CN113821845B - 一种产品设计阶段维修性定性设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种产品设计阶段维修性定性设计方法，包括步骤：对设计目标建立维修性设计障碍树；对所建立的维修性设计障碍树进行定性分析，分析维修性设计障碍树的最小割集和最小径集，得到设计目标的冲突向量；根据TRIZ冲突矩阵得到修正维修性冲突矩阵，确定维修性设计冲突矩阵的恶化参数、改善参数以及建立发明原理集与产品设计特征集的映射关系；采用基于TRIZ的修正维修性冲突矩阵，得到TRIZ原理解向量，再结合得到的冲突向量，得到设计冲突向量与原理解向量的关系矩阵，建立对应的冲突设计系统的冲突向量—原理解向量的关系方程，帮助设计决策。本发明提供一种解决维修性设计要求同其他质量设计特征之间的冲突问题的方法。

Description

一种产品设计阶段维修性定性设计方法

技术领域

本发明涉及维修性设计技术领域，特别是涉及一种产品设计阶段维修性定性设计方法，特别是一种产品设计阶段的基于障碍树和基于TRIZ理论的维修性冲突矩阵的维修性定性设计方法。

背景技术

设计质量对产品而言至关重要，而以最少的成本获得高质量的产品已经成为当今产品设计的主要追求。产品设计质量的形成，不只在制造阶段，还在设计阶段和售后服务阶段，特别是设计阶段起了决定性的作用。维修性是产品本身的一种质量特性，必须在产品设计时注入。把维修性要求纳入产品设计过程，通过设计与验证来实现维修性要求，称为维修性设计(Maintainability Design)。维修性设计是产品设计阶段的一个非常重要的内容，不仅是提高产品质量水平的客观需要，也是用户的迫切需求。

维修性设计准则规定了众多产品设计时需要考虑的维修性相关的设计因素，具有广泛的指导意义。但是在实际维修性设计过程中，存在着两个不足之处：

1) 设计准则多是用于评价与评估，作用方式被动。实际产品设计过程中，设计人员首先关注的是产品功能的实现，而忽略了维修性要求的实现。当前的维修性设计工作，多是在产品实体样机，或者，得益于虚拟维修技术，在虚拟样机完成以后，通过开展维修性试验来利用设计准则评价产品设计对产品维修性要求的满足情况。这种工作模式是被动的、滞后的，而且效用较低。在方法论上，这种产品设计方法是与公理化设计理论中从功能域到结构域的映射相悖的。某些情况下，通过维修性试验发现的维修性不足却因难以大量修改设计方案而直接忽略。

2) 维修性要求与产品功能发生冲突时，无法提供有效的冲突解决方法。产品设计过程中，应该而且是必须首先满足功能要求。目前，当维修性要求与产品功能要求存在冲突时，因缺乏具体可行且有效的冲突解决方法，设计人员的选择一般是优先满足功能要求，极少甚至是根本不考虑维修性要求。设计准则在指导设计人员进行产品设计时，缺乏一种明确的、可操作的冲突解决办法，以解决产品设计时，维修性要求与功能要求发生冲突时的情况。

因此，还需要在得出定量要求与定性要求的设计解可行域基础上，研究维修性设计决策的优化选择问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种产品设计阶段维修性定性设计方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种产品设计阶段维修性定性设计方法，包括步骤：

对设计目标建立维修性设计障碍树；

对所建立的维修性设计障碍树进行定性分析，分析维修性设计障碍树的最小割集和最小径集，得到设计目标的冲突向量；

根据TRIZ冲突矩阵得到修正维修性冲突矩阵，确定维修性设计冲突矩阵的恶化参数、改善参数以及建立发明原理集与产品设计特征集的映射关系；

采用基于TRIZ的修正维修性冲突矩阵，得到TRIZ原理解向量，再结合得到的冲突向量，得到设计冲突向量与原理解向量的关系矩阵，建立对应的冲突设计系统的冲突向量—原理解向量的关系方程，帮助进行设计决策。

本发明基于障碍树和TRIZ理论修正维修性冲突矩阵，提供一种解决维修性设计要求同其他质量设计特征之间的冲突问题的方法与途径：根据维修性设计问题的障碍树的最小径集，建立对应的冲突设计系统的冲突向量——原理解向量的关系方程，帮助进行设计决策。

