基于可拓設(shè)計方法的多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法

吳培旭，劉建群

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于可拓設(shè)計方法的多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法

吳培旭，劉建群

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于可拓設(shè)計方法，通過對已有新產(chǎn)品三創(chuàng)造法進行綜合、提煉，從而提出一種適用于多功能產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)思的創(chuàng)造法，并結(jié)合“多功能烘干器”案例分析，驗證了該創(chuàng)造法的可行性和有效性.多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法的提出，是對可拓設(shè)計論新產(chǎn)品三創(chuàng)造法的繼承和豐富，為多功能產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計提供了一套有章可循的設(shè)計步驟，有效地解決了設(shè)計過程中的矛盾問題，從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期.

可拓設(shè)計方法； 多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法； 多功能烘干器； 實義物元重組

可拓設(shè)計方法是基于可拓理論和可拓方法的一種新的設(shè)計方法，能有效地解決設(shè)計過程中的矛盾問題，以獲得最優(yōu)設(shè)計方案.

可拓設(shè)計方法有別于其他設(shè)計法，最大的區(qū)別體現(xiàn)于它是一種形式化和定性與定量相結(jié)合的設(shè)計方法.它所建立的模型是可拓模型，避免了數(shù)學(xué)建模中常常舍去問題的一些實際內(nèi)容的缺點，也避免了目前已有設(shè)計方法中形式化和定量化不足的缺陷.它是對現(xiàn)代設(shè)計理論與方法的補充、完善和進一步發(fā)展[1].

對可拓設(shè)計的研究，始于可拓學(xué)應(yīng)用研究初期，當時主要是涉足于新產(chǎn)品的構(gòu)思領(lǐng)域[2]，研究了新產(chǎn)品構(gòu)思的三創(chuàng)造法，并初步應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計[3].

目前，可拓設(shè)計方法已在多個學(xué)科領(lǐng)域得到運用，有效地解決了設(shè)計過程中遇到的矛盾問題[4].1998年，浙江工業(yè)大學(xué)的趙燕偉教授運用可拓學(xué)理論與方法對機械產(chǎn)品的概念設(shè)計功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)等上游設(shè)計知識進行形式化描述，提出一種基于多級菱形思維模型的復(fù)雜產(chǎn)品定性與定量相結(jié)合的設(shè)計方法，為概念設(shè)計的辯證思維形式化和智能化提供了一條新的途徑，取得了有關(guān)的成果[5-7].青島大學(xué)楊國為教授于2002年開始利用可拓學(xué)的理論和方法研究產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，取得多項成果[8-10].哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院鄒廣天教授自2004年起研究可拓學(xué)與建筑設(shè)計的結(jié)合問題，探討將可拓設(shè)計方法應(yīng)用于景觀設(shè)計，開展了可拓建筑設(shè)計的系統(tǒng)研究；而近幾年，其團隊程霏、劉曉光等人更是進一步研究了建筑設(shè)計創(chuàng)新與可拓思維模式，發(fā)展和豐富了可拓建筑設(shè)計理論系統(tǒng)[11-13].2013年，山東大學(xué)的學(xué)者丁鳳華在研究自動視覺檢測系統(tǒng)時也運用了可拓設(shè)計的相關(guān)方法，實現(xiàn)了自動視覺檢測方案的重構(gòu)和優(yōu)劣排序，從而解決顧客定制化需求與設(shè)計效率、產(chǎn)品的通用性與設(shè)計成本之間的矛盾問題[14].

可拓設(shè)計方法包括用可拓方法進行產(chǎn)品概念設(shè)計和處理設(shè)計過程中的矛盾問題兩個部分.結(jié)合可拓設(shè)計方法，本文研究了一套適用于多功能產(chǎn)品設(shè)計的方法，并以“多功能烘干器”為例，介紹了該方法在一般多功能產(chǎn)品設(shè)計過程中的運用.

1 多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法

1.1 多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法的提出

可拓設(shè)計三創(chuàng)造法的提出，開創(chuàng)了可拓學(xué)與產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的結(jié)合，也使得基于可拓創(chuàng)新方法的新產(chǎn)品設(shè)計有章可循，有效地解決了新產(chǎn)品設(shè)計過程中的矛盾問題.然而，在進行新產(chǎn)品構(gòu)思時，有時因為產(chǎn)品的復(fù)雜性，我們很難去界定具體采用哪一種創(chuàng)造法可以顯得更加合適，例如，在對“多功能產(chǎn)品”的構(gòu)思時，對創(chuàng)造法的選擇就顯得比較棘手，它既是屬于組合現(xiàn)有產(chǎn)品的情形，又是涉及到新功能的開發(fā)或?qū)υa(chǎn)品缺點的改善問題.針對這種問題，本文針對“多功能產(chǎn)品”，提出了一種有效可行的創(chuàng)造法，即多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法.

