基于?；c合成思想的設(shè)計(jì)問(wèn)題解決模式

辛越峰　劉健松　童春

摘 要：?jiǎn)栴}解決是思維不斷發(fā)散與收斂求解的過(guò)程，不僅需要采用合適的問(wèn)題分析方法分析問(wèn)題，還需要采用合適的方法重組整個(gè)產(chǎn)品或者技術(shù)系統(tǒng)來(lái)獲得最優(yōu)的方案。首先將設(shè)計(jì)問(wèn)題表征后分為功能、行為、結(jié)構(gòu)三類(lèi)設(shè)計(jì)問(wèn)題，并分別采用FAST功能分析、根源分析法、組件分析法來(lái)?；治鰡?wèn)題，得到合適粒層的元素及元素結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)三類(lèi)思維途徑并應(yīng)用方法解決問(wèn)題，獲得新的元素組成及元素關(guān)系，并根據(jù)合成技術(shù)中的合成法則重組整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)而獲得多個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。最后，提出了一種融合?；枷肱c合成思想的設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方法，并將此方法應(yīng)用于鐵軌除冰問(wèn)題，驗(yàn)證了本方法的可行性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}分析；問(wèn)題粒化；合成法則；進(jìn)化魚(yú)骨圖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.023

隨著制造業(yè)全面發(fā)展需求的強(qiáng)烈及復(fù)雜化的設(shè)計(jì)問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的問(wèn)題解決過(guò)程經(jīng)進(jìn)行了大量探索和研究。人類(lèi)智能的一個(gè)公認(rèn)特點(diǎn)是人們可以從極不相同的粒度上觀察和分析同一問(wèn)題。人們不僅能在不同粒度的世界上求解問(wèn)題，還能往返自如地從一個(gè)粒度世界跳到另一個(gè)粒度世界。既然問(wèn)題可以通過(guò)不同粒度世界或粒度層之間的粒度分析來(lái)解決，那么設(shè)計(jì)問(wèn)題也可通過(guò)粒計(jì)算思想獲得解決方案。粒度計(jì)算由美國(guó)學(xué)者Y Y Lin于1997年提出；商空間理論由國(guó)內(nèi)學(xué)者張鈴和張鈸教授提出，屬于粒計(jì)算工具之一。

目前，商空間理論應(yīng)用研究主要集中于信息處理方面問(wèn)題解決，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用研究還處于起步階段。結(jié)合商空間理論的嚴(yán)密推理特性，該理論適合用于計(jì)算機(jī)技術(shù)等行業(yè)，此特性與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)推理過(guò)程的模糊性不同。但商空間理論中以粒化分解與合成技術(shù)的問(wèn)題求解思想，與創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論中通過(guò)創(chuàng)新方法引導(dǎo)思維發(fā)散與收斂轉(zhuǎn)變等，利用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的思想殊途同歸。本文重點(diǎn)根據(jù)商空間的粒化及合成技術(shù)思想，結(jié)合設(shè)計(jì)問(wèn)題的表征及已有問(wèn)題分析方法，在根源分析法、組件分析法改進(jìn)加強(qiáng)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)問(wèn)題分為功能、行為、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題三類(lèi)，并分別通過(guò)FAST、根源分析、組件分析法分析問(wèn)題，并根據(jù)粒度世界變化特點(diǎn)，通過(guò)三類(lèi)思維途徑以及合適的問(wèn)題解決工具求解問(wèn)題，獲得新的粒層元素及元素結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)對(duì)新粒層元素的合成來(lái)獲得設(shè)計(jì)問(wèn)題的多個(gè)創(chuàng)新方案，進(jìn)而提出了一種基于?；c合成思想的設(shè)計(jì)問(wèn)題解決模式。