附图说明

图1是本发明实施例的维修性设计障碍树的基本结构示意图。

图2为本发明实施例的的标准化发明原理集的确定过程示意图。

图3为本发明实施例的修性设计障碍树对应成功树的基本结构示意图。

图4为本发明实施例的维修性定性设计方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的产品设计阶段维修性定性设计方法，基于障碍树和基于TRIZ的修正维修性冲突矩阵实现，其实现步骤如下：

步骤一：

对设计目标建立维修性设计障碍树；

所述的维修性设计障碍树，是一种利用布尔关系从结果到原因表示的维修性设计障碍发生过程的逻辑树图，基本结构如图1所示，维修性设计障碍树图形化的表示在进行维修性设计时设计障碍与其它事件之间的交互关系。障碍树中，事件被定义为产品某一特定设计特征的设计策略。基本事件或底事件之间存在一定因果逻辑关系，通过逻辑符号（与门、或门、非门等）连接到一个或多个顶事件。顶事件是阻止维修性设计理解目标不能实现的事件，记作T；底事件表示最基本的维修性设计障碍，是诱发顶事件发生的最为基本的因素，也称为基本事件或基本障碍事件，是构成维修性设计冲突的是基本因素。

图1中的x₁，x₃，x₅，x₆，x₇就是基本事件，x₂，x₄分别为正常事件和不必分析事件，按基本事件处理；处于障碍树顶事件和基本事件之间的事件，称为中间事件。

具体的，在实施时，首先确认设计目标维修性设计障碍树的顶事件T，顶事件T是阻止维修性设计理解不能实现的事件；然后按照因果逻辑关系的先后次序画出顶事件前兆障碍事件，通过一系列逻辑符号（包括与门、或门、非门）将一个或多个顶事件往下分解，最终分解到最基本障碍事件的底事件层面。底事件x₁、x₂、x₃、……x_n表示最基本的维修性设计障碍，是诱发顶事件发生的最基本的因素，也叫基本事件或基本障碍事件。

步骤二：

对步骤一所建立的维修性设计障碍树进行定性分析，分析障碍树的最小割集和最小径集，进而得到设计目标的最小径集向量或称冲突向量

；

其中，割集是指由同时发生就能够导致顶事件发生的基本事件的组合，是障碍树中一些底事件的集合。当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。最小割集是指能够引起顶事件发生的最低数量的基本事件的组合，指明哪些基本事件同时发生就可以导致顶事件发生的障碍作用模式。最小割集表示维修性设计过程中的相关设计特征的选择对维修性的影响程度以及各种可能的影响途径，表征了障碍事件发生的各个可能途径对该障碍事件的影响程度。最小割集数目越多，说明障碍发生的几率越大；最小割集中的基本事件数目越少则对设计障碍的影响越大。

所述的最小割集的求解方法可参照故障树中的最小割集的求解方法，主要包括结构观察法、行列法、布尔代数化简法等。

其中，径集是指可以使顶事件不发生的基本事件的组合。所述的最小径集是指能够使顶事件不发生的最低数量的基本事件的组合。最小径集和最小割集具有对偶性，它表明了消除维修性设计障碍的各种路径和措施，最小径集数量越多则可采取的措施就越多，通常选择包含基本事件少的最小径集改善措施较为容易。

所述最小径集的求解方法可以参照故障树中的最小径集的求解方法，如成功树法。

下面以采用布尔代数化简法得到设计目标的最小径集进行说明最小径集的取得过程。

如，采用布尔代数化简法找到障碍树的最小割集。以图1为例，T=A₁ ×A₂ ×A₃=（x₁+x₂） ×A₂ ×A₃=（x₁ A₂+x₂ A₂）×A₃=（x₁ x₃+ x₁ x₄+ x₂ x₃+ x₂ x₄）×（A₄+ A₅）=（x₁ x₃+ x₁x₄+ x₂ x₃+ x₂ x₄）×（x₅+ x₆）+（x₁ x₃+ x₁ x₄+ x₂ x₃+ x₂ x₄）×（x₇+ x₁）= x₁ x₃ x₅+ x₁ x₄x₅+ x₂ x₃ x₅+ x₂ x₄ x₅ +x₁ x₃ x₆+ x₁ x₄ x₆+ x₂ x₃ x₆+ x₂ x₄ x₆ +x₁ x₃ x₇+ x₁ x₄ x₇+ x₂x₃ x₇+ x₂ x₄ x₇ +x₁ x₃ + x₁ x₄ + x₂ x₃ x₁+ x₂ x₄ x₁= x₁ x₃ + x₁ x₄+ x₂ x₃ x₅+ x₂ x₄x₅ + x₂ x₃ x₆+ x₂ x₄ x₆ + x₂ x₃ x₇+ x₂ x₄ x_7。 这样得到了图1所示维修性障碍树的最小割集为{ x_1，x₃ }，{ x_1，x₄ }，{ x_2，x_3，x₅}，{ x_2，x_4，x₅}，{ x_2，x_3，x₆}，{ x_2，x_4，x₆}，{ x_2，x_3，x₇}，{ x_2，x_4，x₇}。最小割集表示维修性设计过程中的相关设计特征的选择对维修性的影响程度以及各种可能的影响途径，表征了障碍事件发生的各个可能途径对该障碍事件的影响程度。

