羅建設(shè)*，羅垂敏，鐘 嵐

(1.成都工業(yè)學(xué)院 a.模具技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.電加工四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611730;2.成都廣播電視大學(xué)，成都 610051)

基于問題確定的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的研究

羅建設(shè)1a*，羅垂敏1b，鐘 嵐2

(1.成都工業(yè)學(xué)院 a.模具技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.電加工四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611730;2.成都廣播電視大學(xué)，成都 610051)

針對(duì)目前產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法的多樣性和片面性，通過將質(zhì)量功能布置、價(jià)值工程理論與發(fā)明問題解決理論等方法進(jìn)行有機(jī)集成，提出了一種面向技術(shù)系統(tǒng)問題確定的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型。通過質(zhì)量功能布置定性描述技術(shù)特征之間的相關(guān)影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)可能存在的技術(shù)矛盾，建立功能模型分析技術(shù)系統(tǒng)存在的標(biāo)準(zhǔn)、不足或者過剩作用等問題，利用價(jià)值工程理論的價(jià)值評(píng)價(jià)尺度對(duì)各類問題進(jìn)行分析并確定最終的產(chǎn)品創(chuàng)新方向。采用表示層/業(yè)務(wù)邏輯層/數(shù)據(jù)訪問層的構(gòu)建方式開發(fā)了支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)，并通過示例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì);問題確定;過程模型;發(fā)明問題解決理論

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，產(chǎn)品的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，企業(yè)必須注重新產(chǎn)品的開發(fā)以建立各自的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［1］。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的重要階段，由于設(shè)計(jì)的不確定因素多，設(shè)計(jì)的可塑性和自由度大，是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心階段。目前已提出多種概念設(shè)計(jì)階段可用的方法，如Alaa Hassan等［2］將質(zhì)量功能布置(QFD)、失效模式效應(yīng)分析(FMEA)和作業(yè)成本核算法(ABC)有機(jī)集成一種適用于概念設(shè)計(jì)階段的方法;Zülal Güngo¨r等［3］將QFD中的設(shè)計(jì)需求和用戶需求應(yīng)用于模糊控制中而形成一個(gè)模糊決策系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中;H.Kawakami等［4］提出和實(shí)現(xiàn)了一種基于價(jià)值工程(VE)和公理設(shè)計(jì)(AD)理論的，運(yùn)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的知識(shí)獲取的方法。發(fā)明問題解決理論(TIPS，Theory of Inventive Proldem Solving)提供了一系列解決問題的方法來實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，但不能有效識(shí)別產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題［5］。因此，本文通過將QFD、VE與TIPS進(jìn)行有機(jī)集成，提出一種能有效地確定并解決產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型?；谠撃Ｐ?，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)是文獻(xiàn)［6］建立的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型

依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)，當(dāng)人們想要達(dá)到一個(gè)特定的目標(biāo)，但又不能立即找到達(dá)到該目標(biāo)的合適的路徑時(shí)，人們所從事的活動(dòng)，都可以稱作問題解決。Simon［7］認(rèn)為設(shè)計(jì)過程就是問題解決的過程。如圖1中的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程按照Bransford提出的IDEAL方法［8］建立，遵循以下5個(gè)步驟:1)問題確定;2)問題定義和表征;3)策略形成;4)按策略行動(dòng);5)回顧與評(píng)定。問題確定是問題解決過程的第1步，是決定問題解決成功與否的關(guān)鍵。如果設(shè)計(jì)人員把更多的心理資源分配在確定要解決什么問題及如何解決問題上，那么在問題解決過程中就會(huì)較少出現(xiàn)錯(cuò)誤，并可節(jié)省時(shí)間和精力。

圖1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型

圖2 產(chǎn)品功能模型

圖3 價(jià)值分析評(píng)價(jià)圖

1.1 用戶需求的轉(zhuǎn)化

QFD通過質(zhì)量屋(HoQ)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效規(guī)劃［9］。本文利用層次分析法對(duì)用戶需求進(jìn)行預(yù)處理，通過分析不同需求的重要性，給出量化的權(quán)重值。根據(jù)獲得的用戶需求及權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)用戶需求向技術(shù)特征的映射，進(jìn)而建立整個(gè)HoQ。利用已建立的HoQ進(jìn)行決策，確定各技術(shù)特征的目標(biāo)值，使用戶對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的滿意度最大。對(duì)技術(shù)特征目標(biāo)值進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)換成可作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)依據(jù)的產(chǎn)品功能需求說明書。根據(jù)其屋頂表示的技術(shù)特征的相互關(guān)系，對(duì)技術(shù)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各技術(shù)特性征間可能存在的矛盾。可見，基于HoQ的規(guī)劃過程不僅能夠確定產(chǎn)品中的技術(shù)問題，而且為后續(xù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1.2 產(chǎn)品功能模型的構(gòu)建

