于志剛,成思源,楊雪榮

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

0 前言

設(shè)計(jì)是為了滿足人們的某種需求而進(jìn)行的有目的的創(chuàng)造性活動(dòng)[1]，隨著人們需求的不斷變化，人們不斷總結(jié)和提出新的設(shè)計(jì)理論和方法。

通用的設(shè)計(jì)理論將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程分為4個(gè)階段，包括需求建模、產(chǎn)品功能建模、物理建模和詳細(xì)設(shè)計(jì)。用戶需求是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的源頭、依據(jù)和關(guān)鍵，也是連接市場(chǎng)、用戶和產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的橋梁[2]。目前，在對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，研究較多的是基于TRIZ理論的系統(tǒng)化的功能建模和沖突解決原理。姚莉娟等[3]將系統(tǒng)化功能建模和分析方法應(yīng)用于軌道三維檢測(cè)設(shè)備的改進(jìn)。黃兆飛等[4]將TRIZ的產(chǎn)品沖突解決流程用于求解往復(fù)式線切割機(jī)床貯絲筒設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。由我國(guó)學(xué)者提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可拓學(xué)，具有對(duì)一般問(wèn)題形式化描述的特點(diǎn)，能夠深入地理解和挖掘用戶需要的信息[5]。文獻(xiàn)[6]中認(rèn)為“用戶需要”和“用戶需求”是不同的，需要對(duì)應(yīng)產(chǎn)品功能，需求對(duì)應(yīng)產(chǎn)品本身。對(duì)于某件產(chǎn)品，用戶需要的是產(chǎn)品的功能而不是產(chǎn)品本身。楊亮鴻等[7]提出了從用戶需要事元出發(fā)，將它映射到移動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人的功能事元，再由功能事元映射到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系元的可拓創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。李文軍和楊春燕[8]針對(duì)可拓學(xué)第一創(chuàng)造法體系不完善以及創(chuàng)造過(guò)程太籠統(tǒng)，提出根據(jù)用戶需要準(zhǔn)確確定產(chǎn)品功能的方法，有效解決了原有概念設(shè)計(jì)方法中根據(jù)用戶需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的信息遺漏問(wèn)題?；S偉[9]從用戶需要分析出發(fā)，對(duì)純電動(dòng)汽車車門進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)研究。以上的研究從用戶的需要出發(fā)，在獲得用戶需要事元基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)可拓變換方法分析處理，處理結(jié)果作為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的依據(jù)。本文作者將已有產(chǎn)品的用戶需要作為產(chǎn)品開發(fā)的起點(diǎn)，充分考慮不同類型用戶需要的特點(diǎn)，針對(duì)不同類型的用戶需要開展相應(yīng)的創(chuàng)新流程，提出基于用戶需要與功能融合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

本文作者提出的針對(duì)已有產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)一般化流程如圖1所示。判斷用戶需要事元與已有產(chǎn)品功能事元是否一致，若一致，利用功能分析建立功能模型，找出問(wèn)題功能(有害、不足和過(guò)剩)的相關(guān)技術(shù)特征，再借助可拓學(xué)中的基元理論和可拓變換對(duì)問(wèn)題功能進(jìn)行分析，對(duì)原有系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行改進(jìn)；若不同，利用用戶需要事元與功能事元的映射關(guān)系獲得功能動(dòng)作表現(xiàn)的物元，再根據(jù)功能事元和結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系找到結(jié)構(gòu)關(guān)系元的特征和量值，建立新功能系統(tǒng)模型。將改進(jìn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型與新功能系統(tǒng)模型相融合，獲得最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。通過(guò)案例分析，驗(yàn)證方法的有效性。

