在简化QFD分析过程和矩阵框架的基础上，提出了一种支持并行工程的设计约束展开(DCD)方法。该方法将适用对象由QFD方法中单纯的顾客需求扩展到并行工程整个产品生命周期中的所有约束，使得分析过程更具灵活性，并为并行设计过程提供了一个一致的环境。讨论了DCD方法中约束的确定和矩阵的结构与算法两个问题，并以DFA为例给出了一个DCD方法的应用实例。
引言
自1989年R.I.Winner提出并行工程思想以来，对于并行工程的理论研究和实践应用已取得了长足的进步。作为并行工程的重要环节，并行设计(Concurrent design)的研究也取得了重要进展，并在产品开发工具CAD/CAM软件中得到了有力的支持。
质量功能展开(QFD)方法60年代末由日本的水野滋(Shigeru Mizuno)和赤尾洋二(Yoji Akao)等人提出，并在1972首次应用于日本的三菱重工的神户(Kobe)造船厂。1977年，在丰田公司成功应用了QFD后，该方法在日本取得了巨大成功并得到了迅速推广。作为并行工程中的一个重要方法，目前，QFD在一些工业发达国家或地区已成功推广到汽车、电子、服装、船舶、农业机械、涡轮机、建筑设备、软件开发等很多领域。
QFD方法用矩阵(质量屋)的形式将顾客需求与如何实现这些要求的工程特性联系起来。最终用户(市场)的需求可通过QFD矩阵被逐层分解到每一个分系统、部件乃至零件。其最终结果是得到每个工程特性的相对重要度，这个结果揭示了设计团队在设计的各个方面应投入的精力的比例，从而可以保证把有限的资源优先配置到最重要的项目中去。
传统QFD方法的输入是一系列的主观性的客户偏爱。其输出是产品规格的详细说明和资源配置方案。QFD矩阵这种单一的输入实际上也限制了QFD的使用范围和输出结果的有效性。我们认为作为一种思想，QFD中所采用的矩阵方法可以推广到整个并行设计过程。
面向产品全生命周期的约束展开方法
QFD的输入一般情况下是根据VOC(Voice Of Customer)确定的。但是从广义上讲，Customer也包括企业内部员工，比如装配人员。更广义上来说企业的设备、设施等对产品的约束也应该属于VO的一个组成部分。据一项对美国12家大型技术性企业的调查表明，造成产品开发延误的原因中，71%是因为不良的产品定义。而不良的产品定义主要源自于产品从设计到生产制造的各个环节的脱节，尤其是在设计阶段，设计者仅按照自己的意愿设计产品，很少考虑顾客的需求和产品制造的要求。
并行设计强调综合考虑产品生命周期中的多种因素对产品设计的影响，因而并行设计中用户需求的内涵不再仅仅是产品顾客的需求，而应包括与产品相关的所有阶段用户的需求。产品开发过程中，设计、工艺、制造、装配、检验、测试、维护等环节之间存在着相互制约、相互依赖关系：设计规范、设计规律、各领域之间的一致性要求等，我们将这些关系称为约束。约束的表现形式从逻辑上表现为各环节之间的约束、各环节中人与人之间的约束，从数据上表现为变量之间的关系和限定，它是产品设计空间复杂度的体现。基于约束的并行设计过程就是寻找一个满足各种约束条件的解的过程。
事实上，在产品的整个生命周期中需要考虑的因素都可以尝试将它们提前。下表是产品的整个生命周期中的各种约束。
产品开发团队需要考虑的各种约束表
因此，我们在利用QFD中的质量矩阵展开形式的基础上，提出一种基于并行设计的设计约束展开方法DCD，它将QFD矩阵的输入范围扩大至产品全生命周期中的所有约束，其概念框架见图1。
图1 DCD矩阵
并行工程作用在于将从前在产品生命周期的各个阶段对产品施加的约束都提前到产品规划和设计阶段，及早明确对产品的定义。目前QFD、DFMA等并行工程方法其目的都是为了将各种约束提前：QFD将在以往的产品设计中产品面向顾客时才施加约束(VOC)提前到产品规划阶段实施，而DFMA将从前直到产品制造和装配时才施加的约束提前到设计阶段。很明显，在产品开发的早期考虑的合理的约束越多，产品定义就越明确；产品开发的边界范围定得越小，产品就越容易得到优化。因此，在同等条件下，给产品规划和设计阶段施加的合理约束越多，产品的开发周期就越短，产品成本就越低。于是，我们可以说，将约束提前对产品开发过程是有利的，在设计过程中有必要采用DCD方法。
与QFD一样，DCD也是一种多层次的演绎分析方法。它体现了并行工程的要求，以约束为产品研制重要依据的指导思想。DCD方法的研究目的是探索一条在矩阵中使用并行设计过程中的各种约束的方法。DCD是一个多面体形结构，其核心部分是优化后的产品设计方案。多面体的每一个面代表一类约束，如果该约束为用户需求，则DCD即演化为QFD。
DCD可用来作为产品过程改进的一种支持工具。并行工程与传统串行过程的本质区别在于它把产品开发的各个活动视作一个集成的、并行的产品开发过程。实施并行设计过程不能由原来的串行过程简单地并联化得到，而必须对整个产品开发过程进行重组、优化和管理。在DCD方法中，通过对各种约束的逐步展开，最终可以得到产品设计方案中各工程特性的重要度数据。企业决策者可以根据这些数据对设计过程中的时间、资源和人员进行配置和优化，从而使设计过程能够得到有效重构。nextpage
DCD方法中的两个关键问题
用户需求(约束)的确定