得到了图1的维修性障碍树的最小割集后，画出维修性设计障碍树的对应成功树。以图1为例，对应的成功树如图3所示。转换成对应成功树的方法是：将维修性设计障碍树中的与门变成或门，或门变成与门，各类事件发生变成不发生，不发生变成发生。图3中，事件T'、A₁'、x₁'……分别代表事件T、A₁、x₁……不发生。

获得成功树后，用布尔代数化简法找到成功树中事件T'的最小割集。以图3所示的成功树为例，

然后，将成功树的最小割集经过对偶变换，就变成了维修性设计障碍树的最小径集。因此图1的维修性设计障碍树的最小径集为

，即维修性设计障碍树的最小径集为{ x_1，x₂ }，{ x_3，x₄ }，{ x_1，x_5，x_6，x₇}，最小径集表明了产品设计过程中，消除维修性设计障碍的各种路径和措施。

假定维修性设计障碍树的全部最小径集

，其中

称为最小径集向量或称冲突向量，m为第j个最小径集

中包含的基本事件数目，n为最小径集数目。

步骤三：

根据TRIZ冲突矩阵得到修正维修性冲突矩阵，确定维修性设计冲突矩阵的恶化参数、改善参数，以及建立标准化的发明原理集与产品设计特征的映射关系。

其中， TRIZ，是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatelshikh Zadatch的词头缩写，中文为创新问题解决理论。

TRIZ理论利用40条发明原理来解决设计中的技术冲突。TRIZ理论提出用39个通用特征参数描述技术冲突。

实际应用中，首先要把一组或多组冲突均用该39个特征参数来表示，利用该方法把实际设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。

39个特征参数列表见表1，40条发明原理见表2所示。

表1

表2

TRIZ冲突矩阵是40行、40列的一个矩阵，其中第1行为恶化的特征参数，第1列为改善的特征参数。除第1行与第1列外，其余的形成一矩阵，第N个矩阵元素表示恶化特征和改善特征对应的原理解序号。

应用方法如下：

首先从第1行中选取冲突方为恶化特征参数序号，再从第1列中选取改善特征参数序号，两序号在对应行与列的交叉处确定一特定矩阵元素，该特定矩阵元素所给出的数字为推荐采用的发明原理序号。

冲突矩阵简图如表3所示。

表3

其中，步骤三中得到的所述的修正维修性冲突矩阵，是指将TRIZ理论 的表2所述的39个通用工程参数中的第34号参数可维修性修正分解为如表4所示的7个参数与步骤二中得到的最小径集之间形成的冲突矩阵。

其中，所述7个参数依次为简化维修操作、可达性、标准化与互换性、防差错、监控与测试的困难程度、维修元素、维修安全性。

表4

其中，步骤三中，所述的建立起标准化的发明原理集与产品设计特征集之间的映射关系后，则通过表2所示的标准化的发明原理，可对应到产品的特征设计。产品设计特征集是指产品的一系列参数化表示，如结构特征、种类、数量、尺寸、重量、布局等，如图2所示，根据产品设计特征集确认发明原理集，即根据产品的设计特征集，建立起发明原理集与产品设计特征集之间的映射关系。

由于所述改善参数是指第34号通用工程参数分解出的7个维修性指标。所述恶化参数指通过步骤二维修性设计障碍树得到的最小径集。因此，所述的修正维修性冲突矩阵是一个8行（n+1）列的矩阵，除去第1行和第1列之外，有7*n个元素，包括7个维修性指标相关的改善参数和n个维修性设计障碍树最小径集的恶化参数。

