模块化产品开发的基本思路

●模块化产品开发的基本思路

▲把产品族分解为模块，建立模块体系。不同模块组合构成柔性的、可变的、多样化的产品。

▲实现“以不变（模块系列）应多变（用户需求）的产品开发模式。

●系统分解为模块的基本原则

▲以功能为核心、结合组装结构进行分解。

▲系统通用要素的提取和分离，相似要素的简化、归并、统一，经典型化处理，形成模块。

▲分解点的选择：高内聚，低耦合。

?模块化产品开发模式

●模块化设计的基本方法

▲模块组合法：

新产品＝不变部分（通用模块）＋准通用部分（改型模块）

＋专用部分（新功能模块）

▲基本型派生法：研制一种基本型，通过变型（某些零部件的附加、替换、再加工），构成派生型产品，以满足不同需求。

▲组合法＋基本型派生法

?标准化、模块化对企业的价值

●现代模块化设计方法——“设计规则”

▲“设计规则”包含模块的三要素。

——模块“结构规则”：又称“划分规则”。确定构成系统的模块的轮廓（界线），即系统是由哪些模块组成的，它们是怎样发挥作用的。这实际上就是，系统分解（为模块）的规则、或系统要素组合（为模块）的规则。

——模块间“接口规则”：规定模块如何相互作用，模块间的位置安排、联系，如何交换信息。通过“接口规则”，固化模块间接口特征。

——模块“评定规则”：即系统集成与检测的规则。它是模块接口的检验、测定“标准”，以保证系统集成质量。

▲设计规则的价值：把“由上而下”的设计原则，具体化为确立设计规则。即系统设计之前需首先确定设计规则；突出了“接口”（界面）在模块体系建设中的作用。

?模块化产品开发模式

●模块化设计特点：与整体式设计方法有原则上的区别

▲面向产品族：一种模块能通用于多种产品。

——传统设计：面向某一具体产品；

——模块化设计：是面向整个产品族系统。

▲三个设计层次：

——模块化系统总体设计。

——模块系统设计。

——模块化产品设计。

▲由上而下设计：

——传统设计：由下而上着眼于功能设计、详细设计。

——模块化设计：首先着眼于产品族系统分解，由上而下建立通用模块体系，最后由模块组合构成的产品。

?模块化产品开发模式

●

●模块化思维的特点和规律：产品＝模块＋接口。

?当今企业技术环境面临的挑战（1）

●社会需求的多样化和个性化

▲生活水平和教育水准的提高，人们的爱好‘需求、审美观、价值观等逐渐向个性化发展，唤起了多样化的消费心态。

▲市场的激烈竞争，促使各企业不惜标新立异，开发出品种繁多的新产品，以适应市场需求的多变和提高市场的占有率。

●经济全球化、生产分散化和企业再造工程的兴起

▲随着经济全球化，世界市场变得越来越开放，协作成为经济结合的流行方式，跨国经济将成为21 世纪的主导。

?当今企业技术环境面临的挑战（2）

▲生产的分散化和专业化：企业的生存取决于它的技术能力和应变能力，小企业经营灵活，采用先进技术，随着技术更新的加快，大批中小企业兴起，形成生产的专业化和社会化。

▲企业再造和企业重组：以增强企业竞争能力和抗风险能力。

●时间已成为竞争的主要因素

▲时间紧缩：技术开发时间、产品寿命周期和投资回报周期的间隔迅速缩短。

?当今企业技术环境面临的挑战(3)

▲产品的成本和质量虽然仍是竞争的重要因素，但随着先进生产技术和设备的普遍采用，企业间的产品质量日趋接近，新产品的投放速度和交货期已成为决定竞争胜负的最关键因素。

●技术集成

▲功能集成：当今随着技术的发展，电子技术、计算机技术已渗透到各个领域，市场上任何一种产品都是一系列不同技术（功能）的集合体。

?当今企业技术环境面临的挑战(4)

▲系统集成：现代的各种技术系统都是多种技术设备的综合体，用户希望一个企业不仅是提供一种主产品，而能提供相关的成套设备和系统集成服务。

●面临挑战的对策

▲应对上述种种挑战的唯一途径就是模块化。由模块组成的柔性的产品或系统，能够适应多样化的需求和组织专业化生产，可快速组合成新产品，通过通用接口实现技术集成。

▲下述的大规模定制以及现代模块化和模块化时代的理论，都是应对上述挑战的对策和产物

?多样化的挑战（1）

?多样化的挑战（2）

●传统标准化面临多样化挑战

▲标准化的基本原则：约束多样化，治乱。

▲多样化(源于个性化需求和市场竞争)导致小批量、多品种生产。

●标准化向何处去？——模块化是一条“唯一”、“必由”之路。

▲多样化中含有规范化的因素，任何事物有它典型的构成模式，哪怕是“量体裁衣”，上衣和裤子是截然不同的。

▲集标准化多种要素于一体的“模块化”，能适应多品种、小批量生产的需要，它为多样

化时代的标准化工作开辟了一条新路。

?多样化的挑战（3）

?多样化的挑战（4）

●现代标准化——以模块化为纲

▲我国的“现代标准化”理论的诞生和价值：

——为适应多样化需求，在90年代初，以李春田教授为代表的我国标准化工作者了以模块化为核心“现代标准化”理论。

——指出标准化不会消亡，提出模块化可实现多样化与效益的有机统一，为信息时代的“多品种、小批量” 生产模式指明了方向和途径（是必由之路）。

——“现代标准化”是我国对标准化理论的创新，是标准化的革命。

?知识经济与“设计规则”的竞争(2)

▲知识经济理论形成于20世纪80年代初期。经济合作与发展组织(OECD) 在1996年首次提出“以知识为基础的经济”。预计，人类将在21世纪的下半叶全面进入知识经济时代。

▲知识经济必须以人的智力创造为核心，重视终身教育培训、重视建立创新机制。

●知识产权经济：知识产权是财富的主要来源，知识产权成为科技进步的主要产出，并对经济增长和社会进步的贡献率越来越大。知识产权权利资本的形式已成为决定生产力发展的主导要素

