稳健型设计
基于CPTU的软土空间变异性及基坑稳健性设计
基于CPTU的软土空间变异性及基坑稳健性设计发布时间：2023-04-15T06:25:50.565Z 来源：《工程建设标准化》2023年38卷1期1月作者：张陶郝藏刘晓飞丁旺达唐国强李泽华邓向振[导读] 现今我国经济处于快速发展阶段，城市建设也在不断发展，出现了越来越多的地下工程，尤其是在一些沿海地区，在开展深基坑工程施工时，需要在软土中施工，对于基坑工程开展的安全性提出较高的要求。
张陶郝藏刘晓飞丁旺达唐国强李泽华邓向振中建八局第三建设有限公司摘要：现今我国经济处于快速发展阶段，城市建设也在不断发展，出现了越来越多的地下工程，尤其是在一些沿海地区，在开展深基坑工程施工时，需要在软土中施工，对于基坑工程开展的安全性提出较高的要求。
天然的沉积土是在长时间的发展中形成的，岩土的相关工程参数存在空间变异性特点，主要表现为不同的位置，获取到的土工参数测试值呈现出离散性与不确定性的特点。
关键词：CPTU；软土空间；变异性；基坑稳健性前言：随着地下工程数量的不断增加，在具体的施工中面对较大施工风险，尤其是在沿海、沿江地区，处于较为脆弱敏感的地质环境下，增加了施工的难度系数。
在软土地区的基坑施工中，需要较大开挖范围，工程涉及面广泛涉及到的影响因素众多，对于基坑施工的设计安全性有着较高的要求，这也就成为岩土工程研究的重点所在。
一、内撑式地下连续墙软土基坑稳健性设计方法在开展软土基坑稳健性设计的过程中，其系统功能的设计对绝不可控输入参数产生的变异性影响问题，可以借助调整易控设计参与的方法，最大程度上降低对系统功能相应中不可控设计参数变异性的敏感性。
不仅如此，还需要对设计方案的应用成本加以考虑，从而保障设计方案的功能响应变化处于最小变化下，并且设计完成的方案需要成本较低等多种要求。
在使用内撑式地下连续墙支护结构形式时，在软土基坑的结构设计中，主要包含的是地下连续墙的实际插入深度，支护结构需要的最低点，以及支护结构使用中需要的内力和变形计算等多种内容。
稳健性设计Robust Design
六西格玛培训—优化阶段模块稳健性设计Robust DesignPatrick ZhaoI&CIM Deployment Champion稳健性设计•稳健性设计也称田口设计，由Dr. Genichi Tuguchi在70 年代创立。
质量损失•车主在汽车行驶过程中听到发动机有异响，担心出问题，他请假开到4S 店检修。
工作人员安排检查，两个小时后报告显示异响噪音满足标准，无法赔偿。
车主十分不满，几年后换车时，他选择了其他品牌。
传统田口传统质量损失VS 田口质量损失LSL USLTarget LSL USLTargetLoss Loss Loss Loss什么是稳健性？•稳健性定义：产品或过程在周围不可控或未控制因子（噪音因子）不断变化的条件下，持续稳定工作的能力。
（The ability of a product or process to function consistently as the surrounding uncontrollable or uncontrolled factors vary.）在冬天转动遮阳板时很紧，在夏天时很松，产品是否稳健？发泡产品在环境干燥时需要更多原材料，潮湿时需要很少原材料，过程是否稳健？产品不稳健的原因–遮阳板•温度低，使材料变硬，遮阳板难以转动。
过程不稳健的原因–发泡•湿度低时，反应变慢，填充同样模具所用材料更多。
解决策略1.直接减少噪音•控制环境温度？•控制环境湿度？•建造恒温恒湿车间？成本？2.根据噪音制定不同的策略•制定两套工艺参数应对不同环境？•产品在客户端的条件能预测吗？3.稳健性设计•减少噪音因子对产品/过程的影响！•三种策略可能同时需要。
稳健性指标•衡量一个产品/过程是否稳健的指标是信噪比，S/N –Signal to Noise Ratio。
•通过比较两种设计的信噪比差值来确定设计优化的程度。
•信噪比越大，产品/过程越稳健，越不受噪音因子的影响。
论述稳健性产品设计技术
论述稳健性产品设计技术产品设计是决定产品的第一也是最重要的环节。
产品设计带来的质量问题如果不及时处理，会引起连锁反应，其解决需要的时间和费用很高。
在设计过程中考虑得全面、合理、仔细能够有效地降低成本，减少质量问题发生。
通过稳健性设计不仅能够提高质量，还能使产品特性对不可控因素的敏感性降低。
