張彩麗，付　宏， 任工昌，楊　帆

(1.陜西科技大學 機電工程學院，陜西 西安　710021；2.陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西 西安　710077；3.陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安　710021)

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公理設(shè)計中耦合問題的快速解耦方法研究

張彩麗1，付宏2， 任工昌1，楊帆3

(1.陜西科技大學 機電工程學院，陜西 西安710021；2.陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西 西安710077；3.陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安710021)

摘要：功能耦合是公理設(shè)計中普遍存在的問題，但是公理設(shè)計理論中提出的解耦模式并未從根本上解決設(shè)計中存在的參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是典型的折衷和妥協(xié).在研究TRIZ沖突矩陣解決矛盾問題的基礎(chǔ)上提出的多沖突快速創(chuàng)新求解方法，可有效解決公理設(shè)計中的功能耦合問題.提出了公理設(shè)計理論和TRIZ的集成設(shè)計模式下的耦合設(shè)計快速解耦方法，并給出了完整的設(shè)計求解流程.實際應用結(jié)果表明：本文提出的耦合設(shè)計快速解耦方法，具有簡單、有效的顯著特點，可以在產(chǎn)品概念設(shè)計階段發(fā)揮積極作用.

關(guān)鍵詞：ADT；耦合設(shè)計；解耦；TRIZ

0引言

隨著市場競爭的加劇，產(chǎn)品生命周期越來越緊縮.企業(yè)必須在盡可能短的時間內(nèi)，設(shè)計并生產(chǎn)出滿足市場需求的高性價比產(chǎn)品，才能占領(lǐng)市場，帶來效益.在企業(yè)期望不斷提高設(shè)計效率的過程中，初期概念設(shè)計扮演著極其重要的角色.傳統(tǒng)設(shè)計方法中，概念設(shè)計主要采用類比設(shè)計或依賴設(shè)計經(jīng)驗進行設(shè)計，這種模式缺乏創(chuàng)新性，不能適應快速創(chuàng)新背景下激烈市場競爭的需要.因此，尋求更為先進、更有效率的概念設(shè)計方法，成為眾多學者關(guān)注的內(nèi)容[1].

MIT的Suh教授提出的公理設(shè)計理論(AxiomaticDesignTheory，ADT)為設(shè)計過程提供了一種科學的思維方法，ADT注意到設(shè)計過程中的層次性和系統(tǒng)性，能夠快速生成產(chǎn)品的概念設(shè)計方案[2].但對于復雜功能產(chǎn)品的設(shè)計，由于耦合的普遍存在，且ADT未提供簡潔、有效的耦合問題解耦方法，導致ADT框架下的設(shè)計過程反復迭代，造成設(shè)計時間延遲、設(shè)計成本增加.

國內(nèi)外學者針對這一問題，展開了大量的研究工作.近年來，將ADT和發(fā)明問題解決理論TRIZ有機融合，利用ADT發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，借助TRIZ創(chuàng)造性的解決問題，開始受到廣泛關(guān)注[3-7].但目前絕大部分研究都集中在ADT設(shè)計矩陣中“對沖突”問題的解耦上，對于設(shè)計中普遍存在的“多沖突”耦合設(shè)計缺乏深度研究.

1公理化設(shè)計理論

1.1ADT簡介

公理化設(shè)計理論是美國MIT機械工程系NamPSuh教授提出的一種設(shè)計決策方法.該理論在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域有重要的影響.目前有代表性的應用主要集中在機械產(chǎn)品設(shè)計、軟件設(shè)計等方面.

公理化設(shè)計將設(shè)計劃分為四個域：用戶域(CustomerNeeds，CNs)表示用戶需求；功能域(FunctionalRequirements，F(xiàn)Rs)表示產(chǎn)品所要實現(xiàn)的一系列功能；物理域(DesignParameters，DPs)表示滿足功能需求的設(shè)計參數(shù)；過程域(ProcessVariables，PVs)表示設(shè)計過程中工序和工藝的變量集合.ADT描述的產(chǎn)品設(shè)計過程就是以用戶需求為驅(qū)動，由功能域→物理域→過程域的反復迭代與映射過程，并且提供是否為最佳設(shè)計的分析判斷準則，如圖1所示.

