吳 婷 楊 濤

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基于功能技術(shù)矩陣的概念產(chǎn)品設(shè)計方法探索*

吳 婷1楊 濤2

1. 福州海峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2. 福建工程學(xué)院

針對目前概念產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中存在的問題，借助功能技術(shù)矩陣、TRIZ創(chuàng)新理論原理，提出一種基于功能技術(shù)矩陣的概念產(chǎn)品開發(fā)模式，并闡述具體的實現(xiàn)技術(shù)，以期降低概念產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性和不確定性，提高設(shè)計成功率和設(shè)計品質(zhì)。

概念產(chǎn)品 功能技術(shù)矩陣 創(chuàng)新設(shè)計方法

為了更好地規(guī)劃公司發(fā)展戰(zhàn)略，更早地預(yù)判市場需求趨勢，使設(shè)計更具超前性、更具競爭力，概念設(shè)計應(yīng)運而生?！案拍钤O(shè)計”最早于1984年由德國學(xué)者Pahl和Beitz提出，他們認為：在確定設(shè)計任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，一部分的設(shè)計工作叫做概念設(shè)計[1]。概念設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計過程中占有非常重要的地位，類似于生物的基因，從質(zhì)的層面決定產(chǎn)品的品質(zhì)[2]。各大知名廠商諸如伊萊克斯、飛利浦、蘋果、寶馬等每年都投入大量的人力物力進行相關(guān)領(lǐng)域的概念設(shè)計實驗，并定期推出概念產(chǎn)品展示活動，以求準確把握未來市場的需求與動向，在產(chǎn)品競爭中立于引領(lǐng)地位，實現(xiàn)企業(yè)利潤最大化。

1 理論基礎(chǔ)

目前，國內(nèi)對概念產(chǎn)品設(shè)計理論研究的主體為高校，主要有浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等，主要的理論基礎(chǔ)有TRIZ、AD、QFD（質(zhì)量功能配置理論）理論，國家863 科技計劃和國家自然科學(xué)基金均資助了很多相關(guān)的研究課題。

浙江大學(xué)的馮培恩教授及其指導(dǎo)的研究生陳泳基于仿生學(xué)對概念產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)進行了探索，為建立基于遺傳和重組的技術(shù)產(chǎn)品計算機輔助概念設(shè)計的新理論和方法做了探索性工作。

河北工業(yè)大學(xué)的檀潤華教授及其指導(dǎo)的研究生王永山基于QFD及TRIZ理論對概念產(chǎn)品設(shè)計進行了研究，將QFD與TRIZ有機的結(jié)合，應(yīng)用QFD解決設(shè)計中做什么的問題(What)，應(yīng)用TRIZ解決設(shè)計中如何做的問題(How)，提升產(chǎn)品創(chuàng)新性。

以上對概念設(shè)計開發(fā)設(shè)計的研究雖然取得了一定了成效和進展，但仍然存在很多問題，比如：產(chǎn)品未來概念僅僅從技術(shù)進化規(guī)律層面研究是遠遠不夠的，人們的審美、需求是多元、動態(tài)變化的，對未來需求的預(yù)測需要從文化、能源、環(huán)境等綜合大環(huán)境角度進行研究；TRIZ理論解決具體工程問題很有效，但對建立豐富的、多元化的概念路線方面還有許多不足之處；此外現(xiàn)代產(chǎn)品的需求分析分為顯性需求分析和隱性需求分析兩個層面，蘋果公司、微軟公司、谷歌公司所創(chuàng)造的極富想象力的新產(chǎn)品顯現(xiàn)出對隱性需求分析的重要性，而上述研究都沒有涉及如何在概念產(chǎn)品研發(fā)中進行隱性需求分析。

本課題針對上述問題提出基于功能技術(shù)矩陣的概念產(chǎn)品開發(fā)模式，并在需求分析階段引入TRIZ預(yù)測技術(shù)與未來預(yù)測理論相結(jié)合，針對隱性需求分析進行相應(yīng)研究。

功能技術(shù)矩陣是一種非常直觀的表格，它將產(chǎn)品所有分功能及其對應(yīng)的所有可能實現(xiàn)途徑羅列其中，設(shè)計者可以借助于功能技術(shù)矩陣進行各種組合，從中形成實現(xiàn)產(chǎn)品總功能的原理方案。功能技術(shù)矩陣為豐富產(chǎn)品開發(fā)方案、開拓設(shè)計思路、進行方案評價提供了有效解決模式。

