基于系統(tǒng)功能模型的元件裁剪優(yōu)先權(quán)研究

于 菲，檀潤(rùn)華，曹國(guó)忠，江 屏

0 引言

裁剪是發(fā)明問題解決理論（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）中較為簡(jiǎn)單實(shí)用的一種工具［1］。裁剪通過去除系統(tǒng)的某些元件，利用剩余系統(tǒng)或超系統(tǒng)資源重新分配有用功能，來保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)［2－3］。應(yīng)用裁剪可解決沖突、降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)［3－4］。在裁剪過程中，選擇不同元件進(jìn)行裁剪，系統(tǒng)理想化水平的提高程度一般不同［3－5］，因此，選擇合理裁剪元件對(duì)裁剪而言非常關(guān)鍵?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出的裁剪元件確定方法中，Darrel L.Mann結(jié)合DFMA給出確定裁剪元件啟發(fā)式問句［1］，Sergei Ikovenko，Daniel Sheu從功能角度提出了裁剪元件確定規(guī)則［3－4］，這些問句或規(guī)則從解決問題的角度幫助設(shè)計(jì)者確定裁剪元件，但由于它為概括性指導(dǎo)規(guī)則，在具體實(shí)施過程中對(duì)設(shè)計(jì)者的水平要求較高，可操作性較差。TRIZ Prower Toolsimplifying中從多角度給出了確定裁剪元件的途徑［2］，滿足了不同設(shè)計(jì)需求，但其規(guī)則的概括性及確定多個(gè)裁剪元件的無序性，不但對(duì)設(shè)計(jì)者的水平要求較高，而且執(zhí)行裁剪操作仍具有一定的盲目性。林蕓蔓和朱晏樟結(jié)合Techoptimizer軟件，從功能和價(jià)值角度進(jìn)行元件量化評(píng)價(jià)，從而確定元件裁剪的優(yōu)先順序［5－6］，Goldfire軟件將基于價(jià)值工程理論的多指標(biāo)評(píng)價(jià)作為確定裁剪元件的一種方式［7］，與前面方法相比，后兩者由定性分析轉(zhuǎn)為定量評(píng)價(jià)，算法可由計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)，可操作性強(qiáng)；由解決問題角度轉(zhuǎn)為價(jià)值角度分析，保證了最大限度地提高系統(tǒng)的價(jià)值，但如此一來也忽略了問題解決難易程度的因素，因此評(píng)價(jià)角度較單一。就評(píng)價(jià)模型而言，未考慮價(jià)值評(píng)價(jià)中各因素評(píng)價(jià)值的量級(jí)及其對(duì)系統(tǒng)影響程度的不同，且該方法中由距主功能路徑的遠(yuǎn)近來確定有害功能的等級(jí)，這種評(píng)價(jià)方法忽略了實(shí)際情況的多種可能性，科學(xué)性較差。因此有必要建立一個(gè)有效確定元件裁剪優(yōu)先權(quán)的多因素評(píng)價(jià)機(jī)制。

系統(tǒng)功能模型是分析系統(tǒng)具體工作過程的系統(tǒng)化方法，它能清楚地表示出系統(tǒng)元件以及元件之間的作用關(guān)系［1］。裁剪方法的應(yīng)用建立在系統(tǒng)功能模型的基礎(chǔ)之上［1－7］。本文在系統(tǒng)功能模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了裁剪優(yōu)先權(quán)判定多因素評(píng)價(jià)體系，通過對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的排序來確定裁剪優(yōu)先權(quán)。解決多因素評(píng)價(jià)問題時(shí)確定合理的影響因素權(quán)系數(shù)非常關(guān)鍵［8］，本文在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上，采用最大離差和熵的權(quán)系數(shù)確定方法，來確定裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)定中各因素的權(quán)系數(shù)。

1 系統(tǒng)功能模型

系統(tǒng)是由元件及作用組成的功能網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與超系統(tǒng)及制品共同構(gòu)成系統(tǒng)功能模型［10］，如圖1所示。其建立過程分為兩個(gè)步驟［6］：

