《Applied Sciences》：DSM-Based Quantitative Comparison of Centralized and Modular Architectures of a Field-Deployed Electrohydraulic Lifting Device, Validated by Prototype Experiments
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钢制储罐采用多缸液压举升装置在工地现场建造，传统方式是由一个动力单元通过分流阀（flow divider）向所有油缸供油。针对该作业的分散式替代方案此前未被评估，且流体动力领域的模块化程度很少被量化。研究人员将一台十缸装置分析为集中式（C1）和模块化（C3）两
钢制储罐采用多缸液压举升装置在工地现场建造，传统方式是由一个动力单元通过分流阀（flow divider）向所有油缸供油。针对该作业的分散式替代方案此前未被评估，且流体动力领域的模块化程度很少被量化。研究人员将一台十缸装置分析为集中式（C1）和模块化（C3）两种变型，后者每个油缸配置一台伺服电机驱动泵；两种方案均被分解为五个功能模块，并通过有向设计结构矩阵（DSM）进行比较。每个模块的外部依赖数下降了38.6%，平均接口复杂度下降30.9%，而每模块接口数仅下降11.1%：接口被减薄而非删除。内部内聚度从0.583升至0.805；总风险优先级数（risk priority number, RPN，一种序数型专家赋值指标）从2253降至760。C1依据文档表征，未进行实验测试；一个长度比例为0.31的三模块样机完成了十六组系列实验：开环与闭环、两个运动方向、四种扰动配置。在开环状态下，所有系列的位置误差均超出±2%带宽；在闭环状态下，举升时误差保持在带宽内，下降时在行程最后91–92%的范围内保持在带宽内，漂移率降低1至2个数量级。结构上的收益对应于去除液压管路和分流阀，这两者主导了开环漂移和失效模式排序；模块化装置的采购成本约高58%。
钢制储罐的现场安装普遍采用多缸液压举升工艺。传统集中式方案由一个动力单元经分流阀向所有油缸供油，同步精度依赖分流阀的分流精度；同时，数百米软管与大量快换接头带来泄漏、污染与安全隐患。现有主动同步研究多在固定架构上优化算法，缺乏对架构本身的量化比较，流体动力领域的模块化也鲜有定量指标支撑。本研究针对一台用于大型钢制储罐现场举升的十缸电液举升装置，将集中式（C1）与模块化（C3）两种架构分别分解为五个功能模块，利用有向设计结构矩阵（DSM）计算结构指标，并通过三模块缩比样机进行十六系列实验验证，同时开展风险评价。研究发现，模块化显著降低了跨模块依赖与接口复杂度，提高了模块内聚度，闭环主从同步可将漂移率降低1至2个数量级，并提炼出方向性诊断规则；但模块化装置的采购成本约高58%，其收益需通过运维优势补偿。
研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用有向设计结构矩阵对两种架构进行功能分解，计算内部内聚度、每模块接口数、每模块外部依赖数和平均接口复杂度四个指标；构建长度比例为0.31的三模块缩比样机，采用内环速度环、外环位置环的主从同步控制，设计2×2×4析因实验（开环/闭环×举升/下降×四种扰动配置，共十六组系列）；建立灰盒模型分离各机制贡献；并依据IEC 60812进行故障模式与影响分析，计算风险优先级数（RPN）。
3.1 Functional Modules and Aggregated Dependency Structure（功能模块与聚合依赖结构）：通过功能分解与矩阵聚合，发现C1包含21个元素、112个有向依赖，C3包含20个元素、109个有向依赖；结构总量相近，但分布不同：C1的内部依赖为42个、跨模块依赖70个，C3则分别为66个和43个，模块化使依赖向模块内部集中。
3.2 Modularity Indicators（模块性指标）：通过计算四个DSM指标，发现外部依赖数每模块下降38.6%，平均接口复杂度下降30.9%，每模块接口数仅下降11.1%，内部内聚度从0.583升至0.805；矩阵对称化敏感性分析表明，四个指标的排序方向不随矩阵构建约定改变。
3.3 Open-Loop Synchronization（开环同步）：八组开环系列实验全部超出±2%行程带宽，举升系列在运动窗口的33–46%后超出，下降系列在60–63%后超出；即使无扰动，极端模块对也漂移了14.60 mm（3.65%行程）。原因在于名义相同模块间的速度差异为3.3%，直接来自泵容积效率差异，而位置误差是速度差的积分。