1基于功能分析和可拓學(xué)改進(jìn)原系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型

1.1 功能分析

功能分析是TRIZ中分析問(wèn)題的工具，是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)建模的過(guò)程，主要包括組件分析、相互作用分析和建立功能模型[10]。組件是系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的一個(gè)物質(zhì)、場(chǎng)或者物質(zhì)和場(chǎng)的組合。相互作用是描述和識(shí)別系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件之間的關(guān)系，用矩陣可以輔助分析組件間的相互作用。功能模型用來(lái)描述系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件或系統(tǒng)組件之間的相互作用關(guān)系，對(duì)于產(chǎn)品功能事元不能充分滿足用戶需要時(shí)，可以幫助設(shè)計(jì)人員找到需要改進(jìn)的組件，并利用基元理論進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.2 基元理論和可拓變換及其應(yīng)用

在可拓學(xué)中，為了形式化描述事物，建立了基元理論，包括物元、事元和關(guān)系元[11]，分別由對(duì)象O,特征C和量值V組成。用一維或多維的形式來(lái)表現(xiàn)事物的特征和量值，基元的一般表達(dá)式[12]記為

B=(O,C,V)

可拓變換是可拓學(xué)中用于解決矛盾問(wèn)題的工具和手段，將不可行問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可行問(wèn)題，包括5種基本變換方法(置換變換、增刪變換、擴(kuò)縮變換、分解變換和賦值變換)、4種變換的運(yùn)算方法(積變換、與變換、或變換和逆變換)、傳導(dǎo)變換方法和共軛變換方法。在可拓創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，常用基本可拓創(chuàng)新方法包括建模、拓展、變換和選擇4個(gè)步驟[11]?？赏刈儞Q中的增刪變換和置換變換可將系統(tǒng)中的組件或組件的特征進(jìn)行增刪和替換成所需的基元，從而獲得創(chuàng)意，故文中運(yùn)用可拓變換中的增刪變換與置換變換作為原系統(tǒng)功能模型的改進(jìn)方法，在確定改進(jìn)對(duì)象并建立基元模型后，根據(jù)基元模型作形式化的變換公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)組件或組件的特征結(jié)構(gòu)增刪、替換，完成改進(jìn)。

在文中，主要用到增加變換和置換變換，增加變換包括增加某個(gè)執(zhí)行組件和目標(biāo)組件以實(shí)現(xiàn)其功能或增加執(zhí)行組件由該組件實(shí)現(xiàn)某功能；置換變換是把目標(biāo)結(jié)構(gòu)關(guān)系元的量值換成另一個(gè)量值，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)關(guān)系的改進(jìn)。當(dāng)確定了改進(jìn)目標(biāo)，比如增加執(zhí)行組件由該組件實(shí)現(xiàn)某功能，則可以通過(guò)式(1)表示：

(1)

增加某個(gè)執(zhí)行組件和目標(biāo)組件實(shí)現(xiàn)其功能，則可以通過(guò)公式(2)表示：

T2B3=[O1,C7，V5⊕V6]

(2)

其中：V表示物元M、事元A、關(guān)系元R。通過(guò)可拓變換的方式可以清楚地表達(dá)增加組件的具體參數(shù)，并得到增加和替換后的一般解。增加的對(duì)象是物元、事元或關(guān)系元，則相當(dāng)于增加了組件、功能和組件間的相互作用關(guān)系包括的參數(shù)。由于增加了組件或新的相互作用關(guān)系，以完善和改進(jìn)原系統(tǒng)同樣的功能，可實(shí)現(xiàn)已有產(chǎn)品系統(tǒng)的升級(jí)與改進(jìn)，進(jìn)一步深度滿足用戶需要。

2 基于映射關(guān)系的新增系統(tǒng)功能模型

2.1 用戶需要事元與功能事元的映射關(guān)系

根據(jù)用戶需要事元與已有產(chǎn)品功能事元判斷，對(duì)新增的用戶需要事元展開進(jìn)一步分析。根據(jù)需要事元和功能事元的映射關(guān)系、功能事元與結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系對(duì)產(chǎn)品功能模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的求解。

