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摘要：

串、并行設計模式下硬件產品的設計缺陷形成機理存在差異，對串、并行設計模式與設計缺陷之間的關系進行系統地分析、比較，有助于在產品設計過程中預防、控制設計缺陷。采用過程方法，分別構建了從輸入、輸出、資源、環境和監測評價活動五個方面系統反映串、并行設計各階段缺陷影響因素的結構要素模型，進而迭代獲得描述串、并行設計過程各設計階段、各類設計缺陷和可能存在的缺陷因素三者之間的結構關系模型。在此基礎上，利用區間層次分析法定量地表達了串、并行設計的設計缺陷與其影響因素之間的關系。最后，從設計缺陷預防和控制的角度，對串、并行設計模式下設計缺陷結構關系進行比較與分析，研究成果對設計過程中預防和控制設計缺陷具有理論和實際指導意義。

關鍵詞：

設計缺陷；影響因素；過程方法；區間層次分析方法

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

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

由于硬件產品設計過程的復雜性和設計缺陷的多樣性，設計缺陷的預防和控制非常困難。為更好地指導設計缺陷的預防和控制，提供全面的設計缺陷控制決策支持信息，文中采用過程方法，對串、并設計模式下各設計階段的設計缺陷影響因素分別進行分析研究，構建串、并行設計缺陷及其影響因素的結構關系模型，并對模型中的設計缺陷與缺陷因素的關系進行定量分析。在此基礎上，從技術管理的角度，對兩種設計過程模式下設計缺陷與設計過程及其影響因素的關系進行分析和比較。

1設計缺陷影響因素分析

1．1設計過程構成要素模型依據ISO標準，將設計過程定義為：一組將輸入轉化為輸出的相互關聯或相互作用的設計活動。每一個設計過程都包含輸入、輸出、流程所需資源、增值轉化活動、過程所處環境和監測評價活動6個要素。輸入是過程實施的依據，輸出是過程實施的結果，連接輸入和輸出的是一系列使用資源和進行設計開發、管理的增值轉化活動。同時，每個設計過程都是在一定的資源環境下實施的，對過程實施效果或狀態需按預先設定的準則進行監控和評價。設計過程的6個要素既相互聯系，又相互作用，對其進行系統分析有利于把握過程的整體運行狀態，實現對設計過程質量的有效控制。考慮到作為子過程的設計階段所包含的增值轉化活動可進一步視為分布于時空的產品規劃、概念設計、詳細設計和工藝設計等若干設計子過程，故根據過程的構成要素，可建立反映輸入、輸出、流程所需資源、流程所處環境和監測評價活動的一般硬件產品串、并行設計過程構成要素模型，如圖1所示。

1．2各設計階段的設計缺陷影響因素分析串行設計過程模式下硬件產品的設計開發過程可劃分為規劃階段、概念設計階段、詳細設計階段和工藝設計4個階段［13］。而硬件類復雜產品的并行設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計過程分成4個階段。由于設計缺陷源于產品設計各階段對設計任務的構思和實施，產品設計過程中的任一要素失控均可能導致設計缺陷產生。因此，可采用過程方法分別對串、并行設計模式下產品設計各階段的設計缺陷影響因素進行分析。以串行設計的規劃階段為例，產品規劃是整個產品設計開發過程的第一階段，其目的是明確顧客需求和企業所處的環境，包括對技術開發和市場目標的評估。產品的設計任務一般來自企業的產品戰略規劃、技術更新、顧客的訂單和產品市場質量狀況反饋等，產品設計任務構成了規劃階段的輸入。對新產品的規劃需要系統地研究社會、市場、客戶需求和顧客消費心理等，了解新技術、新工藝，根據產品生命周期規律并結合企業狀況，規劃產品設計目標。其主要工作內容即增值轉化活動是確認市場機遇、項目評估和優先級排序、分配資源和安排時間等，其輸出為產品的目標市場、商業目標、關鍵性假設條件和約束的項目任務書。規劃階段增值轉化活動有效實施需要相關設計資源的支持，主要有外部競爭環境（競爭對手產品狀況）、技術環境（技術標準、專利）、社會環境（社會和市場趨向）、內部環境（企業資源信息、項目經費）等。綜合上述分析，從輸入、輸出、流程所需資源、過程所處環境和監測評價活動等5個要素的角度構建反映設計缺陷影響因素的規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，并行設計各階段的要素同樣可以采用過程方法進行分析。因此，可按上述方法分別對串、并行設計的概念設計階段、詳細設計階段和工藝設計階段的設計缺陷影響因素進行分析。由于分析思路相同，故直接將各階段的設計缺陷影響因素分析結果進行匯總，如表1表示。