TRIZ起源于前蘇聯(lián)，是俄語“發(fā)明問題解決理論”的縮寫，前蘇聯(lián)著名發(fā)明家阿奇舒勒所領(lǐng)導(dǎo)的研究機構(gòu)為研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，分析了世界上近250萬件高水平的發(fā)明專利，并綜合多學(xué)科的原理和法則，形成了一套TRIZ理論體系（見圖1）[3]。此外，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，技術(shù)從結(jié)構(gòu)上可以進行進化，并總結(jié)出進化的趨勢，該進化趨勢概括出：技術(shù)系統(tǒng)是按照剛體→單鉸鏈→多鉸鏈→柔性體→液體/氣體→場的趨勢進化，我們可以據(jù)此總結(jié)現(xiàn)在的產(chǎn)品技術(shù)處于技術(shù)進化中的何種階段，并預(yù)測出該技術(shù)進化的趨勢，從而在未來競爭中占得先機。例如，海爾集團等就在積極研發(fā)替代機械洗衣的利用水電解與超聲波震蕩相結(jié)合的新型洗衣機，這種新型洗衣機符合TRIZ技術(shù)進化趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)省水、省電、省洗衣劑的要求。

TRIZ有三種工具：①39個通用過程參數(shù)和40條發(fā)明原理；②物質(zhì)—場模型和76個標準解；③效應(yīng)原理解[4]。

圖1 TRIZ 理論體系關(guān)系

2 基于功能技術(shù)矩陣的概念產(chǎn)品開發(fā)模式

在概念產(chǎn)品設(shè)計過程中，對未來需求的準確預(yù)測是成功的起點，準確的設(shè)計定位可以為企業(yè)贏得市場先機，在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，單純利用現(xiàn)有的科技已經(jīng)不能適應(yīng)市場的競爭了，蘋果、Google等企業(yè)的經(jīng)驗告訴我們，現(xiàn)在的產(chǎn)品研發(fā)必需具有超前意識，產(chǎn)品開發(fā)的模式也必須進行必要的調(diào)整；與此同時，如何將未來的需求用最低的成本、最令消費者滿意的形式進行展現(xiàn)也是概念產(chǎn)品開發(fā)取得成功的另一關(guān)鍵。

隱性需求是與顯性需求相對的，隱性需求可以通過一定的轉(zhuǎn)化過程而表現(xiàn)為顯性需求從而被企業(yè)和用戶認知。為了在激烈的市場競爭中贏得先機，國際上比較知名的幾大企業(yè)甚至提出引導(dǎo)消費者生活習(xí)慣的設(shè)計口號，在這種背景下，如何挖掘隱性需求成為設(shè)計師必須解決的難題。因此，本課題在研究概念產(chǎn)品開發(fā)的需求分析過程中，引入需求預(yù)測概念——即通過TRIZ預(yù)測理論及未來環(huán)境預(yù)測、歸納，發(fā)掘用戶的隱性需求，以提升產(chǎn)品開發(fā)的創(chuàng)新性。

TRIZ技術(shù)進化理論中包含10條定律(或模式)與多條進化路線。這里的10條定律是指技術(shù)進化的10個方向。技術(shù)進化路線指出了某種技術(shù)進化的狀態(tài)序列，實質(zhì)是技術(shù)如何從一種狀態(tài)移動到另一種新的狀態(tài)，新舊狀態(tài)所完成的基本功能相同，但性能極限提高，或成本降低，即產(chǎn)品沿進化路線進化的過程是新舊技術(shù)更替的過程?；诋斍暗漠a(chǎn)品技術(shù)所處的狀態(tài)，按照進化路線，通過設(shè)計，可使其移動到新的狀態(tài)?；赥RIZ中技術(shù)進化理論的預(yù)測結(jié)果可以幫助企業(yè)確定新產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略機遇。