?大规模定制与模块化（1）

●大规模定制（MC）——21世纪企业竞争前沿

▲大规模定制（Mass Customization）（美国，1996年提出）

——目标：大规模定制是以大规模生产的速度和成本，满足用户的多样化、个性化需求。

——特点：在产品多样化和定制化的同时，不相应地增加成本。其基本原理如图所示：?大规模定制与模块化（2）

目标：速度快.成本低＋满足多样化.个性化需求

↓ ↓

制造手段：大规模生产＋定制＝大规模定制

↓ ↓

产品组成：通用模块＋柔性组装＝个性化产品

▲制造业的又一次革命——以模块化为技术手段

▲产生以模块化为核心的现代标准化——标准化的一次革命。以适应大规模定制的需要。

?大规模定制与模块化（3）

●企业生存发展的三大支柱（竞争力要素）分析

?大规模定制与模块化（4）

?大规模定制与模块化（5）

▲企业赶超国际水平的模式：以产品的研发生产模式（模块化）为突破口。模块化是企业的内功，主动权完全在自己手中。

●模块化成为各大公司的追逐目标

?大规模定制与模块化（6）

●适应MC的设计技术

▲要求：建立合理的产品族结构，同时完成一组产品（而不是一个）的设计，通过扩大

产品族中模块、标准件的比例来提高定制的速度，并降低成本。

▲设计的瓶颈：

——面向产品族，面向多用户的个性化需求。

——需在产品设计早期进行整体概念设计，建立模块化的、由生命力的产品体系模型。

——需电路、结构同时协调进行；模块划分与零部件结构协调

?大规模定制与模块化（7）

●现代标准化理论与大规模定制理论——殊途同归

▲我国对“多品种、小批量”生产模式的研究，形成了系统的以模块化为核心的现代标准化理论（1999）——主要从标准化和产品研发技术切入

▲美国在总结跨国公司经验后，提出以模块化为基础的大规模定制理论（1993）——主要从管理切入

?现代模块化与模块化时代（1）

●模块化的回顾与发展——四个阶段

▲原始模块化：模块化思维是人的天性，虽然没有模块化理论指导，但许多事物呈现出模块化特征。是模块化意识的成功应用。

——人类三次信息革命的实质：

1）语言革命：语言是人有别于动物的关键环节，汉语语音（包括四声）共有415个，经组合能表达极其复杂的内容。

2）文字革命：每一个汉字都具有特殊的形态和特定意义，文字组合可形成表达不同思想的文件。汉字是公用的通用单元。

?现代模块化与模块化时代（2）

3）印刷革命：活字印刷术加速了信息的传播，极大地推进了人类社会的进步。用字模排版印刷，拆版后通用的活字可复用。

——中医中药的模块化实质：具有特定性味（功能）的中药（通用模块）由医师（设计师）据病情（需求）组配成药方（产品）。

——上述所采取的方法是相同的，就是将具有独立功能的个体，按不同需要进行新的组合。

——其基本构成模式都是：产品＝模块＋接口。

?现代模块化与模块化时代（3）

▲经典模块化——系统分解和组合理论指导下的模块化设计——设计革命：

——20世纪初，建筑业出现可以自由组合的建筑单元；

——1920年，德国等设计出模块化的铣床和车床；随后，机床设计普遍采用了模块化模式。

——1923年为解决成套电子设备结构的通用互换问题，美国制定了机箱面板和机架尺寸系列标准，后升级为IEC标准，沿用至今。

?现代模块化与模块化时代（4）

——50年代，欧美提出模块化设计概念，扩展应用到军用装备、舰船等设计。例如，1956年美国推出的机载模块化电子设备的ATR系列，后为世界各国所采用，并扩展应用与坦克等系统。

