CN108009706A - 一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法 - Google Patents

一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法 Download PDF

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Abstract

广义功能模型是指在传统功能模型基础上，增加功能保持需求后泛化形成的功能模型。传统功能模型构建时，并未全面地考虑可靠性因素，更未在模型中明确表征各个功能对应的可靠性要求。针对该问题，本专利设计了一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法。步骤一，包含功能保持需求的功能模型扩展，首先根据顾客需求确定功能实现需求，在此基础上通过识别功能故障模式确定与每一项功能实现需求对应的可靠性设计需求，最后归并形成功能保持需求，完成功能模型扩展。步骤二，设计功能原理模型的表征方法，构建广义功能模型。即设计了一套功能模型的元模型，结合产品工作原理运用元模型建立产品的广义功能模型。

Description

一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法
所属技术领域
本发明涉及复杂产品可靠性设计实现过程，一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，通过对产品功能的拓展与建模帮助设计者进行可靠性设计。本发明属于产品设计技术领域。
背景技术
产品质量特性包括专用质量特性和通用质量特性。传统功能模型构建方法包括基于功能-行为-结构(FBS)、基于流图、广义工艺功能分析法等，主要侧重于表征功能实现需求，而且其模型输入输出信息不明确，极大地简化了产品之间的复杂交联关系，未全面考虑产品的功能保持需求，更未在模型中明确表征各个功能实现需求与功能保持需求的关联关系，致使设计师在设计产品时无法系统考虑产品的功能实现需求和功能保持需求，直接降低了产品通用质量水平可靠性设计需求是功能保持需求直接表现形式，也是顾客对产品好用、耐用、易用的载体，可靠性好坏将直接影响产品的市场能力，因此有必要提供一种方法，使设计师在产品设计过程中能够系统地确定可靠性设计需求，并将其落实到具体设计方案中。鉴于此，本专利设计了一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，辅助设计师系统化确定可靠性设计需求的同时，全面建立功能实现需求与可靠性设计需求的映射关系。
发明内容
1、目的：发明一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，帮助设计者进行产品的可靠性设计。
2、技术方案：一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，具体步骤如下：
步骤一：包含功能保持需求的功能模型扩展
对产品的功能域进行扩展，将顶层抽象的总功能逐层分解细化，同时建立各个子功能之间的联系。将功能需求分解为功能实现需求和功能保持需求，对应的功能域则分解为功能实现域和功能保持域。
功能实现需求(FRR)是指产品设计中功能性能的需求，即为了满足用户需求所设计的产品功能需求。
功能实现域(FRRD)是指由功能实现需求项全集构成的设计需求子域。
功能保持需求(FPR)是使功能实现域中的各项功能得到保持的需求，其获取需要从时间、使用环境条件两方面考虑。其具体表现为可靠性设计需求。
功能保持域(FPRD)是指由功能保持需求项全集构成的设计需求子域。
易知功能域FD＝FRRD∪FRPD，且功能保持需求与功能实现需求之间存在多对多映射关系。FPR服务于FRR，是从功能实现需求角度考虑时间、环境扰动、不确定性因素等影响而生成的，可靠性设计是功能设计的补过程。如果产品的设计方案无法满足顾客要求，意味着部分主要功能未实现，即产品是不可靠的。
(1)识别功能故障模式
设计师根据顾客需求梳理功能实现域，包括n项功能实现需求，记为FRRi(i＝1,2,…n)。设计师针对每一项功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)，以功能失效、功能不连续、功能不完整、性能偏差、功能时刻偏差、不期望功能这六类功能故障状态为依据，系统化分析并识别每一项功能实现需求在使用过程中所表现出的功能故障模式，记为集合{FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)}。
(2)确定可靠性设计需求
针对每一项功能实现需求故障模式FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)，从时间、使用环境、作用原理三个角度出发分析其故障原因，并逐项给出对应的设计措施，包括增加功能、提高功能性能指标、减少功能、增加功能设计约束，进而生成可靠性设计需求，即功能保持需求，作为关联功能的设计约束，记为集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}。最终，所有功能保持需求{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}的并集则构成功能保持域FPRD的子集，即