對未來進行預(yù)測，主要通過分析推導(dǎo)得出預(yù)期的環(huán)境變化、用戶使用變化、審美、價值觀變化等。這要求在產(chǎn)品開發(fā)過程中，多咨詢、了解相關(guān)專家的科研預(yù)測成果，并對技術(shù)發(fā)展趨勢進行充分調(diào)研，在后續(xù)的概念產(chǎn)品方案評價階段對新技術(shù)、新工藝等應(yīng)用于新產(chǎn)品中的提案進行中立環(huán)境下分析。在確定了用戶的需求之后，如何將需求轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)隨之成為概念產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，此過程也稱為求解過程，并且解的數(shù)量不是單一的，我們必須對解進行評價、取舍。在系統(tǒng)論設(shè)計方法的指導(dǎo)下，本研究綜合產(chǎn)品開發(fā)中的單項技術(shù)、理論，并融入相關(guān)的預(yù)測技術(shù)，將功能技術(shù)矩陣與創(chuàng)造性解決問題理論相結(jié)合，以得到新型創(chuàng)新設(shè)計解決模式，對概念創(chuàng)新設(shè)計提出新思路、指導(dǎo)一般性概念產(chǎn)品設(shè)計。

應(yīng)用于具體的概念產(chǎn)品開發(fā)過程中，本理論的操作流程為：獲取需求信息→需求轉(zhuǎn)換為功能→功能轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)→方案評價。在此過程中，主要基于功能技術(shù)矩陣模型進行產(chǎn)品開發(fā)，運用TRIZ理論進行開發(fā)定位技術(shù)性預(yù)測、方案具體求解、方案評價。

2.1 需求設(shè)計

獲取需求信息：為獲得最充分、最全面的需求信息，產(chǎn)品研發(fā)團隊應(yīng)對消費者進行全面的需求調(diào)查，進行必要的訪談與產(chǎn)品使用觀察實驗；同時，設(shè)計師進行產(chǎn)品試用、專家訪談，以尋求產(chǎn)品缺陷及消費者潛在的需求。

獲取隱性需求：隱性需求是指人們還沒有意識到的、客觀存在的需求。這種需求通常是設(shè)計師本人通過敏銳的感覺能力、訓(xùn)練有素并且善于觀察和思考的頭腦產(chǎn)生出的需求信息。

隱性需求是概念產(chǎn)品贏得未來市場的基礎(chǔ)，是概念產(chǎn)品研發(fā)的重中之重。獲取隱性需求的關(guān)鍵是進行未來預(yù)測，這要求我們要洞悉未來社會的發(fā)展趨勢、人們的生活習(xí)慣、科技的動向、人們的審美等等, TRIZ中的技術(shù)進化理論為我們對技術(shù)的發(fā)展提供了未來預(yù)測的可能。

2.2 需求轉(zhuǎn)換為功能→功能轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)

按功能論設(shè)計方法進行功能定義、功能分類、功能整理、形成功能技術(shù)矩陣。與傳統(tǒng)建立功能技術(shù)矩陣的方式不同，本研究模式融合了TRIZ創(chuàng)新理論原理(見圖2)，可以在產(chǎn)品設(shè)計過程中提出盡可能多的、有效的設(shè)計方案，正確反映設(shè)計提案的成本與設(shè)計品質(zhì)，為設(shè)計師及企業(yè)決策者提供清晰的選擇提案，可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計方案的商業(yè)成功率、提升產(chǎn)品品質(zhì)。

圖2 TRIZ創(chuàng)新原理

具體操作步驟為：在建立功能技術(shù)矩陣過程中，先將前期的需求設(shè)計結(jié)果表述為具體的總體功能和分功能（與傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程不同，本研發(fā)模式為先確定理想的結(jié)果，不考慮具體的實現(xiàn)技術(shù)），運用TRIZ創(chuàng)新理論原理生成框架式的廣義上的解，再把設(shè)計知識、制造知識、商業(yè)運作知識等諸多方面融合在一起，最終形成更廣度范圍內(nèi)的創(chuàng)新設(shè)計方案，建立反映成本、設(shè)計品質(zhì)、實現(xiàn)途徑技術(shù)先進性等選項的概念產(chǎn)品設(shè)計方案多維矩陣模型(見圖3)，然后按照設(shè)定的權(quán)重對每個方案進行評分（公式參照式（1）），評分最高的選定為設(shè)計方案，進行產(chǎn)品量產(chǎn)、推廣。

Si=ΣkjCiI(i=1,2,…n；j=1,2,…m) 式（1）

其中：

Si——第i 項方案的綜合評分；

j——表示產(chǎn)品研發(fā)評價特性的指標個數(shù)；

kj——評價指標為j 時所對應(yīng)的權(quán)重值；

i——產(chǎn)品分功能項；

I——可以實現(xiàn)產(chǎn)品分功能i項的技術(shù)途徑項；

CiI——多維矩陣模型中可以實現(xiàn)產(chǎn)品分功能i項的技術(shù)途徑項I的分值。

圖3 概念產(chǎn)品設(shè)計方案多維矩陣模型

在利用“基于TRIZ、功能技術(shù)矩陣的概念產(chǎn)品開發(fā)模式”過程中，進行功能轉(zhuǎn)換時，會遇到各種技術(shù)矛盾或物理矛盾，TRIZ技術(shù)提供了系統(tǒng)的解決方案，融合本多維矩陣模型的方案評價體系，按如下步驟進行：