▲现代模块化——

——1964年IBM360模块型电脑系统的诞生，是一个有里程碑意义的事件。它导致硅谷计算机产业群的兴起。

——使模块化设计理论得以升华和普及。

——现代模块化＝传统模块化＋设计规则。

?现代模块化与模块化时代（5）

▲模块化时代——模块化理论的深化和在更高层次上和更广泛范围内的运用。由经济学家推动。处理复杂系统问题的有效方法

——由模块化设计延伸到模块化企业。

——模块化原则和方法引入经济学、管理学领域。

——产业结构的配置、调整：模块化培育“模块簇群”，推动产业升级，改变现存产业、企业的结构，具有十分强大的冲击力。

?现代模块化与模块化时代（6）

●模块化企业——企业竞争的利器：是对企业内部组织进行再设计。由企业家（企业管理者）推动。

——按模块化原则组织设计团队：总体设计；模块设计；产品设计。

——按模块化原则构建企业技术平台。

——按模块化原则改造生产体系（生产线设置，模块“外包”）。

——面向模块化的组织改造（内部组织及流程的再设计）。

?现代模块化与模块化时代（7）

●模块化新高潮的兴起

▲ 1992～1997 “大规模定制”理论问世。

——把模块化提到新的高度，指出没有模块化就没有大规模定制，模块化成为世界各大公司所追逐的目标。

——模块化企业是进入大规模定制模式的途径。

▲1997年哈佛商学院发表“模块时代的经营”，提出：

——模块化进入了大发展时期。

?系统需求分析

▲使用功能——可用性：体现设备的易用性可可服务性。提供了用户使用（察看、操作、维护）设备的人机界面。实现设备的物质功能。

▲精神功能——美观性：机械结构体现产品的形象和外观艺术效果，使之具有艺术性（精神功能）。

注：前两项主要是面向产品的自身品质；后两项主要是面向用户和市场。

?系统需求分析

?系统需求分析

▲需求分析：搜集并综合用户的基本需求和各用户的多样化、个性化需求。并进行分析和分配。

▲目标的可行性论证：分析制约条件，如关键技术的成熟程度、自身技术力量、物质条件、环境条件、资金、设计制造周期、市场前景等因素。可行性分析包括风险分析。

●需求的确定和分配

▲需求的特点

——是对必需实现目标的规格说明。它描述了系统的特性或属性，是在开发过程中对系统的约束。需求强调做什么，而不是如何做。

——对需求的要是：描述清晰、唯一性、完整性、一致性、可实现性、可验证（或可测试）性、可跟踪性。

▲需求确定原则：一个好的需求应是：

——必需的：如果不包括此需求，最坏的情况下会发生什么？——可验证的：对需求有确定的验证方法和验收标准。

——可实现的：需求是技术上可行的，能适合预算、进度和其它因素（例如重量）的限制。

——描述清晰的：每个需求应该只表达一个单纯的思想；需求不会被误解（无歧义性）；最好用简单语言描述。

?系统需求分析

▲需求分配原则：把系统需求分配给子系统时，要求：

——是可行的、可实现的，可测试的。

——被清楚地、准确地描述。

——是相互一致的。

▲各子系统项目组成员对所分配的需求，应进行学习、理解和评审，标识出不适当、不完整和遗漏的需求。反馈给系统设计师，并进行协调。

?系统需求分析

●需求的分类

▲按需求的来源分类

——用户（或运营商）需求：合同需求，包括对功能、性能和场景等的需求。

——企业基线需求：包括环境、防护、EMC、可靠性；安全、环保；可制造性、可装配性、可服务性等。

——法规、标准需求：包括各类国际、国家法规；国内外标准（尤其应注意安规、环保类标准）；企业技术平台。

?系统需求分析

▲按需求的功能分类：可分为四类，前三类可统称为功能需求。

——产品载体（结构）需求：面向产品功能，构成产品基本实体。

——产品防护需求：面向环境适应性，包括环境防护、热管理、EMC等。

——可用性需求：面向用户使用，包括可服务性（工程安装、维修性）；运行监控；安全、环保；标识和造型等

——经济性需求：面向企业经营，包括产品成本；DFMA；标准化（国内外标准、企业规范）模块化等。

?系统需求分析

▲按需求的属性可分为两类：

——功能结构性需求：是对产品构成的基本要求，体现为产品架构和结构件的组成。这里的结构件，不是指有具体形状和尺寸的零部件，而是指功能构件，例如，铰链、机架、门、盖板等。这些需求在总体设计需予以满足。

——约束性需求：是对产品结构的约束条件，主要包括标准化需求，结构工艺性需求，经济性需求，外观需求等。常体现于结构件的结构要素（如通风孔，进出线开口等）和构件的组装匹配要素（如门的开启角度，门的缝隙等）。约束性需求在详细设计阶段输入。

▲对电子设备结构的需求有两类：

——来自产品的需求：产品功能需求；产品防护需求；用户特殊需求；使用性需求。

——结构本身的衍生需求：结构模式和布局的需求；产品风格和形象的需求；新技术和新结构的应用；标准化的需求等。

?产品系统总体设计

●系统总体设计的构成

总体设计＝架构设计＋接口设计＋概要设计

●架构的基本概念

▲词源：架构一词源于建筑业，后扩展应用而成为一种较为普遍使用的概念。价格在不同领域有不同的用词和具体含意。

▲软件领域：是对系统组织、构件接口、行为模式、协作关系等体系问题的决策总和。架构确定后，软件基本定型。

?产品系统总体设计

▲系统工程中：指“体系结构”，用以描述构成系统的各组成单元间的逻辑关系。例如，系统的层次结构、平面结构、网络结构等。

▲模块化设计中：

——指模块化系统的宏模型。一简单的形式把握系统的整体，粗线条勾画出系统轮廓，以整体观念协调系统内外诸要素。

——指模块化系统的设计规则：模块设计所必需遵守的明确规则，以保证这些模块能够构成一个协调、完整的系统。

▲方法论中：是运用“模式思维”提出系统的最佳“构成模式”。

?产品系统总体设计

?产品系统总体设计

●需求向产品结构的转化

▲需求分析

——全部需求归类：将来自用户、企业基线和标准、法规的需求，经归并统一，分别按功能归类。

——功能性需求分析。

——经济性需求分析。

——全部需求整理列表：作为概要设计和详细设计评审的依据。

▲需求转化为产品结构的步骤

——功能分析（需求→功能）：将功能按层次逐级展开，建立功能树。

?产品系统总体设计

?产品系统总体设计

▲功能分析步骤：

——将各项功能需求（包括载体需求、防护需求、使用性需求）按产品结构特点逐级分解成要素。并将细分的需求列为“需求分解表”。

——功能需求要素分类：将细分后的功能要素，分列为“构造性需求”和“约束下需求”。并且列为“需求分配表”，用以指导设计（架构设计，详细设计）。

▲功能树：将涉及构造的功能逐层展开，展示系统构成的概貌。

●产品架构设计（功能→架构）：功能向实体结构的转化。

▲系统分解

——根据需求、经验和技术趋势，提出初步结构描述和布局。

——结构分解与功能分析应按层次同步进行，并相互呼应。例如，户外电子设备的突出问题是环境适应性，可基本定格为密闭机柜。

——以结构分解为主：就电子产品而言，功能分析不能解决结构形式和布局问题，只有把功能融入相应构件，才能构成产品实体。

?产品系统总体设计

▲功能转化为功能构件（包括部件）

——考虑能实现功能的结构件模型，并一一与之对应。一个功能构件有可能实现多个功能。

——功能向实体结构转化宜逐层依次进行，以使功能逐步融入预期的结构模式。

▲功能构件的组合

——零部件之间依赖（接口）关系分析：将功能关系密切的构件适当组合成部件。

——将体积小的构件纳入体积较大的构件中。

?产品系统总体设计

——零部件之间比较复杂的依赖或干涉关系（例如涉及通风散热、防尘、电磁兼容等），互有因果关系，可绘制关联图或关联表，以便在详细设计时进行精细设计和测试，在构件集成和布局中应优先考虑。