圖1　公理化產(chǎn)品設(shè)計過程

公理設(shè)計定義的四個域是通過映射機制相互聯(lián)系的問題域.從概念設(shè)計的角度，功能域向物理域的映射就是建立功能-物理結(jié)構(gòu)的過程，即概念設(shè)計中進行功能分解并求原理解的過程.

在映射變換的過程中，公理設(shè)計提出兩條設(shè)計公理來檢驗設(shè)計的正確性和最優(yōu)性：

(1)獨立性公理.即保證FRs的相互獨立，使得DPs的調(diào)整只對其滿足的FRs產(chǎn)生影響.公理設(shè)計定義了功能域和物理域之間的映射關(guān)系如下所示.

式中A為設(shè)計矩陣，A中數(shù)據(jù)元素aij表示FRi和DPj之間的相關(guān)性.如果調(diào)整設(shè)計參數(shù)DPj，功能要求FRj相應的發(fā)生變化，則A中元素aij就是X，表示FRi和DPj是相關(guān)的，否則aij=0，表示兩者不相關(guān).公理設(shè)計中的每一個功能都是設(shè)計矩陣A中的某一行與相對應的設(shè)計參數(shù)之間的相乘.矩陣A呈現(xiàn)出如下幾種典型形式：對角矩陣、三角矩陣和一般矩陣.

其中對角矩陣稱為非耦合設(shè)計，是理想設(shè)計.三角矩陣為準耦合設(shè)計，一般矩陣為耦合設(shè)計.根據(jù)獨立公理原則，具有更高獨立性原則的設(shè)計是最優(yōu)設(shè)計.因此，設(shè)計矩陣最理想的狀態(tài)就是對角矩陣，其次是三角矩陣，最不理想的就是一般矩陣.

(2)信息公理.即設(shè)計要滿足信息量最小，最小信息量的設(shè)計是最佳設(shè)計.信息公理中信息量由式Isys=-log2P{m}計算得出.其中:P{m}是所有m個FRs都滿足情況下的聯(lián)合概率.當所有FRs都滿足獨立公理時，系統(tǒng)的信息量為：

信息公理可以作為從可能的設(shè)計方案中優(yōu)選出最好設(shè)計的依據(jù).

對于比較復雜的產(chǎn)品設(shè)計，由于功能、參數(shù)之間不可避免的存在著交互作用，耦合現(xiàn)象是普遍存在的.按照獨立公理設(shè)計要求，應該對其進行解耦設(shè)計或重新設(shè)計.

1.2公理設(shè)計存在的問題

公理設(shè)計雖然提供了兩條設(shè)計公理以及相應的公式作為設(shè)計優(yōu)劣的判斷準則，而且實際應用中也由此推導出一些推論和定理，用以指導設(shè)計過程.但實際上，設(shè)計過程中很難做到設(shè)計矩陣是對角矩陣或者三角矩陣，而更多的是一般矩陣，即耦合設(shè)計.設(shè)計公理可以幫助設(shè)計者判斷設(shè)計的合理性，但耦合設(shè)計不滿足設(shè)計公理要求的現(xiàn)象，公理設(shè)計并未提出有效的解耦措施，而是需要設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗去修改.其中文獻[2]中提到的方法應用較多.該方法認為既然很難做到設(shè)計矩陣是非耦合的，但是設(shè)計中應該力求做到準耦合設(shè)計.在準耦合設(shè)計中，根據(jù)FRs和DPs之間的關(guān)系，按照一定順序確定設(shè)計參數(shù).即首先確定設(shè)計矩陣中不對其它功能要求產(chǎn)生影響的設(shè)計參數(shù)，再選擇受其它功能要求影響的設(shè)計參數(shù)，且要預先考慮已經(jīng)確定的設(shè)計參數(shù)對其產(chǎn)生的影響，這樣才能滿足設(shè)計公理中獨立性公理.