(1)進行問題分析；

(2)確定理想狀態(tài)產(chǎn)品所要具備的功能，包括總功能及各個分功能；

(3)查找效應(yīng)庫，解決各功能需求；

(4)對所得出的各個方案選取成本、技術(shù)先進性、品質(zhì)、美學(xué)評價等方面進行綜合評價，利用前文提到的方案權(quán)重綜合評價公式進行評分，優(yōu)選分值最高的方案。

在進行方案設(shè)計過程中應(yīng)把握如下原則：當我們已知存在的問題與矛盾而不知該做些什么的時候，運用創(chuàng)新原則來解決；知道要做什么而不知如何做時，科學(xué)效應(yīng)與現(xiàn)象能為你提供幫助。技術(shù)系統(tǒng)的進化趨勢可以解決整個系統(tǒng)的改善問題。

在分析創(chuàng)新原則階段適當運用類比思考，組織小團隊開展頭腦風(fēng)暴還是有必要的。畢竟確定方案需要不同領(lǐng)域的專業(yè)知識。

如果問題沒能得到解決或功能無法實現(xiàn)，請重新分析問題或查找合適的效應(yīng)。

在利用問題與矛盾解決原則不能找到解決方案之后。物質(zhì)—場分析可以揭示問題的產(chǎn)生原因，標準解法可以按層次給出更多的方案選擇。當然物質(zhì)—場分析與標準解法比起其它工具則需要更多的專業(yè)知識。

找到解決方案后要與理想化最終結(jié)果進行比較，我們要知道現(xiàn)在方案與預(yù)期的差距。另外，任何方案沒有絕對的正確性，反復(fù)變換選擇的特征參數(shù)與看問題的角度能得到更多的可選擇方案。

3 結(jié)語

本文重在研究建立概念產(chǎn)品開發(fā)方法及模型，以促使設(shè)計在理性的思維導(dǎo)向下形成正確的結(jié)果，而不必通過失敗后的反復(fù)修正或在設(shè)計中留下不可挽回的后遺癥。通過本研究，一方面是形成較完善的概念產(chǎn)品開發(fā)理論及開發(fā)模型，另一方面，是希望它能推動我國制造業(yè)在國際競爭中能取得更好的成績，現(xiàn)在制造業(yè)的競爭是設(shè)計的競爭，我國現(xiàn)在是一個制造大國，但卻不是制造強國，問題就在設(shè)計！我們的制造業(yè)主要依靠引進技術(shù)制造，設(shè)計競爭能力差距很大，掌握正確的設(shè)計理論和方法無疑會加快設(shè)計能力的提升，希望本研究能夠改進我們的思維習(xí)慣和教育傳統(tǒng)。

[1] 梁玲琳.產(chǎn)品概念設(shè)計[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[2] 唐林.產(chǎn)品概念設(shè)計基本原理及方法[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2008.

[3] Steven Ungvari. Triz within the context of the kano model or adding the third dimension to quality[EB/OL]. http://www.ideationtriz.com/paper_TRIZ_ Within_Context.asp.html, 2006-4-24/2011-04-24.

[4] 張武城,趙敏.開創(chuàng)創(chuàng)新教育，提高創(chuàng)新能力[A] //高校創(chuàng)新理論教育·教學(xué)研討會論文集[C].北京：億維訊集團,2007.

[5] 鄒寧.基于QFD 與工效學(xué)方法的產(chǎn)品開發(fā)與評價技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2009.

[6] 劉華. 基于TRIZ理論的產(chǎn)品概念設(shè)計方法及應(yīng)用[D]. 南京:南京理工大學(xué),2005.

[7] 王永山. 基于QFD及TRIZ的產(chǎn)品概念設(shè)計及相關(guān)軟件開發(fā)[D].石家莊:河北工業(yè)大學(xué), 2002.

*福建工程學(xué)院教育科學(xué)規(guī)劃項目基金:“基于工作過程導(dǎo)向的創(chuàng)新設(shè)計課程教學(xué)模式研究”（GB-K-11-05）。