（1）確定系統(tǒng)元件、制品和超系統(tǒng)。制品是系統(tǒng)存在的目的；超系統(tǒng)是對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的其他系統(tǒng)；元件是系統(tǒng)的組成分子，其細(xì)分程度由設(shè)計(jì)者自行決定。

（2）確定元件之間的作用并進(jìn)行連結(jié)。元件之間的作用類型分為標(biāo)準(zhǔn)有用作用、不足作用、過剩作用和有害作用。

2 元件裁剪優(yōu)先權(quán)影響因素及評(píng)價(jià)值計(jì)算

2.1 元件裁剪優(yōu)先權(quán)影響因素

式中：Degree of Ideality為理想化水平；Functionality為系統(tǒng)的有用功能；Cost為成本；Problems為系統(tǒng)存在的問題。

式（1）和文獻(xiàn)［5－6］中系統(tǒng)價(jià)值分析的本質(zhì)相同，但其對(duì)基于系統(tǒng)功能模型的裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)而言，更易從元件執(zhí)行功能的角度提煉出優(yōu)先權(quán)判定的影響因素。系統(tǒng)功能模型中，元件執(zhí)行的作用即為元件功能，元件功能包括標(biāo)準(zhǔn)有用、過剩、不足和有害作用，前三者是系統(tǒng)的有用功能，但其中過剩和不足作用的功能參數(shù)實(shí)際值超出或未達(dá)到需求值，從而導(dǎo)致在產(chǎn)生有用功能的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)或超系統(tǒng)產(chǎn)生了有害影響，有害作用表示原設(shè)計(jì)不需要或不期望出現(xiàn)的情況，它阻礙了系統(tǒng)目標(biāo)并危害了系統(tǒng)性能，這些都屬于系統(tǒng)存在問題，因此將不足、過剩作用作為有用功能，同時(shí)和有害作用一并歸類為元件的負(fù)面功能，以評(píng)估系統(tǒng)存在的問題。綜上所述，得出理想化水平角度評(píng)估裁剪優(yōu)先權(quán)的三個(gè)影響因素：元件有用功能、負(fù)面功能和成本。另外，并不是所有元件被裁剪后都能在已有系統(tǒng)中找到執(zhí)行其有用功能的替代資源，對(duì)于裁剪后不能在已有系統(tǒng)中找到替代資源的元件，設(shè)計(jì)者并不希望對(duì)其進(jìn)行裁剪分析，因此這里引入解空間的概念，并將其作為裁

元件裁剪優(yōu)先權(quán)表征了系統(tǒng)元件裁剪的優(yōu)先順序。應(yīng)用裁剪方法時(shí)，應(yīng)裁剪對(duì)系統(tǒng)理想化水平貢獻(xiàn)最低的元件，以最大限度地提升系統(tǒng)的理想化水平。系統(tǒng)的理想化水平公式［11］：剪優(yōu)先權(quán)判定的另一個(gè)影響因素。所謂解空間是去掉系統(tǒng)中某個(gè)元件后，在已有系統(tǒng)和超系統(tǒng)資源中找到解的可能性的大小。

2.2 影響因素評(píng)價(jià)值計(jì)算

（1）元件有用功能

元件有用功能對(duì)系統(tǒng)重要性的評(píng)價(jià)值用功能等級(jí)衡量。根據(jù)文獻(xiàn)［12］中的功能定義，主要功能是系統(tǒng)存在的目的，基本功能直接幫助實(shí)現(xiàn)其主要功能，輔助功能是服務(wù)于其他子系統(tǒng)的功能。

系統(tǒng)功能模型中，制品是系統(tǒng)存在的目的，若元件對(duì)制品的有用作用只有一個(gè)，則該作用為系統(tǒng)主要功能；若元件對(duì)制品的有用作用有多個(gè)，則其中除主要功能外還可能含有系統(tǒng)的基本功能或輔助功能，需以“主要功能是系統(tǒng)存在的目的，基本功能直接幫助實(shí)現(xiàn)主要功能，輔助功能輔助基本功能或其他輔助功能實(shí)現(xiàn)”加以判斷。主要功能的功能等級(jí)記為A0，基本功能記為A1，輔助功能記為Ai，i＞1。若元件執(zhí)行功能作用于功能等級(jí)為Ai的元件上，則該功能等級(jí)為Ai＋1，主要功能等級(jí)最高。元件功能等級(jí)評(píng)價(jià)值的計(jì)算規(guī)則如下［5］：

