基于功能進化理論的產品創新過程研究

馮雁霞　楊伯軍

摘要 功能進化是系統理想化水平不斷提升的過程，功能進化定律可指明功能進化的方向和路徑，為彌補模糊前端設想產生的盲目性，將功能進化理論應用于產品開發的模糊前端階段。以功能進化定律實施方式為基礎抽取出12條產品改進策略;以產品改進策略預期達到效果為導向，構建了產品改進策略與設計目標間的映射關系，實現產品創新過程中功能進化定律的有效檢索，進而產生創新設想，在此基礎上構建了基于功能進化理論的產品創新過程模型。最后，應用半自動型雙缸洗衣機的創新設計驗證了該方法的有效性。

關 鍵 詞 功能加化;功能進化定律;設計目標

中圖分類號 TH122? ? ?文獻標志碼 A

Research on product innovation design process based on function evolution theory

FENG Yanxia1，2， YANG Bojun1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center，Tianjin 300401，China）

Abstract Function evolution is the process of improving the ideality. The function evolution law can indicate the direction and path of function evolution. In order to reducing the blindness of generating innovation ideas， the functional evolution theory will be applied in the fuzzy front end of product development. Based on the function evolution law implementation， 12 product improvement strategy were extracted ; and then，the mapping relationship between product improvement strategy and design goal is constructed based on the expected effect of product improvement strategy; and the effective retrieval of the law of functional evolution was ensured.Thus， the product innovation process model based on the theory of evolution was constructed. Finally， the innovative design of a semi-automatic double cylinder washing machine by applying the model verified its feasibility.

Key words function evolution; law of function evolution; design goal

0 引言

面對日新月異的科技進步、社會發展，產品創新已成為了企業保持生命力的重要途徑，同時也是企業提升自身綜合競爭力的關鍵因素之一[1]。產品創新包含模糊前端、新產品開發、商業化3個階段[2]，模糊前端階段是產品創新設計的關鍵階段[3]，與項目的開發成本、開發時間、產品優勢以及項目的成敗直接相關，根據創新專家統計，每產生11個創新設想，最多有3個會得到開發，1.3個投產生產，最終只有1個獲得成功[4]。因此如何降低模糊前端設想產生的不確定性程度，產生高質量的創新設想，仍然是需要研究解決的課題。

本文將功能進化理論應用于產品創新的模糊前端。以功能進化定律實施方式和預期達到效果為導向，構建產品改進策略與功能進化定律之間的優選關系及設計目標與產品改進策略間映射關系;從設計目標出發選擇產品改進策略并確定產品改進目標;依據產品改進策略與功能進化定律間的優選關系選擇有效的功能進化定律進行功能預測，產生創新設想;在此基礎上，構建了基于功能進化理論的產品創新過程模型。

1 功能進化理論

功能進化是產品功能結構組成與組成關系沿不同的方向或路徑發生演化以提高主功能的理想化水平或產生新功能的過程[5]。在整個產品生命周期內，功能伴隨著需求和技術系統的發展處于不斷進化的狀態。產品技術系統功能進化過程不是隨機的，有一定的規律指導[6]。Petrov[7]提出的4條功能進化定律，在此基礎上，LI等[8]進一步擴展和完善提出11條功能進化定律，如表1所示，功能進化的終極目標是實現功能理想化，提高系統理想化水平。功能進化反應了技術系統、組成元件、系統與環境間相互作用關系的轉變，利用這些作用關系轉變可有效預測并指導創新設計方案的產生。

2 產品創新過程的功能預測

2.1 功能進化定律、產品改進策略與設計目標三者間關系

設計目標是設計部門根據設計戰略要求組織各項設計活動預期取得的成果[9]，其是否達到有效滿足，是系統問題是否解決的關鍵。功能進化定律的應用能夠簡化系統、大幅度提高系統的理想化程度，以功能進化定律的實施方式和預期達到效果為導向，構建產品改進策略與功能進化定律之間的優選關系和設計目標與產品改進策略間映射關系，實際應用時，可從設計目標出發，選用合適的功能進化定律，得到相應的創新方案，構建過程如圖1所示，具體過程如下。

產品改進策略是設計者針對現有產品存在的系統問題，依據設計意圖等提出的戰略方法或手段，指導、明確產品改進方向;設計意圖可間接表明功能進化的趨勢，所以產品改進策略與功能進化定律之間存在著一定的聯系。以文獻[5]中功能進化定律的實施方式及過程步驟來提取產品改進策略，構建產品改進策略與功能進化定律間關系。以其中“功能集成化定律”為例說明產品改進策略與功能進化定律之間的優選關系和設計目標與產品改進策略間映射關系。

