一种基于改进质量屋的四性综保一体化设计流程分解方法与流程

1.本发明属于维修保障工程技术领域，特别涉及一种基于改进质量屋的四性综保一体化设计流程分解方法。


背景技术：

2.产品设计的实质在于满足客户需求的过程。可靠性、维修性、测试性、安全性以及保障性和综合保障(以下简称“四性综保”，具体定义见gjb 451a《可靠性维修性保障性术语》)是影响复杂产品性能指标能否整体发挥和保持的根本因素。为实现一个高水平的有效设计，必须在保证产品功能性能需求的基础上满足产品的四性综保需求。四性综保一体化需求主要包括四类：四性综保一体化指标与要求，不期望事件，使用条件要求和环境要求。
3.为了实现产品功能性能与四性综保的有效结合，需建立顾客需求与设计过程的有效联系。质量功能展开(qfd，quality function deployment)是一种应用于设计阶段的系统方法，通过相应的理论工具，保证来自顾客的需求精确无误的转移到产品寿命循环每个阶段的有关技术和措施中去。质量屋作为质量功能展开的核心，是一种将顾客需求转化为产品的设计要求的多层次演绎分析方法。虽然常规质量屋瀑布式的分解过程与产品设计过程的分解具有一定的相似性，但其并没有与产品设计过程建立有效的关系。因此寻找一种行之有效的方法，从功能性能与四性综保一体化的角度对产品设计流程进行分解就显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的：提供一种基于改进质量屋的四性综保一体化设计流程分解方法，在设计阶段有效结合功能性能与四性综保需求，完成各活动的合理排序。从而在保证功能性能指标要求的基础上满足四性综保要求。
5.本发明的技术方案：
6.一种基于改进质量屋的四性综保一体化设计流程分解方法，包括以下步骤：
7.步骤一：通过常规质量功能展开，获取零部件设计特性、顾客需求与工程技术参数的关系矩阵以及工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵；
8.步骤二：通过改进质量功能展开，将零部件设计特性映射为设计活动，并得到零部件设计特性与设计活动的关系矩阵和设计活动之间的相关矩阵；
9.步骤三：根据顾客需求与工程技术参数的关系矩阵、工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵和零部件设计特性与设计活动的关系矩阵求解关键设计活动；
10.步骤四：将设计活动之间的相关矩阵转换为设计结构矩阵；
11.步骤五：识别设计结构矩阵中的耦合活动；并对耦合活动进行分割排序；
12.步骤六：将耦合活动作为单个活动与非耦合活动进行排序。
13.进一步，步骤一中，通过常规质量功能展开，获得各项顾客需求的重要度为(k1，k2，k3…km
)，取值范围为[0,10]；
[0014]
顾客需求与工程技术参数的关系矩阵为a
ij
(i＝1,2,
…
m,j＝1,2,
…
n)；其中a
ij
采用{0，1，3，5，7，9}进行等级评分，依次表示不相关、弱弱相关、弱相关、一般相关、强相关以及强强相关；
[0015]
各项工程技术参数的重要度(e1,e2…en
)＝(k1,k2…km
)a
ij
；
[0016]
工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵为b
jk
(j＝1,2,
…
n,l＝1,2,
…
o)，其中b
jk
的评分标准与a
ij
评分标准一致；
[0017]
零部件设计特性的重要度(g1,g2…gp
)＝(e1,e2…en
)b
jk
。
[0018]
进一步，步骤二中，所述改进质量功能展开为：参考工作分解结构建立过程规划质量屋，通过零部件设计特性获取设计活动，并得到零部件设计特性与设计活动的关系矩阵和设计活动之间的相关矩阵。
[0019]
进一步，全部零部件设计特性与设计活动关系矩阵为c
kl
