2.1.1 产品自适应
产品能自主适应需求的变化是产品自适应设计的目标。产品自适应要素是以产品为核心,采用设计变更或迭代设计方式以适应新的需求或新的环境。如图2-1所示,产品自适应特征主要体现在可靠性、稳健性、模块化和可定制性四个方面。
图2-1 产品自适应的特征
1)产品内部变化的适应性:可靠性。可靠性一般是指元件、产品、系统在指定的环境中,且在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。包括从故障中恢复或预防故障的概率、从部分故障中恢复的能力或相对于潜在故障模式的可靠性。产品内部变化的适应性可通过耐久性、可维修性和设计可靠性体现。其中,耐久性是指产品使用无故障或使用寿命长;可维修性是指当产品发生故障后,能够很快、很容易地通过维护或维修排除故障;设计可靠性是决定产品质量的关键,由于人机系统的复杂性、操作的差错及使用环境的影响,发生错误的可能性依然存在,尤其在复杂设计中,需要非常高的可靠性。产品的可靠性可通过可靠度、失效率、平均无故障间隔等来评价,并通过设计故障安全、冗余和并行子系统来实现。
2)不可控的外部变化适应性:稳健性。如操作环境的变化,制造、供应链、材料的可用性。产品对这些制造和操作条件的变化适应性通常用稳健性来度量。产品具备稳健性的重要方法是稳健设计,最早的研究始于第二次世界大战后的日本,田口玄一博士于1950—1958年创立的三次设计法(Three Stage Design)奠定了稳健性设计的理论基础,所以稳健性设计方法也称田口方法。稳健设计使用S/N(信噪比)评估产品的稳健性,在参数设计上采用聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法,使产品具备适应不可控的外部变化的能力。
3)产品进化适应性:模块化。模块化是实现产品对环境和用户个性化需求适应性的重要方法。模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。产品的模块化设计是在一定范围内,对功能不同或者功能相同而性能、规格不同的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场不同需求的设计方法。模块化设计方法通过一般研究设计实体之间的耦合强度,实体的相互作用比与外部的相互作用更大,它们被组合在一起形成一个潜在的模块。通过模块化方法设计出的产品有不同类型的功能:基本功能、接口功能、扩展功能和自定义功能。其中,基本功能对系统至关重要,并且通常是反复出现的;接口功能将模块组合在一起(定位、紧固、适应匹配元素);扩展功能可能需要可选模块;自定义功能是非标准的,可以针对特定客户实现,并且通常不会模块化,因为其他客户的需求有限。综合而言,模块化是提高产品可扩展性、可配置性,进而实现产品自适应变换的一种重要途径,也是产品自适应设计的一种关键特征。
4)全新需求适应性:可定制性。产品的可定制性强调设计需求产生后,产品通过变换满足需求的难易程度。例如,飞行器设计中任务参数、有效载荷、射程、武器系统的变化,对于这种类型的适应性没有常规的措施,所以我们将它称为可定制性。与可定制性相关的关键研究是产品的设计变更理论,产品设计变更以适应需求的可行性、难度、成本和时间,变更(产品需求)可能产生在客户端,也可能是产品设计缺陷修改,甚至可能是产品开发、原型制作、全面生产或全面部署之后的故障等。通过对产品设计信息的关联约束建模,以及设计变更影响的评估预测,结合设计方法实现面向需求的产品定制。可定制性也称产品通过定制满足需求的能力,其深入研究为缩短产品开发周期提供最大可能。