观地看出，在两种设计模式下，各类设计缺陷与相应的设计阶段存在对应关系，即功能缺陷主要源自规划设计阶段，结构缺陷主要源自概念设计阶段，性能缺陷主要源自详细设计阶段，工艺缺陷主要源自工艺设计阶段。但在并行设计模式下设计缺陷与设计过程的对应关系更为复杂：功能设计缺陷主要对应于并行设计的规划阶段，但其影响因素不仅包括产品规划阶段的构成要素，还包括并行设计后续的概念设计、详细设计和工艺设计阶段的相关要素；结构缺陷对应于并行设计的概念设计阶段，其影响因素包含概念设计、详细设计和工艺设计阶段的相关构成要素；性能缺陷对应于详细设计阶段，其影响因素包含详细设计和工艺设计这两个设计阶段的相关要素。串、并行设计模式下设计缺陷与设计过程关系存在差异的主要原因是串行设计时各设计阶段仅仅考虑影响本阶段设计的因素，而并行设计从产品设计阶段开始就需要考虑产品全生命周期的所有因素。因此，从设计管理角度，并行设计各阶段的影响因素更复杂，增加了缺陷预防和控制的难度。同时，该结论指出了两种设计模式下各类设计缺陷的主要缺陷源，为在设计过程中预防和控制设计缺陷提供了决策支持信息。

4．2各类设计缺陷主要影响因素比较由于串、并行设计模式的设计指导思想、组织模式及设计环境等方面差异，不同设计模式下导致各类设计缺陷产生的原因也不也一样。结合IAHP计算出的串、并行设计模式下4类设计缺陷的影响因素权重，根据质量管理中帕累托法则，按照权重由大到小分别列出两种设计模式下各类设计缺陷的主要影响因素，如表8所示。根据上述结果可知，不同设计模式下，导致各类设计缺陷产生的主要缺陷因素存在较大的差异。结合产品设计模式和自身的特点，针对不同类型的设计缺陷，在设计过程中重点控制和监测对其影响较大的设计缺陷影响因素。

4．3各设计阶段主要设计缺陷因素比较根据设计缺陷影响因素权重分析可知，设计缺陷影响因素在不同设计阶段对设计缺陷影响程度不同，且有些要素影响多个设计阶段的过程质量。因此，在产品设计不同阶段，应依据因素对缺陷影响的权重对其采取相应的控制措施，以达到在有限的资源和时间下预防和控制设计缺陷的目的。综合考虑设计缺陷与设计阶段的对应关系和影响因素的权重，比较两种设计模式下，各设计阶段需要重点监控的影响因素，如表9所示。从表9可看出，串行设计模式下各阶段的输出均需重点监控，而并行设计过程中资源类设计缺陷因素为重点控制对象。因为在串行设计模式下，各阶段的输出同时也是下一设计阶段输入，从整个设计缺陷预防和控制的角度来看，这些影响因素对设计缺陷的影响权重较大；而由于并行设计过程的并行性，资源类设计缺陷因素（a21，a22，a23）在设计各阶段共享，对各阶段均有影响。因此，在并行设计过程中需要合理地规划设计过程、分配有限的资源，使设计资源利用最大化，才能保证并行设计的进度和质量，这与文献［19］的观点一致。

5结束语

设计缺陷是在设计过程中形成的，不仅影响产品质量，而且对企业效益和顾客安全都形成了潜在的威胁。由于硬件产品设计过程复杂，产品的设计开发模式不同，设计缺陷的主要影响因素也存在差异。文中采用过程方法，从技术管理的角度，分析了串、并设计各设计阶段的设计缺陷影响因素，构建了从输入、输出、资源、环境和监测评价活动5个方面系统反映设计缺陷影响因素的结构要素模型，以此为基础迭代获得描述串、并行设计过程各设计阶段、各类设计缺陷和可能存在的缺陷因素的结构关系模型，并应用区间层次分析方法对设计缺陷结构关系模型所揭示关系进行定量化分析。文中从缺陷预防和控制的角度，运用过程方法的思想，采用定性和定量相结合的方式，对串、并行设计过程、设计缺陷和设计缺陷影响因素的相互关系进行了较为系统地分析与比较，研究成果对设计过程中制定预防和控制设计缺陷的决策具有理论和实际指导意义。

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作者：肖承地 刘卫东 郑慧萌 胡伟立 单位：南昌大学 机电工程学院 南昌航空大学 经管学院