(k＝1,2,
…
p,l＝1,2,
…
q)；设计活动与零部件设计特性之间表现为映射关系，c
kl
的取值范围为0和1，分别表示不相关和相关。
[0020]
进一步，步骤三中，关键设计活动求解过程如下：求解各项设计活动的关键度(h1,h2…hq
)＝(g1,g2…gp
)c
kl
；
[0021]
其中hr(r＝1,2,
…
q)表示第r项活动的关键度，重要度排序前30％的活动为关键活动。
[0022]
进一步，步骤四中，设计活动之间的相关矩阵中的元素包括：∧、∨、
×
、о；
[0023]
tj为行，tj为列；代表设计活动；
[0024]
第i行，第j列的元素为
×
，则代表第i行，第j列的元素的元素相互依赖；
[0025]
第i行，第j列的元素为о，则代表第i行，第j列的元素的元素互不依赖；
[0026]
第i行，第j列的元素为∧，则代表第i行的元素依赖第j列的元素；
[0027]
第i行，第j列的元素为∨，则代表第j列的元素依赖第i行的元素。
[0028]
设计结构矩阵：tj为行，tj为列，代表设计活动，主对角线上的元素代表活动自身；对角线上方的元素表示活动信息向上游反馈，对角线下方的元素表示活动信息向下游传递；
[0029]
映射规则：设计活动之间的相关矩阵中tj依赖于ti的信息开展则tj为ti上游；ti依赖于tj的信息开展则ti为tj上游。
[0030]
进一步，步骤五中，耦合活动识别过程如下：
[0031]
将设计结构矩阵转换为邻接矩阵h；
[0032]
求可达性矩阵m＝i∪h∪h2∪h3∪
…
∪h
15
；
[0033]
计算可达性矩阵与可达性矩阵的“乘积”z＝m∩m
t
(z
ij
＝m
ijmji
)；
[0034]
在“乘积”z中，若某行或列中的元素除对角线元素外均为零，则该行或列对应的活动为独立活动；否则，该行或列中所有不为零的元素对应的活动为耦合活动；将所有的耦合活动合并为耦合集；
[0035]
分割排序过程如下：
[0036]
通过模糊集建立设计结构矩阵涉及的各个活动之间的信息依赖度；
[0037]
根据信息依赖度将设计结构矩阵转换为数字设计结构矩阵；
[0038]
选择不同的聚类水平对数字设计结构矩阵进行聚类；
[0039]
计算不同聚类水平下的效用值：其中x为聚类集合数，y为单个集合内的关键活动数与活动总数的比值，为y的均值；
[0040]
比较不同聚类水平下的效用值，以效用值最小的聚类水平进行聚类得到多个耦合集；
[0041]
通过撕裂算法计算各个耦合集内活动的信息依赖强度di＝si/so；si为活动的信息输入强度，so为活动的信息输出强度；
[0042]
根据信息依赖强度的大小确定各耦合集内活动的开展顺序。
[0043]
进一步，步骤六中，排序方式如下：将各耦合集视为单个活动，与非耦合活动构成一个新的缩减矩阵；除主对角线外所有元素为空的行或列对应活动向前或列排列；当剩余矩阵除对角线外所有行与列均含非空元素时，忽视除主对角线全为空的行以及该行对应的列，记录该节点为第一个活动；重复上述操作，记录对应节点为次一个活动，最终获得活动的拓扑排序。
[0044]
本发明的有益效果：
[0045]
本发明在常规质量屋的基础上进行了改进和扩展。本发明可以综合考虑顾客需求的影响，针对四性综保一体化设计的有意迭代特征所带来的大规模耦合任务集问题，对设计过程进行分解和排序，从而完成产品功能性能与四性综保一体化设计流程分解。
附图说明
[0046]
图1为常规质量屋瀑布式分解过程示意图；
[0047]
图2为过程规划质量屋示意图；
[0048]
图3为相关矩阵与设计结构矩阵映射关系示意图；
[0049]
图4为本发明的整体框架示意图；
[0050]
图5为示例中顾客需求与工程技术参数关系矩阵a；
[0051]
图6为示例中工程技术参数与零部件设计特性关系矩阵b；
[0052]
图7为示例中零部件设计特性与设计活动关系矩阵c；
[0053]
图8为示例中将相关矩阵映射为设计结构矩阵的示意图；