在标准的QFD分析过程中，用户需求一般是指最终用户对产品的要求，其内容是消费者对产品使用功能、性能及价格的要求和愿望。而在本文所描述的DCD模型中，用户需求指的是不同的用户产品设计的各种约束，它们一般以性能要求、规则、法规等方式体现出来。这些约束在产品开发过程中以设计输入形式作用于产品设计主模型。我们可以将这些用户分为消费者用户、技术用户、制造用户和管理机构用户。与其相对应，将产品需求分为消费者需求、技术需求、制造协作需求和管理需求等几类。
ISO9000及ISO9001(4.4.3)在产品设计导则中规定了规范的设计输入应包括：“产品性能要求/技术规范；附带有关技术状态、结构、输入的要素和其它设计特点的技术规范的产品说明书。”产品需求模型在内容上要求满足ISO90001中对设计输入的规定并根据需要加以扩展，以作为设计约束展开的先决条件。
在约束数量巨大的情况下，应将约束分类展开。在操作上可以采用因果图和AHP方法相结合的办法，通过因果图法细化约束并建立各种约束的层次关系，使用AHP法得到各种约束的权重。
DCD矩阵的结构和算法
由于DCD中的约束种类繁多、数量巨大，往往需要分成多个类进行分析，因此DCD矩阵的结构需要对约束进行分类。根据不同的种类分别建立矩阵，不同类型的约束其矩阵也可能是不同的，比如在QFD中，矩阵的右边有“市场评估”等项目，而在其它的DCD矩阵中就没有这一项。矩阵下方的目标值也可以由设计方案评估代替。因此，DCD矩阵可以在图1所示矩阵的基础上根据需要进行调整和简化，它没有一个固定的格式。典型的DCD矩阵框架如图2所示。
图2 DCD矩阵的结构
以用户需求和工程特性矩阵为例，矩阵的左边第一列为用户需求项，第一行为工程特性项，中间部分则是两者的关系评价区。“关系矩阵”部分是一个n×m矩阵，n和m分别是用户需求项和工程特性项的个数：
其中Rij为工程特性第j项Di与用户需求第i项U之间的关系，采用QFD方法中通用的0，1，3，9标度，值越大表示关系越紧密。由于在Rij=0时，矩阵对应单元格为空白。因此，在一般情况下，该矩阵是一个稀疏矩阵。
工程特性权重的算法如下：
式中，Wi是第i列用户需求元素的相对权重；Rij是第i行用户需求与第j列工程特性的关系值；Sci是第i行用户需求与所有工程特性关系值的代数和即矩阵第i行元素的代数和；Wcj是第j列工程特性元素的相对权重。nextpage
实例：基于DFA准则的DCD方法
DFX技术是设计方法论和设计支持技术的重要研究内容之一，是产品开发的有效方法和技术，可装配性设计DFA是其中较为典型和成功的应用实例，在这方面具有较强的代表性。因此我们将以DFA为例说明DCD方法及其约束思想在并行工程中的具体应用。为区别起见，我们称之为DFA-DCD。
DFA准则可以理解为装配过程对设计的约束。利用因果图对模糊的约束进行细化，这个过程需要根据企业的具体实际完成。针对某通讯设备生产企业的机柜产品的约束细化为图3所示因果图(部分)。
图3 DFA-DCD的因果图
针对DFA设计准则的特点，我们需要将QFD分析过程作适当的简化，采用两阶段分析方法，将完整的QFD分析过程简化为两个矩阵：用户(DFA)需求与工程特性矩阵、工程特性与技术特性矩阵。DFA-DCD的分析过程实际上是对矩阵内的各种关系进行评价，最后得出各个项目的重要度。根据图3可知本例中DFA-DCD的输入为：“电线走线要合理”等10项。由DCD1矩阵展开后可得到“避免横穿机柜的电缆”、“电缆根部不承受力”等工程特性，在DCD2中再根据目标产品的具体情况展开成技术特性，这类展开工作也可以借助于因果图来完成。考虑到装配过程的多样性，DCD1中输出的工程特性与DCD2输入的工程特性可以不完全一样，后者可以只是前者的一个子集。为此我们引入Inh标记，即在前一个矩阵中只有被标记为“Inh”的工程特性才被继承到后一个矩阵中。面向DFA的DCD分析过程的分析过程如图4所示。
图4 DFA-DCD系统的分析过程
由于企业的外部环境和本企业的内部状况对设计者产生的约束之间存在非常复杂的关系，实际上设计者不可能设计出理论上完美的产品，只能实现局部的、有限的设计目标。因此，需要一个对产品设计进行评价的方法，就是引入约束指数(Constrain Index，CI)的概念。在DFA-DCD中，约束指数即为DFA指数。它由技术特性权重和对技术特性的评价值计算得到，即：
其中W″i是式(3)的结果，即第i列技术特性元素的相对权重；Vi是对某次设计满足相应技术特性程度的评价值。ViI{1，2，3，4，5}，值越大表示满足程度越高。
最后还要引入可接受的约束指数(Acceptabl ConstraintIndex，ACI)，它是根据经验数据设定的如果一个设计的约束指数CI不小于满意约束指数ACI，则可认为该设计方案是成功的。
结论
作为QFD方法的一种推广，本文提出了一种实用的基于产品生命周期中各种约束的秉性设计方法：DCD方法。作为QFD方法的一种推广，DC具有实用、灵活等特点。结合并行工程的一个具体约束：DFA准则，本文建立了一个基于DFA准则的DCD分析框架，验证了DCD方法的可行性和实用性。目前，DCD方法已在某通讯产品制造企业的结构件设计过程中得到了应用。尽管DCD方法还不是很完善，需要在今后的工作中做进一步的探讨和研究。但是，作为并行工程过程改进的一种支持工具，本文的研究不失为一种有益的尝试。