規(guī)則1 規(guī)定最低的功能等級(jí)值等于1。

規(guī)則2 Rank（Ai－1）＝ Rank（Ai）＋1。

規(guī)則3 Rank（A0）＝ Rank（A1）＋2。

規(guī)則4 元件執(zhí)行多個(gè)功能時(shí)，其功能等級(jí)為各功能等級(jí)之和。

規(guī)則5 元件對(duì)超系統(tǒng)執(zhí)行的功能等級(jí)為A1。

（2）元件負(fù)面功能

將元件的負(fù)面作用類型分為根本負(fù)面作用和間接負(fù)面作用。根本負(fù)面作用是導(dǎo)致系統(tǒng)有害結(jié)果的根本原因，它導(dǎo)致了間接負(fù)面作用的產(chǎn)生。產(chǎn)生根本負(fù)面作用的元件稱為根本負(fù)面作用元件，產(chǎn)生間接負(fù)面作用的元件稱為間接負(fù)面作用元件。確定元件負(fù)面功能評(píng)價(jià)值的步驟如下：

1）抽取元件間負(fù)面作用關(guān)系鏈 元件間的負(fù)面作用關(guān)系鏈（簡(jiǎn)稱負(fù)面作用鏈）是指系統(tǒng)功能模型中所有負(fù)面作用的接收元件和負(fù)面作用執(zhí)行元件間的相互作用關(guān)系鏈。系統(tǒng)功能模型中，負(fù)面作用之所以在一定程度上是有害的，是因?yàn)樗鼘?duì)制品或超系統(tǒng)產(chǎn)生了有害影響，因此抽取的負(fù)面作用鏈中都含有對(duì)制品或超系統(tǒng)的負(fù)面作用。抽取方法為：將功能模型中的所有標(biāo)準(zhǔn)有用作用和孤立元件去掉，將剩余系統(tǒng)元件以受負(fù)面作用影響的制品或超系統(tǒng)為基點(diǎn)，分割得到系統(tǒng)的負(fù)面作用鏈。負(fù)面作用鏈按元件間的組織結(jié)構(gòu)類型，可分為鏈?zhǔn)健h(huán)式和交互式三種，如圖2所示。

2）抽取負(fù)面作用鏈中根本負(fù)面作用和間接負(fù)面作用 抽取規(guī)則如下：

規(guī)則6 鏈?zhǔn)截?fù)面作用鏈中，距離制品最遠(yuǎn)的末端元件執(zhí)行的負(fù)面作用為根本負(fù)面作用。

規(guī)則7 環(huán)式負(fù)面作用鏈中：①若作用于制品的元件為非超系統(tǒng)元件，則制品發(fā)出的作用為根本負(fù)面作用；②若作用于制品的元件為超系統(tǒng)，則根本負(fù)面作用為制品產(chǎn)生的作用或超系統(tǒng)產(chǎn)生的作用，此時(shí)需判斷制品和超系統(tǒng)所產(chǎn)生作用之間的因果關(guān)系，是原因的一方為根本負(fù)面作用。

規(guī)則8 交互式負(fù)面作用鏈中，制品和元件產(chǎn)生的作用都可能為根本負(fù)面作用，此時(shí)需判斷二者的因果關(guān)系，是原因的一方為根本負(fù)面作用。

規(guī)則9 實(shí)際產(chǎn)品系統(tǒng)的負(fù)面作用鏈可能是鏈?zhǔn)?、環(huán)式和交互式相互交織的混合負(fù)面作用鏈，這時(shí)需在抽取單一負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用后，依據(jù)它們之間的因果關(guān)系進(jìn)行必要的根本負(fù)面作用合并。如在某環(huán)式和交互式混合負(fù)面作用鏈中，抽取環(huán)式負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用為“作用1”，抽取交互式負(fù)面作用鏈中的根本負(fù)面作用為“作用2”，這時(shí)若交互式負(fù)面作用鏈中的“作用2”導(dǎo)致了“作用1”的存在，則該混合負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用為“作用2”。