1.2 多功能創(chuàng)造法的設(shè)計步驟

1.2.1 主要的設(shè)計步驟

(1) 將可進行功能拓展的產(chǎn)品用基元表示，并進行拓展分析.

從待改善產(chǎn)品功能出發(fā)，將其用基元表示出來；再進行拓展分析，把該基元拓展出多個基元，即多種拓展產(chǎn)品，從而獲得新產(chǎn)品多種潛在的功能.

(2) 確定新產(chǎn)品特征.

確定的，故在確定了功能特征之后，要確定產(chǎn)生它們的性質(zhì)特征；事物的性質(zhì)特征又是由實義特征確定的，因此還要確定產(chǎn)生這些性質(zhì)特征的實義特征[15].

(3) 確定特征量值，獲得實義物元，并確定各拓展產(chǎn)品物元.

根據(jù)對產(chǎn)品功能的不同要求，確定功能特征的量值vf，然后確定蘊含它的性質(zhì)特征的量值vg，又根據(jù)這些量值確定實義特征對應(yīng)的量值vr，由此可以得到新產(chǎn)品的特征元集蘊含集：

(4) 確定各實義物元的物元關(guān)系及其各拓展產(chǎn)品的重組關(guān)系.

多功能產(chǎn)品各個功能的形成實質(zhì)上是由以上所確定的各種實義物元進行篩選、重組確定的.重組的原則由各拓展產(chǎn)品間的重組關(guān)系類型決定，而重組關(guān)系又是由相應(yīng)的實義物元關(guān)系決定，故先對各實義物元關(guān)系進行確定.實義物元關(guān)系包括相似關(guān)系、互斥關(guān)系和不相關(guān)關(guān)系，定義如下：

定義1 若兩實義物元主要的共軛部性質(zhì)相同，則稱它們的物元關(guān)系為相似關(guān)系.

定義2 若兩實義物元主要的共軛部性質(zhì)無法同時存在，即實現(xiàn)一方功能必將導(dǎo)致另一方功能失效，則稱它們的物元關(guān)系為互斥關(guān)系.

定義3 若兩實義物元主要的共軛部性質(zhì)不同，但不存在互斥關(guān)系，則稱它們的物元關(guān)系為不相關(guān)關(guān)系.

確定實義物元關(guān)系后，可相應(yīng)地確定出各拓展產(chǎn)品的重組關(guān)系.同樣地，重組關(guān)系也有3種,相似關(guān)系、不相關(guān)關(guān)系和互斥關(guān)系，定義如下：

定義4 若兩拓展產(chǎn)品的實義物元具有相似關(guān)系，則該兩種產(chǎn)品的重組關(guān)系是相似關(guān)系.

定義5 若兩拓展產(chǎn)品的實義物元具有互斥關(guān)系，則該兩種產(chǎn)品的重組關(guān)系是互斥關(guān)系.

定義6 若兩拓展產(chǎn)品的實義物元具有不相關(guān)關(guān)系，則該兩種產(chǎn)品的重組關(guān)系是不相關(guān)關(guān)系.

依次確定各拓展產(chǎn)品的每個實義物元，便可獲得它們兩兩之間對應(yīng)的重組關(guān)系.一個實義物元關(guān)系確定一個重組關(guān)系，因此可對重組關(guān)系的數(shù)目進行統(tǒng)計.為了方便，可制成重組關(guān)系統(tǒng)計表，如表1所示.

表1 拓展產(chǎn)品重組關(guān)系統(tǒng)計表1)

1)i=1,2,…,n(n為拓展產(chǎn)品的個數(shù)).

(5) 功能重組，初步確定功能方案.

根據(jù)拓展產(chǎn)品的重組關(guān)系確定新產(chǎn)品的功能方案.功能方案的實質(zhì)是對拓展產(chǎn)品各實義物元的篩選、重組.重組時，應(yīng)優(yōu)先將相似關(guān)系數(shù)多的拓展產(chǎn)品進行重組，盡量避開對存在互斥關(guān)系的產(chǎn)品進行重組，對于存在不相關(guān)關(guān)系的部分，必要時，可通過變換不相關(guān)性物元，使其滿足產(chǎn)品需求.