這里面存在兩個問題：一是普遍存在的耦合設(shè)計如何盡量做到準耦合設(shè)計?二是準耦合設(shè)計必須按照某一適當?shù)捻樞蚺帕性O(shè)計參數(shù)，這是典型的約束條件下設(shè)計，是折衷和妥協(xié)，并未徹底解決設(shè)計中存在的參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.這些問題如何解決，ADT并未提供方法.一些學者引入TRIZ沖突處理機制，將矩陣中“對沖突”進行創(chuàng)新求解[4-7]，但是對于更加普遍存在的“多沖突”如何處理沒有說明.這對于ADT在概念設(shè)計階段的推廣應用就造成了一定的困難.

2TRIZ多沖突問題求解模式

TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，不是采取折衷或者妥協(xié)的做法，而是完全解決矛盾，獲得最終的理想解.沖突問題求解方法是TRIZ理論應用最為廣泛的發(fā)明問題求解方法[8].

2.1TRIZ沖突解決的一般方法

在TRIZ理論中，沖突被劃分為技術(shù)沖突和物理沖突.技術(shù)沖突是指當技術(shù)系統(tǒng)的某一參數(shù)得到改善時常常會引起另一些參數(shù)或者特性的惡化.物理沖突是同一設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)截然相反的設(shè)計需求.

由于實際沖突參數(shù)千差萬別，TRIZ將設(shè)計中的具體參數(shù)抽象為描述性能的39個通用工程參數(shù)(在其他學者的研究中，39個參數(shù)被擴展成為48個工程參數(shù)，以便更加適用于現(xiàn)代設(shè)計實際問題)，并從全球250萬份發(fā)明專利中提煉出解決問題的40個基本發(fā)明原理.TRIZ理論將通用工程參數(shù)之間的沖突和發(fā)明原理之間建立起相互對應關(guān)系，形成沖突矩陣.沖突矩陣是一個49*49的矩陣，其中第一行或者第一列是按照順序排列的48個通用工程參數(shù)，其余48行48列形成矩陣.矩陣元素為“，”間隔的若干數(shù)字，這些數(shù)字就是40個發(fā)明原理的序號.矩陣中第一列表示期望改善的通用工程參數(shù)，第一行描述的是避免惡化的工程參數(shù).實際應用時，選擇第一列中期望改善的一個參數(shù)，選擇第一行中避免惡化的一個參數(shù)，對應的行、列交叉處，就是TRIZ推薦的最有可能成功解決問題的發(fā)明原理序號.

2.2多沖突問題的快速求解

實際進行產(chǎn)品設(shè)計時，由于各種因素制約，面臨沖突時，往往是多對沖突同時出現(xiàn)，甚至沖突之間相互耦合，彼此關(guān)聯(lián).在概念設(shè)計的初期階段，要完全理清多沖突彼此間的詳細關(guān)系，并非易事，這使得多沖突問題的求解一直缺乏簡潔、快速、有效的方法.

文獻[9]研究了沖突矩陣中統(tǒng)計分析的可行性，文獻[10]研究了單目標問題的快速創(chuàng)新求解策略.這些研究充分表明，沖突矩陣中發(fā)明原理的統(tǒng)計分析是有意義的，具有實踐的可行性.

因此本文在上述研究基礎(chǔ)上，提出了多沖突問題的快速求解方法.即列出所有可能沖突的設(shè)計參數(shù)，借助計算機快速計算能力，排列組合，列舉出設(shè)計參數(shù)所有可能的沖突——包括可以預見的和不可預見的沖突.然后查找沖突矩陣，統(tǒng)計所有沖突推薦的發(fā)明原理及其頻次，較高頻次出現(xiàn)的發(fā)明原理意味著在所有可能的沖突中，該發(fā)明原理能解決的覆蓋的沖突數(shù)多，就有可能指出問題的求解思路.因此設(shè)計出多沖突問題解決流程如下：

Step1：列舉所有存在潛在沖突的設(shè)計參數(shù)；

Step2：設(shè)計參數(shù)排列組合，列舉所有可能的沖突，形成沖突鏈表；

Step3：提取沖突鏈表中的每一對沖突推薦的發(fā)明原理；

Step4：統(tǒng)計Step3中出現(xiàn)的所有發(fā)明原理及其頻次，并按照頻次降序排列；

Step5：按照推薦發(fā)明原理優(yōu)先次序分別嘗試每一個發(fā)明原理解決問題的可能性，嘗試問題求解，直至問題得以解決.