1 設(shè)計(jì)問(wèn)題?；治龇椒?/p>

按照概念設(shè)計(jì)一般過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題可依據(jù)需求以功能設(shè)計(jì)、行為設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)核心環(huán)節(jié)分類(lèi)，分為功能設(shè)計(jì)問(wèn)題、行為設(shè)計(jì)問(wèn)題及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題三類(lèi)。基于?；枷?，結(jié)合設(shè)計(jì)理論中的常用問(wèn)題分析方法，為獲得問(wèn)題合適粒度的分層結(jié)構(gòu)以及各信息粒之間的相互關(guān)系，本文主要采用FAST、根源分析法、組件分析法三種分析方法，分別獲得合適的子功能、子行為、子組件粒層以及信息粒之間的關(guān)系。

1.1 FAST功能分析法

產(chǎn)品的功能模型要求可反映各相關(guān)元件之間的相互作用，反映產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系，拓寬產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的求解空間。功能分析系統(tǒng)技術(shù)（FAST）最早在價(jià)值工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出，它不僅可以定義、分析產(chǎn)品的功能，還可以解釋產(chǎn)品各功能之間的關(guān)系，并把功能按照邏輯順序或優(yōu)先次序排列，為理解每層各個(gè)功能之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系提供了依據(jù)。根據(jù)FAST對(duì)產(chǎn)品功能的分析，可以清楚地反映產(chǎn)品功能之間的因果關(guān)系和層次關(guān)系。

1.2 根源分析法

行為反映了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能的方法、途徑以及在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中物質(zhì)、能量、信息傳遞與變化過(guò)程，根源分析法是確定機(jī)器故障的一種系統(tǒng)的方法，是產(chǎn)品因果分析的有效工具之一。產(chǎn)品的行為模型是一個(gè)由行為類(lèi)型、行為變量和它的定性狀態(tài)間的因果關(guān)系構(gòu)成圖，主要采用根源分析法對(duì)其分析。根源分析法可以通過(guò)進(jìn)化魚(yú)骨圖工具進(jìn)行行為設(shè)計(jì)問(wèn)題分析，如圖1所示。

因素相關(guān)原則：實(shí)線(xiàn)箭頭表示這一級(jí)與上一級(jí)屬于正相關(guān)關(guān)系，即表示這一級(jí)因素的增加、擴(kuò)大、升高、變強(qiáng)等會(huì)對(duì)上一級(jí)產(chǎn)生促進(jìn)作用；虛線(xiàn)箭頭表示這一級(jí)與上一級(jí)屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系，即表示這一級(jí)因素的減少、縮小、降低、變?nèi)醯葧?huì)對(duì)上一級(jí)產(chǎn)生促進(jìn)作用。在圖1中，中因素“11”與大因素“1”呈正相關(guān)，中因素“12”與大因素“1”呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)相關(guān)原則，同級(jí)各因素之間的關(guān)系可以分為矛盾、促進(jìn)、獨(dú)立三種關(guān)系。圖1中中因素“12”“21”“31”都包含相同的小因素“a”，所以，“12-a”與“21-a”呈現(xiàn)矛盾關(guān)系；同理可知，“21-a”與“31-a”呈現(xiàn)促進(jìn)關(guān)系。而圖1中的“11-c”與其他小因素沒(méi)關(guān)系，所以為獨(dú)立關(guān)系。

因素之間的相互關(guān)系判斷可以根據(jù)以下方式進(jìn)行：①查找同級(jí)的相同因素。如果某因素沒(méi)有相同因素，則為獨(dú)立關(guān)系；如果有相同因素，從其中一個(gè)因素出發(fā)，查找到達(dá)相同因素之間的箭頭通路，并算出箭頭通路上虛線(xiàn)箭頭的個(gè)數(shù)。②根據(jù)虛線(xiàn)箭頭的數(shù)量判斷因素的關(guān)系。如果虛線(xiàn)箭頭數(shù)量為奇數(shù)，則為矛盾關(guān)系；如果虛線(xiàn)箭頭數(shù)量為偶數(shù)，則為促進(jìn)關(guān)系。促進(jìn)關(guān)系與獨(dú)立關(guān)系反映了各因素的結(jié)構(gòu)關(guān)系，可為后續(xù)問(wèn)題解決奠定基礎(chǔ)。

