科學效應在產品概念設計中的應用*

高常青，楊 波,呂 冰,王 成

(濟南大學 機械工程學院，濟南 250022)

科學效應在產品概念設計中的應用*

高常青，楊 波,呂 冰,王 成

(濟南大學 機械工程學院，濟南 250022)

從功能元模式、效應鏈模式、流參量模式三個方面，分析了科學效應對于功能原理解形成的作用。建立了科學效應的知識表示模型，輔助設計人員從功能元層面、效應鏈層面、流參量層面實現知識推理。通過一款清潔工具的開發過程，說明科學效應在產品創新設計過程中的作用，驗證相關理論的正確性。

系統化設計理論 ; 概念設計; 效應 ;知識工程 ;發明問題解決理論

0 引言

概念設計的結果是產生設計方案，形成有效的原理解是概念設計階段的重要輸出形式，因此方案設計是概念設計過程中的重要內容。該過程大都與功能、行為、結構之間的映射有密切關系，是一個基于知識的推理過程[1-2]。

科學效應是關于物理、化學、幾何等領域的定律與法則。設計方案的形成與科學效應的應用密切相關。

1 理論基礎

設計理論與方法是研究產品設計本質規律、步驟與策略的學科，質量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)、公理設計(Axiomatic Design，AD)、系統化設計方法(Systematic Approach of Pahl and Beitz, SAPB)等均為該領域的研究成果。SAPB是德國經典設計理論的代表，對設計過程進行了全面的分析，提出了較完整的設計方法學，對于指導產品設計具有很大的實用價值。本論文的工程案例設計活動是基于SAPB過程展開的。

1.1 方案設計與概念設計

SAPB將設計流程分為闡明任務、方案設計、技術設計和施工設計四個階段。Pahl and Beitz在[文獻1]中對概念設計定義為：“在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的工作原理及其組合，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設計工作稱為概念設計。”

盡管國內眾多學者對概念設計的研究范疇與實現方式等問題的認識上有所差異，但大都認同方案設計是概念設計的主要內容，即根據需求，通過各種方法得到相應的設計方案[3]。因此，研究設計方案的獲取方法是實現概念設計的重要內容。

1.2 SAPB方案設計過程

方案設計過程一般以下主要內容：在分析需求表的基礎上，利用黑箱法抽象設計任務，確定系統的總功能；根據物質流、能量流、信息流的變化，確定各個分功能之間的邏輯關系與空間關系，形成功能結構；尋找滿足分功能要求的物理效應及其幾何、物料特征，形成作用原理；基于形態學矩陣，在相容性原則的基礎上，形成技術方案；在設計約束條件下，評價并篩選方案。

其中，作用原理的獲得是形成設計方案的基礎。尋求實現分功能作用原理，是一個設計方案逐步細化的過程，作用原理為后續的設計工作提供初步的結構特征，其與科學效應與領域經驗知識的應用密切相關。

1.3 “功能—行為—結構”映射模型

Gero[4]提出的“功能(Function，F)—行為(Behavior，B)—結構(Structure，S)”映射模式也是一種原理方案求解方法，也稱為F-B-S方法。

F-B-S方法也是一個原理方案逐步細化的過程。首先確定設計需求所對應的功能，再由功能需求轉化為行為，最后確定物理結構形態。其中，功能與行為、行為與結構之間均存在多對多的關系。

如圖1所示，對于簡單的產品設計，功能與結構之間的映射可以在設計人員經驗的基礎上直接實現。隨著設計產品創新程度的增加，F-B-S之間實現映射的難度加大，特別是對于復雜的產品創新設計過程，需要跨領域的效應知識支持，否則功能與行為之間的映射難以實現，后續設計工作無法進行。

圖1 功能、行為、結構映射過程

1.4 科學效應知識

通過SAPB過程與F-B-S方法的分析，可以發現，原理方案的獲得是一個基于知識的推理過程。有效的利用相關知識，是提高設計效率的關鍵。

領域效應(科學發現)是獲得分功能作用原理的基礎，其有助于功能推理的實現。

2 基于科學效應的方案設計

根據SAPB的方案設計流程，從總功能確定到獲得技術方案，一般要經歷功能分解、尋求作用原理、綜合作用原理的過程。效應知識可以輔助設計人員實現獲得作用原理與組合作用原理的過程，主要包括功能元映射、流變量變換、效應鏈組合等模式。

2.1 功能元映射模式

根據需求確定總功能，是方案設計的起點。為了支持后續設計活動，總功能通常需要進一步分解為相互關聯的若干分功能，直到分解到功能元的層面(其在物理域中有相應的解)，形成相應的功能結構。在功能分解過程中，功能元是一個模糊概念，功能分解的終止取決于設計人員的工程經驗。形成規范表達的功能元集合有利于功能分析過程的實現。

Altshuller[5-6]提出的30個標準功能，Stone[7]提出的功能基均為該領域的成果，其不僅規范了獲得功能結構的功能建模過程，由于獲得實現功能元作用原理的過程需要應用相關的設計知識，其成為知識管理過程中的有效編碼準則，是實現功能與相關效應知識映射的基礎。

