基于用戶需要與功能融合的已有產品創新設計

于志剛,成思源,楊雪榮

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006)

0 前言

設計是為了滿足人們的某種需求而進行的有目的的創造性活動[1]，隨著人們需求的不斷變化，人們不斷總結和提出新的設計理論和方法。

通用的設計理論將整個設計過程分為4個階段，包括需求建模、產品功能建模、物理建模和詳細設計。用戶需求是企業進行產品設計的源頭、依據和關鍵，也是連接市場、用戶和產品開發過程的橋梁[2]。目前，在對已有產品進行創新設計時，研究較多的是基于TRIZ理論的系統化的功能建模和沖突解決原理。姚莉娟等[3]將系統化功能建模和分析方法應用于軌道三維檢測設備的改進。黃兆飛等[4]將TRIZ的產品沖突解決流程用于求解往復式線切割機床貯絲筒設計中存在的問題。由我國學者提出的創新設計方法可拓學，具有對一般問題形式化描述的特點，能夠深入地理解和挖掘用戶需要的信息[5]。文獻[6]中認為“用戶需要”和“用戶需求”是不同的，需要對應產品功能，需求對應產品本身。對于某件產品，用戶需要的是產品的功能而不是產品本身。楊亮鴻等[7]提出了從用戶需要事元出發，將它映射到移動運輸機器人的功能事元，再由功能事元映射到產品的結構關系元的可拓創新設計方法。李文軍和楊春燕[8]針對可拓學第一創造法體系不完善以及創造過程太籠統，提出根據用戶需要準確確定產品功能的方法，有效解決了原有概念設計方法中根據用戶需要進行概念設計過程中產生的信息遺漏問題?；S偉[9]從用戶需要分析出發，對純電動汽車車門進行輕量化的設計研究。以上的研究從用戶的需要出發，在獲得用戶需要事元基礎之上，經過可拓變換方法分析處理，處理結果作為新產品設計開發的依據。本文作者將已有產品的用戶需要作為產品開發的起點，充分考慮不同類型用戶需要的特點，針對不同類型的用戶需要開展相應的創新流程，提出基于用戶需要與功能融合的產品創新設計方法。

本文作者提出的針對已有產品創新設計一般化流程如圖1所示。判斷用戶需要事元與已有產品功能事元是否一致，若一致，利用功能分析建立功能模型，找出問題功能(有害、不足和過剩)的相關技術特征，再借助可拓學中的基元理論和可拓變換對問題功能進行分析，對原有系統功能結構模型進行改進；若不同，利用用戶需要事元與功能事元的映射關系獲得功能動作表現的物元，再根據功能事元和結構關系元的映射關系找到結構關系元的特征和量值，建立新功能系統模型。將改進系統功能結構模型與新功能系統模型相融合，獲得最終的產品設計方案。通過案例分析，驗證方法的有效性。

1基于功能分析和可拓學改進原系統功能結構模型

1.1 功能分析

功能分析是TRIZ中分析問題的工具，是一個對系統建模的過程，主要包括組件分析、相互作用分析和建立功能模型[10]。組件是系統或超系統中的一個物質、場或者物質和場的組合。相互作用是描述和識別系統組件和超系統組件之間的關系，用矩陣可以輔助分析組件間的相互作用。功能模型用來描述系統組件與超系統組件或系統組件之間的相互作用關系，對于產品功能事元不能充分滿足用戶需要時，可以幫助設計人員找到需要改進的組件，并利用基元理論進行進一步分析。

1.2 基元理論和可拓變換及其應用

在可拓學中，為了形式化描述事物，建立了基元理論，包括物元、事元和關系元[11]，分別由對象O,特征C和量值V組成。用一維或多維的形式來表現事物的特征和量值，基元的一般表達式[12]記為

B=(O,C,V)

可拓變換是可拓學中用于解決矛盾問題的工具和手段，將不可行問題轉化為可行問題，包括5種基本變換方法(置換變換、增刪變換、擴縮變換、分解變換和賦值變換)、4種變換的運算方法(積變換、與變換、或變換和逆變換)、傳導變換方法和共軛變換方法。在可拓創新設計中，常用基本可拓創新方法包括建模、拓展、變換和選擇4個步驟[11]?？赏刈儞Q中的增刪變換和置換變換可將系統中的組件或組件的特征進行增刪和替換成所需的基元，從而獲得創意，故文中運用可拓變換中的增刪變換與置換變換作為原系統功能模型的改進方法，在確定改進對象并建立基元模型后，根據基元模型作形式化的變換公式，實現對系統組件或組件的特征結構增刪、替換，完成改進。