2設計缺陷的結構關系模型

硬件產品設計開發過程復雜，設計任務繁多，設計缺陷影響因素分布在產品生命周期的各個階段。為了全面掌握各類設計缺陷的影響因素，采用在文獻［13］中提出的硬件產品設計缺陷分類原則，從產品設計開發過程的角度建立反映設計過程與設計缺陷及其影響因素的結構關系模型，即將各階段過程要素模型按圖1所示的設計過程要素模型進行迭代，得到圖3所示的設計缺陷、缺陷因素與設計過程的結構關系模型。該結構關系模型直觀地表達了串、并行設計的4類缺陷即功能缺陷、結構缺陷、性能缺陷和工藝缺陷與設計過程及其各設計階段所涉及的設計缺陷影響因素之間的關系。由于硬件產品各類設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計下多達15個，而在并行設計下多達26個。因此，要在有限的資源和限定的設計時間內達到有效預防、控制設計缺陷的目的，還需要進一步定量掌握各設計缺陷影響因素對各類設計缺陷的影響程度。

3設計缺陷及其影響因素量化關系的構建

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］。由于設計缺陷影響因素與設計缺陷之間的關系存在模糊和不確定性，且這種不確定性問題在現實情況中普遍存在。為了解決這種不確定性導致的分析誤差，提出了改進的層次分析法———區間層次分析法（IAHP）［17-18］。IAHP利用區間判斷矩陣描述不確定的關系，能夠有效地降低誤差。因此，文中采用IAHP方法分析各設計缺陷影響因素對各類設計缺陷的相對重要度。

3．1設計缺陷影響因素區間判斷矩陣為了便于表達，將設計缺陷及其影響因素用符號來描述。4類設計缺陷即功能缺陷、結構缺陷、性能缺陷和工藝缺陷分別用F1，F2，F3，F4表示。考慮到上一設計階段的輸出即為下一階段的輸入，因此將輸入、輸出合并為一類進行描述。用a1，a2，a3和a4分別表示輸入輸出類、資源類、環境類及監測評價類設計缺陷影響因素，各設計缺陷影響的符號描述如表2所示。根據圖3結構關系模型中各類設計缺陷與影響因素之間的定性關系，由相關領域產品設計工程師、制造工程師、質量主管和設計質量領域教授共同組成專家組按照AHP法的1～9標度原則分別對串、并行設計各類設計缺陷的影響因素兩兩比較，構造各類設計缺陷影響因素的相對權重的區間判斷矩陣。按該方法可以得到4類設計缺陷影響因素的權重區間判斷矩陣。表3中給出了并行設計工藝缺陷影響因素相對權重的區間判斷矩陣。例如：在表3中，對于工藝缺陷，詳細方案（a110）與材質參數（a112）相比，認為a110比a112重要的程度在2．5～3．5之間，得出的區間數［2．5，3．5］，為相當于1～9標度法中的3，但不是整數3。這樣得到的兩個不同的區間數判斷矩陣具有彈性，表達模糊關系時更科學、合理。同理，可得到串、并行各類設計缺陷影響因素的權重區間判斷矩陣。

3．2設計缺陷影響因素權重矢量的計算對區間數判斷矩陣A＝［A－，A＋］，求其滿足一致性條件的權重矢量的步驟。根據式（2）計算得到設計缺陷影響因素區間數權重量，如表4所示。

3．3設計缺陷及其影響因素的量化關系根據并行設計缺陷影響因素權重PF1，PF2，PF3和PF4，實現了對圖3所示結構關系模型中的并行設計缺陷與設計缺陷因素之間的關系進行定量化描述。在完成區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計缺陷影響因素權重，故串、并行模式下的各類設計缺陷的影響因素權重計算過程不再一一贅述，直接將各類設計缺陷的影響因素權重計算結果列出，如表6和表7所示。

4兩種設計模式下設計缺陷結構關系的分析與比較

根據圖3、表6、表7所示的串、并行設計缺陷及其影響因素的結構關系，從技術管理角度，對兩種設計模式下設計缺陷及其影響因素與設計過程的關系進行比較和分析。

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

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

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

5結束語

設計缺陷是在設計過程中形成的，不僅影響產品質量，而且對企業效益和顧客安全都形成了潛在的威脅。由于硬件產品設計過程復雜，產品的設計開發模式不同，設計缺陷的主要影響因素也存在差異。文中采用過程方法，從技術管理的角度，分析了串、并設計各設計階段的設計缺陷影響因素，構建了從輸入、輸出、資源、環境和監測評價活動5個方面系統反映設計缺陷影響因素的結構要素模型，以此為基礎迭代獲得描述串、并行設計過程各設計階段、各類設計缺陷和可能存在的缺陷因素的結構關系模型，并應用區間層次分析方法對設計缺陷結構關系模型所揭示關系進行定量化分析。文中從缺陷預防和控制的角度，運用過程方法的思想，采用定性和定量相結合的方式，對串、并行設計過程、設計缺陷和設計缺陷影響因素的相互關系進行了較為系統地分析與比較，研究成果對設計過程中制定預防和控制設計缺陷的決策具有理論和實際指導意義。

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作者：肖承地 劉衛東 鄭慧萌 胡偉立 單位：南昌大學 機電工程學院 南昌航空大學 經管學院