[0054]
图9为示例中将从布尔设计结构矩阵转化得到的数字设计结构矩阵；
[0055]
图10为示例中经流程分解和排序得到的设计结构矩阵。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
一种基于改进质量屋的功能性能与四性综保一体化设计流程分解方法，主要包含以下步骤。
[0058]
步骤一：通过常规质量功能展开获取零部件设计特性
[0059]
对于通过市场调查、集中小组讨论、访谈等方式获取的产品功能性能与四性综保
综合设计需求即顾客需求，进行多级常规质量功能展开。围绕图1所示的常规质量功能展开瀑布式分解过程，以具有可量度和可操作性的技术术语的方式来满足顾客的功能性能与四性综保需求，将功能性能与四性综保需求转化为产品的工程设计参数与零部件设计特性，进而得到顾客需求与工程技术参数的关系矩阵以及工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵。
[0060]
例1：以某传动系统设计为例进行分析。利用产品规划质量屋和零部件规划质量屋进行常规质量功能展开，顾客需求论域u＝{反应时间短(u1),结构紧凑(u2)，可靠性高(u3)，易于维修(u4)，开发周期短(u5)}。工程技术参数论域t＝{电路功能(t1),箱体结构(t2)，电路板结构(t3)，散热性(t4)，可靠性指标(t5)，维修性指标(t6)}。零部件设计特性论域v＝{电路结构与参数(v1),箱体外形(v2)，电路板尺寸(v3)，装配干涉分析(v4)，应用优选器件(v5)，热分析(v6)，可靠度(v7)，可维修性(v8)，mttr(v9)}。
[0061]
步骤二：通过改进质量功能展开获取设计活动
[0062]
围绕图2所示的过程规划质量屋，完成过程规划质量功能展开。参考工作分解结构(参照标准gjb 2116a《武器装备研制项目工作分解结构》)，将零部件设计特性映射为相应的设计活动，并得到零部件设计特性与设计活动的关系矩阵和设计活动之间的相关矩阵。
[0063]
例2：接例1，基于改进质量屋获得15项设计活动，如下表所示：
[0064]
表1系统设计活动列表
[0065][0066]
步骤三：通过常规质量屋和改进质量屋的关系矩阵求解关键设计活动
[0067]
通过常规质量屋和过程规划质量屋的关系矩阵求解关键活动。在利用产品规划质量屋进行顾客需求向工程技术参数的常规质量功能展开中，定义各项顾客需求的重要度为(k1，k2，k3…km
)，取值范围为[0,10]。常规质量功能展开后，得到顾客需求与工程技术参数的关系矩阵为a
ij
(i＝1,2,
…
m,j＝1,2,
…
n)，其中a
ij
采用{0，1，3，5，7，9}进行等级评分，依次表示不相关、弱弱相关、弱相关、一般相关、强相关以及强强相关。各工程技术参数的重要度(e1,e2…en
)通过(k1,k2…km
)a
ij
进行评估。
[0068]
在利用零部件质量屋进行工程技术参数向零部件设计特性的常规质量功能展开中，工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵为b
jk
(j＝1,2,
…
n,l＝1,2,
…
o)，其中b
jk
的评分标准与a
ij
评分标准一致。全部零部件设计特性的重要度(g1,g2…gp
)通过(e1,e2…en
)b
jk
进行评估。
[0069]
最后，定义通过改进过程规划获取的全部零部件设计特性与设计活动关系矩阵为c
kl
(k＝1,2,
…
p,l＝1,2,
…
q)，由于设计活动与零部件设计特性之间表现为映射关系，c
kl
的取值范围为0和1，分别表示不相关和相关。各设计活动关键度可通过(h1,h2…hq
)＝(g1,g2…gp
)c
kl
计算，其中hr(r＝1,2,
…
q)表示第r项活动的关键度，通过hr可确定关键活动，重要度前30％的活动作为关键活动。