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執行組件和目標組件以實現其功能或增加執行組件由該組件實現某功能；置換變換是把目標結構關系元的量值換成另一個量值，從而實現結構關系的改進。當確定了改進目標，比如增加執行組件由該組件實現某功能，則可以通過式(1)表示：

(1)

增加某個執行組件和目標組件實現其功能，則可以通過公式(2)表示：

T2B3=[O1,C7，V5⊕V6]

(2)

其中：V表示物元M、事元A、關系元R。通過可拓變換的方式可以清楚地表達增加組件的具體參數，并得到增加和替換后的一般解。增加的對象是物元、事元或關系元，則相當于增加了組件、功能和組件間的相互作用關系包括的參數。由于增加了組件或新的相互作用關系，以完善和改進原系統同樣的功能，可實現已有產品系統的升級與改進，進一步深度滿足用戶需要。

2 基于映射關系的新增系統功能模型

2.1 用戶需要事元與功能事元的映射關系

根據用戶需要事元與已有產品功能事元判斷，對新增的用戶需要事元展開進一步分析。根據需要事元和功能事元的映射關系、功能事元與結構關系元的映射關系對產品功能模型進行結構實現的求解。

功能通過使用者或機械結構的動作表現，因此，對應產品功能事元表述應包括具體的使用動作和工具。文獻[5]提出，需要事元Ani賦予功能事元Afi一系列特征及量值，進而實現需要事元Ani映射到功能事元Afi的目的。根據文獻[13]中的需要與功能的映射關系，且僅當Ofi=Oni、cfij=cnij、vfij=vnij(j=1,2,…,t)時，可將需要事元與功能事元映射關系表示為公式(3)的形式[7]，功能事元對應的工具用物元表示為式(4)的形式：

(3)

(4)

2.2 功能事元與結構關系元的映射關系

產品的功能與產品的結構的映射稱為功構映射，是對產品功能模型向結構化的求解，可將產品的功能性描述轉化為能實現功能的零部件形狀、尺寸及相互關系的描述[13]。由功構映射可知，功能事元Afi可賦予結構關系元Rri相應的特征和量值，從功能事元向結構關系元映射。功能事元Afi的工具量值Mfi與其他工具量值或已有產品結構Mij的映射方式可以表示為公式(5)[7]的形式：

(5)

根據新的用戶需要，通過映射關系，可以從新的用戶需要映射出待創造產品的結構及結構之間的關系。將這些映射結果(物元、結構關系元)進行組合，形成新增功能系統模型。該方案既包括了原有產品功能上的改進，也包括了新功能添加，使得設計方案更能滿足用戶需要。

3 案例分析

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

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

根據實地考察，我國西北高緯度地區有大批的光伏發電基地，該地區地理環境和氣候對光伏電池板清潔效率有非常顯著的影響。在寒冷的冬季清洗光伏電池板時，由于室外溫度較低，為了防止板面結冰，只能在天氣晴朗的較高溫度時間段進行清洗。根據用戶反饋，可將用戶需要事元模型表示為

根據用戶需要是否具有同類目的或是否具有先后承接關系，將用戶對產品的需要分為清潔類(An11,An12)、移動類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和去除類(An41,An42)。

(2)已有產品事元模型建立

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，使用牽引車帶動清潔設備進行板面清潔工作。根據光伏電池板清潔設備的方式，設備的事元模型表示為

(3)比較

已有產品的事元模型A與清潔類用戶需要事元(An11,An12)一致，按照圖1改進原系統功能模型。移動類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)為新增的用戶需要事元，建立新的系統功能模型。

3.2 改進原系統功能結構模型

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

學生可以自主選擇實驗內容（背景圖），可以平面密鋪，也可以立體架構。學生從“智慧珠”的不同研究興趣出發，自主選擇實驗內容結伴研究，從而形成個性化的實驗結果。通過合作交流、動手實踐、思維碰撞后，感悟得出屬于個人的見解。數學實驗的主要價值在于促進學生數學活動經驗的累積，讓學生在“做中學”，通過實物操作培養學生的多種能力。任務是真實而復雜的，需要學生付出努力，自我反思，需要不斷地嘗試、判斷、調整。在操作過程中，學生的分析、實踐、創新思維都得到了鍛煉，高階思維在動手操作中得以提升。

根據上文分析獲得的功能模型可知，整個產品的目標功能是清潔灰塵。產品的整體功能雖然能夠在一定程度上清潔灰塵，但由于機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象，而不能使固定位置的毛刷清潔當前位置的灰塵，同時只用刷絲去清潔灰塵，并不能完全帶走灰塵，所以機架固定毛刷和毛刷清潔灰塵的功能不足。分析可知與系統的目標功能相關的關鍵組件為灰塵，與清潔功能相關的關鍵組件為清潔設備和毛刷，與固定功能相關的關鍵組件為機架和毛刷。對關鍵組件和組件之間的關系建立基元模型。