(6) 變換.

若方案中存有不相關(guān)關(guān)系的物元，應(yīng)對其作相關(guān)變換.變換的基本形式包括置換、分解、增刪和擴縮.

(7) 確定待創(chuàng)造產(chǎn)品的主要共軛部.

(8) 優(yōu)度評價.

優(yōu)度評價法是可拓學(xué)中評價一個對象，包括事物、策略、方法等的優(yōu)劣的基本方法，其基本步驟包括確定衡量指標和權(quán)系數(shù)、建立關(guān)聯(lián)函數(shù)和計算關(guān)聯(lián)度、優(yōu)度[1].對于關(guān)聯(lián)函數(shù)的構(gòu)造，根據(jù)研究對象關(guān)于某特征的取值類型而定，可構(gòu)造成初等關(guān)聯(lián)函數(shù)或離散型關(guān)聯(lián)函數(shù)[16].通過對待創(chuàng)造產(chǎn)品的構(gòu)思方案進行優(yōu)度評價，便可確定比較合理的方案[17-19].

1.2.2 設(shè)計步驟的流程圖

上述設(shè)計步驟流程圖如圖1所示.

圖1 多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法步驟流程圖

2 多功能烘干器案例分析

2.1 產(chǎn)品構(gòu)思方案的提出

電吹風(fēng)是一種常用的家用電器產(chǎn)品，相信大家對它再熟悉不過了.該產(chǎn)品雖是用來吹干頭發(fā)的，但實際生活中其用途卻不止于此.或許你曾用它去吹過你的鞋子、襪子、衣服，甚至你剛浴足后潮濕的雙腳.可見，這么一款小裝置實際上還隱含著多種其他用途.然而，電吹風(fēng)畢竟是專門為了吹干頭發(fā)而設(shè)計，其設(shè)計理念是根據(jù)人們吹頭發(fā)的使用姿勢以及吹頭發(fā)所要求的適宜溫度、風(fēng)力等因素出發(fā)考慮的.因此當我們將其應(yīng)用于其他方面時，難免會顯得不夠適宜.因此，可以考慮將電吹風(fēng)進行適當改進，使其成為一種集多種功能的烘干設(shè)備，對具體烘干工作具有更強的針對性、更好的時效性和更簡便的操作方式.

那么，如何快速生成出這么一款多功能產(chǎn)品的構(gòu)思方案呢？下面，運用上文介紹的“多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法”，將很快做到.

2.2 利用多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法解決案例

(1) 首先，將待改善產(chǎn)品電吹風(fēng)M1的功能用事元表示出來，并利用發(fā)散樹方法,根據(jù)其支配對象的不同，將其進行拓展分析：

故待改進產(chǎn)品的功能特征集為：

(2) 確定實現(xiàn)上述功能特征元的性質(zhì)特征元集和實義特征元集：

(3) 根據(jù)發(fā)散分析方法和可擴分析方法，對上述實義特征元進行拓展和組合，不同的實義特征元的組合將對應(yīng)不同的產(chǎn)品：

(制熱時間,vr2)┫{(制熱速度,快)，(制熱速度,慢)}，

再根據(jù)特征元的可組合性，組合成可以實現(xiàn)不同功能特征元的實義特征元集：

(4) 由實義特征確定實義物元，并確定拓展產(chǎn)品物元.

① 上述7種拓展產(chǎn)品涉及到兩種類型的制熱電路，一種其制熱溫度為<30,40>℃且要求制熱速度要快，宜采用電熱絲作為制熱元件；另一種制熱溫度為<50,60>℃，制熱速度可以較慢，制熱元件選用散熱片較為合適.故可得實義物元：

M制熱電路=

② 對于吹風(fēng)電路，只有一種情形：

M吹風(fēng)電路= [吹風(fēng)電路，情形1，[風(fēng)速，<3,10>m/s]].

③ 涉及到5種造型：

④ 涉及到3種出風(fēng)口：

從而可拓展出如下產(chǎn)品物元：

(5) 分析各實義物元的物元關(guān)系，并確定各拓展產(chǎn)品重組關(guān)系.

對于制熱電路的兩種類型，雖不為同類型，但只要在電路系統(tǒng)中作增加變換，增設(shè)切換開關(guān)，即可實現(xiàn)兩者相兼容，由物元關(guān)系的定義可得此兩種物元的關(guān)系為不相關(guān)關(guān)系.由重組關(guān)系的定義可得，干發(fā)器、干手器、干腳器三者的重組關(guān)系為相似關(guān)系，后四者間的重組關(guān)系也為相似關(guān)系，但前三者與后四者間則為不相關(guān)關(guān)系.