整個過程僅需要進行簡單的統(tǒng)計分析方法，就可能找到解決問題的方向，相比較于傳統(tǒng)多沖突問題的求解方法，具有簡單、明了的特點.

依據(jù)上述快速創(chuàng)新求解策略，利用C#、SQLSERVER數(shù)據(jù)庫編寫計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計工具.用戶提交實際問題對應的若干沖突參數(shù)對，程序自動統(tǒng)計每一對沖突所推薦的發(fā)明原理，并記錄發(fā)明原理出現(xiàn)的頻次，然后按照頻次排列推薦的發(fā)明原理，點擊推薦的發(fā)明原理，即可獲取發(fā)明原理的含義、使用技巧、國內(nèi)外重要發(fā)明專利中該原理的使用實例，以激發(fā)使用者的設(shè)計靈感.圖2是該工具的運行截圖.

圖2　多沖突求解軟件運行截圖

3基于TRIZ的ADT耦合問題創(chuàng)新求解模式

TRIZ善于問題解決、技術(shù)創(chuàng)新，ADT善于系統(tǒng)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題.因此兩種理論的集成應用是一種有效的創(chuàng)新設(shè)計方法.

公理化設(shè)計中，當功能需求與設(shè)計參數(shù)不能滿足獨立公理時，就意味著多個功能之間相互耦合，某一設(shè)計參數(shù)的改變，會影響其它多個功能需求.這種現(xiàn)象與TRIZ理論中的沖突所表征的是相同的含義，因此可以使用TRIZ沖突問題標準求解方法和本文提出的多沖突問題快速創(chuàng)新求解方法對ADT中的耦合設(shè)計進行解耦.具體流程如下：

Step1：根據(jù)設(shè)計問題，在ADT框架下進行功能分解，建立設(shè)計矩陣.

Step2：通過設(shè)計矩陣的分析，識別耦合功能模塊.

Step3：將耦合功能要求分別轉(zhuǎn)化為TRIZ沖突矩陣中對應的通用工程參數(shù)，并判斷沖突類型.

Step3.1如明確是一對參數(shù)之間的沖突，則直接查找沖突矩陣獲取問題解決的發(fā)明原理列表.

Step3.2：如為多對參數(shù)之間的關(guān)系，則應用本文提出的多沖突快速求解方法獲取問題的發(fā)明原理列表.

Step4：逐一提取Step3中獲取的每一個發(fā)明原理，并以其作為問題求解方法，形成若干可行的設(shè)計方案.

Step5：提取Step4中獲取的各個設(shè)計方案的信息量，產(chǎn)生最佳設(shè)計方案.

Step6：由Step5產(chǎn)生的最佳設(shè)計方案確定新的FRs和DPs，將最初的耦合設(shè)計轉(zhuǎn)化為無耦合設(shè)計.

4應用案例分析

以斷路器開關(guān)的改進設(shè)計[11]為例說明本文提出方法的有效性.斷路器開關(guān)如圖3所示.

通過運動控制兩個相互接觸的電極，使其處于開合狀態(tài).現(xiàn)在欲設(shè)計一個新型開關(guān)，在空間不變的前提下，使其傳輸功率增加一倍.

圖3　斷路器開關(guān)示意圖

由分析設(shè)計目標可知，功率P=U2/R，欲使傳輸功率P增加一倍，在傳輸電壓U不變的情況下，需要電阻R減半，而電阻R=ρl/A .ρ是電阻系數(shù)，l是長度，A是面積.因此開關(guān)功率增加，需要電極接觸面積增大.而電極接觸面積與電極形狀、開關(guān)器箱體尺寸存在關(guān)系.

于是得到設(shè)計矩陣如下：

其中，F(xiàn)R1為傳輸功率增加；FR2為箱體體積不變.DP1為電極面積，DP2為電極接觸面積，DP3為箱體的體積.