▲确立产品的基本架构

——将全部功能构件经集成和布局，形成由几个子系统和模块构成的产品架构。

?产品系统总体设计

——基本架构可有几个架构方案，供评审、选用。

●产品概要设计（需求→产品方案）

▲任务：完成产品的总体设计，通过概要设计方案书提出满足全部需求的产品设计原则和要求。

▲规定架构的构成和有关参数：例如，架构的结构划分、布局及其主要尺寸。

?产品系统总体设计

▲规定产品的主要构件（模块）间的接口结构和参数；电气互联和配线结构和要求；产品与外部有关要素间的接口结构和参数。

▲提出对产品的性能要求、有关参数和设计原则：包括机械结构的强度、刚度；电磁兼容性；环境适应性（热、三防、IP）；配电和线缆管理；性能测试和验证要求等。

▲提出实现对产品的约束性需求的基本原则和设计要求：例如，外观要求；结构工艺性要求；人机工程要求；维护性要求；安全、环保要求；经济性要求等。

?产品系统总体设计

●系统模型化：模型是系统方案的重要组成部分。

▲模型化对象：

——可以是产品总体，也可以是其中比较复杂的或新颖的部分。

——对模块化产品系统，应提供模块系列、接口系列、产品族系列的模型。

▲模型的表达方式：数字化图形模型，数学模型，模拟模型（可以是产品的局部），计算机仿真等。

?产品系统总体设计

▲模块间“接口规则”：是企业模块化水平及效益的关键环节。

——确定整机接口要素：明确规定整机与外部的接口要；整机内部各模块间的接口要素。

——确定各模块接口要素的具体参数：包括接口模式，接口的功能参数和结构参数。

——固化接口特征：对各模块间的接口作出详细的规定，以便使各模块相对独立（一个模块的改型不影响其它模块），为系统和模块的发展和创新提供充分的自由度。

?产品系统总体设计

▲模块设计规则：规范模块的模式和接口及其参数，用以约束模块的品种和品质。各模块应明确规定构成系列的基型模块设计规则，及其变型规则。各模块系列的设计规则，应遵循“接口规则”。

▲模块“评定规则”：用以保证系统集成的实现（符合“接口规则”）和验证系统的性能及质量。

?系统接口设计

●接口（Interface）与接口系统

▲接口：

——系统各组成部分之间可传递功能的共享界面。

——物质、能量、信息通过接口进行传递；模块通过接口组成系统。

▲接口系统：系统中能有效地实现模块间功能传递所必须的一套独立于模块功能的接口要素。

?系统接口设计

●接口的方式和接口功能

▲接口的方式：见下图。

——直接式接口：各模块本身带有的接口，能直接连接并传递功能。

——间接式接口：两个模块间通过接口模块进行连接。这种接口模块可对信息或参数进行处理，使相连的模块能够匹配，它往往是一个功能部件、甚至是一种设备。具有承前启后的作用。

?系统接口设计

▲接口方式图：上图为直接式接口

下图为间接式接口

?系统接口设计

▲接口的功能：物质、能量、信息的输入/输出功能；转换、调整功能。接口的转换、调整功能可分为四种。

——零接口：不进行转换、调整，照原样把湿热连接到输出。如连轴器、电缆、插头插座等。

——被动接口：只用接受部分进行转换、调整。如减速器、变压器、可变电阻器等。输入端往往是公用或标准接口。

——能动接口：含有能动部分的接口。例如，电磁离合器，继电器，放大器，光耦合器，A/D/D/A变换器等。

?系统接口设计

——智能接口：能适应变化情况改变接口条件。如可变程序控制器。

▲机电产品接口接口类型

——机械接口：机械各零部件间的连接界面，通过接口实现静态结合或动态结合（传递力、运动）。接口结构包括接口形式和接口尺寸及精度，除满足功能外，主要应具有互换和兼容性。机械接口还包括流体动力与机械本体的接口，如泵、控制阀。

?系统接口设计

——电气接口：传递各种电气信息的界面，其功能除传递信息外，还要求被连的两个电路阻抗匹配。对于模块间无兼容性的接口，则需采用具有接收、处理和发送功能的接口电路（板）或接口设备。如A/D、D/A转换，电路与电源间的变压、整流、逆变、变频等。——机电接口：是间接型接口，可以认为其间有机械量与电量转换的变换器，在机电接口中有能量转换和传输的效率问题、阻抗匹配问题、信息的传输和变换问题等。

——其他物理量与电量的接口：各物理量需转换成电量才能为信息处理系统所接受。例如，将电量转换成电磁波发射的天线系统；光电转换；声电转换；各类传感器都是一种接口元件，与相应A/D转换器结合，则构成将物理量变换为电量的接口设备。

——软件程序接口

?系统接口设计

?系统接口设计

●人－机－环境接口：人在特定环境中使用产品，由此构成人－机－环境系统。为使人、机、环境这三个环节匹配，应妥善解决三者间的接口问题。

▲人－机接口：包括人机间的操作和维修界面；人机间的对话（通信）界面。应使其符合人的心理及生理特点，以利于提高操作和信息传递的效率及准确性。需进行人机工程设计。

▲机－环境接口：需对产品进行环境适应性设计。

▲人－环境接口：需按人机工程原则进行人的工作环境设计。

▲人－人接口：需进行合理的管理体系和企业文化设计。

?系统接口设计

●接口系统及其标准化

▲把接口作为一个系统进行研究和开发：

——接口是模块的边界及结合部，若仅将其作为某一技术领域或产品的附属部分，往往会被忽视，或边界不清而互相等待或推托，或因缺乏有效协调而各行其是，使接口系统成为一个薄弱环节。

——接口结构的水平和质量将制约系统的功能和水平，宜于将其列为专题进行研究和开发。

▲应尽可能采用通用接口。

?系统接口设计

▲及时将重要的接口要素上升为规范。

●系统接口与产品的总体设计

▲工程技术的总体设计可归纳为：系统功能设计；系统接口设计。

——系统功能设计：系统功能配置，总体架构。

——系统接口设计：把模块组成系统时的接口要素和结构。

▲总体设计设计原则上是以协调模块间的外部接口为主；如某模块内部接口有可能影响系统性能时，则也应列入总体设计范围。

?产品系统环境条件分析

●环境条件对产品可靠性的影响

▲影响产品可靠性的因素可归结为两类：

——产品本身有出故障的内因：设计、制造元器件等的质量。

——产品在外因作用下出现故障：主要指使用、贮存和运输过程中环境条件的影响。

▲环境条件：是指产品所经受的周围的物理、化学和生物条件。这些条件是由单一环境参数及其严酷程度组合成的。这些环境条件通常包括自然环境条件和诱发环境条件。

?产品系统环境条件分析

▲产品的性能和可靠性都是针对一定的环境条件而言的，环境条件越严酷，对产品内在质量要求就越高。

▲环境对产品的基本影响有：腐蚀、开裂、脆化、潮气的吸附或吸收、氧化等。可导致材料的物理和化学性质的变化。

▲单一环境对产品的主要影响和引起的典型故障见GB2421

●环境条件的标准化

▲环境条件对机电产品的影响，是在付出了沉重代价后才被人们所认识。为使环境条件和试验方法统一和规范化，IEC制定并颁发了一整套完整、严谨而科学的标准系列。

?产品系统环境条件分析

▲环境条件分类标准：IEC60721系列标准(IEC/TC75,1973)

