硬件產(chǎn)品設(shè)計缺陷分析范文

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摘要：

串、并行設(shè)計模式下硬件產(chǎn)品的設(shè)計缺陷形成機理存在差異，對串、并行設(shè)計模式與設(shè)計缺陷之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)地分析、比較，有助于在產(chǎn)品設(shè)計過程中預(yù)防、控制設(shè)計缺陷。采用過程方法，分別構(gòu)建了從輸入、輸出、資源、環(huán)境和監(jiān)測評價活動五個方面系統(tǒng)反映串、并行設(shè)計各階段缺陷影響因素的結(jié)構(gòu)要素模型，進(jìn)而迭代獲得描述串、并行設(shè)計過程各設(shè)計階段、各類設(shè)計缺陷和可能存在的缺陷因素三者之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上，利用區(qū)間層次分析法定量地表達(dá)了串、并行設(shè)計的設(shè)計缺陷與其影響因素之間的關(guān)系。最后，從設(shè)計缺陷預(yù)防和控制的角度，對串、并行設(shè)計模式下設(shè)計缺陷結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行比較與分析，研究成果對設(shè)計過程中預(yù)防和控制設(shè)計缺陷具有理論和實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：

設(shè)計缺陷；影響因素；過程方法；區(qū)間層次分析方法

ISO9000標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)品分為服務(wù)、軟件、流程性材料和硬件4種類別，其中硬件產(chǎn)品是有形的、使用最為廣泛的一類，如汽車、空調(diào)等。從產(chǎn)品設(shè)計過程的角度，硬件產(chǎn)品設(shè)計主要包括以下兩種模式：傳統(tǒng)階段化產(chǎn)品開發(fā)方式即串行設(shè)計和基于并行工程的集成產(chǎn)品開發(fā)方式即并行設(shè)計。串行設(shè)計模式下，通常將產(chǎn)品設(shè)計過程分為概念設(shè)計、系統(tǒng)性設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和工藝設(shè)計4個遞進(jìn)階段，各階段由不同的設(shè)計小組獨立完成。這種設(shè)計模式的優(yōu)點主要在于簡化了產(chǎn)品設(shè)計過程，降低了設(shè)計管理的復(fù)雜度，但同時也存在組織間的“壁壘”、“信息孤島”等問題［1］。隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、計算機技術(shù)的普遍應(yīng)用，以并行工程為基礎(chǔ)發(fā)展起來的并行設(shè)計模式為解決串行設(shè)計過程中的問題提供了有效的解決方案。并行設(shè)計以過程為中心，通過早期產(chǎn)品開發(fā)的小循環(huán)使各個過程互通信息，實現(xiàn)上、下游工序協(xié)同設(shè)計，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。但這種設(shè)計模式也存在設(shè)計過程中各功能設(shè)計環(huán)節(jié)相互制約和資源沖突等問題［2］。硬件產(chǎn)品設(shè)計缺陷形成機理研究［3］表明，串、并行設(shè)計模式與表征產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的設(shè)計缺陷密切相關(guān)，分析比較串、并行設(shè)計模式下設(shè)計缺陷與設(shè)計過程之間的關(guān)系，有助于設(shè)計團隊在設(shè)計過程中預(yù)防和控制設(shè)計缺陷。

近年來，串、并行設(shè)計模式受到廣泛關(guān)注，但當(dāng)前串、并設(shè)計過程模式對產(chǎn)品設(shè)計的影響研究大多集中在寬泛的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計開發(fā)過程方面，如性能、產(chǎn)品設(shè)計周期、資源利用、組織模式等［4－8］。雖然在軟件工程領(lǐng)域有大量關(guān)于設(shè)計模式對設(shè)計缺陷影響的研究［9－11］，但硬件產(chǎn)品與軟件在設(shè)計過程模式、設(shè)計缺陷等方面存在較大差異。在硬件產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域?qū)Υ⒉⑿性O(shè)計模式與設(shè)計缺陷關(guān)系的研究極少，目前劉衛(wèi)東等對串行設(shè)計模式下設(shè)計缺陷影響因素和電子產(chǎn)品設(shè)計缺陷評估等方面進(jìn)行了初步研究并取得一些階段性成果［12－14］，但不同設(shè)計模式下設(shè)計缺陷形成機理的分析比較還是空白的。