規(guī)則10 在鏈?zhǔn)胶徒换ナ交旌县?fù)面作用鏈中，若交互式負(fù)面作用鏈中的根本負(fù)面作用是元件對(duì)制品產(chǎn)生的作用，則混合負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用為鏈?zhǔn)截?fù)面作用鏈中抽取的負(fù)面作用；若交互式負(fù)面作用鏈中的根本負(fù)面作用為制品對(duì)元件的負(fù)面作用，則混合負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用有兩個(gè)，分別為交互式和鏈?zhǔn)截?fù)面作用鏈中的抽取根本負(fù)面作用。

規(guī)則11 負(fù)面作用鏈中根本負(fù)面作用以外的其他負(fù)面作用記為間接負(fù)面作用。

3）計(jì)算元件負(fù)面功能評(píng)價(jià)值 元件根本負(fù)面功能評(píng)價(jià)值的計(jì)算邏輯如圖3所示，在系統(tǒng)負(fù)面作用鏈中，作用于制品的負(fù)面作用有一個(gè)或多個(gè)，影響系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)方面的性能，即產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)有害結(jié)果。令每個(gè)有害結(jié)果的負(fù)面作用評(píng)價(jià)值為B＝1，若對(duì)制品的負(fù)面作用中k（k≥1）個(gè)同時(shí)存在才能導(dǎo)致系統(tǒng)有害結(jié)果的發(fā)生，則每個(gè)負(fù)面作用所在負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用總值為B／k。如圖3中對(duì)制品的負(fù)面作用1和2共同作用才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有害結(jié)果的發(fā)生，因此負(fù)面作用1和2所在負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用值都為1／2。對(duì)制品的負(fù)面作用有些本身為根本負(fù)面作用，如圖3中“對(duì)制品負(fù)面作用i”為“對(duì)制品負(fù)面作用2”的根本負(fù)面作用，其負(fù)面作用評(píng)價(jià)值為1／2；有些則是由其他根本負(fù)面作用導(dǎo)致的，如圖3中“對(duì)制品負(fù)面作用1”是由其所在負(fù)面作用鏈中的根本負(fù)面作用1…n導(dǎo)致的，則根本負(fù)面作用1…n的每個(gè)負(fù)面作用評(píng)價(jià)值都為1／2n。

元件負(fù)面作用評(píng)價(jià)值等于其執(zhí)行的所有負(fù)面作用評(píng)價(jià)值之和。制品和超系統(tǒng)負(fù)面作用評(píng)價(jià)值計(jì)入其受作用元件。若同一負(fù)面作用鏈中存在n個(gè)相同的根本負(fù)面作用，則其作為1個(gè)根本負(fù)面作用計(jì)算且每個(gè)負(fù)面作用的評(píng)價(jià)值均為其評(píng)價(jià)值的1／n。由于不足和過剩作用本身屬于有用功能，只是其作用的不足或過剩對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面影響，評(píng)價(jià)其負(fù)面作用值時(shí)應(yīng)考慮其產(chǎn)生的有用作用。用ranki／（rankA0＋rankA1＋…＋rankAn）表示其產(chǎn)生有用作用的作用程度，則不足／過剩負(fù)面作用評(píng)價(jià)值＝

式中ranki表示該不足或過剩作用的功能等級(jí)，原負(fù)面作用值是指由上述規(guī)則得出的負(fù)面作用評(píng)價(jià)值。

一個(gè)負(fù)面作用鏈中，根本負(fù)面作用導(dǎo)致了所有負(fù)面作用的產(chǎn)生，因此為進(jìn)一步標(biāo)量化負(fù)面作用評(píng)價(jià)值，規(guī)定間接負(fù)面作用評(píng)價(jià)值為：

（3）成本

成本是指系統(tǒng)功能模型中的元件成本，不同設(shè)計(jì)環(huán)境所要考慮的因素不同，對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者而言，只需考慮元件購買或加工成本，對(duì)于難裝配或裝配時(shí)需要耗費(fèi)較多額外成本的產(chǎn)品，還需考慮裝配成本，成本評(píng)價(jià)值需要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)系統(tǒng)具體給定。