——IEC721－1（＝GB4796）《环境条件分类及其严酷度分级》。

——IEC721－2（＝GB4797）《自然环境条件》，共6项，包括：温度和湿度；海拔与气压、水深与水压；生物；太阳辐射与温度；降水和风；尘、沙、盐雾。

——IEC721－3（＝GB4798）《应用环境条件》，共9项，包括：贮存；运输；有气候防护场所固定使用；无气候防护场所固定使用；地面车辆使用；船用；携带和非固定使用；产品内部的微气候；导言。

?产品系统环境条件分析

——IEC721－4《IEC721－3对IEC68－2的相互关系和转换指南》，共8项，与IEC721－3对应。

▲环境试验标准：GB/T2423、GB/T2423系列（共62项）（IEC 60068－2 系列）(IEC/TC50,1961)，《电工电子产品环境试验》。

●环境参数分类及其等级（以GB4798.3为例）

▲气候条件：气候条件分为13个等级；环境参数共有16种。

▲特殊气候条件：包括热辐射（三个等级）；周围空气运动（三个等级）；除雨以外的其它水源条件（四个等级：滴水；淋水；溅水；喷水）。

?产品系统环境条件分析

▲机械条件：分为8个等级。

——正弦稳态振动：用加速度、位移和频率三个参数表达。

——非稳态振动（包括冲击）：用冲击响应谱和峰值加速度表达。

▲生物条件：定性规定。

——植物：无或有霉菌、真菌等。

——动物：无或有啮齿动物和其它危害产品的动物。

▲化学活性物质条件：除了盐（无或有盐雾）不属于气体外，主要环境参数为8种化学气体。共分为4个等级。

?产品系统环境条件分析

▲机械活性物质条件：包括沙、尘（漂浮）、尘（沉积）三类，共分为4个等级。

●户外气候类型和户外气候组（GB4797.1）

▲统计的户外气候类型：为使产品能够在某一地理区域内使用，必须按该地的气候图设计产品。

——我国（GB4797.1）户外气候分为六类：寒冷、寒温（又分为Ⅰ、Ⅱ型）、暖温、干热、亚湿热、湿热。

——IEC721－2－1的户外气候分为九类：极端寒冷、寒冷、寒温、暖温、干热、中等干热、极干热、湿热、（恒定）湿热。

?产品系统环境条件分析

▲统计的户外气候组：为使一种产品能在不同气候类型地理区域内使用，可以将统计的户外气候适当地归并为几个组。——我国分为三个气候组：有限组，一般组，通用组。

——IEC分为四个气候组：有限组，一般组，通用组，世界性组。

——归并为气候组的目的是为了使产品能在更大范围内通用而限制温度和湿度的分级。

——对应用范围广的产品，如按气候组分别设计成3～4种（防护措施程度不同），针对不同用户供货，有助于降低成本。

?产品系统环境条件分析

●有气候防护场所固定使用（GB4798.3）的场所分类和选用。（在附录A中有详细说明）

▲完全气候防护场所（封闭场所）：该场所有防护设施，能够防止全部气候的直接影响。3K1、3K2属全空调场所。

▲部分气候防护场所（遮蔽场所）：该场所有防护设施，能够防止部分气候的直接影响。

——有调温措施、但无调湿设施的封闭场所：如无人值守机房，选用3K3、3K4、3K5、3K5L。

——无温、湿度控制的封闭场所：选用3K6、3K6L。

?产品系统环境条件分析

——无温、湿度控制，建筑物非密闭、可与户外直接相通的场所：会直接受到户外气候的影响，可据当地实际气候情况选用。3K7、3K8类只存在于我国的特定地区。

●化学活性物质条件的使用场所及等级选用

▲3C1：应用于较少的工业活性物质和中等交通的乡村和城市地区。

▲3C2：应用于一般程度污染，工业活性物质分布于整个地区活交通繁忙的城镇。

▲3C3：用于靠近有工业生产的化学污染的场所。

▲3C4：应用于工业生产内部，可能出现高浓度的化学污染物质场所。

?产品系统环境条件分析

●产品内部的微气候（GB/T4798.9）

▲微气候：产品内部安装元件（基础件、组件和内装设备）处的气候条件。仅考虑高气温和低相对湿度。

▲产品内部的元件会受到外部加热或自身发热的影响。

▲产品微气候等级由三部分表示：产品（外部）气候等级（GB4798.3或GB4798.4），产品（内部）的高空气温度和限定的空气相对湿度。（后者由本标准规定）。

●应用环境条件（GB4798）标准的使用导则

▲环境对产品的影响基本上有以下两种方式：

?产品系统环境条件分析

——受短期极端环境条件的作用，使产品不能正常工作或损坏。

——受长期非极端应力的作用，使产品缓慢地劣化，最后使产品不能工作或损坏。

▲环境参数的等级可作选择设计和试验等级的基础，但不应要求产品在分级界限值内的故障为零。取其较高或较低的严酷等级，取决于产品允许发生故障的概率。

▲一些环境条件的物理影响可由若干环境参数引起。例如产品周围的最高温度，可由周围空气温度、太阳辐射、邻近发热元件和炉子的热辐射等引起。

?产品系统环境条件分析

▲制造厂或用户可以对产品采用适当措施（在运输和贮存时装入箱内或把产品放在防振动和防冲击的物体上），以减少环境条件的严酷等级。此时的严酷等级应适用于连同防护措施在内的产品，不是直接作用于产品本身。

