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作者：萬延見李彥李文強閆喜強單位：四川大學制造科學與工程學院

總的來說，當前基于產品自身進化思想的研究大多還都停留在理論探索階段，相應的計算機輔助創新（ComputerAidedInnovation，CAI）軟件也十分匱乏，更加限制了設計理論的應用與發展。因此，本文在Jacob、Ma.GL等的研究基礎上，通過引入系統功能分析的方法，并綜合考慮功能、結構兩方面因素的作用，提出了一種從多個角度進行激勵分析的功能需求內生式產品創新設計方法。并在課題組開發的原型系統中實現了該功能模塊，體系化、導向性地輔助設計者較好地進行產品概念設計。

內生功能驅動產品創新設計模式

1功能驅動產品創新機理

產品是基于一定物理及幾何結構，在相應技術條件支撐下，實現所需功能集合的有機體。其與生俱來就是市場信息的折射，且任何產品都在按照一定規律不斷的發展和進化。類似于“適者生存”的過程，在市場因素的作用下，產品也在不斷的優勝劣汰。隨著時間的推移，一些市場特性就逐漸被“映射”或“編碼”到存活產品中，內化為產品功能或結構的一部分。正是這些蘊含于產品自身的進化特性信息為需求信息提供了一個較為高效、可靠的獲取渠道。發現這些特性并使之向更優的方向轉變，就可以帶動產品進化，感知并滿足新的市場需求。

基于這一思想，本文從功能演化角度構建了一種基于內生功能驅動的產品創新設計模式。主要通過功能演化的形式拉動結構、市場等特性進化，進而實現產品全面進化，如圖1所示（功能、結構、市場等特性的進化，均是技術系統進步的反映）。其創新機理在于暫時擺脫現有技術和市場對產品設計的束縛，從產品自身出發，運用一定的功能激勵策略對其進行功能改進操作，以激勵產生更多新功能需求信息，實現功能進化；并針對這些功能需求進行概念求解，帶動產品結構也向更適于功能實現的方向演進，進而開拓出新的市場應用空間，實現產品全面進化。

2功能激勵分析策略

產品作為一個有機體，與生物體相類似，也是由功能及承載功能的結構載體組成的系統。借鑒系統功能分析的方法，結合已有產品對其加以功能結構分解，并根據其功能-組件間的鏈式關系及組件間的隸屬關系進行系統功能建模，構建相應的基礎功能模型——功能-組件鏈圖，如圖2所示。功能是產品存在的目的，功能的實現除了與產品自身結構有關外，還與超系統內其它關聯組件相關。為了較好地實現對產品自身蘊含的進化特性信息的挖掘，本文提出的方法正是在系統功能建模基礎上，從超系統和技術系統兩個方面對已有產品進行較為全面的功能激勵分析。進行技術系統分析，是為了實現其自身功能結構特性優化，增進其理想化水平。而引入超系統分析，其目的在于實現技術系統特性向超系統特性進化，進而實現超系統進化反向促進技術系統進化的作用。技術系統分析是功能激勵的主要內容，超系統分析是其有益補充。

本文提出的方法是從功能演化角度，綜合考慮功能、結構二因素的設計模式。因此，技術系統分析包含單組件操作、多組件操作兩個方面，超系統分析則采取賦予新的功能關聯關系的激勵模式。對于單組件而言，功能激勵主要是針對其承載功能加以改變操作；對于多組件，則從功能組合角度對其加以激勵操作。基于以上考慮，本文提出從多個角度進行功能激勵的分析策略，如圖3所示。

基于功能需求內生的產品概念設計

1超系統組件功能關聯

一般情況下，每一個超系統功能都是為了輔助產品技術系統內某個/某些功能的順利實現，即一個超系統功能肯定與系統內某個/某些功能存在相關關系，但通常并不是與所有功能都存在相關關系（關系十分薄弱/暫未發現其相關性）。且超系統功能間通常也存在很多不相關的情況。因此，這就給產品系統提供了不小的創新思考空間。超系統組件功能關聯分析正是基于對這一創新空間信息進行系統挖掘的創新策略。它通過選擇某個超系統功能，在與其不相關的某個系統功能（超系統功能、系統內功能）間建立起良性關系，使其變為相關。如此，便能創造出新的產品功能需求，進而產生新的產品創意。