[0070]
例3：接例1和例2，定义各项顾客需求的重要度为(5，4，5，4，3)，取值范围为[0,
10]。顾客需求与工程技术参数的关系矩阵a如图5所示，其中a
ij
采用{0，1，3，5，7，9}进行等级评分，依次表示不相关、弱弱相关、弱相关、一般相关、强相关以及强强相关。通过(k1,k2…km
)a
ij
对工程技术参数的重要度进行评估，工程技术参数t1的重要度计算过程如下所示，同理获得整体工程技术参数的重要度为(95，79，79，52，70，49)。
[0071]
e1＝k1*a
11
+k2*a
12
+k3*a
13
+k4*a
14
+k5*a
15
[0072]
＝5*9+4*5+5*3+4*3+3*1＝95
[0073]
工程技术参数与零部件设计特性的关系矩阵b如图6所示，其中b
ij
采用{0，1，3，5，7，9}进行等级评分，依次表示不相关、弱弱相关、弱相关、一般相关、强相关以及强强相关。通过(e1,e2…en
)b
jk
对零部件设计特性的重要度进行评估，零部件设计特性v1的重要度计算过程如下所示，同理获得整体零部件设计特性的重要度为(1709，1663，2264，1444，1286，1882，1376，1574，1040)。
[0074]
g1＝e1*b
11
+e2*b
12
+e3*b
13
+e4*b
14
+e5*b
15
+e6*b
16
[0075]
＝95*9+79*0+79*3+52*5+70*3+49*3＝1709
[0076]
零部件设计特性与设计活动的关系矩阵c如图7所示，其工程设计参数均来源于v。通过(g1,g2…gp
)c
kl
对各项活动的关键度进行评估，活动1的关键度计算过程如下所示，同理获得所有活动的关键度为(9799，7231，2662，1376，1376，2416，3018，3372，4146，5501，2703，1040，1040，3702，3107)。取值最高的前4项为其关键活动，也就是活动1，2，9，8。
[0077]
h1＝g1*c
11
+g2*c
12
+g3*c
13
+g4*c
14
+g5*c
15
+g6*c
16
+g7*c
17
+g8*c
18
+g9*c
19
[0078]
＝1709*0+1663*1+2264*1+1444*0+1286*0+1882*1+1376*1+1574*1+1040*1
[0079]
＝9799
[0080]
步骤四：将改进质量屋相关矩阵转换为设计结构矩阵
[0081]
通过改进过程规划获取的设计活动之间的相关矩阵用于描述活动之间的信息依赖关系，为了对产品设计过程进行有效的规划和分析，根据矩阵定义将相关矩阵转换为设计结构矩阵，如图3所示。
[0082]
在相关矩阵中，ti∧tj表示活动tj依赖于ti的信息开展；ti∨tj表示活动ti依赖于tj的信息开展；ti×
tj表示活动tj与ti相互依赖；tiоtj表示活动tj与ti相互独立。
[0083]
在设计结构矩阵中，行与列代表设计活动，主对角线上的元素代表活动自身。对角线上方的元素表示活动信息向上游反馈(即上游活动依赖下游活动的信息开展)，对角线下方的元素表示活动信息向下游传递(即下游活动依赖上游活动的信息开展)。
[0084]
例4：接例2，将改进质量屋的相关矩阵转换为设计结构矩阵，结果如图8所示。
[0085]
步骤五：识别和处理设计结构矩阵中的耦合活动
[0086]
将设计结构矩阵转化为邻接矩阵，对其进行幂运算，并与单位矩阵求和获得可达性矩阵m，计算可达矩阵与其转秩矩阵m
t
的“乘积”z＝m∩m
t
(z
ij
＝m
ijmji
)，识别所有的信息循环通路。如果活动所在行(列)的元素除对角线元素z
ii
外，其余元素均为0，则活动为独立活动，否则在同一行(列)中所有为不为0的元素所对应的活动构成一个强连通分支，即这些活动在同一耦合集中。再对这些强连通分支进行合并，最终识别得到相应的耦合集以及剩余的非耦合活动。