同理，吹風(fēng)電路各物元關(guān)系為相似關(guān)系，故其對應(yīng)的重組關(guān)系也為相似關(guān)系.

外殼類型，很明顯，手持式、盒式與座式三者之間兩兩無法同時兼容，故類型1、類型2與其他3種類型的物元關(guān)系均是互斥關(guān)系；而置腳臺、套筒、晾桿均可以由增加變換實現(xiàn)同時存在，故類型3、4、5之間的物元關(guān)系是不相關(guān)關(guān)系；故干發(fā)器、干手器與其他五種產(chǎn)品的重組關(guān)系是互斥關(guān)系；干鞋器、干襪器和干手套器三者的重組關(guān)系是相似關(guān)系，同時它們與干腳器、干毛巾器的重組關(guān)系是不相關(guān)關(guān)系；

對于以上3種出風(fēng)口類型，它們之間的物元關(guān)系均是互斥關(guān)系，故干腳器、干鞋器、干襪器、干手套器和干毛巾器它們之間的重組關(guān)系是相似關(guān)系，而它們與干發(fā)器和干手器的重組關(guān)系則是互斥關(guān)系.

由此，可列出各拓展產(chǎn)品的重組關(guān)系統(tǒng)計表(見表2).

表2 電吹風(fēng)拓展產(chǎn)品的重組關(guān)系統(tǒng)計表

從表2可以得到，干鞋器、干襪器、干手套器3者均有4個相似關(guān)系的重組關(guān)系，故將此3產(chǎn)品功能組合為一體獲得一新產(chǎn)品構(gòu)思方案是不二選擇；而這3種產(chǎn)品與干腳器、干毛巾器之間的重組關(guān)系雖存在不相關(guān)關(guān)系，但均可通過作相關(guān)變換，使之滿足功能要求，故可以考慮它們與干腳器和干毛巾器的組合構(gòu)思方案；至于干發(fā)器和干手器，由于與其他產(chǎn)品的重組關(guān)系均存在互斥關(guān)系，說明此兩種產(chǎn)品若考慮與其他產(chǎn)品進行組合將付出較大成本且結(jié)果將不夠合理，因此在此可排除它們與其他產(chǎn)品進行組合的構(gòu)思.

(6) 初步確定新產(chǎn)品構(gòu)思方案：

方案1：集烘干鞋子、襪子、手套功能的一種多功能烘干器，用基元表示：

O1= [烘干器，功能，烘干鞋子∧烘干襪子∧烘干手套].

方案2：集烘干腳、鞋子、襪子、手套功能的一種多功能烘干器，用基元表示：

O2=[烘干器，功能，烘干腳∧烘干鞋子∧烘干襪子∧烘干手套].

方案3：集烘干毛巾、鞋子、襪子、手套功能的一種多功能烘干器，用基元表示：

O3=[烘干器，功能，烘干毛巾∧烘干鞋子∧烘干襪子∧烘干手套].

(7) 對方案中不相關(guān)性重組關(guān)系的產(chǎn)品進行變換：

方案2：變換干腳器制熱電路，即

M干腳器制熱電路=

T1為對原有干腳器的制熱電路做變換，使其可同時提供兩種不同范圍的溫度和兩種不同的制熱時間.

方案3：變換干鞋器的造型，即

M干鞋器造型= [造型，類型，套筒∧座式]，

(8) 確定新產(chǎn)品構(gòu)思方案的主要共軛部：

方案1：

M方案1=

方案2：

M方案2=

方案3：

M方案3=

(9) 評價.

① 確定衡量指標.對于設(shè)計一款多功能家用電器產(chǎn)品，需要考慮的方面主要有成本、性能、結(jié)構(gòu)、外觀等因素，因此確定衡量指標集如下：

② 確定權(quán)系數(shù).對于上述所列各衡量指標對應(yīng)的權(quán)系數(shù)分配如下：

③ 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算關(guān)聯(lián)度.根據(jù)參考專家意見和查閱實用型產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)手冊，將已確定的衡量指標劃分為不同等級.

