產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型建立及其評價實現(xiàn)

劉曉敏，陳鈺婷，王自偉，田松齡

（福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108）

產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是在概念設(shè)計階段建立概念創(chuàng)新集成模型，并評價該模型，以此來發(fā)現(xiàn)、確定并求解產(chǎn)品沖突問題.發(fā)明問題解決理論［1］（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）認為，技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展要遵循一定的法則.該理論主要側(cè)重于產(chǎn)品創(chuàng)新想法的產(chǎn)生過程.約束理論（Theory of Constraints，TOC）認為，提升系統(tǒng)性能最有效的途徑是找出約束條件.該理論主要側(cè)重于提供一種分析系統(tǒng)沖突的工具，但未能給出解決問題的具體辦法.

RIZZO［2］認為，TOC與 TRIZ相結(jié)合更有助于分析、確定和解決沖突.ELLEN 等［3］得到與ANTHONY相類似的結(jié)論.MOURA［4］認為在創(chuàng)新過程中最難解決的是系統(tǒng)核心問題.為此，MOURA深入研究TOC當前實現(xiàn)樹（Current Reality Tree，CRT）與 沖 突 解 決 圖 表 （Conflict Resolution Diagram，CRD）的關(guān)系，并用實例驗證與TRIZ組合比單獨使用TRIZ能更好地解決問題.LUKE博士［5］同樣認為TOC與TRIZ結(jié)合更能有利于創(chuàng)新.

目前，對產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型的評價過程及方法的研究較為欠缺.為此，從增加產(chǎn)品創(chuàng)新自由度、拓寬求解空間及提高產(chǎn)品創(chuàng)新成功率入手，對紫外光油煙機產(chǎn)品進行研究.

1 產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型建立

1.1 產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型的建立

圖1為產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型，該模型中各操作步驟間相互關(guān)聯(lián)并相互制約.具體實現(xiàn)過程為：

首先，分析技術(shù)進化理論，包括產(chǎn)品技術(shù)成熟度、功能進化模式及進化路線；其次，應(yīng)用輸入、輸出流表示法與功能分解原理進行產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)建模，通過構(gòu)造沖突邏輯圖表，確定不理想因素的根原因及沖突，利用TRIZ求解沖突問題，最后對系統(tǒng)沖突根原因進行求解；最后，將形態(tài)學矩陣作為創(chuàng)新工具，求得各分功能原理解，并評價出合理的產(chǎn)品創(chuàng)新概念結(jié)構(gòu).

圖1 基于TRIZ與TOC的產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型Fig.1 Integrated model based on TRIZ and TOC for product innovation

1.2 產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型的實現(xiàn)

1.2.1 產(chǎn)品技術(shù)成熟度及技術(shù)進化法則分析

當產(chǎn)品核心技術(shù)在嬰兒期和成長期時，企業(yè)研發(fā)重點應(yīng)從原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品商業(yè)化，使產(chǎn)品盡快占領(lǐng)市場；當在成熟期和退出期時，產(chǎn)品競爭激烈，企業(yè)應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化技術(shù)來保證產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本，同時加速舊技術(shù)淘汰，并研發(fā)新一代核心技術(shù)［1］.

技術(shù)進化法則是指實現(xiàn)某一功能所采用技術(shù)不斷變化的規(guī)律.Altshuller的直接技術(shù)進化理論［6］應(yīng) 用 較 廣.Zusman［7］提 出 8 種 進 化 模 式，Darrell［8］提出11種進化模式.每種進化法則中都含有多條進化路線.技術(shù)進化法則應(yīng)用過程為［1］：①根據(jù)專利信息，選出符合技術(shù)發(fā)展的典型進化路線.②確定進化潛能.③將創(chuàng)新設(shè)想轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域解.

1.2.2 建立功能結(jié)構(gòu)模型及沖突邏輯圖表

功能結(jié)構(gòu)模型是一種對產(chǎn)品具體功能抽象、直接、全面表達的實現(xiàn)過程.STONE［9］提出：功能基是以功能分解為基礎(chǔ)的輸入流、輸出流的描述方式.通過建立產(chǎn)品總功能及其分解圖、確定總功能圖中每個輸入流的功能鏈、聚合各功能鏈（包括串聯(lián)、并聯(lián)及聚合等）等方式生成總功能結(jié)構(gòu)圖.

沖突邏輯圖表是在一系列不良效應(yīng)中找出沖突問題產(chǎn)生的根原因，要根據(jù)實體間的邏輯關(guān)系建立當前實現(xiàn)樹.