(3)归并可靠性设计需求
存在同一项可靠性设计需求，可以同时约束多项功能实现需求，使其功能得以持续保持。因此，第三步需要归并可靠性设计需求。归并规则包括：
a)若 其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则保留{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}，删除{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}。
b){FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}∩{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}≠Φ，其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则在集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}中保留交集元素，在集合{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}中去掉交集元素。
步骤二：设计广义功能模型的元模型，并基于此建立广义功能模型
步骤一确定了功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)之间及其与功能保持需求FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)之间的映射关系，但并未给出可视化的产品作用原理，下一步则通过建模明确产品作用原理。产品功能原理模型的元素及表征方法包括：
(1)主单元：是指必达需求单元、主功能单元、主物理单元，用方框表示。主单元的属性信息包括标识(即单元名称)、单元编码、输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能。其中，输入、输出、不确定性干扰、不期望输出分别通过单元左、右、上、下四个边的端口表示，其类别包括物料、信号、能量。物料用“空心向右箭头”表示，信号用“虚线向右箭头”表示；能量用“实线向右箭头”表示。
(2)辅单元(愿望需求单元、辅功能单元、辅物理单元)及其输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能。该图元的属性说明与主单元相同，端口属性也相同。功能原理模型需要明确表征各功能实体之间的关系。
(3)逻辑关系包括顺序、并行、重复、选择、多输出、迭代、循环、从属。
a)顺序：包含开始节点和结束节点，从左→右表示功能的执行顺序。
b)并行(&)：表示并联分支上的所有功能同时执行。如果某一分支上串联了多项功能，则顺序执行。
c)重复(RP)：表示功能被重复执行，是并行模型的特例。
d)选择(OR)：表示模型中所有分支的其中之一被执行，其余均不执行。只要指定分支的所有逻辑及功能都执行完毕，则继续执行后续功能。具体执行哪一分支的逻辑和功能则是由事先确定的激励、计划、规则来决定的。
e)多输出：如果一个功能有多个输出的可能，则需要定义相应的逻辑或规则，使其每次只能输出一个。因此，多输出模型中必包含选择(OR)模型。
f)迭代(IT)：表示指定集合内的功能和行为将按照给定的次数或者频率执行多次。
g)循环(LP)：表示循环节点之间的功能需要重复执行，直到满足指定的输出条件，其中至少包含一个选择(OR)节点和一个循环输出节点。
功能实现需求与功能保持需求之间只有“保持”与“被保持”的关系。功能保持需求之间不存在关联关系。
基于上述元素及产品内部的作用原理，即可建立产品的广义功能模型。
3、优点及功效：本发明一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法的优点是：通过层次化的产品树模型、工作原理模型、CAD模型等，极大简化了产品之间的复杂交联关系，输入输出信息不明确，不利于可靠性分析等问题。由于模型描述了系统本身的领域知识，基于该模型得到的可靠性分析结果较传统的可靠性分析结果更具指导意义。
附图说明
图1本发明整体流程框图
图2包含功能保持需求的广义功能分解结构
图3功能保持需求确定过程
图4信号处理器一级功能分解结构
图5信号处理器二级功能分解结构
图6信号处理器的功能域扩展
图7主单元建模图元
图8辅单元建模图元
图9顺序逻辑建模图元
图10并行逻辑建模图元
图11重复逻辑建模图元
图12选择逻辑建模图元
图13多输出逻辑建模图元
图14迭代逻辑建模图元
图15循环逻辑建模图元
图16系统模型建模图元
图17系统结构及边界可视化表达