1 稳健性产品设计技术1.1 稳健性设计的基本原理产品的质量在其生命周期内会被各种因素影响，这些影响具有不确定性，会导致产品的质量特性波动。
直接消除干扰因素，虽然可以解决问题但是实现难度过大、成本过高。
可以尽量降低干扰因素，使质量与因素之间关联变弱，对干扰变得不敏感，这就是稳健性设计的原理。
1.2 稳健性设计典型方法稳健性来源于控制理论中的鲁棒性，是指变量对因素发生微小差变的不敏感性。
如何定量地度量设计的稳健性是稳健性设计的基础。
可行稳健性是指产品性能质量在印象因素作用下稳定在所允许的范围内的能力；敏感稳健性是指产品性能质量在噪声因素作用下保持稳定的能力。
稳健性的指标有质量损失函数、信噪比、质量信息熵等。
经过长期研究和应用，稳健性设计的技术取得了很大的进展，出现了多种稳健性设计方法。
马义中通过熵和协方差矩阵的关系，建立多元质量特性的信噪比计算公式来度量产品质量特性的整体波动，为了克服质量特性协方差不能直接反映质量特性的波动关系，利用信息熵概念度量稳健设计中多元质量特性的整体波动。
比较常用的如下：1.2.1 田口方法。
田口方法以正交试验设计为基础，将产品的设计分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段，最后通过正交试验设计确定参数值可以到达的最佳水平组合。
该方法为稳健性设计提供了理论基础，但是必须事先确定方案的大致范围，局限性强，需要进一步研究。
1.2.2 双响应面法。
双响应面法可以将噪声因素和设计变量结合，综合考虑其对产品质量的影响。
适用于噪声因素非正太分布，求解误差小，但是对试验数据敏感，模型拟合较为困难。
1.2.3 随机模型法。
稳健设计名词解释
稳健设计名词解释
稳健设计 (稳健性设计) 是指在系统设计和开发过程中，为了提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，采取一系列措施来提高系统的安全性和可用性。
稳健设计的目标是在设计阶段就发现和解决系统可能存在的缺陷和风险，避免在系统运行时出现不可预料的问题。
稳健设计的具体含义包括以下几个方面:
1. 系统性：稳健设计要求系统设计和开发过程必须以系统性为基础，强调从系统整体的角度思考问题，综合考虑各个模块之间的交互关系和影响。
2. 风险评估：在系统设计和开发过程中，需要进行风险评估，分析系统可能存在的风险和缺陷，并制定相应的对策和措施。
3. 容错设计：在系统设计和开发过程中，需要考虑异常情况下系统的响应和处理能力，设计相应的容错机制和预案，以保证系统的稳定性和可靠性。
4. 可维护性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的可维护性，保证系统在不同环境下的可适应性和易用性。
5. 安全性：稳健设计要求系统设计和开发过程需要考虑系统的安全性，包括防止恶意攻击、数据保护、访问控制等方面。
总结起来，稳健设计是一种系统设计和开发的理念，旨在提高系统的可靠性、稳定性和鲁棒性，保证系统在不同环境下的可用性和安全性。
产品寿命周期质量分析与控制技术剖析
70年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新的设计概念取代了传统的设计思想。设计中心思想是采用最低廉的元件组装成品质量最好，可靠性最高的整机；采用最宽松的工艺条件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产品。其口号是“用三类元件设计制造出一类整机”。
在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以及美国三大汽车公司等都是在这种设计概念下取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺要求，降低制造成本的条件下制造出高品质的产品。
三 次 设 计
系统设计 参数设计 容差设计
1、系统设计
指专业人员根据各个的技术领域的专门知识，对产品进行整个系统结构的设计，也就是通常所说的产品质量设计。 系统设计阶段，需要求出产品的性能指标与各有关参数之间的函数关系。
2、参数设计
指在全系统设计基础上，决定或选定系统各参数的最优参数组合。要求不仅应使产品有良好性能，而且在环境改变或元器件有所波动劣化的情况，按照这种参数组合制造出来的产品，在性能上仍能保持稳定。
基本功能稳健性的度量—S/N