因?yàn)樵诓眉魞?yōu)先權(quán)判定中，元件成本值確定只是為了比較元件間相對(duì)成本的高低，所以在實(shí)際成本值給定時(shí)可以將同種環(huán)境下的元件銷售價(jià)格或制造成本等作為成本值。

（4）解空間

解空間是裁剪系統(tǒng)元件后在剩余系統(tǒng)和超系統(tǒng)資源中找到解的可能性的大小。解空間由資源滿足度D衡量。將資源滿足度定義為刪除元件后剩余系統(tǒng)和超系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱現(xiàn)有系統(tǒng)）可提供的需求資源數(shù)量與實(shí)現(xiàn)被刪除元件功能所需資源數(shù)量的比值，如式（4）所示：

最基本的資源分為：物質(zhì)資源、信息資源、能量資源、時(shí)間資源、空間資源和功能資源6類［13］。任何功能都可以利用這6種資源中的一種或幾種來實(shí)現(xiàn)，本文基于此來確定實(shí)現(xiàn)功能所需的資源數(shù)量。每種資源在工程系統(tǒng)中的識(shí)別都有一定的規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)［13］，由此可確定裁剪元件后剩余系統(tǒng)和超系統(tǒng)資源中可提供的需求資源數(shù)量。

3 裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)模型與基于最大離差和熵的影響因素的權(quán)系數(shù)確定

對(duì)裁剪優(yōu)先權(quán)判定而言，系統(tǒng)中元件的有用功能、負(fù)面功能和成本對(duì)系統(tǒng)的影響程度是不同的，因此合理確定各影響因素的權(quán)系數(shù)是非常必要的。根據(jù)多指標(biāo)評(píng)價(jià)中的賦權(quán)思想［8］，指標(biāo)評(píng)價(jià)值之間的差距越大，說明該指標(biāo)的影響越大，應(yīng)賦予較大權(quán)系數(shù)，反之則賦予較小權(quán)系數(shù)。因此，本文在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上，采用最大離差和熵的指標(biāo)權(quán)系數(shù)確定方法來確定裁剪優(yōu)先權(quán)各影響因素的權(quán)系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算。

3.1 裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)模型

用I表示理想化水平，用FU表示有用功能，用H表示負(fù)面功能，wU、wC和wH表示各影響因素權(quán)系數(shù)，則裁剪優(yōu)先權(quán)判定中的元件理想化水平評(píng)估公式可變形為：

用最大離差和熵的指標(biāo)權(quán)系數(shù)確定方法來確定式中影響因素的權(quán)系數(shù)。由于量級(jí)不同，式中各因素的取值都為評(píng)價(jià)值規(guī)范化后的結(jié)果。綜合元件的理想化水平和裁剪后搜尋解的難易程度來評(píng)價(jià)元件裁剪優(yōu)先權(quán)，即元件理想化水平越低、解空間越大，裁剪優(yōu)先權(quán)越大。用I′i表示元件裁剪優(yōu)先權(quán)綜合評(píng)價(jià)值，用RIi表示元件理想化水平評(píng)價(jià)值規(guī)范化后結(jié)果，用Di表示元件解空間，則元件裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)模型為：

3.2 評(píng)價(jià)矩陣規(guī)范化

設(shè)系統(tǒng)元件有n個(gè)，記為C＝｛C1，C2，…，Cn｝，元件Ci對(duì)第j個(gè)因素的評(píng)價(jià)值用aij表示（i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m），則n個(gè)元件的n×m個(gè)因素評(píng)價(jià)值構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣A＝ ［aij］n×m。裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)體系中的有用功能、負(fù)面功能、成本三個(gè)因素在理想化水平評(píng)價(jià)模型中屬于效益型指標(biāo)；裁剪優(yōu)先權(quán)判定綜合評(píng)價(jià)模型中，理想化水平屬于成本型指標(biāo)，解空間屬于效益型指標(biāo)。根據(jù)式（7）～式（8）［9］對(duì)其規(guī)范化。評(píng)價(jià)矩陣A規(guī)范化后的矩陣記為R＝［rij］n×n。