图18信号处理器的广义功能模型
图19电源模件的广义功能模型
图20信号处理模件的广义功能模型
具体实施方式
如图1所示，本发明一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，按照以下两个步骤进行。
步骤一：包含功能保持需求的功能模型扩展
对产品的功能域进行扩展，将顶层抽象的总功能逐层分解细化，同时建立各个子功能之间的联系。将功能需求分解为功能实现需求和功能保持需求，对应的功能域则分解为功能实现域和功能保持域。
功能域扩展后的分解结构如图2所示。
易知功能域FD＝FRRD∪FRPD，且功能保持需求与功能实现需求之间存在多对多映射关系。FPR服务于FRR，是从功能实现需求角度考虑时间、环境扰动、不确定性因素等影响而生成的，可靠性设计是功能设计的补过程。如果产品的设计方案无法满足顾客要求，意味着部分主要功能未实现，即产品是不可靠的。功能保持需求的实现过程如图3所示，其详细过程如下：
(1)识别功能故障模式
设计师根据顾客需求梳理功能实现域，包括n项功能实现需求，记为FRRi(i＝1,2,…n)。设计师针对每一项功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)，以表1中的六类功能故障状态为依据，系统化分析并识别每一项功能实现需求在使用过程中所表现出的功能故障模式，记为集合{FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)}。
表1 故障状态
故障状态 含义
功能失效 失去全部本该有的功能
功能不连续 功能的实现时断时续
功能不完整 失去部分本该有的功能
性能偏差 不能达到所要的结果
功能时刻偏差 不能在特定时刻得到结果
不期望功能 出现了多余的不该实现的功能
(2)确定可靠性设计需求
针对每一项功能实现需求故障模式FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)，从时间、使用环境、作用原理三个角度出发分析其故障原因，并逐项给出对应的设计措施，包括增加功能、提高功能性能指标、减少功能、增加功能设计约束，进而生成可靠性设计需求，即功能保持需求，作为关联功能的设计约束，记为集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}。最终，所有功能保持需求{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}的并集则构成功能保持域FPRD的子集，即
(3)归并可靠性设计需求
存在同一项可靠性设计需求，可以同时约束多项功能实现需求，使其功能得以持续保持。因此，第三步需要归并可靠性设计需求。归并规则包括：
a)若 其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则保留{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}，删除{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}。
b){FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}∩{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}≠Φ，其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则在集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}中保留交集元素，在集合{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}中去掉交集元素。
【示例】某型信号处理器，主要用于飞机发动机轴承转换信号采集与处理，其主要功能要求是将28VDC变换成36V400Hz单相交流电输出，并解算轴角转换角度。因此，我们可以分解得到2个子功能需求：转换28VDC为36V400Hz单相交流电输出，解算轴角转换角度，其分解结构如图4所示。其二级分解结构，如图5所示。
对2个子功能需求进行功能故障分析，得到表2。
表2
注：“/”代表对应故障状态不存在。
基于表2的分析结果，通过归并，为了能够正确且持续转换并输出36V400Hz单相交流电，精确解算轴角转换角度，需要扩展如下功能保持需求：
1)保持电流输入输出稳定
2)保持轴角转换信号稳定
对上述功能保持要求作进一步分解，得到二级分解结构，对二级分解结构进行功能故障分析，得到表3。
表3
基于表3的分析结果，通过归并，需要扩展如下功能保持需求：
1)为保持电流输入输出的稳定不出现故障，首先要确保电流传输、转换不受环境温度的影响，其次要屏蔽电磁、其它电流干扰，第三还要能抗电源的尖峰，且能在掉电时起保护作用，因此要实现：
a)避免电路性能受环境影响：包括温度、沙尘、盐雾等
b)避免电源信号受电磁干扰
c)避免输入电流信号干扰
d)过滤输出电源，保证输出所需的电压