由于硬件產(chǎn)品設(shè)計過程的復(fù)雜性和設(shè)計缺陷的多樣性，設(shè)計缺陷的預(yù)防和控制非常困難。為更好地指導(dǎo)設(shè)計缺陷的預(yù)防和控制，提供全面的設(shè)計缺陷控制決策支持信息，文中采用過程方法，對串、并設(shè)計模式下各設(shè)計階段的設(shè)計缺陷影響因素分別進(jìn)行分析研究，構(gòu)建串、并行設(shè)計缺陷及其影響因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，并對模型中的設(shè)計缺陷與缺陷因素的關(guān)系進(jìn)行定量分析。在此基礎(chǔ)上，從技術(shù)管理的角度，對兩種設(shè)計過程模式下設(shè)計缺陷與設(shè)計過程及其影響因素的關(guān)系進(jìn)行分析和比較。

1設(shè)計缺陷影響因素分析

1．1設(shè)計過程構(gòu)成要素模型依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計過程定義為：一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關(guān)聯(lián)或相互作用的設(shè)計活動。每一個設(shè)計過程都包含輸入、輸出、流程所需資源、增值轉(zhuǎn)化活動、過程所處環(huán)境和監(jiān)測評價活動6個要素。輸入是過程實施的依據(jù)，輸出是過程實施的結(jié)果，連接輸入和輸出的是一系列使用資源和進(jìn)行設(shè)計開發(fā)、管理的增值轉(zhuǎn)化活動。同時，每個設(shè)計過程都是在一定的資源環(huán)境下實施的，對過程實施效果或狀態(tài)需按預(yù)先設(shè)定的準(zhǔn)則進(jìn)行監(jiān)控和評價。設(shè)計過程的6個要素既相互聯(lián)系，又相互作用，對其進(jìn)行系統(tǒng)分析有利于把握過程的整體運行狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)計過程質(zhì)量的有效控制。考慮到作為子過程的設(shè)計階段所包含的增值轉(zhuǎn)化活動可進(jìn)一步視為分布于時空的產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和工藝設(shè)計等若干設(shè)計子過程，故根據(jù)過程的構(gòu)成要素，可建立反映輸入、輸出、流程所需資源、流程所處環(huán)境和監(jiān)測評價活動的一般硬件產(chǎn)品串、并行設(shè)計過程構(gòu)成要素模型，如圖1所示。

1．2各設(shè)計階段的設(shè)計缺陷影響因素分析串行設(shè)計過程模式下硬件產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程可劃分為規(guī)劃階段、概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段和工藝設(shè)計4個階段［13］。而硬件類復(fù)雜產(chǎn)品的并行設(shè)計一般采用宏觀并行，微觀串行的模式，按該思路同樣可將并行設(shè)計過程分成4個階段。由于設(shè)計缺陷源于產(chǎn)品設(shè)計各階段對設(shè)計任務(wù)的構(gòu)思和實施，產(chǎn)品設(shè)計過程中的任一要素失控均可能導(dǎo)致設(shè)計缺陷產(chǎn)生。因此，可采用過程方法分別對串、并行設(shè)計模式下產(chǎn)品設(shè)計各階段的設(shè)計缺陷影響因素進(jìn)行分析。以串行設(shè)計的規(guī)劃階段為例，產(chǎn)品規(guī)劃是整個產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的第一階段，其目的是明確顧客需求和企業(yè)所處的環(huán)境，包括對技術(shù)開發(fā)和市場目標(biāo)的評估。產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)一般來自企業(yè)的產(chǎn)品戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)更新、顧客的訂單和產(chǎn)品市場質(zhì)量狀況反饋等，產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)構(gòu)成了規(guī)劃階段的輸入。對新產(chǎn)品的規(guī)劃需要系統(tǒng)地研究社會、市場、客戶需求和顧客消費心理等，了解新技術(shù)、新工藝，根據(jù)產(chǎn)品生命周期規(guī)律并結(jié)合企業(yè)狀況，規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)。其主要工作內(nèi)容即增值轉(zhuǎn)化活動是確認(rèn)市場機遇、項目評估和優(yōu)先級排序、分配資源和安排時間等，其輸出為產(chǎn)品的目標(biāo)市場、商業(yè)目標(biāo)、關(guān)鍵性假設(shè)條件和約束的項目任務(wù)書。規(guī)劃階段增值轉(zhuǎn)化活動有效實施需要相關(guān)設(shè)計資源的支持，主要有外部競爭環(huán)境（競爭對手產(chǎn)品狀況）、技術(shù)環(huán)境（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、專利）、社會環(huán)境（社會和市場趨向）、內(nèi)部環(huán)境（企業(yè)資源信息、項目經(jīng)費）等。綜合上述分析，從輸入、輸出、流程所需資源、過程所處環(huán)境和監(jiān)測評價活動等5個要素的角度構(gòu)建反映設(shè)計缺陷影響因素的規(guī)劃階段過程要素模型，如圖2所示。按宏觀并行，微觀串行的思想，并行設(shè)計各階段的要素同樣可以采用過程方法進(jìn)行分析。因此，可按上述方法分別對串、并行設(shè)計的概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段和工藝設(shè)計階段的設(shè)計缺陷影響因素進(jìn)行分析。由于分析思路相同，故直接將各階段的設(shè)計缺陷影響因素分析結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1表示。