產(chǎn)品是功能的載體，因此產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究對(duì)象選擇的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)都是產(chǎn)品的功能。參照產(chǎn)品功能需求說明書，明確產(chǎn)品應(yīng)具有的功能，定性地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，以了解系統(tǒng)內(nèi)的功能關(guān)系并構(gòu)建產(chǎn)品功能模型。

本文功能模型的構(gòu)建是以TIPS中物質(zhì)-場(chǎng)模型［10］為基礎(chǔ)，與Pahl＆Beiz［11］提出的功能模型不同點(diǎn)在于，其產(chǎn)品功能模型是按照環(huán)境因素、產(chǎn)品組件及作用對(duì)象的功能邏輯關(guān)系構(gòu)建的，如圖2所示。為了便于控制系統(tǒng)的細(xì)分程度及設(shè)計(jì)人員之間的交流，利用Stone建立的標(biāo)準(zhǔn)功能動(dòng)詞表中的基本功能［12］來描述系統(tǒng)中的各項(xiàng)作用。

通過建立的產(chǎn)品功能模型，可分析出是否存在不足作用或過剩作用等問題。這是完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)化的前提，同時(shí)也是VE分析的基礎(chǔ)。

1.3 基于VE的問題確定

產(chǎn)品功能的提高是以增加產(chǎn)品的生命周期成本為代價(jià)的，企業(yè)為贏得利潤(rùn)，必須尋找功能和成本的最佳結(jié)合點(diǎn)?；诖?，本文提出以VE中的價(jià)值為評(píng)價(jià)尺度的產(chǎn)品問題確定方法。在功能定義與整理的基礎(chǔ)上，通過產(chǎn)品組件功能評(píng)價(jià)系數(shù)和成本系數(shù)的定量計(jì)算來衡量?jī)r(jià)值，主要過程為:1)功能評(píng)價(jià)系數(shù)的確定:將產(chǎn)品各組件按順序自上而下、自左而右排列起來，將縱列各功能與橫向各功能進(jìn)行重要性對(duì)比打分，將分值填于表中形成矩陣形式;將各組件的得分匯總求出評(píng)分值，最后用各組件評(píng)分值除以所有組件得分總數(shù)即得各組件的功能評(píng)價(jià)系數(shù)。2)成本系數(shù)的確定:各組件的目前成本與所有組件目前成本之和相比較得到各組件的成本系數(shù)。3)最合適區(qū)域法:建立價(jià)值系數(shù)坐標(biāo)系，在圖中做出價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)線和最合適區(qū)域線，將各組件表示在直角坐標(biāo)內(nèi)，如圖3所示。將落在最合適區(qū)域外的各點(diǎn)表示的組件選作VE對(duì)象。s取值的大小，決定了最合適區(qū)域的大小。

1.4 利用TIPS解決問題

QFD、VE是確定產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題的有力工具。以列表或圖表的方式對(duì)問題進(jìn)行表征，以啟發(fā)式、類比及頓悟作為產(chǎn)品問題求解策略，最后按照問題求解策略行動(dòng)，利用TIPS理論的沖突解決原理和科學(xué)效應(yīng)消除系統(tǒng)中的問題。若系統(tǒng)存在技術(shù)沖突和物理沖突，利用沖突解決原理予以解決;若需要應(yīng)用本領(lǐng)域或其他領(lǐng)域的有關(guān)定律解決設(shè)計(jì)中已確定的問題，可以利用科學(xué)效應(yīng)。當(dāng)所有問題都得以解決，就要進(jìn)行設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)與擇優(yōu)決策。若經(jīng)過評(píng)估獲得了最優(yōu)方案，即可對(duì)該方案進(jìn)行進(jìn)一步處理。基于本文提出的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型，初步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了QVT原型系統(tǒng)。