e)避免电流欠压过压浪涌
f)避免掉电产生危险
2)为保持轴角转换信号的稳定不出现信号转换相关的故障，一方面要避免由于角度偏移产生误差，另一方面要考虑外界干扰信号可能带来的影响，因此要实现：
a)过滤角度偏移信号
b)屏蔽外界干扰信号
c)避免电路性能受环境温度影响
综上所述，可得信号处理器的功能域扩展分解结构，如图6所示。
步骤二：设计功能原理模型的表征方法建立广义功能模型
步骤一确定了功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)之间及其与功能保持需求FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)之间的映射关系，但并未给出可视化的产品作用原理，下一步则通过建模明确产品作用原理。产品功能原理模型的元素及表征方法包括：
(1)主单元：是指必达需求单元、主功能单元、主物理单元，用方框表示。主单元的属性信息包括标识(即单元名称)、单元编码、输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能。其中，输入、输出、不确定性干扰、不期望输出分别通过单元左、右、上、下四个边的端口表示，其类别包括物料、信号、能量。物料用“空心向右箭头”表示，信号用“虚线向右箭头”表示；能量用“实线向右箭头”表示。主单元建模图元如图7所示。该图元的属性说明见表4。端口属性见表5。
表4 主单元属性说明
端口的属性如表5所示
表5 端口(输入\输出)
序号 属性名称 输入范围
1 端口名称 字符
2 类别 主要包括三种类型：物料、信号、能量
3 值 [0，+∞)
(2)辅单元(愿望需求单元、辅功能单元、辅物理单元)及其输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能。该图元的属性说明与主单元相同，端口属性也相同。功能原理模型需要明确表征各功能实体之间的关系。辅单元建模图元如图8所示。
(3)逻辑关系包括顺序、并行、重复、选择、多输出、迭代、循环、从属。
a)顺序：包含开始节点和结束节点，从左→右表示功能的执行顺序。顺序逻辑建模图元如图9所示。
b)并行(&)：表示并联分支上的所有功能同时执行。如果某一分支上串联了多项功能，则顺序执行。并行逻辑建模图元如图10所示。
c)重复(RP)：表示功能被重复执行，是并行模型的特例。重复逻辑建模图元如图11所示。
d)选择(OR)：表示模型中所有分支的其中之一被执行，其余均不执行。只要指定分支的所有逻辑及功能都执行完毕，则继续执行后续功能。具体执行哪一分支的逻辑和功能则是由事先确定的激励、计划、规则来决定的。选择逻辑建模图元如图12所示。
e)多输出：如果一个功能有多个输出的可能，则需要定义相应的逻辑或规则，使其每次只能输出一个。因此，多输出模型中必包含选择(OR)模型。多输出逻辑建模图元如图13所示。
f)迭代(IT)：表示指定集合内的功能和行为将按照给定的次数或者频率执行多次。迭代逻辑建模图元如图14所示。
g)循环(LP)：表示循环节点之间的功能需要重复执行，直到满足指定的输出条件，其中至少包含一个选择(OR)节点和一个循环输出节点。循环逻辑建模图元如图15所示。
功能实现需求与功能保持需求之间只有“保持”与“被保持”的关系。功能保持需求之间不存在关联关系。
系统模型建模图元和系统结构及边界如图16、17所示，装配关系主要采用CAD模型表达。
基于上述元素及产品内部的作用原理，即可建立产品的广义功能模型。图18为转换28VDC为36V400Hz单项交流电输出[电源模件]的的广义功能模型，图19为解算轴角转换角度[信号处理模件]的的广义功能模型，信号处理器的广义功能模型最后如图20所示。其中FRP1.1、FRP1.2、FRP1.2、FRP1.4、FRP1.5、FRP2.1、FRP2.2为功能保持需求，他们的功能分别为输入电源滤波、浪涌抑制、储能保护、防电磁干扰、过滤输出电压、输入信号滤波、角度偏移矫正。其余单元为功能实现需求。

Claims (1)

1.一种考虑可靠性设计需求的广义功能模型构建方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：包含功能保持需求的功能模型扩展
对产品的功能域进行扩展，将顶层抽象的总功能逐层分解细化，同时建立各个子功能之间的联系；将功能需求分解为功能实现需求和功能保持需求，对应的功能域则分解为功能实现域和功能保持域；
功能实现需求(FRR)是指产品设计中功能性能的需求，即为了满足用户需求所设计的产品功能需求；
功能实现域(FRRD)是指由功能实现需求项全集构成的设计需求子域；
功能保持需求(FPR)是使功能实现域中的各项功能得到保持的需求，其获取需要从时间、使用环境条件两方面考虑，其具体表现为可靠性设计需求；
功能保持域(FPRD)是指由功能保持需求项全集构成的设计需求子域；
易知功能域FD＝FRRD∪FRPD，且功能保持需求与功能实现需求之间存在多对多映射关系，FPR服务于FRR，是从功能实现需求角度考虑时间、环境扰动、不确定性因素等影响而生成的，可靠性设计是功能设计的补过程；如果产品的设计方案无法满足顾客要求，意味着部分主要功能未实现，即产品是不可靠的；