功能通過(guò)使用者或機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作表現(xiàn)，因此，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品功能事元表述應(yīng)包括具體的使用動(dòng)作和工具。文獻(xiàn)[5]提出，需要事元Ani賦予功能事元Afi一系列特征及量值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)需要事元Ani映射到功能事元Afi的目的。根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的需要與功能的映射關(guān)系，且僅當(dāng)Ofi=Oni、cfij=cnij、vfij=vnij(j=1,2,…,t)時(shí)，可將需要事元與功能事元映射關(guān)系表示為公式(3)的形式[7]，功能事元對(duì)應(yīng)的工具用物元表示為式(4)的形式：

(3)

(4)

2.2 功能事元與結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系

產(chǎn)品的功能與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)的映射稱為功構(gòu)映射，是對(duì)產(chǎn)品功能模型向結(jié)構(gòu)化的求解，可將產(chǎn)品的功能性描述轉(zhuǎn)化為能實(shí)現(xiàn)功能的零部件形狀、尺寸及相互關(guān)系的描述[13]。由功構(gòu)映射可知，功能事元Afi可賦予結(jié)構(gòu)關(guān)系元Rri相應(yīng)的特征和量值，從功能事元向結(jié)構(gòu)關(guān)系元映射。功能事元Afi的工具量值Mfi與其他工具量值或已有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Mij的映射方式可以表示為公式(5)[7]的形式：

(5)

根據(jù)新的用戶需要，通過(guò)映射關(guān)系，可以從新的用戶需要映射出待創(chuàng)造產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。將這些映射結(jié)果(物元、結(jié)構(gòu)關(guān)系元)進(jìn)行組合，形成新增功能系統(tǒng)模型。該方案既包括了原有產(chǎn)品功能上的改進(jìn)，也包括了新功能添加，使得設(shè)計(jì)方案更能滿足用戶需要。

3 案例分析

為提升光伏板發(fā)電效率，需要經(jīng)常清潔粘結(jié)在光伏板面的灰塵和鳥類糞便等雜質(zhì)。已有的光伏電池板清潔設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，該工具主要由機(jī)架、毛刷、刷柄、機(jī)械臂等組成，其工作方式是由牽引車提供外力，通過(guò)機(jī)械臂控制機(jī)架的方向與角度，毛刷與板面接觸，從而去除光伏板面上的灰塵等雜質(zhì)。

3.1 事元模型建立及比較

用戶需要可以用事元模型表示為

根據(jù)實(shí)地考察，我國(guó)西北高緯度地區(qū)有大批的光伏發(fā)電基地，該地區(qū)地理環(huán)境和氣候?qū)夥姵匕迩鍧嵭视蟹浅ｏ@著的影響。在寒冷的冬季清洗光伏電池板時(shí)，由于室外溫度較低，為了防止板面結(jié)冰，只能在天氣晴朗的較高溫度時(shí)間段進(jìn)行清洗。根據(jù)用戶反饋，可將用戶需要事元模型表示為

根據(jù)用戶需要是否具有同類目的或是否具有先后承接關(guān)系，將用戶對(duì)產(chǎn)品的需要分為清潔類(An11,An12)、移動(dòng)類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和去除類(An41,An42)。

(2)已有產(chǎn)品事元模型建立

原有的清潔方式是用高壓水槍將水噴灑到光伏板面上之后，使用牽引車帶動(dòng)清潔設(shè)備進(jìn)行板面清潔工作。根據(jù)光伏電池板清潔設(shè)備的方式，設(shè)備的事元模型表示為

(3)比較

已有產(chǎn)品的事元模型A與清潔類用戶需要事元(An11,An12)一致，按照?qǐng)D1改進(jìn)原系統(tǒng)功能模型。移動(dòng)類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)為新增的用戶需要事元，建立新的系統(tǒng)功能模型。

