獨立性公理在商用衡器設計中的應用

潘密密，樊樹海，方葉祥，厲金宏，夏春燕

（南京工業大學經濟與管理科學學院，江蘇南京 210009）

0 引言

經濟競爭已成為世界各國競爭的焦點和社會發展的主要動力。對于衡器業來說，競爭的核心是新產品設計和制造技術的競爭。產品創新設計作為制造業的靈魂，因此開展產品創新設計理論及應用研究就顯得尤為重要。公理化設計作為一種科學產品設計方法，為設計人員評價設計的可接受性提供了標準，同時也為設計的改進提供了系統的指導和基本的方向［1］。

1 公理化設計理論

公理化設計（axiomatic design，AD）是美國麻省理工學院Nam P Suh教授于1990年在《The Principles of Design》［2］一書中正式提出的。其目的是為設計建立科學基礎，通過為設計者提供基于邏輯和理性的思維方法和工具，改善設計活動。

1.1 公理化設計中域的概念

域分為四種類型［3］，即用戶域（customer domain）、功能域（functional domain）、物理域（design domain）、過程域（process domain）。域的結構及域間關系如圖1所示。相鄰的兩個域中，左邊的域是“要達到什么目標”而右邊的域是“選擇什么方法來實現左邊域的要求”。

1.2 公理化設計中設計公理

獨立性公理:保持功能要求之間的獨立性。信息公理:力求使設計的信息量最少。

圖1 域結構及域間關系

獨立公理是保證設計功能需求（functional requirements）FRs的獨立性。信息公理是在滿足獨立公理的所有設計方案中，最優的設計所含的信息內容（information content）最少。設計信息量I可表示為:

p為滿足功能需求的成功概率。產品的公理化設計過程可模式化為功能需求和設計參數之間的映射過程:

其中:FRS（FR1，FR2，…，FRi）為產品的功能需求;DPs（DP1，DP2，…，DPj）即為產品的設計參數（design parameters）;［A］為設計矩陣，Aij表示設計參數DPj對功能需求FRi的影響程度，若Aij=0，則表明DPj對FRi，沒有影響。若取功能需求與設計參數相等（即i=j），則根據［A］的不同形式，設計可分為三種類型:1）非耦合設計（uncoupled design）:當A為對角陣;2）弱耦合設計（decoupled design）:當A為上/下三角陣;3）耦合設計（coupled design）:A既非三角陣也非對角陣。

2 獨立公理在商用衡器設計中的應用

2.1 實例分析［4-5］

近年來，商用衡器的更新換代速度越來越快，競爭也越來越激烈。如何設計出客戶滿意的產品，成為企業市場競爭的核心。最初客戶需求FR0定為:FR0=商用衡器性能穩定，質量可靠，客戶滿意度高;DP0=采用從得到客戶需求到最終把產品送到客戶手中，整個過程控制的策略。

2.2 第一級分解

對總目標進行分解:FR1=質量可靠性;FR2=成本控制;FR3=生產周期短;FR4=安全性能。DP1=應用全面質量管理的策略;DP2=降低各項成本的策略;DP3=整個價值流優化的策略;DP4=符合國家安全標準的策略。功能域中的功能要求與結構域中的設計參數之間的關系可表示為:

通過該步驟可以確定設施布置的方案。上面的目標和策略設計屬于非耦合設計，滿足獨立性公理。

2.3 第二級分解

確定DP1后，FR1可以進一步分解為:FR11=計量準確性;FR12=耐沖擊性能;FR13=耐高低溫性能。DR11=加大過程控制的策略;DR12=模擬使用運輸環境，進行跌落驗證策略;DR13=高低溫老化策略。設計方程為:

設計矩陣是對角矩陣，為無耦合設計，符合獨立公理的應用。

類推，其他的功能要求也需進一步分解，為滿足各自的目標，就需確定相應的設計參數。

確定DP2后，FR2可以進一步分解為:FR21=降低生產成本;FR22=降低交易成本;FR23=降低采購成本;DR21=用互聯網整合供應鏈的策略;DR22=供應鏈采購管理;DR23=嚴格控制其他成本的策略。設計方程為:

確定DP4后，FR4可以進一步分解為:FR41=衡器操作安全性;FR42=反作弊安全性;FR43=衡器應用軟件的安全性;DR41=按照操作說明書上使用安全;DR42=加強衡器運行、調試、校準數據的保護功能;DR43=軟件加密措施;設計方程為:

2.4 第三級分解

根據DP11，FR11可以進一步分解:FR111=零點穩定性;FR112=同一量程，重復三次測試在允許誤差范圍內;FR113=不同量程誤差在允許誤差范圍內;FR114=同一量程，不同時間誤差在允許范圍內;DR111=開機測試零點穩定性;DR112=重復性測試其穩定性;DR113=線性測試;DR114=蠕變測試。

根據DR21，FR21可以進一步分解:FR211=降低運輸成本;FR212=降低加工成本;FR213=降低人工操作成本。DR211=以產品流向為導向的布局;DR212=按照節拍，確定加工參數，增加工具壽命;DR213=人力的有效利用。

以上分析可知，在產品設計過程中，設計矩陣不是對角陣就是三角陣，表明此設計滿足獨立性公理，是合理的設計。事實上，無耦合設計是很困難的，只要得到準耦合設計就可以了。此時設計者在選擇策略時必須按適當的順序才能滿足各子項目標要求間的獨立性。

3 結語

公理化設計理論旨在為產品設計的合理性提供辨別準則和科學依據，提供了一種自頂向下的設計思路;應用公理化設計理論進行商用衡器設計，降低了商用衡器設計的復雜性，給出了商用衡器設計步驟;利用基于公理化設計理論的商用衡器設計方法，可在設計過程當中判斷設計是否滿足獨立性公理，是否為合理的設計，進而改進設計，提高工作效率。

［1］程賢福，公理設計理論研究現狀［J］.機械設計，2009，（5）:3-6.

［2］Suh N.P.Designing-in Quality Through Axiomatic Design，IEE Transaction on Reliability，1995，44（2）:p.256-264.

［3］朱龍英，朱如鵬，劉正勛.公理化設計理論研究及其應用［J］.機械設計與研究.2004，（8）:43-47.

［4］鄭稱德.公理化設計基本理論及其應用模型［J］.管理工程學報，2003，（2）:81-85.

［5］程賢福.獨立公理在多目標優化設計中的應用研究［J］.機械強度，2009，31（3）:405-409.

［6］Wang Xiaoyong，Tang Dunbing，LouPei huang.INFORMATION AXIOM BASED EVALUATION APPROACH TO FACILITY LAYOUT PROBLEM ［J］.Transactions of Nanjing University of Aeronautics＆Astrinautics，2009（9）:1703-177.