▲产品设计时应考虑到环境参数出现的持续时间和频率，以使其安全可靠。

●环境条件标准运用的有关问题

▲产品应能承受恶劣环境条件的影响，要求在设计阶段预先掌握产品所要遇到的环境条件的详细资料。

▲了解环境条件及其对产品的影响，是对每位产品设计师（尤其是总体设计）的基本要求之一。

?产品系统环境条件分析

▲产品设计师在进行产品设计前需了解：

——产品在寿命期间，遇到的环境条件是由哪些参数组成？

——这些参数对材料、元器件、整机会产生什么作用，造成产品损坏的机理如何？

——如何根据实际环境来选用模拟的环境试验方法以及防护措施？

▲环境条件的合理选用：使在技术和经济方面较为合理。

——如选定的环境参数值过低，不能保证产品使用的可靠性；过高则需采取更多的防护措施，产品更复杂，增加成本，还不一定取得更高的可靠性。

?产品系统环境条件分析

——明确其使用的环境条件类型；列出对产品有影响的环境参数，并选择合适的严酷等级。

▲IEC721系列标准给出的是单一环境参数，有些参数因组合不同或顺序不同，可产生不同的影响，例如，同样的湿度，高温比低温对产品的影响更严重。

▲环境试验方法选用的若干问题：

——选用试验方法时，应充分了解该方法的适用性。例如，对于正弦振动试验，机柜插箱级装置应采用低交越频率（8Hz～9Hz）（低频大振幅）；元器件之类小件应采用高交越频率（高频小振幅）。

?产品系统环境条件分析

——电子产品的外壳是整个产品的防护体，应选用严于产品的试验等级。

——产品通常不进行破坏性试验，复杂产品常只取一个试验样品，或是整个组件、或是组件的一部分。大型产品整机试验不可行时，应规定对哪些关键部件进行试验。

——GB4798中列出的环境条件值不包括安全裕度，试验规范制定时，除把环境条件转换成试验条件外，还应考虑试验设备和控制装置的容差，以及试验样品与产品间的差异。

?(三)面向模块化的设计（Ⅰ）

——经典模块化方法

? 3.1 标准化设计

? 3.2 模块化概念及其价值

? 3.3 模块化产品开发模式

? 3.4 模块化的系统分解技法

? 3.5 模块系列设计

? 3.6 模块化产品设计

? 3.7 模块化设计案例分析

?

?标准化设计

●标准：为了在一定的范围内获得最佳秩序，经协商一致并由公认机构批准，共同使用的或重复使用的一种规范性文件。

●企业标准化：为在企业生产、经营、管理范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的或重复使用的规则的活动。

●标准化目的：获得最佳秩序（治乱，使之有序化）和效益。

●标准化对象：公用性和复用性的事物和概念，包括物和“非物”（如程序）。

●标准化的功能：确保质量；提高工作效率。

?标准化设计

●标准化的基本方法

▲简化：削减多余的、可替代的、低功能的对象。为达到事物的“精炼”和“合理”需把握两个界限：

——简化的必要性界限：品种、规格超出了必要的范围。

——简化的合理性界限：应达到“总体功能最佳”的目标。即品种构成从全局看效果最佳。

▲统一：对标准化对象的形式、功能或其他技术特性所确立的一致性，应与被取代的事物功能等效。

?标准化设计

▲协调：系统中各组成部分或各相关因素相互适应，建立起合理的秩序或相对平衡关系。

▲优化：对系统的构成因素及其关系进行选择、设计或调整，使之达到最理想的效果。

●标准化的形式

▲规范化：使事物典型化、有序化。规范化可视为标准化的初级形式。

▲典型化：使简化、统一后的对象具有概括和代表同类事物的基本特征的性质。

?标准化设计

▲通用化：在互相独立的系统中，选择和确定具有功能互换性或尺寸互换性的子系统或功能单元。

▲系列化：对同一类产品中的一组产品同时进行标准化。

▲模块化：上述方法的综合运用。

●标准化的正作用和负作用：标准化有助于确保质量、提高效率，但如果运用不当，也会产生负效果，导致技术和管理的僵化，限制技术进步和创造性思维的发挥。应实行动态标准化。

?标准化设计

●充分利用已有的标准化成果和资源

▲标准具有先进性和实用性：标准是一种成熟的、公开的先进资源，可拿来就用，是一笔经济实惠的高水准的财富。

▲是通行的共同技术语言是一笔可免费共享(有例外)的巨大财富。

▲采用标准是企业上水平的捷径。

●全面实施系列化、通用化设计

▲产品层次结构的规范化和系列化：

——分析、明确并规范产品的层次结构（功能性能、结构模式及尺寸的层次）。

?标准化设计

——层次结构体系可为产品的系列化、通用化设计提供线索和思路；避免产品开发的盲目性，减少产品品种规格；并有助于企业生产过程中各部门的思想统一，有助于生产组织管理。

▲产品构成要素的通用化

对产品的多种基本要素（例如，元器件、零部件、原材料、性能参数、结构要素等）进行通用化，不仅可减少产品构成要素品种规格，而且可减少相关要素的品种规格。

?标准化设计

●标准件的选用原则

▲基本原则：最大限度限制其品种规格。如Inter公司某计算机仅用一种螺钉。简化了产品制造和管理，方便维修。

▲紧固件选用原则：

——以大代小，以长代短。

——采用同一种螺钉头结构，减少工具品种。

——选用螺钉组合件，缩短装配时间。

——需常拆卸的面板、盖板，采用松不落螺钉。

?标准化设计

——如直接用手拆装，选用滚花头螺钉或蝶形螺母。

——在适用的地方，尽可能采用自攻螺钉（免攻丝和修配过孔）。

▲连接器选用原则：

——尽量采用同一类连接器，以多芯代替少芯，减少品种规格。

——选用徒手快速解脱连接器，提高装卸效率。

——优先选用有导向、锁紧、护套和系留结构的连接器。

?模块化概念及其价值

●模块化的目的和对象

▲目的：满足多样化的需求和适应激烈市场竞争，在多品种、小批量的生产方式下，实现最佳效益和质量。

▲任务和对象：

——优化产品族（系统）的构成模式，以最少的要素组合，构成最多的产品品种。

——对象：构成系统或产品族的典型的、成熟的、可通用（重用、复用）的要素。包括：子系统、组件、部件、器件、典型电路、逻辑组件、软件程序、计算方法、文件格式（模板）、接口等等。