1）功能集成化定律：通過已有功能或新功能開發使有用功能得到增強，而有害功能被削減或抵消。

實施方式：集成相同或相似的功能，集成不同種類的功能，集成相反的功能，產生具有不同特征的相似功能，產生競爭或多樣化的功能。

可能產生效果：功能多樣化、簡化系統、提高系統性能。

2）依據設計意圖等提出的產品改進的方法或手段為導向，確定功能集成化定律之產品改進策略和可能實現的效果如下。

產品改進策略：集成相同、相似或相反功能，改變資源利用方式。

可能實現效果：簡化系統、提高系統性能。

3）按照這樣的方式，得到從其他功能進化定律抽象出來的產品改進策略，對其進行總結匯總，得到產品改進策略與功能進化定律之間的優選關系，如表2所示。應用產品改進策略可達到不同的設計目標，如簡化系統、降低成本、消除沖突、提高性能等。為了有效的應用產品改進策略使之快速達到設計目標，將產品改進策略根據設計目標歸類成5個子集，形成設計目標對應的產品改進策略選用策略，如表3所示。

2.2 產品創新的功能預測過程

功能結構表達了功能實現過程中物料、能量、信息資源轉換過程，基于此，較容易發現系統中資源利用或轉換過程中不期望的結果。根據設計目標，利用功能進化定律指導設計者對功能結構中的功能元做相應改進，并利用新原理或新資源對功能進行重新求解，往往能夠產生創新設想，提高系統的理想化程度。在產品概念設計過程中，基于功能進化定律的功能預測過程如圖2所示，具體步驟如下：

1）選擇目標系統，建立系統功能結構。

2）明確設計目標，根據設計目標與產品改進策略間的選用改進策略，依據產品改進策略實施目標或操作對象，結合步驟1到的功能結構圖，確定產品改進目標。

3）依據產品改進策略與功能進化定律間優選關系選定功能進化定律，確定可能的進化方向，預測功能潛力狀態。其中一條功能進化定律的使用可能會導致系統其他結構做相應改變，即最終系統改進的目標除了包含步驟2確定的改進目標，還有其他功能結構。

3 基于功能進化理論的產品創新過程

基于功能進化理論的產品創新過程模型如圖3所示，具體過程如下：

1）選定基礎產品。選定已有產品作為產品開發的原型產品即明確需要改進的技術系統。

2）明確設計目標。明確基礎產品后，設計者根據需求確定產品設計目標。

3）系統功能分析，建立系統功能結構。功能結構表達了功能實現過程中物料、能量、信息資源轉換過程，是實施產品改進的基礎。

4）確定產品改進目標。根據設計目標選用產品改進策略子集，依據產品改進策略實施目標或操作對象，結合（3）得到的功能結構圖，確定產品改進目標。

5）功能預測。依據產品改進策略與功能進化定律之間的對應關系，選用1條或多條功能進化定律確定功能可能的進化方向，預測具有功能的潛力狀態，這些潛力狀態即創新設想。

6）判斷設想方案是否滿足設計目標，若滿足，則轉至下1步;若不滿足，則判斷是否存在未采用的功能進化定律，若存在則轉至第5步，若不存在轉至第4步重新確定產品改進目標。

7）構建產品原理解。依據第5得到的創新設想對第3步所建立的功能結構進行創新，并進行功能元求解，按照功能結構中功能關系以及結構聯接方式組合，形成產品原理解。

8）依據選定的產品原理解進行后續的詳細設計。

4 實例驗證

洗衣機是利用電能產生機械作用來洗滌衣物的清潔電氣，已經被廣泛用在各家各戶中。通過半自動型雙缸洗衣機的創新設計可以驗證基于功能進化理論的產品創新過程模型的實用性。

4.1 明確基礎產品，確定設計目標

目前雙缸洗衣機是較成熟的產品，現有某型號雙缸洗衣機的結構示意圖如圖4所示。隨著可持續發展的不斷深化，對于產品的工作效率、工作穩定性、結構輕量化和節約能源方面提出了更高的要求，而如今國內市場上銷售的雙桶洗衣機是由1個洗滌桶和1個脫水桶組成，洗滌、脫水分別進行，洗凈度高，耗電量小，但洗滌時，洗滌漂洗時要進行多次換水，且進水、排水都得靠手動完成，脫水時，還要將衣物等取出平整放入脫水桶，否則出現失衡狀態，產生劇烈振動和噪音，縮短洗衣機壽命。針對以上問題，確定設計目標為：整個洗滌-脫水過程中降低人的參與度，簡化操作工序，減少耗時。