這種相關分析主要通過以產品超系統功能為行，所有系統功能為列，而構建的系統功能相關性分析矩陣加以分析，如表1所示。其中，“1”表示功能間存在相關關系，“0”則代表不存在，“X”表示兩個功能相同（在此不予討論）。針對筆記本電腦功能創新實例，通過在“敲擊鍵盤”與“存儲電能”間建立起關聯（由0變為1），便激發出在使用者敲擊鍵盤的同時可以產生電能，并有效地將其儲存利用的新型節能筆記本電腦的創意。

2系統內單組件功能改變

系統內單組件功能改變分析主要針對技術系統內某一功能組件及其所承載的功能加以改變性操作，以激勵設計者產生新的想法。

（1）功能擴展

功能擴展主要針對系統內某一功能組件，通過賦予其新的功能，從而帶動其結構也發生相應的改變，進而形成能適應未來市場需求的新產品，如圖4a所示。擴展的功能主要通過超系統組件功能關聯分析得到，也包括由新的超系統組件引入而衍生得到的新需求功能。如在輪椅創新設計中，通過在超系統中引入臺階，以產生攀爬臺階的新功能需求，進而激勵產生帶越障功能的行星輪式車輪的創新方案。

（2）功能裁剪

功能裁剪主要是基于產品簡化及專用化的思想，通過裁剪掉鏈內的冗余功能或對特定應用環境可有可無的功能，甚至一些看上去不可或缺的功能，進而帶動鏈內其它關聯功能改變，以實現產品功能、結構、工藝等方面的簡化，得到更具市場競爭力的產品創意，屬于破壞性創新（DisruptiveInnovation）范疇，如圖4b所示。如可通過去除電視機的顯示圖像功能，以降低其生產及使用成本，使盲人得到相對物美價廉的新產品。

（3）功能分割

功能分割主要是對系統內某組件所承載的功能進行分割，以形成新的結構及新市場的產品創新模式，包括功能作用分割、功能量值分割兩種形式。功能作用分割是將組件上承載的多個功能進行分割，進而形成多個新功能單元，以促使功能組件向更趨于專業化、標準化的方向改進，如圖4c所示；功能量值分割主要將組件上承載的功能從量值上加以分割，以形成多個量值相同或不同的新功能單元，以促使功能組件向精準化、微控化等方向演進，如圖4d所示。如在顯示器演進道路上，通過對顯示內容加以分割，激勵產生了多顯示器協同顯示的超大顯示屏。

（4）功能替代

功能替代主要建立在技術進步或技術優化基礎上，在不影響產品主要功能實現前提下，通過將某組件所承載的功能利用更優的功能，或將發出某功能的組件用更優的組件加以替換操作，以帶動鏈內其它相關功能組件改變，進而實現產品整體性能優化的目的，如圖4e所示。例如，將精密機械移動替換成磁致伸縮移動的，高精密度顯微鏡玻片載物臺移動裝置創新設計方案。

3系統內多組件功能組合

系統內多組件功能組合分析主要是針對技術系統內多個組件間所承載的功能加以組合優化，以激勵設計者產生創新想法，進而推動產品功能-結構改進向理想化方向逼近而引入的創新策略。

（1）功能合并

功能合并主要建立在對相同或不同功能鏈中具有相近或相關功能的不同組件進行系統分析的基礎上，通過對其進行功能并處理操作，以實現功能、組件的高效利用，去除多余功能結構，實現產品功能結構優化的目的，演進過程如圖5a所示。通過這一處理，可使產品功能結構得到優化，經濟性、易操作性增強，提升其市場競爭力。如在冰箱制冰機創新設計中，將儲冰裝置內為定向輸送冰塊而進行的螺旋攪動操作，與為防止冰塊粘結而加入的反向攪動操作合并，便形成了定時雙向螺旋攪動裝置的設計方案。

（2）功能整合

功能整合主要基于合理化配置的思想，對多組件間承載的多個功能進行優化整合處理，進而帶動結構上的優化整合，以增強其系統性、經濟性、適用性等綜合性能，形成新的競爭優勢，這一過程如圖5b所示。例如，在輪椅創新設計中，通過對各組件間所承載的功能進行整合處理，最終得到利用汽缸結構實現自動調節升降高度及靠背角度調節功能，利用行星輪結構實現越障、行進功能，利用套扣結構實現可變形（變身為擔架）功能等集多種實用功能于一體的新型多功能輪椅的改進方案。