▲目标：建立模块系统和模块化的对象（产品族）系统。

?模块化概念及其价值

●模块化的功能和价值

▲功能：研究一个系统中整体和个体的关系及它们的形成和实施过程。即研究建立模块体系和由模块组合成（产品）系统过程中的特点、规律和方法。

▲价值：

——21 世纪企业竞争的前沿。

——现代“大规模定制”生产模式的基础和前提。

●模块化过程：是一个有目标、有组织的、动态的活动过程。包括生产技术过程（设计和制造）和生产技术的管理过程。其特点是：

?模块化概念及其价值

▲目的性：有一个明确、清晰的对象目标，有相应的计划和措施支持，否则模块化进程就可能夭折。

▲综合性：模块化系统是牵连面甚广的复杂系统，需有多学科专家的通力合作。

▲动态性：保持模块化系统的实时性和先进性。充分发挥模块化的优势。

——形成和成熟的过程：起初允许同一功能模块的竞争，定型后，则作为企业标准之一，强行实施。以取得批生产的效益。

?模块化概念及其价值

——维护与发展过程：适应市场需求，淘汰过时模块，补充改型模块和新功能模块。

——更新换代过程。

▲超前性：构建模块化系统，周期较长，投入较大，应高起点并预见到技术发展趋势，才可能有生命力。

●模块化设计方法：下面两种方法实质是一样的。

▲系统分解组合法：通过对产品族的分析，把其中相同或相似的功能单元或要素分离出来，经归并、集成，统一为一系列的标准单元（模块）；用不同模块的组合构成多样化的产品。

?模块化概念及其价值

▲基本型派生发展法：将产品系统分解成通用部分、准通用部分和专用部分，集中力量设计一种基本型，以其为基础，修改准通用部分，设计专用部分，派生出满足多种需要的产品。

●模块化是标准化的高级形式：模块化是标准化原理在应用上的发展，由模块可以直接构成整机以至大的系统，从而在更高层次上实现了简化。它是下述五个方面的综合体。

▲结构典型化：模块是一种具有典型性的单元。

▲部件通用化：可通用于两种以上产品。

▲部件系列化：在基型的基础上派生，适应多样化需求。

?模块化概念及其价值

▲接口规范化：接口参数规范化；有时包括布局规范化（包括模数化）。这是模块互换的基础。

▲结构组合化：是模块化产品的装组特点。

模块化＝通用化＋系列化＋组合化

＋典型化＋接口规范化

●狭义模块化与广义模块化

▲狭义模块化：按严密的定义和方法开展的产品或系统的模块化工作。

▲广义模块化：将模块化作为一种思维方法与工作方法，来分析和解决各种复杂系统的问题。此中，物质的和非物质的通用要素均可视作为模块。此时模块化概念的核心是清晰的，而其轮廓则变得模糊。