[0087]
识别得到耦合集后，为对耦合集进行分割，根据信息联系的紧密程度，将布尔设计结构矩阵按照活动之间信息依赖强度的强弱转换为数字设计结构矩阵u
ij
，u
ij
∈[0,1]，信
息依赖度一般通过模糊集方式建立，可根据实际需要采用多指标的方式描述这种设计活动间的信息依赖关系。若采用多个指标，那么可按相乘效用函数法将多个指标转化为单一综合指标，然后针对各单一综合指标，按9级标度给定一个[0-1]区间的模糊数。
[0088]
选择合理的聚类水平λ计算截集进行动态聚类，通过计算不同聚类结果效用值pi，其中x为聚类集合数，y为单个集合内的关键活动数与活动总数的比值，为y的均值。从中选择p值最小的聚类方案。
[0089]
在选中的聚类方案的基础上，通过撕裂算法计算各耦合集内活动的信息依赖强度di＝si/so，根据d的大小确定各耦合集内活动的开展顺序(信息依赖强度小的在前)，其中si为活动的信息输入强度，so为活动的信息输出强度。
[0090]
例5，接例4，将15阶设计结构矩阵转化为邻接矩阵h(当活动之间具有信息传递关系时元素为1，否则为0)。然后对邻接矩阵h进行幂运算，并与单位矩阵求和获得可达性矩阵m(m＝i∪h∪h2∪h3∪
…
∪h
15
，i为单位矩阵)。计算可达矩阵m与其转秩矩阵m
t
的乘积得z＝m∩m
t
，进而判断出非耦合活动为4和11，剩余的13个活动构成一个规模庞大的耦合活动集合，并根据模糊集方法给出信息依赖度，将布尔设计结构转换为数字设计结构矩阵，结果如图9所示。
[0091]
合理的聚类水平λ及聚类结果如表2所示。
[0092]
表2模糊聚类结果
[0093][0094]
当聚类水平为0.52≤λ≤0.63时，对应聚类结果{12}，{13}，{2,3,5,6,8,14}，{1,7,9,10,15}的效用值p最小，为0.182，详细计算过程如下所示。(步骤三分析得关键活动为1、2、9、8)
[0095]
y1＝0；y2＝0；y3＝2/6；y4＝2/5；
[0096]
p＝4*[(11/60)2/3+(11/60)2/3+(2/6-11/60)2/3+(2/5-11/60)2/3]＝0.182
[0097]
其中耦合集{2,3,5,6,8,14}，{1,7,9,10,15}包含的活动数量均超过1，结合数字设计结构矩阵，以设计活动1为例，详细说明信息依赖强度d的计算过程。
[0098]
d1＝si/so＝(0.6+0.5+0.5+0.2+0.2)/(0.2+0.8+0.2+0.8+0.8+0.5+0.8+0.8)＝0.408
[0099]
完成各耦合集内设计活动信息依赖强度d的计算，并根据设计活动d的大小确定各耦合集内活动的开展顺序(信息依赖强度小的在前)，进而获得执行顺序为：{3
→2→8→
14
→6→
5}，{1
→9→
15
→7→
10}。
[0100]
表3信息依赖强度d计算结果
[0101][0102]
步骤六：活动排序
[0103]
将各耦合集视为单个活动，与非耦合活动构成一个新的缩减矩阵。除主对角线外所有元素为空的行(列)对应活动向前(后)排列。当剩余矩阵所有行与列(除对角线外)均含非空元素时，忽视除主对角线全为空的行以及该行对应的列，记录该节点为第一级活动。重复上述操作，记录对应节点为次一级活动，最终获得活动的等级划分和拓扑排序。
[0104]
例6：接例5，按照排序方法，对非耦合活动4和11与耦合集{12}，{13}，{2,3,5,6,8,14}，{1,7,9,10,15}进行排序，获得如图10所示规划后的设计结构矩阵，并得到活动执行级别的顺序为：
[0105]
{4,11}
→
{1
→9→
15
→7→
10}
→
{3
→2→8→
14
→6→
5}
→
{13}
→
{12}。
[0106]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。