3.4 Closed-Loop Synchronization（闭环同步）：八组闭环系列实验中，举升时误差在包含启动瞬态的整个窗口内保持在±2%带宽内，稳态误差为0.32–0.37%行程，漂移率低至0.005–0.007 mm/s（至少降低38–61倍）；下降时启动瞬态由液控平衡阀开启延迟造成，误差短暂超出带宽，但在行程最后91–92%内回到带内，漂移率降低12–20倍。控制修正量不超过5.1%，并留有约39%速度储备。
3.5 Superposition of Disturbances and Directional Signature（扰动叠加与方向特征）：通过扰动叠加分析与灰盒模型验证，举升时泵排量减少使漂移率增加39%，负载不对称仅增加8%；下降时则相反，泵排量故障仅增加9%，而2:1负载不对称使受影响模块对的峰值误差从6.8 mm增至11.9 mm、RMS误差加倍。由此提出方向性诊断规则：从举升数据评估有效泵排量，从下降数据评估保持阀状态，无需额外硬件。
3.6 Risk Assessment Results（风险评估结果）：通过失效模式与影响分析，总风险优先级数从2253降至760，降幅66.3%；C1含有2个严重和6个高风险模式，C3则无严重或高风险模式，7个为低风险。改善主要来自发生频次降低和可检测性提高，而非严重度改变；敏感性测试表明，即使故意恶化模块化评分，结论方向仍不变。
讨论部分：结构指标与实验行为指向同一机制——DSM识别的跨模块高流量依赖在物理上正是液压管路和分流阀，而这些恰是开环漂移和失效模式的主导来源。接口数仅下降11.1%而接口内容量下降30.9%，说明模块化减薄了接口而非消除接口，这对现场反复拆装更为有利。同步精度虽低于文献中健康部件的小型试验台结果，但本研究在刻意注入泵排量损失与负载不对称的条件下，稳态误差几乎不变，表明性能对部件状态不敏感。方向性故障特征最具可转移性，可用于预测性维护。模块化的代价包括元件数量增加、依赖现场供电、采购成本高约58%，但生命周期成本分析在七个类别中优于集中式。局限性包括：C1未实物测试，样机为三模块缩比、动态相似性有限，专家评分存在主观性，能量消耗未实测。未来工作包括全尺寸十模块试验、能量平衡测量及自然老化部件验证。
结论部分：（1）同一台十缸举升装置的集中式与模块化变体包含几乎相同数量的结构——112对109个有向依赖——但分布方式截然不同。模块化使平均内部内聚度从0.583升至0.805（+38.1%），每模块外部依赖数下降38.6%，平均接口复杂度下降30.9%，而每模块接口数仅下降11.1%：模块化减薄了接口而非移除接口。四个指标的排序方向不依赖矩阵约定。（2）模块化样机在开环运行（无位置反馈）时，所有八组系列均超出±2%行程带宽——举升系列在运动窗口的33–46%后超出，下降系列在60–63%后超出——即使无扰动举升也达到3.65%行程。名义相同模块间3.3%的速度差异足以造成该结果，因为位置误差是速度差的积分。集中式变体未进行试验，其行为由文档和误差机制推断。（3）闭环主从控制在四组举升系列中于整个窗口内满足±2%判据，在四组下降系列中于运动窗口最后91–92%内满足，下降启动瞬态由平衡阀决定而超出带宽。该性能在泵排量减少与2:1负载不对称同时施加时仍成立；漂移率降低1至2个数量级：举升时低于测量链分辨率（至少38–61倍），下降时12–20倍。稳态误差为举升时0.32–0.37%行程、下降时1.10–1.42%行程，所需修正幅度不超过5.1%，并留约39%速度储备。（4）举升和下降具有不同故障特征：泵排量减少使举升漂移率增加39%但下降漂移率仅增加9%，而2:1负载不对称使举升漂移率仅增加8%却使受影响模块对在下降中的误差约加倍。因此应从举升数据评估泵的有效排量，从下降数据评估保持阀状态——该诊断规则无需额外硬件。（5）总风险优先级数（序数型专家赋值指标）下降66.3%，从2253降至760，模块化架构中不再有严重或高风险失效模式。改善来自更低的发生频次和更好的可检测性，而非严重度降低——九个失效模式的严重度完全相同，这对举升装置而言是预期且正确的结果。综上，结果支持论文的核心方法论主张：矩阵识别出的跨模块流量最大的元素，也正是失效分析认定的主要风险驱动因素和实验显示的漂移来源——施工前计算出的架构级指标，可以指向硬件后来被证明重要的环节。证据来自单一装置和长度比例0.31的样机，因此结论的方向比数值更可转移；集中式变体的比较基于结构分析与风险评估，并辅以模块化样机实验；模块化装置采购成本高约58%，其运维优势需补偿该溢价。生产版本的控制应带有抗积分饱和的积分项，泵诊断从控制努力而非残余位置误差中读取。