所述的修正维修性冲突矩阵，如表5所示。

其中，纵向第一列表示冲突矩阵的改善参数，作为解决维修性设计问题时希望得到改善的参数。横向第一列表示维修性冲突矩阵的恶化参数，以步骤二中得到的维修性设计障碍树的最小径集作为冲突矩阵的恶化参数。

表5

得到上述修正维修性冲突矩阵后，根据产品设计特征集确认发明原理集，具体是，在确认维修性设计的改善参数后，通过分析维修性设计要求和产品设计特征之间的关联性，利用维修性设计障碍树分析得到的最小割集，找到对应的产品设计特征，然后利用设计特征要求与恶化参数配对，寻找到表2中所示的对应的标准化的发明原理，从而获得维修性设计的改善参数的发明原理。

其中，发明原理集的确定过程如图2所示。

具体过程为：

首先，维修性设计障碍树中每个最小径集中所拥有的元素都是将完成该顶事件确认需要改善的最小产品设计特征。因此将维修性设计障碍树分析中得到的每个最小径集中的各元素与TRIZ理论中39个通用特征进行一一对应并转换。由于最小径集中的元素都是设计特征，因此可以很方便的对应到各通用特征中。比如：螺钉的直径，对应为通用工程参数中的序号4（静止物体的长度）。

然后，查找TRIZ冲突问题解决矩阵，纵坐标为序号34可维修性，横坐标为上一步中每个最小径集中各元素对应的通用特征，将交叉点对应的发明原理填入修正维修性冲突矩阵中。

然后，根据产品自身设计特征，将发明原理具体化为可实施的设计或改进方式。如发明原理序号6：多用性，对应可实施的设计方式可考虑螺钉直径通用性。需要注意的是，可维修性分解出来的七个特征参数，由于设计任务要求、产品本身特点以及各最小径集对应的设计成本和设计难度均可能不同，最终采用的最小径集、发明原理和可实施的设计方式均可不同。

步骤四：

根据基于TRIZ的修正维修性冲突矩阵，得到TRIZ原理解向量

，再结合步骤二得到的最小径集向量（或冲突向量），得到设计的冲突向量与原理解向量的关系矩阵

。

其中，所述TRIZ原理解向量

，是指的TRIZ原理解集合。

设

为标准的冲突向量集合，

,其中的每个元素

都代表一对由扩展的工程参数构成的冲突向量。

设Y为TRIZ原理解向量集合，

，其中的每个元素

都代表对应于

的原理解子集，再结合步骤二得到的最小径集向量，得到设计的冲突向量与原理解向量的关系矩阵

。

最小径集向量（或冲突向量）为

。

假定

中基本事件元素全部构成维修性设计冲突，鉴于设计冲突与原理解间存在因果关系，则某个维修性设计障碍的冲突向量与原理解向量的关系方程，如下：

式中：

为原理解向量；

是设计的冲突向量与原理解向量的关系矩阵。

其中

，表明了维修性设计冲突与原理解之间的映射关系，0表明维修性冲突有解，1表明维修性冲突无解。

根据产品设计实际情况，在得到的修正维修性冲突矩阵（如表5所示）中填入表2对应的40条标准化的发明原理。填入对应的发明原理后，若维修性冲突有解，则关系矩阵中对应的元素

取0，反之表示维修性冲突无解。

根据图2中所示的产品设计特征集与标准化的发明原理集的映射关系，可得到产品设计特征集中的相应设计特征；改进这些设计特征，就可有效解决修正维修性冲突矩阵中对应的维修性冲突，从而较好地完成针对该维修性障碍事件的维修性定性设计工作。

考虑整个设计系统中所有的维修性设计障碍的情况，假设设计障碍数目(顶事件)为

个，则可建立

个障碍树，并对应存在

个冲突——原理解关系方程，将这些方程按次序合并则可得到系统的冲突向量与原理解向量的关系方程：

其中：

为系统的原理解向量；

为系统的冲突向量；

C为系统冲突向量与原理解向量的关系矩阵。

本发明实施例的的维修性定性设计方法，基于障碍树和基于TRIZ的修正维修性冲突矩阵，可为设计人员提供一种解决维修性设计要求同其他质量设计特征之间的冲突问题的方法与途径：根据维修性设计问题的障碍树的最小径集，建立对应的冲突设计系统的冲突向量与原理解向量的关系方程，帮助设计人员进行设计决策。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，包括步骤：