2設(shè)計缺陷的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型

硬件產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程復(fù)雜，設(shè)計任務(wù)繁多，設(shè)計缺陷影響因素分布在產(chǎn)品生命周期的各個階段。為了全面掌握各類設(shè)計缺陷的影響因素，采用在文獻(xiàn)［13］中提出的硬件產(chǎn)品設(shè)計缺陷分類原則，從產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的角度建立反映設(shè)計過程與設(shè)計缺陷及其影響因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，即將各階段過程要素模型按圖1所示的設(shè)計過程要素模型進(jìn)行迭代，得到圖3所示的設(shè)計缺陷、缺陷因素與設(shè)計過程的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型。該結(jié)構(gòu)關(guān)系模型直觀地表達(dá)了串、并行設(shè)計的4類缺陷即功能缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、性能缺陷和工藝缺陷與設(shè)計過程及其各設(shè)計階段所涉及的設(shè)計缺陷影響因素之間的關(guān)系。由于硬件產(chǎn)品各類設(shè)計缺陷的影響因素較多，如功能類缺陷的影響因素在串行設(shè)計下多達(dá)15個，而在并行設(shè)計下多達(dá)26個。因此，要在有限的資源和限定的設(shè)計時間內(nèi)達(dá)到有效預(yù)防、控制設(shè)計缺陷的目的，還需要進(jìn)一步定量掌握各設(shè)計缺陷影響因素對各類設(shè)計缺陷的影響程度。

3設(shè)計缺陷及其影響因素量化關(guān)系的構(gòu)建

為了定量描述各要素在多屬性決策問題中的相對重要度，層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）是一種最常用、有效的方法［15-16］。由于設(shè)計缺陷影響因素與設(shè)計缺陷之間的關(guān)系存在模糊和不確定性，且這種不確定性問題在現(xiàn)實情況中普遍存在。為了解決這種不確定性導(dǎo)致的分析誤差，提出了改進(jìn)的層次分析法———區(qū)間層次分析法（IAHP）［17-18］。IAHP利用區(qū)間判斷矩陣描述不確定的關(guān)系，能夠有效地降低誤差。因此，文中采用IAHP方法分析各設(shè)計缺陷影響因素對各類設(shè)計缺陷的相對重要度。

3．1設(shè)計缺陷影響因素區(qū)間判斷矩陣為了便于表達(dá)，將設(shè)計缺陷及其影響因素用符號來描述。4類設(shè)計缺陷即功能缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、性能缺陷和工藝缺陷分別用F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4表示。考慮到上一設(shè)計階段的輸出即為下一階段的輸入，因此將輸入、輸出合并為一類進(jìn)行描述。用a1，a2，a3和a4分別表示輸入輸出類、資源類、環(huán)境類及監(jiān)測評價類設(shè)計缺陷影響因素，各設(shè)計缺陷影響的符號描述如表2所示。根據(jù)圖3結(jié)構(gòu)關(guān)系模型中各類設(shè)計缺陷與影響因素之間的定性關(guān)系，由相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計工程師、制造工程師、質(zhì)量主管和設(shè)計質(zhì)量領(lǐng)域教授共同組成專家組按照AHP法的1～9標(biāo)度原則分別對串、并行設(shè)計各類設(shè)計缺陷的影響因素兩兩比較，構(gòu)造各類設(shè)計缺陷影響因素的相對權(quán)重的區(qū)間判斷矩陣。按該方法可以得到4類設(shè)計缺陷影響因素的權(quán)重區(qū)間判斷矩陣。表3中給出了并行設(shè)計工藝缺陷影響因素相對權(quán)重的區(qū)間判斷矩陣。例如：在表3中，對于工藝缺陷，詳細(xì)方案（a110）與材質(zhì)參數(shù)（a112）相比，認(rèn)為a110比a112重要的程度在2．5～3．5之間，得出的區(qū)間數(shù)［2．5，3．5］，為相當(dāng)于1～9標(biāo)度法中的3，但不是整數(shù)3。這樣得到的兩個不同的區(qū)間數(shù)判斷矩陣具有彈性，表達(dá)模糊關(guān)系時更科學(xué)、合理。同理，可得到串、并行各類設(shè)計缺陷影響因素的權(quán)重區(qū)間判斷矩陣。