1.2.3 產(chǎn)品沖突求解的TRIZ過程

首先，將沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ一般問題；然后，利用TRIZ技法，得出TRIZ問題通用解；最后，依靠設(shè)計者知識與經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為最終領(lǐng)域解.在該過程中，若遇到物理沖突，則用相應(yīng)的分離原理解決；若遇到技術(shù)沖突，則用沖突問題矩陣求解.

1.2.4 方案組合與評價過程

形態(tài)學矩陣是對分功能求解，合成出多個系統(tǒng)原理解，再用方案評價法確定系統(tǒng)原理解.方案評價法是一種集成加權(quán)計分法與層次分析法的應(yīng)用.層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）［10］是用一種標準歸一化的值來確定各評價目標加權(quán)因子的方法.加權(quán)計分法是將評價指標定量化處理一種效用價值分析法.實現(xiàn)步驟是：①確定評價指標及其權(quán)重系數(shù).構(gòu)造判斷矩陣，排列權(quán)重，檢驗判斷矩陣一致性；②對各方案評價指標值評分，獲得評分矩陣；③計算各方案總體得分，確定分值最高的方案為最優(yōu)方案.

2 概念創(chuàng)新集成模型評價過程實現(xiàn)

統(tǒng)計出2000—2010年間出現(xiàn)紫外光解油煙凈化技術(shù)的相關(guān)專利共54項，該專利信息匯總見表1.

表1 專利信息匯總Tab.1 Summary of patent information

2.1 產(chǎn)品技術(shù)成熟度及技術(shù)進化過程分析

2.1.1 專利特性曲線擬合與成熟度分析

各專利特性用表1中離散點表示，將曲線擬合為連續(xù)曲線，再以此來判斷技術(shù)發(fā)展所處的位置.要確定給定的離散點函數(shù)族很困難.為此，利用最小二乘法原理進行多項式曲線擬合［10］.當多項式次數(shù)n太高時，會出現(xiàn)“病態(tài)矩陣”，次數(shù)太低又不能反映待擬合點的實際變化規(guī)律.經(jīng)分析，n取3較好.利用MATLAB軟件對給定離散點擬合，再將擬合曲線與標準曲線對比來判斷產(chǎn)品技術(shù)成熟度.

專利特性曲線擬合用戶計算界面，見圖2a.用戶只需輸入各年份專利數(shù)量、專利等級與特殊專利數(shù).將表1中各年份專利數(shù)據(jù)信息輸入到圖2a界面中，分別單擊特殊專利數(shù)、專利數(shù)量及專利等級等擬合方式，將生成圖2b，2c，2d曲線，再分別與其各自對應(yīng)的標準特性曲線對比，即判斷出紫外光凈化油煙技術(shù)正處于成長期前期.

目前，紫外光解油煙凈化技術(shù)在國內(nèi)使用還不夠普遍，有一定技術(shù)缺陷，該市場份額還不夠大，符合成長期特點.此時，企業(yè)需要繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品技術(shù)，加大研究發(fā)展投入，以盡早占領(lǐng)市場份額.

2.1.2 紫外光解油煙凈化技術(shù)進化分析

2.1.2.1 提高理想解進化法則

進化法則認為：產(chǎn)品是沿著理想解不斷提高的方向進化.提高產(chǎn)品理想解方法有：①增加有用功能數(shù)量.創(chuàng)新解為：增加油煙機照明功能以改善工作環(huán)境；增加定時功能，可避免油煙機結(jié)束時忘記關(guān)閉；增加油煙檢測功能，用以實時監(jiān)控廚房環(huán)境狀況；增加火災(zāi)報警功能等.②提高有用功能質(zhì)量.創(chuàng)新解為：提高油煙機電機功率及優(yōu)選紫外光催化結(jié)構(gòu)布置以提高凈化能力.③減少系統(tǒng)有害功能個數(shù)及危害程度.創(chuàng)新解為：提高理想解可從降低油煙機能耗、降低系統(tǒng)復雜性及成本、消除煙道火災(zāi)隱患、減小設(shè)備振動及噪音等方面入手.