（3）功能捆綁

功能捆綁主要是對功能-組件鏈圖中功能作用密集的組件加以分析，將作用于該組件的功能，以及鏈內其它相關功能進行打包組合；然后，采取反問“引入該功能目的”的思考形式，探求這些功能的本質（設計需求）；最后，對這些設計目的加以組合優化處理，并進行相應的功能性再設計，激勵產生新的功能配置方案，實現功能集成進化，如圖5c所示。這一過程通常會伴隨新功能的產生，可有效帶動產品結構產生較為全面的進化，進而得到更具市場競爭優勢的創新產品。例如，將冰箱制冰機儲冰裝置的儲冰功能與制冰裝置的儲水功能，以及輸冰裝置的定向輸送功能加以捆綁，激勵得到傳輸帶式制冰機的創新方案。

4功能需求內生式產品概念設計過程

本文提出的方法應用的關鍵在于合理利用上述激勵策略進行功能激勵分析。將這種方法與計算機輔助創新設計模式相結合，構建的產品概念設計過程模型如圖6所示。這一過程主要包含系統功能建模、功能激勵分析、概念方案生成、方案優化評價四大分析模塊。具體操作步驟描述如下：

步驟1產品組件、功能錄入。結合已有產品對其進行功能結構分解，提取并錄入產品功能組件及其所承載的功能。

步驟2功能-組件鏈圖構建。針對步驟1的錄入結果，構建相應的產品功能-組件鏈圖，并適時對錄入的功能、組件加以調整。

步驟3多角度激勵分析。結合功能-組件鏈圖及在此基礎上生成的功能相關矩陣，從三大分析角度出發，利用對應的分析策略進行遍歷式分析，以得到多個功能改進方向，形成相應的功能需求信息集。

步驟4概念方案求解。針對上一步分析得到的功能需求信息利用FBS方法進行知識資源檢索，以映射得到相應的原理解。

步驟5領域具體化分析。結合得到的原理解及已有產品進行具體化分析，使之轉化為相應的產品創新方案。這一步是結合獲取的知識資源進行創造性思維的階段，是新知識生成的過程。

步驟6方案優化評價。此步操作主要通過對生成的方案做進一步探討，借鑒功能跟隨形式（FunctionFollowForms）原理發現新產品的潛在應用市場，并結合已有信息及設計經驗對方案加以優化評價，進而得到創新性、實用性及可實現性相對較好的產品創新方案。

5功能模塊實現

產品創新是市場需求與技術實現對立統一的過程，是創新主體與現代設計技術有機協同的設計過程，是以知識為基礎，以獲取及創造新知識為核心的知識物化過程。本文基于提出的多角度功能激勵的設計思想，融合認知科學、信息技術及創新設計理論，實現了該功能模塊。其體系架構如圖7所示，包含交互層、推理層、資源層。

（1）交互層是實現人機交互的重要單元，主要給用戶提供一個友好的交互界面，提供信息輸入、輸出接口，并對整個設計過程加以可視化。其中，也包含管理員對系統及知識庫進行的日常維護操作。

（2）推理層主要根據設計過程中用戶輸入的設計信息，為其提供所需的設計原理及過程推理方法支持。該層除了系統功能建模、功能激勵分析等人機交互式信息操作單元外，還包括信息轉換、映射求解、評價計算等多個采用推理機形式，通過調用相應的知識資源，以實現創新信息映射轉換的智能操作單元。信息轉換單元主要采用自然語義與基于規則推理的形式，對功能激勵結果加以標準化轉換；映射求解單元利用FBS方法，對生成的標準化信息進行概念求解；評價計算單元則是根據輸入的評價信息，利用一定的評價規則對方案加以量化比較，以篩選得到相對較優的設計方案。

（3）資源層主要為概念設計過程提供知識支持，包括本體庫、效應庫、評價庫等多個知識單元。

系統內的效應庫、專利庫等知識庫主要采用功能基的形式加以組織，并提供基于自然語義的Internet3應用實例冰箱通常都在冷凍室內裝一制冰裝置，其制冰的工作原理與大型制冰機一樣。制冰裝置的上面部分放置有普通的柵格式盒子。往盒子里倒上水，冷凍一定時間后，再由一個特制的帶有蝸桿減速器的電機把盒子翻轉。當盒子幾乎朝下時，盒子的另外一邊就頂到了專門的凸出部位上。盒子傾斜后，冰塊就能實現與內壁相分離，往下脫落，并掉到收集器中。這一加工過程一直會持續到收集器裝滿冰塊為止，如圖8所示。但這種制冰裝置也存在很多問題，如占用空間較大，工作震動、噪聲大等問題，迫切需要對其加以改進。運用本文提出的方法進行創新分析，具體步驟如下：