從設(shè)計矩陣可看出這是典型的耦合設(shè)計，將功能需求轉(zhuǎn)換為實現(xiàn)目標的設(shè)計參數(shù)所對應的TRIZ通用工程參數(shù)：

增加電極面積——09：形狀

增大接觸面積——05：移動物體的面積

保持箱體體積——08：靜止物體的體積

三個參數(shù)之間相互耦合、相互制約，利用本文提出的多沖突問題快速創(chuàng)新求解方法提取問題解決的發(fā)明原理[12,13]，結(jié)果如圖4所示.

圖4　耦合沖突的求解結(jié)果

系統(tǒng)推薦的發(fā)明原理中，4、14、7號在三個參數(shù)耦合的可能沖突中應用頻次最高，意味著也是最有可能成功解決問題的方法.其中發(fā)明原理4——不對稱；發(fā)明原理14號——曲面化；發(fā)明原理7——嵌套.這些發(fā)明原理分別應用、綜合應用均可產(chǎn)生對應的解決方案.這里給出7號發(fā)明原理產(chǎn)生的解決方案，如圖5所示改造后的斷路開關(guān).

圖5　斷路器設(shè)計新方案

運用本文提出的TRIZ多沖突問題快速創(chuàng)新求解方法[14]，對于斷路開關(guān)ADT設(shè)計過程中產(chǎn)生的耦合進行處理，得出新的解決方案，將原設(shè)計中平板電極改造為多個水平方向上相同功能的小電極，改變電極的形狀，使其多層嵌套，從而在不改變箱體尺寸的前提下，大幅度增加電極的接觸面積，達到功率增加一倍的設(shè)計目標.新方案的設(shè)計參數(shù)亦隨之改變，對應的設(shè)計矩陣如下所示：

根據(jù)公理設(shè)計之獨立公理判斷依據(jù)，設(shè)計矩陣為對角線矩陣，因此，改造后的設(shè)計方案是理想的設(shè)計方案.

5結(jié)論

針對ADT在實際應用中缺乏有效的解耦

措施以及現(xiàn)有簡單解耦算法是典型折衷和妥協(xié)這一問題，引入TRIZ，在TRIZ標準沖突解決流程的基礎(chǔ)上，提出多沖突快速求解策略，討論了TRIZ理論沖突與ADT中耦合的對應關(guān)系，建立了ADT框架下耦合問題的解耦新方法和具體設(shè)計流程.實際結(jié)果表明，這種方法能夠發(fā)揮積極作用，一定程度上能夠簡化解耦設(shè)計的難度，并且能加快解耦設(shè)計過程，有望對復雜功能產(chǎn)品的概念設(shè)計提供一種新的創(chuàng)新設(shè)計模型.

參考文獻

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【責任編輯：陳佳】

Rapiddecoupledmethodresearchforcouplingprobleminaxiomaticdesign

ZHANGCai-li1,FUHong2,RENGong-chang1,YANGFan3

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 2.ShaanxiAerospacePowerTechnologyLimitedCompany,Xi′an710077,China; 3.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:Functional coupling is common problem existed in axiomatic design,the decoupling model put forward in axiomatic design theory cannot solve radically relationship between the parameters in fact,and it is typically a compromise phenomena.Multi-contradiction rapid innovation solution is put forward in the base of conflict matrix to solve contradiction problems in TRIZ,which can effectively solve the coupling in the axiomatic design.An ADT and TRIZ integrated design mode based fast decoupling method for coupling design is provided based on the study of rapid innovation solving method to TRIZ multi-contradiction, and the complete solution process is given.Practical application results shows the fast decoupling method proposed in this paper for the coupling design has a characteristics of simple and effective significantly,which can play a positive role in product conceptual design.

Key words:ADT; coupling design; decoupling design; TRIZ

*收稿日期:2016-05-13

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAF02B01); 國家自然科學基金項目(51175314); 陜西省教育廳專項科研計劃項目(12JK0690)

作者簡介:張彩麗(1973-)，女，陜西合陽人，副教授，研究方向：機械創(chuàng)新設(shè)計方法、自動機械設(shè)計

文章編號：1000-5811(2016)04-0156-05

中圖分類號：TH702

文獻標志碼：A