1.3 組件分析法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，所實(shí)現(xiàn)的功能由系統(tǒng)內(nèi)的所有組件完成。組件分析法應(yīng)該區(qū)分實(shí)現(xiàn)該功能或者存在問(wèn)題的系統(tǒng)主要組件、系統(tǒng)次要組件、系統(tǒng)其他組件、超系統(tǒng)組件，并按此順序羅列出所有與研究對(duì)象相關(guān)組件，組件之間存在相互關(guān)系需要標(biāo)注，如圖2所示。

其中，部分組件之間存在著相互作用關(guān)系，以黑點(diǎn)標(biāo)注。組件之間相互作用的確定可以采取線(xiàn)條標(biāo)注的方法，具體操作步驟為：①分別以每個(gè)組件為起點(diǎn)，用虛線(xiàn)連接本組件與該組件存在作用的最遠(yuǎn)處的標(biāo)注黑點(diǎn)。②以每個(gè)組件為起點(diǎn)，查找虛線(xiàn)的通路，直到虛線(xiàn)線(xiàn)條截止為止。這樣就可以確定各個(gè)組件之間的相互作用鏈或環(huán)。在組件分析的基礎(chǔ)上，明確組件之間相互關(guān)系。

2 設(shè)計(jì)問(wèn)題求解思維途徑及合成技術(shù)

2.1 基于?；脑O(shè)計(jì)問(wèn)題求解思維

某設(shè)計(jì)問(wèn)題在求解過(guò)程中的粒度世界變化特點(diǎn)，如圖3所示。其中，原粒度世界和新粒度世界是相對(duì)而言的，比如開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的產(chǎn)品作為原世界，則競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品等激勵(lì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的對(duì)象都可以作為新世界。

這樣，每個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題求解思維途徑可以分為問(wèn)題從“原世界”獲取方案、問(wèn)題從“原世界—新世界”獲取方案、問(wèn)題從“原世界—新世界—原世界”獲取方案三種。其中，“原世界”表示設(shè)計(jì)問(wèn)題通過(guò)原世界的不同粒度上分析解決；“原世界—新世界”表示先在原世界粒度上表示或初步分析設(shè)計(jì)問(wèn)題，然后進(jìn)入新世界的不同粒度上分析解決設(shè)計(jì)問(wèn)題；“原世界—新世界—原世界”表示先在原世界粒度上表示或初步分析設(shè)計(jì)問(wèn)題，然后進(jìn)入新世界的不同粒度上繼續(xù)分析問(wèn)題獲取激勵(lì)，最后通過(guò)原世界的不同粒度解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2.2 基于合成思想的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案形成

設(shè)計(jì)問(wèn)題方案形成就是對(duì)新的粒層進(jìn)行自下而上、細(xì)粒度向粗粒度劃分（收斂）的一個(gè)過(guò)程，不同的劃分結(jié)果代表不同的創(chuàng)新方案。劃分策略應(yīng)結(jié)合具體實(shí)際情況，防止結(jié)果的主觀性較強(qiáng)，比如王玉新等人提出的一種劃分策略是通過(guò)自定義閥值來(lái)限制方案數(shù)。

2.2.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案形成的劃分原則

方案形成劃分過(guò)程中，為方便過(guò)程描述，從元素結(jié)構(gòu)的某一個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始劃分，則稱(chēng)該起點(diǎn)為劃分起點(diǎn)，并將最終劃分組中的最后一點(diǎn)稱(chēng)為“劃分終點(diǎn)”；由部分元素通過(guò)輸入輸出關(guān)系首尾相連接構(gòu)成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“分支”。