步驟1通過選擇已有的制冰裝置作為基礎產品，對其進行功能結構分解，錄入電機1、連桿、制冷裝置、驅動減速器1、轉動冰盒等產品組件及功能信息。

步驟2結合已有產品，并針對錄入結果對制冰機進行系統建模，構建相應的產品功能-組件鏈圖（如圖9）。

步驟3根據超系統功能與所有功能間的關系，建立起相應的制冰機功能相關矩陣，如表2所示。并針對矩陣進行超系統組件功能關聯分析，如通過在“提供水”與“轉動冰層推桿”之間建立起關聯，提出在“轉動冰層推桿”時，根據其受到的阻力大小，實時控制是否“提供水”的創意；在“提供水”與“儲存2冰塊”間建立關聯，提出只有當開始“儲存2冰塊”操作時，機器才“提供水”的新需求。針對鏈圖，從系統內單組件功能改變、系統內多組件功能組合兩個角度進行激勵分析。如圖10所示，經功能裁剪分析，提出去除攪拌器“攪拌2冰塊”操作的創意，以減小裝置的控制復雜程度；經功能合并分析，并根據經其它激勵操作得到的設計過程信息，提出將驅動撥冰裝置葉輪轉動的“轉動連桿”功能與驅動傳輸帶轉動的“轉動轉軸”功能加以合并的新需求，以在一定程度上實現結構簡化；經功能捆綁分析，將冰盒的“儲存水”功能、儲冰器的“儲存冰塊”功能和攪拌器“輸送冰塊”等多個功能加以捆綁，激勵產生要設計一個既能“儲存水及冰塊”，又能“按需定向輸送冰塊”的集成化裝置的想法。

步驟4通過以上遍歷式創新分析，生成“輸送冰塊”、“轉動轉軸”等多個功能需求。對其進行相應的知識檢索，得到“一種提高冰淇淋抗融性的乳化劑以及用其制備的冰淇淋”、“超薄潛水數顯磁力攪拌器”、“物料輸送螺旋機構”等知識。

步驟5結合已有產品，對步驟4得到的原理解進行具體化思考，進而產生“在儲冰盒內增加可溶且可食用的抗融泡沫添加劑”、“用磁力攪拌器代替機械攪拌”、“采用多柵格式制冰、儲冰裝置，且伴隨傳送帶輸送，出冰口處受扭曲力和重力作用而自動脫落”等多個概念方案，如圖11所示。

步驟6結合已有設計經驗及企業實際情況，對以上分析得到的多個概念方案進行初步評價篩選，并進行合理的市場定位，去除可實現性低、經濟性差、創新性不高的噪聲方案。然后，再對剩余的創新想法做進一步組合優化分析，以得到最終制冰機改進方案。即采用一種柵格式的傳輸帶式結構，將其直接放在冷凍室的頂部沿著圓周運動，并采用一個帶葉輪的旋轉裝置，以頂出柵格內的冰塊，供用戶食用；且儲水罐的“提供水”功能也與傳輸帶的運行建立起相應的控制關系，使滴水速度與柵格制冰、儲冰速度保持同步。改進后的制冰機系統工作過程如圖12所示。其去除了原有的冷藏室，縮減了工作空間，部分消除了收集、儲存冰塊所帶來的各種不便，并通過合理調節傳輸帶的運行速度，可實現按用戶需求持續提供冰塊等優勢。

結束語

本文提出了一種基于功能需求內生的產品概念設計方法。在該創新模式下，通過從超系統組件功能關聯、系統內單組件功能改變、系統內多組件功能優化三個角度分別進行策略化分析，利用已有知識庫及可獲取的廣域知識資源，可在一定程度上實現有效引導創新者擺脫思維固著、思維定勢的局限，激勵其產生更多更高質量的創意，進而提升所開發產品在未來市場的競爭力。整個分析過程的實現是建立在先將分析組件與其它組件相隔離的基礎上，然后根據激勵產生的想法，再關聯性分析由于分析組件及其功能的變化所帶來的其它組件及功能的連鎖性變化，最終形成相應的綜合性創新方案。而對蘊藏于多組件間的功能沖突性、耦合性等較深層次的激勵信息，并未加以探討，且有待后續研究。