3．2設(shè)計缺陷影響因素權(quán)重矢量的計算對區(qū)間數(shù)判斷矩陣A＝［A－，A＋］，求其滿足一致性條件的權(quán)重矢量的步驟。根據(jù)式（2）計算得到設(shè)計缺陷影響因素區(qū)間數(shù)權(quán)重量，如表4所示。

3．3設(shè)計缺陷及其影響因素的量化關(guān)系根據(jù)并行設(shè)計缺陷影響因素權(quán)重PF1，PF2，PF3和PF4，實現(xiàn)了對圖3所示結(jié)構(gòu)關(guān)系模型中的并行設(shè)計缺陷與設(shè)計缺陷因素之間的關(guān)系進(jìn)行定量化描述。在完成區(qū)間判斷矩陣后即可通過MATLAB軟件較方便地計算出上述各類設(shè)計缺陷影響因素權(quán)重，故串、并行模式下的各類設(shè)計缺陷的影響因素權(quán)重計算過程不再一一贅述，直接將各類設(shè)計缺陷的影響因素權(quán)重計算結(jié)果列出，如表6和表7所示。

4兩種設(shè)計模式下設(shè)計缺陷結(jié)構(gòu)關(guān)系的分析與比較

根據(jù)圖3、表6、表7所示的串、并行設(shè)計缺陷及其影響因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從技術(shù)管理角度，對兩種設(shè)計模式下設(shè)計缺陷及其影響因素與設(shè)計過程的關(guān)系進(jìn)行比較和分析。

4．1設(shè)計缺陷與設(shè)計過程關(guān)系的比較根據(jù)串、并行設(shè)計過程、設(shè)計缺陷和缺陷因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型可以直觀地看出，在兩種設(shè)計模式下，各類設(shè)計缺陷與相應(yīng)的設(shè)計階段存在對應(yīng)關(guān)系，即功能缺陷主要源自規(guī)劃設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)缺陷主要源自概念設(shè)計階段，性能缺陷主要源自詳細(xì)設(shè)計階段，工藝缺陷主要源自工藝設(shè)計階段。但在并行設(shè)計模式下設(shè)計缺陷與設(shè)計過程的對應(yīng)關(guān)系更為復(fù)雜：功能設(shè)計缺陷主要對應(yīng)于并行設(shè)計的規(guī)劃階段，但其影響因素不僅包括產(chǎn)品規(guī)劃階段的構(gòu)成要素，還包括并行設(shè)計后續(xù)的概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和工藝設(shè)計階段的相關(guān)要素；結(jié)構(gòu)缺陷對應(yīng)于并行設(shè)計的概念設(shè)計階段，其影響因素包含概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和工藝設(shè)計階段的相關(guān)構(gòu)成要素；性能缺陷對應(yīng)于詳細(xì)設(shè)計階段，其影響因素包含詳細(xì)設(shè)計和工藝設(shè)計這兩個設(shè)計階段的相關(guān)要素。串、并行設(shè)計模式下設(shè)計缺陷與設(shè)計過程關(guān)系存在差異的主要原因是串行設(shè)計時各設(shè)計階段僅僅考慮影響本階段設(shè)計的因素，而并行設(shè)計從產(chǎn)品設(shè)計階段開始就需要考慮產(chǎn)品全生命周期的所有因素。因此，從設(shè)計管理角度，并行設(shè)計各階段的影響因素更復(fù)雜，增加了缺陷預(yù)防和控制的難度。同時，該結(jié)論指出了兩種設(shè)計模式下各類設(shè)計缺陷的主要缺陷源，為在設(shè)計過程中預(yù)防和控制設(shè)計缺陷提供了決策支持信息。