3.2 改進(jìn)原系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型

建立功能模型的步驟大致分為4步：(1)找到系統(tǒng)組件；(2)找到超系統(tǒng)組件；(3)找到目標(biāo)組件；(4)定義組件間的功能[14]。根據(jù)該步驟，找到系統(tǒng)組件為機(jī)架、毛刷；超系統(tǒng)組件為機(jī)械臂、板面；目標(biāo)組件為灰塵。根據(jù)組件間的功能進(jìn)行定義，得到如圖3所示的功能模型。

學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（背景圖），可以平面密鋪，也可以立體架構(gòu)。學(xué)生從“智慧珠”的不同研究興趣出發(fā)，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)伴研究，從而形成個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)合作交流、動(dòng)手實(shí)踐、思維碰撞后，感悟得出屬于個(gè)人的見解。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要價(jià)值在于促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的累積，讓學(xué)生在“做中學(xué)”，通過(guò)實(shí)物操作培養(yǎng)學(xué)生的多種能力。任務(wù)是真實(shí)而復(fù)雜的，需要學(xué)生付出努力，自我反思，需要不斷地嘗試、判斷、調(diào)整。在操作過(guò)程中，學(xué)生的分析、實(shí)踐、創(chuàng)新思維都得到了鍛煉，高階思維在動(dòng)手操作中得以提升。

根據(jù)上文分析獲得的功能模型可知，整個(gè)產(chǎn)品的目標(biāo)功能是清潔灰塵。產(chǎn)品的整體功能雖然能夠在一定程度上清潔灰塵，但由于機(jī)架與毛刷之間的固定方式存在干擾毛刷正常清潔效果的現(xiàn)象，而不能使固定位置的毛刷清潔當(dāng)前位置的灰塵，同時(shí)只用刷絲去清潔灰塵，并不能完全帶走灰塵，所以機(jī)架固定毛刷和毛刷清潔灰塵的功能不足。分析可知與系統(tǒng)的目標(biāo)功能相關(guān)的關(guān)鍵組件為灰塵，與清潔功能相關(guān)的關(guān)鍵組件為清潔設(shè)備和毛刷，與固定功能相關(guān)的關(guān)鍵組件為機(jī)架和毛刷。對(duì)關(guān)鍵組件和組件之間的關(guān)系建立基元模型。

根據(jù)已有設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能分析，建立物元、事元和關(guān)系元。建立關(guān)鍵組件的基元模型需要將已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分層次，依次為系統(tǒng)、子系統(tǒng)和特征結(jié)構(gòu)，還有與系統(tǒng)相關(guān)的超系統(tǒng)和目標(biāo)[15]。已有產(chǎn)品的系統(tǒng)即光伏電池板清潔設(shè)備；子系統(tǒng)為機(jī)架、毛刷；特征為刷絲、刷柄。超系統(tǒng)為光伏電池板板面，目標(biāo)是灰塵?；Ｐ捅硎緸?/p>

系統(tǒng)為

子系統(tǒng)為

特征結(jié)構(gòu)為

超系統(tǒng)為

目標(biāo)為

建立功能事元和關(guān)系元：

對(duì)于機(jī)架固定毛刷功能，由功能模型和關(guān)系元模型分析可知，是由于用螺釘配合使得部件的更換過(guò)于繁瑣以及螺釘與板面接觸容易刮傷板面，因此增加一個(gè)卡槽的子系統(tǒng)更換這種配合關(guān)系。建立卡槽的物元模型，由公式(1)得到如下結(jié)果：

對(duì)于毛刷清潔灰塵的功能，由前面分析可知，整個(gè)設(shè)備清潔效果主要取決于毛刷去除灰塵的效果，但是整體功能不足。因此，添加刷布的特征結(jié)構(gòu)以提高灰塵的清潔效果。建立刷布的物元模型，由公式(2)得到如下結(jié)果：

T2M12=[毛刷,特征結(jié)構(gòu)，M121⊕M122⊕

M123]M12=M′12

通過(guò)可拓變換公式，對(duì)存在問(wèn)題功能的相關(guān)組件進(jìn)行分析，最終對(duì)其整個(gè)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，得到M′1和R′1，對(duì)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)得到M′12，可以表示為