田口曾提出70多种不同的信噪比函数表达式，每一种表达式都有其适用的条件和范围，下面描述三种常用的S／N函数。 （1）N型信噪比函数。用于质量特征目标值为一确定值的情况下的试验结果的分析和优选，如尺寸、输出电压等质量特征的设计。
稳健性的度量—信噪比S/N
式中： yi_——表示观测值，i=1,2,…n采样数。
实施稳健技术的目的：减少产品性能和技术功能波动，既减少输出质量特性围绕设计目标值T的波动，就要给出基本功能波动的度量。 保证基本功能的性能稳健取决于两点： 一是输出质量特性本身的波动小； 二是该质量特性应尽可能接近设计目标值。 性噪比函数S/N能准确地反映这两个特性。
选择有效的输出质量特性、可控和噪声因素
稳健设计
3
几个基本概念
4
质量特性值
在工业生产中，产品的质量通常通过对特定的功能、特性的测
定或测量数值来评定（质量特性或输出特性）。
任何一种产品的质量特性值与其名义值（额定值）之间都存在
一定的偏差。偏差越小，质量越好。
5
质量的变异性
产品的质量特性指标往往会有差异； 即使完全相同的生产条件，由于种种干扰因素的存在，其 产品也会表现出不完全相同的质量特性；
质量工程技术人员研究发现，瓷砖尺寸波动原因是由砖窑内
部温度差异引起的。
在没有放置瓷砖时，砖窑内部设计的加热后温度是相同的， 但是放置瓷砖之后加热后窑内各部位的温度就不同了，外侧 温度高，中心处温度低。
解决办法：重新设计一个新砖窑，保证窑内温度均匀。 方法缺陷是什么？
15
第三种方法
从瓷砖内部结构入手，寻找影响尺寸稳健的内部原因。
现代设计理论 —稳健设计
胡坤（20101011）
1
主要内容
稳健设计起源 稳健设计的几个基本概念 稳健性设计与三次设计 内外表参数设计
简单的稳健设计方法
2
源起
20世纪70年代末期开始
日本学者田口玄一博士创立
以三次设计为内容的质量工程学 目前美国把一切用于提高和改进产品质量有关的工程方法 统称为稳健性设计
同一产品在不同的环境中使用，或者在寿命周期内的不同
时刻，其质量特性都会有差异；
例如手机电池的使用时间：随着气温的变化而变化；随着 使用时间长短的变化而变化。
6
质量特性值
稳健设计方法
机研142孙利文2100一、稳健设计方法在产品设计开发中的作川。
稳健设计又称作鲁棒设计。
是关于产品质量和成本的一种工程设计方法。
在产品或工艺系统设计中，正确的应用稳健设计的基本理论和方法可以使产品在制造或使用中，或是在规定寿命内当结构或材料发生老化、变质、工作环境发生微小的变化时，都能保证产品质量的稳足。
通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。
产品性能将更加稳定、质量更加可靠。
任何一种产品〃影响其质量的因素有很多〃主要可分为两类:一类是在设计中人们可以控制的因素如设计变量、变量的容差等；另一类是所谓的噪声因素指由生产条件、使用环境及时间等的变化而影响产品质量的因素如载荷、儿何尺寸、工程材料特性的变异以及制造、安装误差等，其基本特点是具有不确定性和随机性，是不可控制的因素。
实际存在的不确定因素的变化有可能导致产品的性能指标有较大的波动，使其功能劣化我至失效，还有一些材料或元器件会随着时间的推移而发生失效等。
对于这些因素有两种处理方法: 一是尽可能消除这些因素这对可控因素是可以做到的，而对噪声因素往往很难实现。
即使能够消除也需要花费很大的代价；二是尽量降低这些因素的影响。
这是相对容易和低代价的方法，也就是使产品性能对这些因素的变化不敏感，为了使所设计的产品在不确定因素的影响下，其性能指标不仅能达到设计要求，而且对各种不确定因素的变化不敏感，就需要用稳健设计方法來实现。
稳健设计就是使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内不管其参数、结构发生漂移或老化在一定范围内都能持续满意地工作。
二、试验设计在稳健设计中的作用。
试验设计就是运用正交试验法或优化方法确定零部件参数的最佳组合，在系统内、外因素作用下，所产生的质量波动最小，即质量最稳定（健壮）。
试验设计的目的是根据系统设计中所确定的所有参数，通过多因素的优选方法来考察三种干扰（内干扰，外干扰，产品间波动）对系统质量特性的影响，寻求最佳的参数组合，以求得抗干扰性最佳的设计方案，使系统质量特性波动小，稳健性好，并且价格低廉。
田口方法与稳健性设计
专业 技术知 识来确 定 ，尽量使 基本功 能 向理想 功能