根據已有設備的結構和功能分析，建立物元、事元和關系元。建立關鍵組件的基元模型需要將已有產品的結構分層次，依次為系統、子系統和特征結構，還有與系統相關的超系統和目標[15]。已有產品的系統即光伏電池板清潔設備；子系統為機架、毛刷；特征為刷絲、刷柄。超系統為光伏電池板板面，目標是灰塵?；Ｐ捅硎緸?/p>

系統為

子系統為

特征結構為

超系統為

目標為

建立功能事元和關系元：

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

對于毛刷清潔灰塵的功能，由前面分析可知，整個設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，添加刷布的特征結構以提高灰塵的清潔效果。建立刷布的物元模型，由公式(2)得到如下結果：

T2M12=[毛刷,特征結構，M121⊕M122⊕

M123]M12=M′12

通過可拓變換公式，對存在問題功能的相關組件進行分析，最終對其整個系統和結構關系進行設計和改進，得到M′1和R′1，對子系統結構進行設計得到M′12，可以表示為

改進原系統功能結構模型結構如圖4所示。該方案在產品的用戶需要之一清潔類(An11,An12)層面上做出了創新和改進，產品的清潔效果與原方案不同，且產品的結構也發生了改變，在已有產品的基礎上深度滿足了用戶需要。

3.3 新功能系統模型

(1)用戶需要事元與功能事元的映射關系

根據第3.1節分析內容，移動類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)為新增的用戶需要事元，應與產品的功能相對應。所以，產品研發人員從用戶需要出發，構建開發新產品的形式化思路，輔助其高效的開發新產品[11]。

在功能映射關系中，工具量值Mfi是實現功能模型Afi對應功能的物元。所有新增的用戶需要事元都可以映射為滿足相應需要的功能事元。根據公式(3)可得到如下映射結果：

(2)功能事元與結構關系元的映射關系

根據用戶需要事元映射得到的功能事元，可以直接映射到結構關系元，所以不需要進行蘊含分析。由用戶需要事元與功能事元的映射關系分析得到的物元及設計相關知識，6個功能事元Afi到結構關系元Rri的映射關系可以表示為

通過上述分析，從用戶需要事元映射到功能事元，再從功能事元映射到結構關系元，已經實現了產品的需要設計到產品的結構設計的過程。從移動類(An21,An22)、噴灑類(An31,An32)和除水類(An41,An42)的用戶需要事元做出了結構化設計，滿足了用戶的新增需要。新功能系統模型如圖5所示。

3.4 改進原系統功能結構模型與新功能系統模型融合

根據第3.2節和第3.3節分析所得到的結果，將改進原功能系統模型和新功能系統模型進行融合。最終，光伏電池板清潔設備的產品功能配置如表1所示。在已有產品的基礎上，添加新的子系統卡槽，不僅使原有清潔裝置的結構發生了變化，而且提高了毛刷的互換性和裝置的穩定性；同樣，將毛刷的特征結構更換為刷絲與纖維材質的刷布的組合，極大地改善了板面灰塵的清潔效果。改進后的原系統功能模型在功能上并沒有發生改變，而系統的結構穩定性和可靠性有了本質的提升。對于新系統功能模型，分析得到的結果是已有產品所不具備的，通過映射關系，逐步得到與用戶需要匹配的產品功能、產品功能的實施工具、工具之間的結構關系，實現了用戶需要到產品結構化設計的目的。新產品設計方案結構簡圖如圖6所示。

表1 功能融合產品功能配置

4 結束語

本文作者提出了基于用戶需要與功能融合的設計方法，并應有于已有產品光伏電池板清潔設備的創新設計。將用戶需要事元與原有產品的功能事元進行比較并分類，借助功能分析對已有產品組件建立功能模型，將基元理論和可拓變換引入問題功能的改進求解；通過用戶需要事元向功能事元的映射、功能事元和結構關系元的映射關系，建立新功能系統模型。針對不同的用戶需要分別進行已有產品的創新設計，通過功能融合，使整個產品包含了用戶所需要的功能，為已有產品的創新設計提供新的思路和方法。同時，在針對已有產品的設計過程中，充分考慮不同類型的用戶需要信息，體現了形式化、流程化和分類和融合的邏輯性的研究思路。通過實例，驗證了該創新設計方法的有效性。