(1)识别功能故障模式
设计师根据顾客需求梳理功能实现域，包括n项功能实现需求，记为FRRi(i＝1,2,…n)；设计师针对每一项功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)，以功能失效、功能不连续、功能不完整、性能偏差、功能时刻偏差、不期望功能这六类功能故障状态为依据，系统化分析并识别每一项功能实现需求在使用过程中所表现出的功能故障模式，记为集合{FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)}；
(2)确定可靠性设计需求
针对每一项功能实现需求故障模式FMij(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni)，从时间、使用环境、作用原理三个角度出发分析其故障原因，并逐项给出对应的设计措施，包括增加功能、提高功能性能指标、减少功能、增加功能设计约束，进而生成可靠性设计需求，即功能保持需求，作为关联功能的设计约束，记为集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}；最终，所有功能保持需求{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}的并集则构成功能保持域FPRD的子集，即
(3)归并可靠性设计需求
存在同一项可靠性设计需求，可以同时约束多项功能实现需求，使其功能得以持续保持；因此，第三步需要归并可靠性设计需求；归并规则包括：
a)若 其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则保留{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}，删除{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}；
b){FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}∩{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}≠Φ，其中i＝l，j＝m，k＝q不同时成立，则在集合{FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)}中保留交集元素，在集合{FPRlmq(l＝1,2,…n,m＝1,2,…nl,q＝1,2,…nlm)}中去掉交集元素；
步骤二：设计广义功能模型的元模型，并基于此建立广义功能模型
步骤一确定了功能实现需求FRRi(i＝1,2,…n)之间及其与功能保持需求FPRijk(i＝1,2,…n,j＝1,2,…ni,k＝1,2,…nij)之间的映射关系，但并未给出可视化的产品作用原理，下一步则通过建模明确产品作用原理；产品广义功能模型的元素及其表征方法包括：
(1)主单元：是指必达需求单元、主功能单元、主物理单元，用方框表示；主单元的属性信息包括标识(即单元名称)、单元编码、输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能；其中，输入、输出、不确定性干扰、不期望输出分别通过单元左、右、上、下四个边的端口表示，其类别包括物料、信号、能量；物料用“空心向右箭头”表示，信号用“虚线向右箭头”表示；能量用“实线向右箭头”表示；
(2)辅单元(愿望需求单元、辅功能单元、辅物理单元)及其输入、输出、不确定性干扰、不期望输出、关键指标或主要功能；该图元的属性说明与主单元相同，端口属性也相同；功能原理模型需要明确表征各功能实体之间的关系；
(3)逻辑关系包括顺序、并行、重复、选择、多输出、迭代、循环、从属；
a)顺序：包含开始节点和结束节点，从左→右表示功能的执行顺序；
b)并行(&)：表示并联分支上的所有功能同时执行；如果某一分支上串联了多项功能，则顺序执行；
c)重复(RP)：表示功能被重复执行，是并行模型的特例；
d)选择(OR)：表示模型中所有分支的其中之一被执行，其余均不执行；只要指定分支的所有逻辑及功能都执行完毕，则继续执行后续功能；具体执行哪一分支的逻辑和功能则是由事先确定的激励、计划、规则来决定的；
e)多输出：如果一个功能有多个输出的可能，则需要定义相应的逻辑或规则，使其每次只能输出一个；因此，多输出模型中必包含选择(OR)模型；
f)迭代(IT)：表示指定集合内的功能和行为将按照给定的次数或者频率执行多次；
g)循环(LP)：表示循环节点之间的功能需要重复执行，直到满足指定的输出条件，其中至少包含一个选择(OR)节点和一个循环输出节点；
功能实现需求与功能保持需求之间只有“保持”与“被保持”的关系；功能保持需求之间不存在关联关系；
基于上述元素及产品内部的作用原理，即可建立产品的广义功能模型。
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