2.1.2.2 向超系統(tǒng)進化法則

超系統(tǒng)是指超出本系統(tǒng)范圍更高一層次的系統(tǒng)，它可突破原有系統(tǒng)的局限性，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)功能［1］.創(chuàng)新解為：①將油煙機與灶具相結(jié)合，隨著灶具點火與熄火，油煙機自動開啟與關(guān)閉，以提高自動化程度并防止忘記關(guān)閉油煙機；②傳統(tǒng)廚房各子系統(tǒng)，如油煙機、燃氣灶具 、消毒柜等均單獨設(shè)計與安裝，外觀與功能不能很好地實現(xiàn)統(tǒng)一搭配.因此，設(shè)計人員采用超系統(tǒng)思想，將油煙機與櫥柜、廚具以及其他廚用家電按其形狀、尺寸及使用要求等進行合理布局，以實現(xiàn)超系統(tǒng)層次廚房用具的一體化.

2.1.2.3 向微觀層次進化法則

該法則是指：技術(shù)系統(tǒng)工作原理要向微觀方向進化，系統(tǒng)的元件最終發(fā)展為原子或基本粒子的微觀層次.圖3是油煙凈化技術(shù)向微觀層次進化路線圖.（圖3，4，5中實線箭頭為搜索選定的進化趨勢指向；虛線箭頭為搜索具體的進化目標指向.）由圖3知，當前油煙凈化技術(shù)中，對于等離子體法與紫外光（Ultraviolet，UV）光解氧化油煙技術(shù)，完善各項功能，提高油煙凈化核心技術(shù)性能是重要的發(fā)展方向.

2.1.2.4 增加系統(tǒng)動態(tài)性法則

增加系統(tǒng)動態(tài)性與可控性是系統(tǒng)技術(shù)進化的重要法則，擴大了系統(tǒng)適用范圍.

當前，油煙機位置多為固定結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)不同狀況.創(chuàng)新解為：①將油煙機進煙口改成移動可調(diào)式結(jié)構(gòu)，根據(jù)油煙量大小及其發(fā)生位置，移動進煙口靠近油煙發(fā)生源.在風量相同條件下，提高油煙吸附能力，降低能耗.比如，將集煙罩設(shè)計成可調(diào)式升降結(jié)構(gòu).②油煙機集煙罩設(shè)計成可變式動態(tài)結(jié)構(gòu).如在進煙口處設(shè)置一個可移動側(cè)擋板，在工作時將該擋板伸出，以減少油煙向側(cè)面溢出.當關(guān)閉油煙機或油煙量較少時，移動擋板自動回收，不占用空間，實現(xiàn)了動態(tài)化.

圖2 產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測相關(guān)擬合曲線及計算界面Fig.2 Related fitting curve and calculating interface of product technology maturity prediction

此外，系統(tǒng)整體及其各子系統(tǒng)沿可控性增強的方向發(fā)展.產(chǎn)品可控性分為連續(xù)可調(diào)與智能反饋控制等兩個方向.油煙機產(chǎn)品連續(xù)可調(diào)式進化路線和提高其可控性的進化過程分別見圖4和圖5.

2.2 產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)建模分析

UV型油煙機主要功能是收集與凈化油煙，具體包括油煙收集、傳輸、過濾、紫外光分解氧化等過程.其總功能分解為油煙收集、凈化、油煙導流、動力驅(qū)動、控制系統(tǒng)等分功能，各分功能還可繼續(xù)分解.功能分解程度取決于分功能是否已較容易得到原理解為止.圖6為產(chǎn)品功能分解樹.

圖3 油煙凈化技術(shù)微觀級進化路線Fig.3 Microscopic level evolution route of fume purifying technology

圖4 連續(xù)可調(diào)的進化路線Fig.4 Continuous adjustable evolution route

圖5 提高可控性進化過程Fig.5 Evolution process of improving controllability

圖6 紫外光油煙機功能分解樹Fig.6 Functional decomposition tree of UV fume purifying machine

根據(jù)總功能分解原則，建立包括能量流、物料流和信號流在內(nèi)的人力功能鏈（用于啟動設(shè)備、調(diào)節(jié)擋位及開啟輔助功能等）、電能功能鏈（提供油煙機工作的能量來源，是提供風機動力及產(chǎn)生紫外光能所需的能量）、油煙子功能鏈（反映油煙運動以及分解凈化的過程）等，圖7為其功能結(jié)構(gòu)模型.

圖7 紫外光油煙機功能結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Function structure model of UV fume purifying

2.3 構(gòu)造產(chǎn)品沖突解決圖表

2.3.1 建立當前實現(xiàn)樹

當前實現(xiàn)樹是構(gòu)造沖突邏輯圖表的基礎(chǔ)，也是行之有效的確定沖突問題的方法.