圖4 QVT系統(tǒng)構(gòu)架

圖5 QVT應(yīng)用流程

2 QVT原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的QVT原型系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)，主要功能是輔助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在的問題，為設(shè)計(jì)人員提供有效解決系統(tǒng)沖突的工具，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維，使之產(chǎn)生新的概念和新穎的設(shè)計(jì)思路。QVT原型系統(tǒng)采用“表示層/業(yè)務(wù)邏輯層/數(shù)據(jù)訪問層”3層體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

表示層為應(yīng)用的客戶端部分，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)人員與整個(gè)系統(tǒng)的交互，具有系統(tǒng)集成的作用，并對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展提供良好的支持。業(yè)務(wù)邏輯層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它與該系統(tǒng)的領(lǐng)域有關(guān)，包括支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的各個(gè)功能模塊，這些模塊通過統(tǒng)一的用戶界面與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流。數(shù)據(jù)訪問層是整個(gè)系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，為應(yīng)用提供數(shù)據(jù)來源。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

QVT系統(tǒng)以Java+Eclipse+XML+SQL Server 2000為具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，在Windows平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖5所示。

QVT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下6組功能:1)需求分析功能組。采用QFD四階段模式中第一階段的質(zhì)量規(guī)劃矩陣將用戶需求與技術(shù)特性結(jié)構(gòu)化地聯(lián)系起來并轉(zhuǎn)化成技術(shù)目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)需求轉(zhuǎn)換及技術(shù)沖突的確定。輔助設(shè)計(jì)人員決策及提供決策跟蹤方式，并提供對(duì)以往設(shè)計(jì)實(shí)例中用戶需求分析的查詢及比較。2)設(shè)計(jì)問題挖掘功能組。采用功能分析、價(jià)值工程等先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論確定影響產(chǎn)品主要功能的問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綜合性能改進(jìn)。3)創(chuàng)新方案求解功能組。在產(chǎn)品改進(jìn)和設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)出現(xiàn)沖突，創(chuàng)新原理為設(shè)計(jì)人員不折衷地解決技術(shù)系統(tǒng)中的沖突提供了方向和思路。該功能組為設(shè)計(jì)人員提供了基于TIPS理論的啟發(fā)式問題求解方法，基于專利分析的創(chuàng)新原理數(shù)據(jù)庫(kù)及效應(yīng)實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)新設(shè)計(jì)方案的快速形成起到了良好的支持作用。4)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)功能組。構(gòu)建包含技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面信息的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，作為分析概念設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的依據(jù)。利用模糊評(píng)價(jià)法將模糊信息數(shù)值化，并完成評(píng)分信息的提取與管理，指標(biāo)權(quán)重的確定及評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算與反饋等，輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)。5)知識(shí)資源管理功能組。設(shè)計(jì)人員可對(duì)系統(tǒng)中的用戶需求信息庫(kù)、失效模式知識(shí)庫(kù)、效應(yīng)實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)新原理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查看、修改和刪除等操作，并利用Form表單的形式把格式化后的文字和動(dòng)畫內(nèi)容按照表單的表格式界面提示，添加到相應(yīng)的表格內(nèi)并保存，即可完成信息和知識(shí)的導(dǎo)入操作，實(shí)現(xiàn)知識(shí)資源的不斷擴(kuò)展和更新。6)報(bào)告生成功能組。設(shè)計(jì)人員可以利用基于模板的報(bào)告生成器自動(dòng)完成項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，由后臺(tái)程序自動(dòng)完成抓圖、排序、插圖等工作，可以節(jié)省大量重復(fù)勞動(dòng)的時(shí)間，只需對(duì)生成的報(bào)告稍作修改，即可快速完成規(guī)范化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)報(bào)告。為后續(xù)再利用提供一個(gè)可追溯的途徑。

3 應(yīng)用示例

面對(duì)日益嚴(yán)重的能源短缺問題和環(huán)境污染問題，以及汽車正碰、側(cè)碰、排放等強(qiáng)制法規(guī)的相繼出臺(tái)，汽車的輕量化、安全性和抗沖擊性等越來越受到關(guān)注，而在汽車車身及部件中采用高強(qiáng)度鋼板是一種行之有效的解決方案。本文利用建立的原型系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度鋼板的加工方案進(jìn)行分析。