此時(shí)為成本型。

式中：amini＝ min｛a1j，a2j，…，anj｝；amaxi＝ max｛a1j，a2j，…，anj｝。

3.3 影響因素權(quán)系數(shù)確定

為盡量消除各因素權(quán)系數(shù)的不確定性，根據(jù)Jaynes最大熵原理［9］：

式中0＜μ＜1是兩個(gè)極值函數(shù)的平衡系數(shù)，針對(duì)實(shí)際問題預(yù)先給出。各影響因素的權(quán)系數(shù)為［9］：

4 系統(tǒng)裁剪過程模型

將上述確定裁剪優(yōu)先權(quán)的計(jì)算方法集成到裁剪過程中，得到系統(tǒng)裁剪過程模型，如圖4所示。該過程模型的具體操作步驟如下：

步驟1 建立系統(tǒng)功能模型，確定系統(tǒng)元件及元件之間的作用關(guān)系。

步驟2 計(jì)算所有候選裁剪元件的各項(xiàng)影響因素評(píng)價(jià)值。

步驟3 確定各影響因素權(quán)系數(shù)，計(jì)算元件的綜合評(píng)價(jià)值并排序。

步驟4 按排定的裁剪優(yōu)先權(quán)確定裁剪元件。

步驟5 嘗試刪除選定裁剪元件，并將其功能重新分配到剩余系統(tǒng)中。

步驟6 判斷步驟5是否有解，若有解則轉(zhuǎn)步驟7繼續(xù)判定；否則返回步驟4。

步驟7 判斷系統(tǒng)問題是否全部解決，若已全部解決，則完成裁剪操作，得到方案解；否則返回步驟4。

5 工程實(shí)例

飲水機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)家庭生活必不可少的生活用品。目前，家用飲水機(jī)大都存在“千滾水”問題，這是由于水反復(fù)加熱導(dǎo)致的，對(duì)身體健康有害。某型號(hào)臺(tái)式溫?zé)嶂憋嬎畽C(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)要求是解決加熱時(shí)產(chǎn)生“千滾水”的問題?，F(xiàn)有某型號(hào)飲水機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，下面應(yīng)用上述裁剪過程模型對(duì)飲水機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，說明裁剪優(yōu)先權(quán)的確定過程，并檢驗(yàn)結(jié)果的合理性。

（1）構(gòu)建飲水機(jī)功能模型

在飲水機(jī)系統(tǒng)中，水是制品，熱膽內(nèi)水加熱后由于保溫作用不足，經(jīng)放置冷卻，當(dāng)溫度低于設(shè)定要求時(shí)加熱器再次對(duì)水加熱。加熱器對(duì)水反復(fù)加熱，產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)水造成污染，熱膽內(nèi)存在的已加熱水會(huì)對(duì)新注入水造成污染，將以上問題以元件間有害作用和不足作用的形式進(jìn)行描述，構(gòu)建飲水機(jī)功能模型，如圖6所示。

（2）計(jì)算各影響因素評(píng)價(jià)值

1）元件有用功能 飲水機(jī)元件功能等級(jí)如圖7所示，計(jì)算結(jié)果置于表1。

2）元件負(fù)面作用 首先抽取飲水機(jī)功能模型中的負(fù)面作用鏈，如圖8所示。

根據(jù)上述規(guī)則抽取根本負(fù)面作用為“保溫層和熱膽對(duì)水保溫不足作用”和“加熱器對(duì)水反復(fù)加熱造成污染”，二者共同存在才會(huì)導(dǎo)致千滾水的產(chǎn)生，因此每個(gè)負(fù)面作用鏈的根本負(fù)面作用值為1／2。2個(gè)相同根本負(fù)面作用“保溫”，作為1個(gè)根本負(fù)面作用計(jì)算，其評(píng)價(jià)值為 （1／2）／2＝1／4。保溫作用為不足作 用， 保 溫 負(fù) 面 作 用 的 評(píng) 價(jià) 值 ＝ （1－＝0.21，熱膽對(duì)水的污染為間接負(fù)面作用，評(píng)價(jià)值b＝0.5／3＝0.17，綜上所述，計(jì)算得各元件的負(fù)面作用評(píng)價(jià)值，結(jié)果置于表1。