改進(jìn)原系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。該方案在產(chǎn)品的用戶需要之一清潔類(An11,An12)層面上做出了創(chuàng)新和改進(jìn)，產(chǎn)品的清潔效果與原方案不同，且產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上深度滿足了用戶需要。

3.3 新功能系統(tǒng)模型

(1)用戶需要事元與功能事元的映射關(guān)系

根據(jù)第3.1節(jié)分析內(nèi)容，移動(dòng)類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)為新增的用戶需要事元，應(yīng)與產(chǎn)品的功能相對(duì)應(yīng)。所以，產(chǎn)品研發(fā)人員從用戶需要出發(fā)，構(gòu)建開發(fā)新產(chǎn)品的形式化思路，輔助其高效的開發(fā)新產(chǎn)品[11]。

在功能映射關(guān)系中，工具量值Mfi是實(shí)現(xiàn)功能模型Afi對(duì)應(yīng)功能的物元。所有新增的用戶需要事元都可以映射為滿足相應(yīng)需要的功能事元。根據(jù)公式(3)可得到如下映射結(jié)果：

(2)功能事元與結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系

根據(jù)用戶需要事元映射得到的功能事元，可以直接映射到結(jié)構(gòu)關(guān)系元，所以不需要進(jìn)行蘊(yùn)含分析。由用戶需要事元與功能事元的映射關(guān)系分析得到的物元及設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，6個(gè)功能事元Afi到結(jié)構(gòu)關(guān)系元Rri的映射關(guān)系可以表示為

通過(guò)上述分析，從用戶需要事元映射到功能事元，再?gòu)墓δ苁略成涞浇Y(jié)構(gòu)關(guān)系元，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的需要設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程。從移動(dòng)類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)的用戶需要事元做出了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，滿足了用戶的新增需要。新功能系統(tǒng)模型如圖5所示。

3.4 改進(jìn)原系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模型與新功能系統(tǒng)模型融合

根據(jù)第3.2節(jié)和第3.3節(jié)分析所得到的結(jié)果，將改進(jìn)原功能系統(tǒng)模型和新功能系統(tǒng)模型進(jìn)行融合。最終，光伏電池板清潔設(shè)備的產(chǎn)品功能配置如表1所示。在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，添加新的子系統(tǒng)卡槽，不僅使原有清潔裝置的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，而且提高了毛刷的互換性和裝置的穩(wěn)定性；同樣，將毛刷的特征結(jié)構(gòu)更換為刷絲與纖維材質(zhì)的刷布的組合，極大地改善了板面灰塵的清潔效果。改進(jìn)后的原系統(tǒng)功能模型在功能上并沒有發(fā)生改變，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性有了本質(zhì)的提升。對(duì)于新系統(tǒng)功能模型，分析得到的結(jié)果是已有產(chǎn)品所不具備的，通過(guò)映射關(guān)系，逐步得到與用戶需要匹配的產(chǎn)品功能、產(chǎn)品功能的實(shí)施工具、工具之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了用戶需要到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的目的。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

表1 功能融合產(chǎn)品功能配置

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者提出了基于用戶需要與功能融合的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)有于已有產(chǎn)品光伏電池板清潔設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。將用戶需要事元與原有產(chǎn)品的功能事元進(jìn)行比較并分類，借助功能分析對(duì)已有產(chǎn)品組件建立功能模型，將基元理論和可拓變換引入問(wèn)題功能的改進(jìn)求解；通過(guò)用戶需要事元向功能事元的映射、功能事元和結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系，建立新功能系統(tǒng)模型。針對(duì)不同的用戶需要分別進(jìn)行已有產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)功能融合，使整個(gè)產(chǎn)品包含了用戶所需要的功能，為已有產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新的思路和方法。同時(shí)，在針對(duì)已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮不同類型的用戶需要信息，體現(xiàn)了形式化、流程化和分類和融合的邏輯性的研究思路。通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證了該創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的有效性。