对设计目标建立维修性设计障碍树；

对所建立的维修性设计障碍树进行定性分析，采用布尔代数简化法求解分析维修性设计障碍树的最小割集和最小径集，得到设计目标的冲突向量；

根据TRIZ冲突矩阵得到修正维修性冲突矩阵，该修正维修性冲突矩阵横坐标为设计目标的冲突向量，纵坐标为将TRIZ理论的39个通用工程参数中的第34号的参数可维修性修正分解的7个参数，7个参数包括简化维修操作、可达性、标准化与互换性、防差错、监控与测试的困难程度、维修元素、维修安全性；该修正维修性冲突矩阵的横坐标为维修性设计冲突矩阵的恶化参数，纵坐标为改善参数；

根据产品的需求建立产品的设计特征集，然后建立标准化的发明原理集与产品设计特征集的映射关系，通过标准化的发明原理能对应到产品的特征设计；产品设计特征集是指产品的一系列参数化表示，包括结构特征、种类、数量、尺寸、重量、布局；

通过修正维修性冲突矩阵，得到TRIZ原理解向量，再结合得到的冲突向量，得到设计冲突向量与原理解向量的关系矩阵，建立对应的冲突设计系统的冲突向量—原理解向量的关系方程，最终得到实现维修性目标的设计解决方案矩阵。

2.根据权利要求1所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，在所述维修性设计冲突矩阵中，填入TRIZ理论的40条发明原理后，若关系矩阵中对应的元素取0，表示维修性冲突有解，反之无解。

3.根据权利要求2所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，所述维修性设计障碍树，是一种利用布尔关系从结果到原因表示的维修性设计障碍发生过程的逻辑树图，通过图形化的方式表示在进行维修性设计时设计障碍与其它事件之间的交互关系；维修性设计障碍树中，事件被定义为产品某一特定设计特征的设计策略，基本事件之间存在因果逻辑关系，通过包括与门、或门、非门在内的逻辑符号连接到一个或多个顶事件；顶事件是阻止维修性设计理解目标不能实现的事件，基本事件表示最基本的维修性设计障碍，是诱发顶事件发生的最基本的因素，是构成维修性设计冲突的基本因素；处于顶事件和基本事件之间的事件称为中间事件。

4.根据权利要求3所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，所述最小割集是指能够引起顶事件发生的最低数量的基本事件的组合，所述最小割集表明了哪些基本事件同时发生就可导致顶事件发生，表示维修性设计过程中的相关设计特征的选择对维修性的影响程度以及各种可能的影响途径，表征了障碍事件发生的各个可能途径对该障碍事件的影响程度，所述最小割集数目越多，说明障碍发生的几率越大；

所述最小径集是指能够使顶事件不发生的最低数量的基本事件的组合；

所述最小径集表明了消除维修性设计障碍的各种路径和措施，所述最小径集数量越多则可采取的措施就越多；

所述最小径集和所述最小割集具有对偶性。

5.根据权利要求4所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，所述发明原理集的确定过程如下：

基于维修性设计改善参数，通过维修性要求和设计特征之间的关联性分析，利用维修性设计障碍树分析得到的最小割集，在产品设计特征集中找到对应的产品设计特征，然后利用产品设计特征要求与恶化参数配对，寻找到发明原理集中对应的标准化的发明原理，最终获得维修性参数发明原理。

6.根据权利要求5所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，所述的冲突设计系统的冲突向量—原理解向量的关系方程如下：

Y_j＝C_7×mP_j

式中，Y_j＝(y₁，y₂，...，y_m)^T为原理解向量，C_7×m是冲突向量与原理解向量的关系矩阵；冲突向量为P_j＝(x₁，...，x_i，...，x_m)^T，i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n，m为第j个最小径集P_j中包含的基本事件数目，n为最小径集数目；

其中

表明了维修性设计的冲突向量与原理解向量之间的映射关系，1表明维修性冲突有解，0表明维修性冲突无解。

7.根据权利要求6所述产品设计阶段维修性定性设计方法，其特征在于，当设计障碍数目为q个，则建立q个障碍树，并对应存在q个冲突，此时所述的冲突设计系统的冲突向量—原理解向量的关系方程如下：

Y＝C·P

其中Y＝(Y₁，Y₂，...，Y_q)^T为原理解向量集，P＝(P₁，P₂，...，P_q)^T为冲突向量集；C为冲突设计系统的冲突向量与原理解向量的关系矩阵。

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