3）成本 將該型號(hào)臺(tái)式溫?zé)嶂憋嬎畽C(jī)的各元件成本值置于表1。

4）解空間 根據(jù)飲水機(jī)的功能模型，熱膽執(zhí)行的有用功能是“保溫?zé)崴?、“?dǎo)流水”、“容納加熱器、水”和“排出水蒸氣”。保溫功能需具有導(dǎo)熱性差屬性的物質(zhì)資源實(shí)現(xiàn)，后4個(gè)功能需相對(duì)密閉且具有耐熱屬性的空間資源實(shí)現(xiàn)，需求資源量為5。經(jīng)分析在系統(tǒng)中未發(fā)現(xiàn)具有導(dǎo)熱性差屬性的物質(zhì)資源，熱水管可提供相應(yīng)的空間資源，因此可提供資源量為4，D＝。同理，可確定其他元件的資源滿熱膽足度，將評(píng)價(jià)結(jié)果置于表1。

（3）計(jì)算裁剪優(yōu)先權(quán)綜合評(píng)價(jià)值并排序

由式（7）～式（8）規(guī)范化處理理想化水平影響因素后的評(píng)價(jià)矩陣

將R代入式（12），選取平衡系數(shù)為0.2。計(jì)算候選裁剪元件各影響因素的權(quán)系數(shù)為wU＝0.35，wH＝0.48，wC＝0.17。將各影響因素權(quán)系數(shù)代入式（5）中，計(jì)算得元件的理想化水平評(píng)價(jià)值，將其結(jié)果作為成本型指標(biāo)規(guī)范化后代入式（6），計(jì)算元件的綜合評(píng)價(jià)值并排序，結(jié)果如表1所示。

（4）檢驗(yàn)裁剪優(yōu)先權(quán)判定結(jié)果的合理性

比較不同裁剪順序下裁剪方案的優(yōu)劣，設(shè)定以下三種裁剪順序，并應(yīng)用裁剪方法解決問題。

1）裁剪順序?yàn)橛?jì)算所得裁剪優(yōu)先權(quán)順序 首先嘗試對(duì) “熱膽”裁剪，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)將熱水管形狀稍加改進(jìn)即可執(zhí)行熱膽功能。由于熱水管空間小，一次加熱水量小，水被加熱速度快，這時(shí)加大加熱器的功率即可實(shí)現(xiàn)水的即熱，即水流經(jīng)加熱器可達(dá)到熱水溫度要求。熱膽被裁剪后其輔助功能元件“保溫層”、“溫控器”和“指示燈”不再需要，將之刪除。此時(shí)飲水機(jī)內(nèi)不會(huì)存積已加熱水，“千滾水”問題得以解決，裁剪結(jié)束，得到的解決方案作為方案一，其功能模型和結(jié)構(gòu)示意圖如圖9和圖10所示，方案一較原系統(tǒng)減少4個(gè)元件，系統(tǒng)得到明顯簡(jiǎn)化且成本得到降低。

表1 飲水機(jī)候選裁剪元件各因素評(píng)價(jià)值及綜合評(píng)價(jià)值排序

2）裁剪順序?yàn)橛?jì)算所得裁剪優(yōu)先權(quán)倒序 根據(jù)計(jì)算得優(yōu)先權(quán)倒序，首先嘗試對(duì)聰明座裁剪，聰明座功能為“固定PC桶”、“排出水蒸氣”、“導(dǎo)流水”，經(jīng)分析其“導(dǎo)流水”功能在系統(tǒng)內(nèi)無可用替代資源且該功能不可刪除，因此該元件不可裁剪。繼續(xù)嘗試對(duì)儲(chǔ)水罐裁剪，經(jīng)分析其執(zhí)行“分流”功能在系統(tǒng)內(nèi)無法找到替代資源且該功能無法刪除，因此該元件不可裁剪。繼續(xù)嘗試對(duì)冷熱水閥裁剪，經(jīng)分析知冷熱水閥的執(zhí)行功能相同，相互可作為替代資源執(zhí)行對(duì)方的功能，嘗試刪除熱水閥，其控制水流通的功能由溫水閥執(zhí)行，但此時(shí)冷熱水無法分開，因此考慮將熱膽和加熱器外置，形成外置電熱水壺以解決該問題，這時(shí)水在需要時(shí)被加熱，水壺內(nèi)存積的熱水可被倒出，不會(huì)對(duì)新注入水造成污染，“千滾水”問題得以解決。系統(tǒng)不再需要保溫層的保溫功能，將其裁剪掉。熱水閥被裁剪后熱水管也不再被系統(tǒng)需要，將其裁剪掉。該方案能達(dá)到改進(jìn)要求，裁剪結(jié)束，得到的解決方案作為方案二，其功能模型和結(jié)構(gòu)示意圖如圖11和圖12所示，方案二較原系統(tǒng)減少了3個(gè)元件，系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，但由于外置水壺的成本較高，成本有所上升。