2.2 流參量轉換模式

效應知識有多種表達方式。從系統論的角度，用輸入、輸出之間的變化關系進行描述是常用的一種方法[8-10]。輸入量、輸出量可以用流的方式進行定義，如圖2所示。

圖2 效應模型

總結工程經驗是在工程實踐之后的智力活動，由于設計過程與約束條件的復雜性，所以可能出現特定的分功能求解無法通過功能元映射過程實現，需要尋求另外的求解過程。

流參量轉換過程是對功能元映射過程的補充與拓展，其豐富了功能推理的方式，有助于發現新的功能元映射關系。

2.3 效應鏈組合模式

圖3 串聯與并聯效應鏈模型

分功能的實現需要利用效應知識，效應的輸出流通常和設計目標相關。實現過程可能僅需利用單個效應，也可能需要將多個效應通過特定的關聯來實現設計目標，后者稱為效應鏈組合模式。

文獻[8]列出了串聯、并聯、混聯和環形四種效應鏈應用方式。其中，串聯與并聯方式是最基本的效應鏈組合模式，如圖3所示。

應用效應鏈組合模式，應以提高技術系統理想度為目標，盡可能減少參與功能實現的效應數量，降低成本，提高可靠性。

2.4 基于科學效應的方案設計過程

如圖4所示，基于效應的方案設計流程主要包括以下內容：在需求分析的基礎上確定總功能，通過功能分解過程獲得技術系統的功能結構；針對功能結構中的分功能(功能元)，通過功能元映射、流參量轉換、效應鏈組合方式進行作用原理的求解；基于形態學矩陣組合單個作用原理，形成技術方案；通過設計準則，評價技術方案；方案采納則進入后續設計階段，否則通過功能分析、資源分析等方法，重新分析問題，進入設計流程的上游，展開方案求解過程。

圖4 基于效應的方案設計流程

3 知識庫系統開發

3.1 科學效應知識模型

表1 知識模型編碼信息

功能元映射、流參量轉換、效應鏈組合是由科學效應獲得作用原理的三種基本方式。

開發相應的知識庫系統，可以提高該過程的實現效率，建立廣義科學效應知識模型是前提條件，模型編碼信息見表1。

3.2 知識庫系統開發

基于Windows XP操作系統，采用Visual Basic 6.0可視化編程工具與ACCESS2003數據庫，開發了科學效應知識庫系統，可以功能元映射、流變量轉換、效應鏈組合等效應知識的查詢，支持方案設計過程。部分功能軟件界面，如圖5所示。

圖5 串聯效應鏈查詢

4 工程實例

高層建筑物窗戶清潔工作通常比較繁重，手工清潔過程中，外窗更難以清洗，且有潛在的危險性。設計適用性好、方便有效的玻璃清潔工具有廣泛的需求。

下面以窗戶清潔工具的設計為例，說明廣義科學效應在產品概念設計過程中的應用。

(1)根據需求確定出產品的總功能，用“黑箱法”確定輸入流、輸出流。將產品的的總功能逐步分解，得到產品的功能結構，如圖6所示。

圖6 產品的功能結構

(2)針對功能結構中的分功能進行求解。按照功能元映射模式，尋求支持各個功能元實現的效應知識，并在此基礎上，獲得作用原理。以“固定擦布”分功能為例，其對應“控制物體位移”的標準功能，通過系統查詢，篩選相關效應知識，并根據應用實例獲取作用原理。如圖7所示。

圖7 基于效應的功能元映射

(3)功能結構中部分分功能的實現，可能會受到輸入或輸出流的約束，如分功能“輸送液體”。基于知識庫系統，可以基于流變量實現相關效應的查詢，并獲得作用原理，如圖8所示。

圖8 基于流變量的效應查詢

(4)獲得所有分功能的作用原理后，基于形態學矩陣，實現原理組合。經過篩選，產生概念設計方案，主要組件如圖9所示。通過腳踏板輸入動力，利用壓力實現噴水，經鋼絲軸驅動刷頭，手持手柄部位，實現窗內、外的清潔。

圖9 產品的概念設計方案

5 結束語

(1)概念設計方案的確定與科學效應的應用密切

相關。作用原理的確定可以通過功能元映射、流參量轉換、效應鏈組合的方式實現相關知識的推理。

(2)開發科學效應知識庫系統有助于提高概念設計的效率。

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[8] 曹國忠，檀潤華，孫建廣. 基于擴展效應模型的功能設計過程及實現[J] . 機械工程學報，2009,45(7)：157-166.

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(編輯 李秀敏)

Study on Scientific Effects for Conceptual Design

GAO Chang-qing ,YANG Bo , LV Bing ,WANG Cheng

(School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)

Scientific effects are a kind of important knowledge base for innovation design process. From the viewpoint of function base, effect chain and flow variable, the function of principle solution based on scientific effects is analyzed. The knowledge representation of generalized scientific effects is established and the corresponding knowledge base system is developed to help the designers to finish knowledge reasoning by function base, effect chain and flow variable. The effectiveness is proved by the new product development process of the cleaning tool.

SAPB;conceptual design;effect;knowledge base;TRIZ

1001-2265(2014)05-0046-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.012

2013-08-08

2013-09-21

國家自然科學基金 ( 50905074，50975124)；科技部創新方法工作專項(2012IM020700);山東省大型科學儀器設備升級改造技術研究專項(2012SJGZ15) 資助項目

高常青(1975—)，男，山東無棣縣人，濟南大學副教授，博士，主要從事創新設計理論、方法與計算機輔助工具開發，(E-mail)me_gaocq@ujn.edu.cn。

TH122 ；TG65

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