對于成本指標，將其劃分為經(jīng)濟性良好、經(jīng)濟性一般、經(jīng)濟性較差3個等級.關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

對于性能指標，分為優(yōu)性能，良好性能，一般性能，較差性能，關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

對于結(jié)構(gòu)指標，將其劃分為結(jié)構(gòu)優(yōu)、結(jié)構(gòu)良好、結(jié)構(gòu)一般、結(jié)構(gòu)較差4個等級.關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

對于外觀指標，將其劃分為美觀、良好、一般、較差4個等級.關(guān)聯(lián)函數(shù)如下：

④ 綜合優(yōu)度計算.

方案1中所涉及到的產(chǎn)品功能數(shù)為3個，結(jié)構(gòu)相對而言比較簡單，因此在制造成本、外觀設(shè)計方面比較有優(yōu)勢，經(jīng)綜合分析，取K1=1，K2=0,K3=1,K4=1.

計算優(yōu)度：

0.1×1+0.4×0+0.3×1+0.2×1=0.6.

方案2涉及到4種產(chǎn)品功能，一定程度上講，產(chǎn)品的性能要更加優(yōu)越、豐富，但與方案一相比，由于增設(shè)了切換開關(guān)、置腳臺、旋轉(zhuǎn)支架等，在結(jié)構(gòu)、成本上優(yōu)勢降低，經(jīng)綜合分析，取K1=0，K2=1,K3=0.5,K4=0.5.

計算其優(yōu)度：

0.1×0+0.4×1+0.3×0.5+0.2×0.5=0.65.

方案3同樣涉及到4種功能，性能較好，然而增設(shè)了切換開關(guān)、置腳臺、晾桿后成本加大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是晾桿的增設(shè)會讓整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)顯得比較龐大且不美觀，經(jīng)綜合分析，取

K1=0，K2=1,K3=0,K4=-1.

計算其優(yōu)度：

0.1×0+0.4×1+0.3×0+0.2×(-1)=0.2.

⑤ 選擇最優(yōu)方案.

根據(jù)上述優(yōu)度評價結(jié)果顯示，C(A2)的值最大，故可確定方案2為最優(yōu)方案，即最終選擇的設(shè)計方案是一種集烘腳、鞋子、襪子、手套的多功能烘干產(chǎn)品.

3 結(jié)語

多功能產(chǎn)品的設(shè)計往往比功能單一型產(chǎn)品的顯得復(fù)雜，以致許多設(shè)計者在對這類產(chǎn)品的構(gòu)思感到困難，也容易走彎路，導(dǎo)致設(shè)計的效率、質(zhì)量不高，歸根到底，在于不能找到一套有效可行的設(shè)計創(chuàng)造法.在可拓學(xué)應(yīng)用研究初期，可拓工程就研究了新產(chǎn)品構(gòu)思的三創(chuàng)造法，此三創(chuàng)造法的提出給產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域注入了新的血液，幫助了一批設(shè)計者有效地解決了設(shè)計過程中的矛盾問題.本文基于可拓設(shè)計創(chuàng)造法，提出了一套適應(yīng)于對多功能產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計的創(chuàng)造法，即多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法.該方法的實質(zhì)是對原有創(chuàng)造法的提煉與豐富，使之形成一套專門使用于多功能產(chǎn)品的創(chuàng)造法，增強了原有創(chuàng)造法的針對性.提出了物元重組、相似性物元、不相關(guān)性物元、互斥物元、相似關(guān)系、不相關(guān)關(guān)系、互斥關(guān)系等概念.結(jié)合“開發(fā)多功能烘干器”一例，向讀者具體演繹了“多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法”的運用，同時，也證實了“多功能產(chǎn)品創(chuàng)造法”的可行性與有效性.

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Solution to Creating Multi-function Product Based on Extension Design Methods

Wu Pei-xu， Liu Jian-qun

(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In this paper, it puts forward a new design method which is oriented to the multi-functional products based on the three existing extension design methods with synthesization and refinement. Furthermore, it proves that the method of designing multi-functional products is feasible and effective, illustrated by a case-multi-functional dryer. The method of designing multi-functional products is the development and enrichment of the three existing ones of extension engineering methods. It provides a set of systematic design steps for the development of designing multi-functional products and effectively solves the contradictory problems in the design process so as to shorten the design cycle.

methods of extension design； multi-functional product creation method； multi-functional dryer； content matter restructuring

2015- 02- 27

廣東省教育廳研究生示范基地資助項目(2013JDXM29); 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項目(2013B090500125,2013B090500037)

吳培旭(1989-)男，碩士研究生，主要研究方向為工業(yè)機器人、CAD/CAM一體化.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.003

TB472

A

1007-7162(2015)03- 0010- 08