3）裁剪順序?yàn)殡S機(jī) 如儲(chǔ)水罐→聰明座→熱膽→冷熱水閥→冷熱水管。首先嘗試對(duì)儲(chǔ)水罐裁剪，經(jīng)分析知其“分流”功能在系統(tǒng)內(nèi)無可用替代資源且該功能不可刪除，因此該元件不可裁剪。繼續(xù)嘗試對(duì)聰明座裁剪，經(jīng)分析知其“導(dǎo)流水”功能在系統(tǒng)內(nèi)無可用替代資源且該功能不可刪除，該元件不可裁剪。繼續(xù)嘗試對(duì)熱膽裁剪，后續(xù)分析和（1）相同。雖然按該隨機(jī)順序裁剪得到的結(jié)果和按（1）中的裁剪優(yōu)先權(quán)順序裁剪得到的結(jié)果相同，但增加了不必要的分析過程，增大了搜尋解的難度和分析工作量。

將按以上三種元件裁剪順序進(jìn)行裁剪所得到的方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2所示結(jié)果表明，按文中裁剪優(yōu)先權(quán)確定方法確定的元件裁剪順序裁剪得到的結(jié)果，比按其他順序裁剪所得結(jié)果的系統(tǒng)簡(jiǎn)化程度高，系統(tǒng)理想化水平提升程度高，找到方案解的難度較低，因此該方法具有一定的有效性。

表2 三種元件裁剪順序進(jìn)行裁剪得到的方案對(duì)比結(jié)果

6 結(jié)束語

本文基于系統(tǒng)理想化水平和裁剪元件后得到解的難易程度提出確定裁剪優(yōu)先權(quán)影響因素。在考慮最大限度地提高系統(tǒng)理想化水平的同時(shí)，優(yōu)先選取裁剪后容易得到解的元件作為裁剪元件，完善了裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)體系。通過抽取系統(tǒng)功能模型中的元件在各影響因素下的屬性特征計(jì)算評(píng)價(jià)值，該過程可用計(jì)算機(jī)語言描述，為元件裁剪優(yōu)先權(quán)確定過程的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。將提高系統(tǒng)理想化水平和降低裁剪解的難易程度這一裁剪思想封裝于評(píng)價(jià)模型各因素評(píng)價(jià)值的計(jì)算規(guī)則中，降低了對(duì)使用者的要求，可操作性強(qiáng)。采用最大離差和熵的方法確定影響因素的權(quán)系數(shù)，充分考慮各影響因素評(píng)價(jià)值對(duì)系統(tǒng)的影響程度；各因素評(píng)價(jià)值規(guī)范化處理，統(tǒng)一計(jì)算量級(jí)；評(píng)價(jià)模型中的負(fù)面功能分為根本負(fù)面作用和間接負(fù)面作用并進(jìn)行評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)模型較現(xiàn)有方法更為科學(xué)，綜合評(píng)價(jià)值更接近實(shí)際。裁剪過程模型集成了裁剪優(yōu)先權(quán)確定方法，為系統(tǒng)裁剪時(shí)確定合理的裁剪元件提供了切實(shí)可行的途徑。基于裁剪過程模型的飲水機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證了該方法的有效性。

系統(tǒng)越復(fù)雜，各個(gè)元件之間的相關(guān)性越大，其裁剪時(shí)必須首先明確各個(gè)元件之間的相互作用，這樣會(huì)導(dǎo)致裁剪優(yōu)先權(quán)判定中各因素評(píng)價(jià)值的計(jì)算過程愈加繁瑣，因此裁剪過程的CAI軟件開發(fā)將是下一步研究的課題。

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