潘密密，樊樹海，方葉祥，厲金宏，夏春燕

（南京工業(yè)大學經(jīng)濟與管理科學學院，江蘇南京 210009）

0 引言

經(jīng)濟競爭已成為世界各國競爭的焦點和社會發(fā)展的主要動力。對于衡器業(yè)來說，競爭的核心是新產(chǎn)品設計和制造技術的競爭。產(chǎn)品創(chuàng)新設計作為制造業(yè)的靈魂，因此開展產(chǎn)品創(chuàng)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(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)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(yōu)的設計所含的信息內(nèi)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(chǎn)品的公理化設計過程可模式化為功能需求和設計參數(shù)之間的映射過程:

其中:FRS（FR1，F(xiàn)R2，…，F(xiàn)Ri）為產(chǎn)品的功能需求;DPs（DP1，DP2，…，DPj）即為產(chǎn)品的設計參數(shù)（design parameters）;［A］為設計矩陣，Aij表示設計參數(shù)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(shù)相等（即i=j），則根據(jù)［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?lián)Q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(chǎn)品，成為企業(yè)市場競爭的核心。最初客戶需求FR0定為:FR0=商用衡器性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，客戶滿意度高;DP0=采用從得到客戶需求到最終把產(chǎn)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(zhì)量可靠性;FR2=成本控制;FR3=生產(chǎn)周期短;FR4=安全性能。DP1=應用全面質(zhì)量管理的策略;DP2=降低各項成本的策略;DP3=整個價值流優(yōu)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(shù)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，F(xiàn)R1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(huán)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(shù)。

確定DP2后，F(xiàn)R2可以進一步分解為:FR21=降低生產(chǎn)成本;FR22=降低交易成本;FR23=降低采購成本;DR21=用互聯(lián)網(wǎng)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，F(xiàn)R4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(diào)試、校準數(shù)據(jù)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(jù)DP11，F(xiàn)R11可以進一步分解:FR111=零點穩(wěn)定性;FR112=同一量程，重復三次測試在允許誤差范圍內(nèi);FR113=不同量程誤差在允許誤差范圍內(nèi);FR114=同一量程，不同時間誤差在允許范圍內(nèi);DR111=開機測試零點穩(wěn)定性;DR112=重復性測試其穩(wěn)定性;DR113=線性測試;DR114=蠕變測試。

根據(jù)DR21，F(xiàn)R21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(chǎn)品流向為導向的布局;DR212=按照節(jié)拍，確定加工參數(shù)，增加工具壽命;DR213=人力的有效利用。

以上分析可知，在產(chǎn)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?shù)捻樞虿拍軡M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(chǎn)品設計的合理性提供辨別準則和科學依據(jù)，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(xiàn)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(yōu)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.