當前實現(xiàn)樹是從油煙機性能主要影響因素中建立的，如圖8所示，涉及到產(chǎn)品體積、風機噪音、油煙外溢、紫外光燈管與產(chǎn)生氧化劑數(shù)量、光解氧化反應(yīng)速率、管道長短、管道結(jié)構(gòu)合理性、管道壓力損失、集煙罩結(jié)構(gòu)合理性、集煙罩位置合理性、風機位置、風機功率、煙氣流速、光解氧化反應(yīng)及油煙含量等方面.圖8中的箭頭表示實體間滿足充分的關(guān)系；大黑點表示實體間不滿足充分的關(guān)系.在后續(xù)工作中利用計算機對圖8實現(xiàn)了沖突個數(shù)的自動搜索及識別，這和人工搜索（效率低）結(jié)果是一致的.

2.3.2 構(gòu)造沖突邏輯圖表的TOC分析

降低油煙機振動與噪音的前提是要降低風機功率；但要保證油煙機負壓足夠大，使油煙被吸入煙罩并防止外溢，前提是增大風機功率.此時，出現(xiàn)沖突1：風機功率既要增大又要減小，如9a所示.

圖8 系統(tǒng)沖突的當前實現(xiàn)樹示意圖Fig.8 Current reality tree of system conflict

為提高油煙機凈化效率，應(yīng)保證有足夠的氧化反應(yīng)時間使油煙凈化充分，前提條件是增長油煙管道；但為了保證體積不能太大，前提條件是縮短油煙管道長度.此時出現(xiàn)沖突2：油煙管道既要增長又要縮短，如圖9b所示.

系統(tǒng)根原因是集煙罩結(jié)構(gòu)和位置不合理.改進措施為：降低集煙罩高度以利于吸收油煙，提高收集油煙能力；適當升高集煙罩高度，但又不能影響操作者的視線.因此，出現(xiàn)沖突3：集煙罩安裝位置既要降低又要升高，如圖9c所示.

圖9 3種沖突邏輯圖表的分析Fig.9 Analysis of three kinds of conflict logic chart

2.4 沖突問題的TRIZ求解

用TRIZ工具對上述沖突問題求解如下：

（1）沖突1 功率增大與減小是一對物理沖突，應(yīng)采用空間分離原理，創(chuàng)新解為：將產(chǎn)生噪音的風機置于室外，即將噪音源與室內(nèi)進行空間分離，這樣即便增大功率也不會加噪音.

（2）沖突2 管道的延長與縮短是一對物理沖突，它與后面的沖突5有類似的分析結(jié)果.

（3）沖突3 集煙罩高度的升高與降低是一對物理沖突，采用時間分離或者條件分離原理，創(chuàng)新解為：根據(jù)不同時間或條件改變集煙罩高度，當油煙量較大時可適當降低高度，反之則升高，或者根據(jù)油煙發(fā)生源具體位置調(diào)整其高度.

（4）沖突4 提高油煙吸收率與降低煙機噪音是一對技術(shù)沖突，用沖突矩陣求解，沖突特性參數(shù)為性能改善參數(shù)：物質(zhì)損失23或可靠性27.性能惡化參數(shù)：物體產(chǎn)生的有害因素31.通過查找沖突矩陣，選得可行的原理解為：①發(fā)明原理No.1，分割.創(chuàng)新解為：由于風機功率較大，產(chǎn)生噪音也大，可用2臺功率較小的風機來取代一臺大功率風機，以減小噪音產(chǎn)生.②發(fā)明原理No.2，分離.創(chuàng)新解為：將噪音源風機分離出廚房，置于室外.③發(fā)明原理No.10，預(yù)操作.創(chuàng)新解為：通過改變集煙罩形狀和位置，使其更有利于油煙收集，以減少油煙外溢量.

（5）沖突5 提高油煙凈化率與系統(tǒng)體積是一對技術(shù)沖突.查找沖突矩陣，選出可行的發(fā)明原理并轉(zhuǎn)化成問題領(lǐng)域解為：①發(fā)明原理No.14，曲面化，用旋轉(zhuǎn)運動代替直線運動.創(chuàng)新解為：在紫外光分解油煙后端加一個旋風分離器，將直線變?yōu)槁菪€運動結(jié)構(gòu)，在氣體排出前，先氣液分離.②發(fā)明原理No.7，套裝.創(chuàng)新解為：煙道結(jié)構(gòu)采用類似于鑲嵌式的套裝結(jié)構(gòu)形式，可縮短管道長度，但其總體積變化不大.③發(fā)明原理No.35，參數(shù)變化.創(chuàng)新解為：在一般化學反應(yīng)中，高溫高壓可提高化學反應(yīng)速度.因此，在反應(yīng)的油煙管道中適當提高溫度，可加快化學反應(yīng)，同時還能達到縮短油煙管道的目的.