1)根據(jù)對(duì)多個(gè)汽車生產(chǎn)廠家的調(diào)查，主要的加工高強(qiáng)度鋼板方式是采用冷沖壓技術(shù)。這種方式下，沖壓過程需要的沖壓力非常大，所以容易導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼板開裂，另一個(gè)突出問題是會(huì)產(chǎn)生過量回彈。對(duì)用戶需求進(jìn)行預(yù)處理，分析不同需求的重要性，給出量化的權(quán)重值，建立QFD，如圖6所示。通過QVT系統(tǒng)建立的QFD，對(duì)用戶需求進(jìn)行演繹分析，轉(zhuǎn)化為減小沖壓力、加熱鋼板等工程特征。通過分析工程特征之間的關(guān)系，系統(tǒng)給出的加熱鋼板的權(quán)重最大，達(dá)45%;另外系統(tǒng)提示需要解決加熱鋼板與減小壓邊力之間的技術(shù)沖突。然后，通過QVT系統(tǒng)構(gòu)建高強(qiáng)度鋼板加工方式的功能模型，如圖7所示。如果使用傳統(tǒng)的冷沖壓技術(shù)，勢(shì)必要增大沖床的沖壓力，進(jìn)而必須加大壓邊力;而采用熱沖壓，將高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行加熱，由鐵碳合金相圖可知，碳鋼全部奧氏體化以后，其硬度降低，塑性增加，有利于高強(qiáng)度鋼板的成形精度和防止回彈。成形后冷卻液對(duì)成形件的淬火，可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

圖6 通過QVT系統(tǒng)建立的QFD

圖7 高強(qiáng)度鋼板加工方式的功能模型

圖8 技術(shù)沖突求解界面

2)利用VE對(duì)高強(qiáng)度鋼板的2種加工方式進(jìn)行對(duì)比，熱沖壓技術(shù)雖然在加熱這一環(huán)節(jié)耗費(fèi)了較多的能源，成本有所增加，但其他成本都明顯低于冷沖壓技術(shù)。利用價(jià)值分析評(píng)價(jià)圖進(jìn)行計(jì)算后可驗(yàn)證其正確性。

3)通過計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)來解決加熱鋼板與減小壓邊力之間的技術(shù)沖突。通過查找發(fā)明原理庫(kù)，發(fā)明原理中的“預(yù)操作”(如圖8所示)可以用來解決兩者之間的技術(shù)沖突，即在壓邊圈上施加一個(gè)預(yù)緊力。

4 結(jié)語

為了提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)造力，本文結(jié)合企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)流程及企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)際情況，基于質(zhì)量功能展開、價(jià)值工程理論和發(fā)明問題解決理論等先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)理念，提出了一種面向問題確定的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了QVT原型系統(tǒng)。分析了如何規(guī)范從設(shè)計(jì)需求分析到設(shè)計(jì)方案提出等一系列過程，給出了各階段解決具體問題的方法和工具。對(duì)于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合優(yōu)化、降低產(chǎn)品成本和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有一定意義。

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Research on Product Innovation Design Based on Problem Identified

LUO Jianshe1a* ，LUO Chuimin1b，ZHONG Lan2

(1.a.Key Laboratory for Mold Technology of Sichuan College;b.Electric Processing Key Laboratory of Sichuan College，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China;2.Chengdu Radio and TV University，Chengdu 610051，China)

Aimed at the diversity and one-sidedness of the current product conceptual design method，the innovation design process model for technology system problem identified was put forward based on the integration of Quality Function Deployment(QFD)，Value Engineering(VE)and Theory of Inventive Problem Solving(TIPS)method.Through QFD，the associated relationships among the technology features were qualitatively described，，possible existed technology conflicts were found，the problems such as standard，inadequate or excess functions were analyzed by establishing functional model，evaluated by VE value scale and the innovative direction was made sure again.The product innovation design prototype system was developed with the construct method Presentation Layer/Business Logic Layer/Data Access Layer.At last，an example was given to illustrate the validity of the system.

product innovation design;problem identified;process model;Theory of Inventive Problem Solving

TH122;TP319

A

2095-5383(2013)04-0052-04

2013-10-28

四川省教育廳項(xiàng)目“高強(qiáng)度汽車用鋼的熱沖壓成形關(guān)鍵技術(shù)研究”(11ZB014);校博士基金資助項(xiàng)目(KYBS12006)。

羅建設(shè)(1979-)，男(漢族)，四川宣漢人，講師，博士，研究方向:產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究、塑性加工工藝與設(shè)備等，通信作者郵箱:ljsaq@163.com。

羅垂敏(1963-)，男(漢族)，湖南道縣人，副教授，碩士，研究方向:機(jī)電一體化。