靠拢 的手段 是系统选 择 、动态特 性 的参数 设计及 设
产 品开 发流程 中可 控 因素与误 差 因素分布 图如
图１ 所示 。
因 素 个 数
计恰 当的样件 。
上游 质量 指产 品设计和 工 艺设计质 量 ，称为线
外 质量工 程 ， 阶段 的任 务是在 技术 开发 的基 础上 ， 该
图纸和规 格要 求 的满足程 度 ，它依靠 线 内质 量工程 学 和有效 的质量 管理 措施来 保证 。 下游 质量指 销售 和售后 服务质 量 ，即产 品使用
法 （ａｕ ｈ ｅｈ ｄ 的 田口玄一把质量划分为 四个阶 Ｔ ｇｃ ｉ Ｍ ｔｏ ）
段 ：源游质 量 、上 游质量 、 中游 质量 、下游 质量 。 源游 质 量 指技 术 开发 质 量 ，称 为 线 外 质 量 工 程 ，是指开 发 的某 一类产 品或 某种技 术 的基本 功能 与 理想功 能的接近 程度 ，在 该阶段 ，基本 功能依 靠
过 程质量 ， 除了产 品功能外 ，能源 消 耗 、噪 声 、振 动 、故 障、污 染等弊 害项 目也是 消 费者注意 的质量 要 求 ，它 直接 关系 到企业 的经营 ，可通 过优 良的售 后服 务对产 品使用 意 见调查 并及 时反馈 到源游 、上
游 、中游 ，采取有 效 的质 量改 善措施 。
１ 概 述
通 常大 家都 有一 种概 念 ， 品的质 量 是制 造 出 产
来的 ， 是检验 出来 的， 不 要制造 出高质 量 的产 品 ， 其 先 决条件 必须是 先设计出高质 量的产品 。 创立 田口方
中游 质 量 指 生 产 制 造 质 量 ，称 为 线 内质 量 工
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稳健性设计的发展和应用
工业界的质量意识空前提高，开始制定以 顾客需求为中心的质量战略和以质量管理为根 本内容的经营战略，注重加强研制阶段的质量 设计和质量分析。 稳健性设计技术不仅可以使企业以最快的开发得最好 的资本增值效益，同时，也是跻身世界及公司 的必由之路。
稳健性设计的发展和应用
美国
美国波音公司已采用田口方法成功地进行了飞机尾翼设计。 美国航空航天局从94年开始计划用3—4年时间推行田口方法， 从对高级领导人进行培训、转变观念入手，并首先在航天飞机燃 料储箱设计中应用。 美国每年完成的案例在5000个以上。美国应用稳健性设计方法 节约经费达九百万美元，另外，美国70%以上的工程技术人员了解 此方法。 由于世界范围内高技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国 际市场竞争的焦点已开始由价格的竞争转向质量设计的竞争。设 计竞争的严峻形势迫使每个企业重新考虑其质量经营战略。
质量的稳健性优化设计
主讲:韩微
一 . 稳健型设计的产生
传统的设计思想认为：只有用质量最好的原材料（零 部件），才能组装成质量最好的整机；只有最严格的 工艺条件才能制造出质量最好的产品。总之，材料、 元器件质量特性越好，可行性就越高。 70年代，世界上技术先进国家已开始以一种全新的设 计概念取代了传统的设计思想。 设计中心思想：（1）采用最低廉的元件组装成品质量 最好，可靠性最高的整机；（2）采用最宽松的工艺条 件加工出质量最好、成本最低、收益最高的产品。其 口号是“用三类元件设计制造出一类整机”。
稳健性设计的产生
在国际市场上占有最大份额的日本电气产品以 及美国三大汽车公司等都是在这种设计概念下 取得了最好的技术经济效果，在放宽工艺要求， 降低制造成本的条件下制造出高品质的产品。 稳健性设计是日本著名的质量管理专家田口玄 一博士于70年代初创立的质量管理新技术。
二. 稳健性设计的特点
特点： 1.这是一种最新颖、科学、有效的稳健性优化 设计方法。 2. 稳健性设计是实现低成本、高质量的有效 方法。 该理论和方法不仅受到日本同时也受到欧美各 国应用统计学家、质量管理专家、工程设计专 家和企业人士关注，并在工程实际中得到了广 泛应用。
三.稳健性设计的发展和应用
日本： 许多大公司的“设计规程”中明确指出设计人员在设 计过程中必须采用稳健性方法的稳健性优化设计方法， 否则在技术评审中难以通过。 据资料介绍，日本数百家公司每年应用稳健性方法完 成10万项左右的实例项目研究，在不增加成本的情况 下，大大提高了产品设计和制造质量。 田口的稳健性设计方法被日本人作为日本产品打入 国际市场并畅销不衰的奥妙之一；是日本经济腾飞的 秘诀和成功之道。