2.5 產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型綜合評價

2.5.1 各功能元求解及構(gòu)造形態(tài)學矩陣

表2用形態(tài)學矩陣列出各分功能的解空間.形態(tài)學矩陣是一種基于功能分解的系統(tǒng)地收集與組合分功能解的方法，用于求解系統(tǒng)整體方案.該矩陣第一行與第一列分別為各分功能載體編號及名稱，其余位置為各分功能具體原理解.最后，從表2多個組合方案中選出3個可行性較高的概念方案，見表3.上述3方案組合是在各分功能的解空間中提取出的一個功能載體.考慮各功能載體的相容性問題，最終組成系統(tǒng)的原理解.設(shè)計方案組合，見表3.表2中的大黑點表示選擇指示對象的標識符；實線、虛線和點化線分別表示3種不同設(shè)計方案的原 理解獲取路線.

表2 紫外光油煙機形態(tài)學矩陣Tab.2 Morphology matrix of UV fume purifying machine

表3 設(shè)計方案組合Tab.3 Design combination

2.5.2 方案評價及決策過程

由層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，后續(xù)評價計分過程采用加權(quán)計分法進行［10］.方案評價過程為：

評價目標分多個層次，主要有：技術(shù)性能、成本、外觀.成本包括可批量制造性及工藝難度；技術(shù)性能包含噪音、風阻、凈化效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、易維護性等.評價目標集為：｛可批量制造性X1，工藝難度X2，噪音X3，風阻X4，凈化效率X5，結(jié)構(gòu)體積X6，易維護性X7，外觀X8｝，用符號表示評價目標集：

應(yīng)用層次分析法（AHP）確定權(quán)重系數(shù)過程如下：

判斷矩陣：矩陣中元素aij表示Xi對Xj相對重要性的數(shù)值（Xi，Xj分別為產(chǎn)品成本所在的評價目標集的行、列選項）.Saaty提出用1—9的奇數(shù)表示，即aij為1，3，5，7，9分別表示指標Xi對Xj同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要.這些數(shù)的倒數(shù)則表示相反的意思.各評價指標重要性為：凈化效率＞噪音＝風阻＝結(jié)構(gòu)體積＞工藝難度＝易維護性＞可批量制造性＝外觀.因此，判斷矩陣A為

求解AG＝λmaxG，其中λmax為判斷矩陣A的最大特征根，G為對應(yīng)的特征向量.歸一化處理后將各分量作為評價目標權(quán)重系數(shù).經(jīng)計算得：最大特征值λmax＝8.141 7，該特征向量經(jīng)歸一化處理后為：G＝（0.030 23，0.065 85，0.156 50，0.156 50，0.345 60，0.149 10，0.065 85，0. ）030 23 判斷矩陣一致性檢查：

CI為一致性判斷的指標值；CR為一致性比值；RI為隨機指標值；n為矩陣階數(shù).

其中RI值從表4［10］中查詢.因此，將向量G的各分量作為評價目標的權(quán)重系數(shù)是合理的.

（2）評價集及各目標評語

通過評分法獲得3個方案各評價目標的分數(shù)，性能值用1—5來表示，各方案評價目標分數(shù)見表5.

表4 隨機指標RITab.4 Random Index RI

由表5中數(shù)值建立以下評價目標分值矩陣W，并求解各方案加權(quán)分值R如下：

表5 各方案評價目標分值Tab.5 Evaluating objective score of the schemes

上面3個方案的加權(quán)分值R1＜R2＜R3.因此，3個方案優(yōu)劣順序為：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ.故選用方案Ⅲ作為紫外光油煙機最終概念方案.圖10是方案Ⅲ的紫外光油煙機工作流程.

圖10 紫外光油煙機工作流程示意Fig.10 Workflow diagram of UV fume purifying machine

3 結(jié)論

（1）建立一種操作性較強的產(chǎn)品創(chuàng)新集成模型.這對其他類產(chǎn)品的創(chuàng)新有一定的參考.

（2）構(gòu)造沖突邏輯圖表，找出系統(tǒng)沖突的根原因及沖突類型，結(jié)合TRIZ沖突解決原理尋找創(chuàng)新解.在紫外光油煙機集煙罩、油煙管道、風機安裝位置、凈化過程等方面獲得創(chuàng)新解.

（3）確定各分功能原理解，建立形態(tài)學矩陣，得到可行原理解，利用集成評價策略選出最優(yōu)方案.

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