4.2 建立系統功能結構

洗衣機的主要功能是分離，即將污漬、灰塵等與衣物分開，功能結構的建立過程如下所示。

第1步：確定洗衣機的總功能和輸入、輸出流，如圖5所示，洗衣機的總功能為清潔衣物，輸入流有控制信號，臟衣物和電能，輸出流為干凈衣服，臟水和動能。

第2步：將洗衣機的總功能分解成子功能，建立功能樹，如圖6。

第3步：建立每個輸入流功能鏈。

第4步：組合功能鏈，得到洗衣機的功能結構，如圖7所示。

4.3 基于功能進化定律的創新設計

1）確定產品改進目標

設計目標是：整個洗滌-脫水過程中降低人的參與度，簡化操作工序，減少耗時。轉化為標準語言即“簡化系統，提高系統的可操作性”，從表3可得相應的產品改進策略有“B、D、F、G、H、L、K”，其中產品改進策略B、H、K、L主要針對系統中存在不合理結構的問題類型，據此未得到可優化的功能結構;產品改進策略F、G針對系統中相同、相似、相反的功能進行功能集成和組合等，從洗衣機功能結構圖圖7可知，輸入電能1與輸入電能2、轉換電能1與轉換電能2、釋放電能1與釋放電能2、分離水和分離臟污這些功能元間存在相似性，所以將上述功能元確定為系統改進目標。

2）選擇功能進化定律，進行功能預測

依據表2可知產品改進策略F和G對應的功能進化定律有4、5、6、7、9，結合上述得到的功能改進目標選用可用功能進化定律：功能集成化、功能動態化、功能精簡化，提出改進方案。

功能集成化? 在系統中“輸入電能1”和“輸入電能2”、“轉換電能1”和“轉換電能2”、“釋放電能1”和“釋放電能2”“分離臟污”和“分離水”這4對功能具有相似性，所以可以將這4對功能各自進行集合，用同一個功能載體來實現功能。

功能動態化? 在系統將“輸入電能1”和“輸入電能2”、“轉換電能1”和“轉換電能2”、“釋放電能1”和“釋放電能2”、“分離臟污”和“分離水”這4對功能集成后，洗滌和脫水將在1個缸內完成，此時需要1個功能，使得“分離臟污”與“分離水”這個2個功能實現互不干涉。

功能精簡化? 通過功能集成化和功能動態化改進后，系統中“輸入排水信號”和“輸入脫水信號”這2個功能是不需要的，可以將這2個功能裁剪掉。改進后功能結構如圖8所示。

3）功能元求解，構建產品原理解

對于改進后的功能元，通過功能-結構映射確定功能的功能載體，完成功能元的原理求解。

“控制，檢測污染度、水位等”功能元原理解：引入微電腦控制，即用單片機來控制，在相應位置設置傳感器，通過采集相應數據來控制驅動電能部件進行工作。例如水位開關的運作，通過洗衣桶內水位所產生壓力來控制觸電開關的通斷，水位開關與程控器配合，根據洗衣程序與洗衣桶內水位的高低，控制洗滌電動機的通斷，實現進水、洗滌、脫水以及排水過程。

“分離”功能元原理解：采用套桶方式，將離心桶與盛水桶同軸套在一起，通過電機與減速離合器的離合轉換實現洗滌與脫水工作。

通過上述改進后發現，由于洗滌物分布不均勻，高速離心脫水時，使得內、外桶產生劇烈的振動和晃動，針對此問題，采用一種彈性支撐結構來減振，即將盛水桶通過4根吊桿懸掛于箱體4個角上，并在離心桶上口裝有平衡圈。彈性支撐結構包括阻尼筒、吊桿和吊桿掛頭，阻尼筒內裝有減振彈簧和阻尼膠碗。

利用上述原理得到一種新產品——全自動洗衣機，結構示意圖如圖9所示，其基本工作原理是：洗滌時，電機在程序的控制下，產生間歇正反轉，通過減速離合器降低轉速帶動波輪間歇正反轉，此時離心桶不轉;脫水時，離合器帶動離心桶高速旋轉，進行脫水，此時波輪與離心桶是一起運轉的。使用時只需在程序面板上設定程序，其可自行運行。

4.4 方案評價

改進后的全自動洗衣機與原有洗衣機相比，工作原理發生巨大改變，只需設定程序即可完成洗滌、漂洗、脫水等全過程，整個過程中大大減少了人的參與，降低了人的勞動強度;且設有平衡減振裝置，有效避免因桶內的衣物分布不均勻而出現失衡狀態，減少振動和噪音，具體評價如表4。

5 結論

1）以功能進化定律實施方式為導向提取出產品改進策略，又以其可達到的效果構建與設計目標間映射關系，在此基礎上提出了一種用于產品創新的功能預測方法，進而提出基于功能進化的產品創新設計過程模型。

2）半自動洗衣機的創新設計實例表明，該方法可有效支持針對特定設計目標的創新設計過程，有利于提高產品的創新效率。

3）以功能進化定律實施方式為導向提取出產品改進策略，又以其可達到的效果構建與設計目標間映射關系，在此過程中存在有一定的主觀性，因此在此基礎上提出的產品創新功能預測方法仍有一定完善空間，且還需要更多的工程案例加以驗證。

參考文獻：

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[9]? ? 設計目標 https：//baike. so. com/doc/8803296-9127881. html.

[責任編輯 楊 屹]