?模块化概念及其价值

●模块：是构成系统的具有某种特定功能和接口结构的典型的通用独立单元。其特征为：

▲具有相对独立的、不受干扰的特定功能，可以单独考核（运转、调试）、预制、储备，某些模块还可作为商品流通于市场。

▲模块是系统的组成部分，它是系统分解的产物。用模块可以组合成新系统，也易于从系统中拆卸和更换。

▲模块是一个标准（或通用）单元，模块结构具有典型性、通用互换性或兼容性，并往往可构成系列。

▲具有能传递功能、能组成系统的接口（输入、输出）结构。

?模块化概念及其价值

●模块的类型：

▲功能模块：具有相对独立的功能，其性能参数（常指线性尺寸外的参数）能满足通用互换或兼容的要求。

▲（机械）结构模块：具有尺寸互换性的（机械）结构部件。

▲单元模块：是指既具有功能互换性，又具有尺寸互换性，即具有完全互换性的独立功能部件。是二者的综合体。

▲集成模块：是小模块的集合，集成可使系统结构简化。

?模块化概念及其价值

●模块化的价值

▲模块化是一种富有哲理的新思维方法，用它来分析复杂系统，解决大型问题，可使问题简化，条理分明，进而取得良好的秩序、质量和效益。

▲模块化是大规模定制的基础和前提，“是大规模定制产品开发中的关键”，“为了进入大规模定制的模式，要求将产品模块化”，将企业“转向模块化的企业”。

▲模块化是现代标准化的核心和前沿，是解决产品多品种、小批量与周期、质量、成本之间矛盾的有效手段。

?模块化概念及其价值

▲模块化“是对传统的发展思路、设计思想、管理模式的一种冲击，更是一种改革”（总装备部语），是现代企业发展的必然趋势、必由之路，是“21世纪企业竞争的前沿”。

▲模块化是一种现代设计方法，可在“高水平继承的前提下，有重点地进行创新”，“是国外武器装备发展的总趋势”。

▲模块化是企业产品研发、创新平台建设的核心。美国强调国防科学和技术战略集中的问题之一是“武器平台设计与建造的模块化”。

?模块化概念及其价值

●模块化的效益

▲面向速度——快：（例如即插式人造卫星）

——基于模块平台：资源共享、继承性强，研发、制造周期短。

——产品主要由通用模块组成，可快速上市。

▲面向质量——可靠：（例如军用装备新模块不得超过30％）

——模块经反复优化，多处应用，其设计可靠性得到多次验证。

——模块批量生产，工艺稳定，制造质量有保证。

?模块化概念及其价值

▲面向成本——低：（例如定制不收试制费）

——模块的大规模生产，取得批生产的效益。

——可最大限度减少零部件品种规格，降低全流程成本。

——模块是相对稳定的通用部件，易于专业化生产和外包、协作。

▲面向用户——满意：（例如施乐复印机）

——可满足用户的个性化定制需求。

——模块化产品，易于拆装和测试，便于产品的维修和升级。

?模块化概念及其价值

▲面向市场——取得竞争优势

——产品构成模式有良好的规划，可实现有序和持续发展。

——产品构成具有柔性，对变化的市场和机遇，可作出快速反应。

——易于采用新技术、实现创新成果的产业化(体现为新模块)。

——可减少低层次的重复劳动，而将精力投向新技术、新产品。

——有助于保护企业的技术秘密。

●模块化设计的思维特征

▲模块化思维的基本特点：将复杂系统化整为零进行处理，把高度困难的任务变得相对容易。

?模块化概念及其价值

▲模块化思维的基本模式：系统＝模块＋接口。

▲模块化哲理：以不变或少变(模块体系)应万变(多样化需求)。

▲模块化思想：通用化(模块)＋组合化(装配)。

▲模块化的方法论基础：

系统工程方法（系统的分解和组合）

＋标准化方法（规范化、通用化、系列化）。

▲模块化产品构成模式：

由（通用＋改型＋专用）模块的组合，构成产品族。

?模块化概念及其价值

▲模块化效益原理：创新(市场占有率)＋继承性(生产率）。

▲模块化产品生产模式：大规模生产（模块）＋个性化定制组装（产品）。

▲模块体系的阶梯式上升：

——一个模块体系的建立，投入颇大，应保持相对稳定，以取得批生产效益。

——当原有模块系统不能适应技术发展及市场需求时，则需更新换代，跳跃式上升。

?模块化概念及其价值

——当一个模块系统投入使用，新模块系统的预研就开始着手。

——由于新旧模块体系具有基本相同的接口体系（遵循同一“设计规则”），在新旧过渡时期，允许混用。

▲产品体系的螺旋式上升：

——新产品设计中，在保持大多数模块稳定的情况下，更新部分模块，及时满足用户的个性化需求，实现产品的渐进式发展。

——可有局部的小跳跃，但新模块一般以不超过30％为限。升级换代属跳跃式上升。

?模块化产品开发模式

●模块化设计特点：与一般产品设计方法有原则上的区别

▲面向产品族：一种模块能通用于多种产品。

——传统设计：面向某一具体产品；

——模块化设计：是面向整个产品族系统。

▲由上而下设计：

——传统设计：主要着眼于功能设计、详细设计，由下而上。

——模块化设计：首先由上而下着眼于产品族系统分解和组合所得的通用模块体系和由模块组合成的产品系统的宏模型设计。

?模块化产品开发模式

▲是标准化设计：模块是部件级通用件，可通用于多种产品。

▲两个设计对象：

——传统设计的对象是产品；模块化设计有两个对象（模块、产

品）。

——形成两个专业化的设计、制造体系：

1）以设计制造产品为主（整机厂）。

2）以设计制造模块为主（模块制造簇群）。

?模块化产品开发模式

▲三个设计层次：

——模块化系统总体设计。

——模块系统设计。

——模块化产品设计。

▲三个模块系列：构成模块化产品的三个相互独立、而又相互关联的模块系列。

——（电路）硬件模块系列：能通用于产品族的功能单元（如印制板组件）。

?模块化产品开发模式

——（机械）结构模块系列：具有尺寸互换性的通用结构单元（如机柜、插箱、插件）。

——软件模块系列：能通用于产品族的功能程序段。

▲设计难度大周期长：仅凭经验是不够的，需以系统工程和模块化理论和方法为指导，才可能设计出有生命力的模块化系统。

●模块化产品开发的基本模式

▲不同模块组合可构成柔性的、可变的、多样化的产品，实现“以不变（模块系列）应多变（用户需求）的产品开发模式。

?模块化产品开发模式

?模块化产品开发模式

●两大设计团队及其任务

▲产品开发部（产品研发设计）：目标是针对明天市场，任务：

——模块化系统宏模型（总体、架构）设计（包括模块系统更新）。

——模块系列设计：形成企业产品开发的通用模块平台供产品（快速）设计选用。

——新（专用）模块设计：满足用户特殊需求。

——新产品设计：定型后转“产品工程部”。

?模块化产品开发模式

▲产品工程部（产品快速设计）：目标是以最快的速度满足今天的订单需要。其任务是充分运用现有技术平台，选用模块，快速进行产品设计。

——基本型产品设计：选用现有模块，进行接口和组装设计。

——改型产品设计：以现有模块为主，部分模块改型。

——新型（新功能、性能）产品设计：以现有和/或改型模块为基础，配加新功能模块，进行接口、组装设计构成新产品。新产品中，新模块比例不宜大于30％。

?模块化产品开发模式

●关于参数化设计

▲参数化设计不属于模块化范畴，模块化强调不变因素（涉及生产效率），模块可储备，可拿来就用。

▲当然，参数化可提高变型设计的效率，可简化工艺准备工作，可降低变型成本。

▲参数化设计有助于模块的系列化设计，提高系列化产品中的共性因素。但参数规格宜严加控制，变型产物宜列入派生模块系列。

?模块化产品开发模式

●模块化设计的三维矩阵

▲模块化设计三维矩阵图（参照Hall模式，见下图）：传统方法对目标的分析是单一的，系统工程对目标的考虑则是跨学科的三维结构模式。

▲三维矩阵图的运用

——确定每一阶段的每一步骤，该由哪些专业人员组成学际小组，来进行模块化系统的规划、开发等工作。

?模块化产品开发模式

——对于不同对象，有的阶段或步骤可省略；有的可把一个步骤分成几步来做，有的则反之。矩阵中各项活动是相互影响紧密配合的。需反复迭代、优化。

——用三维矩阵去规划、设计、管理或控制模块化系统，将使模块化的进程有条不紊，有利于提高效率和质量。

——把思维过程和工作阶段综合起来，可以用一个二维矩阵（或活动矩阵）表来表示，用以表达模块化过程的各个阶段是必须采用的步骤。其中模块化产品开发所需要的阶段是无法回避的，但各个阶段的步骤可据实际情况选定。

?模块化产品开发模式

模块化

工作的

三维矩

阵法

?模块化产品开发模式

●模块化工作的二维活动矩阵

把工作阶段和工作步骤综合起来可以用一个活动矩阵表示。表中可列入应参加该项活动的相关部门或专业人员。

?模块化的系统分解技法

●系统分解基本原则：

▲模块的内聚度大，耦合度小：是由模块的独立性所要求的。

——模块的内聚度（模块强度）：内聚可以看作把把构成模块的要素结合在一起的粘合剂。或者说应把相互依赖关系密切的要素聚合成模块，使其实现一定的功能。

——模块的耦合度（模块结合度）：是指模块间的依赖程度。模块间的依赖程度弱、接口简单，有助于系统中模块的组合或分离，使一个模块的修改（接口不变）不致影响其他模块。

?模块化的系统分解技法