4．2各類設(shè)計缺陷主要影響因素比較由于串、并行設(shè)計模式的設(shè)計指導(dǎo)思想、組織模式及設(shè)計環(huán)境等方面差異，不同設(shè)計模式下導(dǎo)致各類設(shè)計缺陷產(chǎn)生的原因也不也一樣。結(jié)合IAHP計算出的串、并行設(shè)計模式下4類設(shè)計缺陷的影響因素權(quán)重，根據(jù)質(zhì)量管理中帕累托法則，按照權(quán)重由大到小分別列出兩種設(shè)計模式下各類設(shè)計缺陷的主要影響因素，如表8所示。根據(jù)上述結(jié)果可知，不同設(shè)計模式下，導(dǎo)致各類設(shè)計缺陷產(chǎn)生的主要缺陷因素存在較大的差異。結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計模式和自身的特點，針對不同類型的設(shè)計缺陷，在設(shè)計過程中重點控制和監(jiān)測對其影響較大的設(shè)計缺陷影響因素。

4．3各設(shè)計階段主要設(shè)計缺陷因素比較根據(jù)設(shè)計缺陷影響因素權(quán)重分析可知，設(shè)計缺陷影響因素在不同設(shè)計階段對設(shè)計缺陷影響程度不同，且有些要素影響多個設(shè)計階段的過程質(zhì)量。因此，在產(chǎn)品設(shè)計不同階段，應(yīng)依據(jù)因素對缺陷影響的權(quán)重對其采取相應(yīng)的控制措施，以達(dá)到在有限的資源和時間下預(yù)防和控制設(shè)計缺陷的目的。綜合考慮設(shè)計缺陷與設(shè)計階段的對應(yīng)關(guān)系和影響因素的權(quán)重，比較兩種設(shè)計模式下，各設(shè)計階段需要重點監(jiān)控的影響因素，如表9所示。從表9可看出，串行設(shè)計模式下各階段的輸出均需重點監(jiān)控，而并行設(shè)計過程中資源類設(shè)計缺陷因素為重點控制對象。因為在串行設(shè)計模式下，各階段的輸出同時也是下一設(shè)計階段輸入，從整個設(shè)計缺陷預(yù)防和控制的角度來看，這些影響因素對設(shè)計缺陷的影響權(quán)重較大；而由于并行設(shè)計過程的并行性，資源類設(shè)計缺陷因素（a21，a22，a23）在設(shè)計各階段共享，對各階段均有影響。因此，在并行設(shè)計過程中需要合理地規(guī)劃設(shè)計過程、分配有限的資源，使設(shè)計資源利用最大化，才能保證并行設(shè)計的進(jìn)度和質(zhì)量，這與文獻(xiàn)［19］的觀點一致。

5結(jié)束語

設(shè)計缺陷是在設(shè)計過程中形成的，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且對企業(yè)效益和顧客安全都形成了潛在的威脅。由于硬件產(chǎn)品設(shè)計過程復(fù)雜，產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)模式不同，設(shè)計缺陷的主要影響因素也存在差異。文中采用過程方法，從技術(shù)管理的角度，分析了串、并設(shè)計各設(shè)計階段的設(shè)計缺陷影響因素，構(gòu)建了從輸入、輸出、資源、環(huán)境和監(jiān)測評價活動5個方面系統(tǒng)反映設(shè)計缺陷影響因素的結(jié)構(gòu)要素模型，以此為基礎(chǔ)迭代獲得描述串、并行設(shè)計過程各設(shè)計階段、各類設(shè)計缺陷和可能存在的缺陷因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，并應(yīng)用區(qū)間層次分析方法對設(shè)計缺陷結(jié)構(gòu)關(guān)系模型所揭示關(guān)系進(jìn)行定量化分析。文中從缺陷預(yù)防和控制的角度，運用過程方法的思想，采用定性和定量相結(jié)合的方式，對串、并行設(shè)計過程、設(shè)計缺陷和設(shè)計缺陷影響因素的相互關(guān)系進(jìn)行了較為系統(tǒng)地分析與比較，研究成果對設(shè)計過程中制定預(yù)防和控制設(shè)計缺陷的決策具有理論和實際指導(dǎo)意義。

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作者：肖承地 劉衛(wèi)東 鄭慧萌 胡偉立 單位：南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院 南昌航空大學(xué) 經(jīng)管學(xué)院