方案形成劃分原則1：在某個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題的粒層結(jié)構(gòu)中，依次選擇有固定、有驅(qū)動(dòng)輸入、沒(méi)有輸入只有輸出的元素作為劃分起點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行劃分，然后選擇有前面輸入元素且都為劃分終點(diǎn)的元素作為劃分起點(diǎn)劃分。

方案形成劃分原則2：根據(jù)某個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題的粒層結(jié)構(gòu)屬性所表示目標(biāo)的重要性，對(duì)粒層結(jié)構(gòu)中所有串行鏈中相對(duì)重要的鏈優(yōu)先劃分。

2.2.2 方案形成劃分基礎(chǔ)定義

默認(rèn)按照以上劃分原則進(jìn)行劃分的過(guò)程中，且劃分后的各元素集合之間無(wú)交集且單分支，即同一元素只能被劃分在一個(gè)分組中且元素之間為串行鏈。

定義1：設(shè)某個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題?；蟮牧咏Y(jié)構(gòu)中，元素之間只有一個(gè)分支，且分支總共有n個(gè)元素，則劃分方案數(shù)W為：

W=2n-1. （1）

例1：如圖4（a），某子功能粒層結(jié)構(gòu)由X={a，b，c}有3個(gè)元素組成，優(yōu)先選擇子功能a為起點(diǎn)，則其劃分方案?jìng)€(gè)數(shù)為W=4，分別如圖4所示。

定義2：設(shè)某個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題?；蟮牧咏Y(jié)構(gòu)中，某元素起點(diǎn)有t個(gè)分支，且每個(gè)分支分別有n1，n2，n3，…，nt個(gè)元素組成，則劃分方案數(shù)W為：

例2：如圖5（a），某子功能粒層結(jié)構(gòu)由X={a，b，c，d}有4個(gè)元素組成，優(yōu)先選擇以a為起點(diǎn)，有2個(gè)分支、4個(gè)元素組成，則其劃分方案?jìng)€(gè)數(shù)為W=6，分別如圖5所示：

3 基于?；c合成思想的設(shè)計(jì)問(wèn)題解決模式

設(shè)計(jì)問(wèn)題通過(guò)粒化，可以確定其元素組成及結(jié)構(gòu)，確定問(wèn)題求解的關(guān)鍵所在；輔助使用比對(duì)設(shè)計(jì)、發(fā)明原理等理論方法，可以為問(wèn)題的求解提供可靠的支持；最后通過(guò)元素的不同合成，可獲得多種創(chuàng)新的方案?；诹；c合成思想的設(shè)計(jì)問(wèn)題解決模式如圖6所示，主要包括4個(gè)步驟：①設(shè)計(jì)問(wèn)題分類(lèi)。通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題表征，確定設(shè)計(jì)問(wèn)題屬于功能設(shè)計(jì)問(wèn)題、行為設(shè)計(jì)問(wèn)題還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。②設(shè)計(jì)問(wèn)題?；?。結(jié)合設(shè)計(jì)問(wèn)題分析方法，對(duì)功能設(shè)計(jì)問(wèn)題、行為設(shè)計(jì)問(wèn)題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分別采用FAST功能分析法、根源分析法、組件分析法進(jìn)行分析，獲得粒層組成元素及結(jié)構(gòu)關(guān)系，簡(jiǎn)單問(wèn)題可能通過(guò)分析即可初步獲得方案。③設(shè)計(jì)問(wèn)題求解。通過(guò)問(wèn)題分析很難獲得方案的設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以選擇合適的粒層，并選擇“原世界”“原世界—新世界”“原世界—新世界—原世界”三種思維途徑，并采用“進(jìn)化法則、發(fā)明原理等”“比對(duì)設(shè)計(jì)等”“知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)等”進(jìn)行問(wèn)題求解，進(jìn)而獲得解決問(wèn)題的新元素組成或結(jié)構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)合成技術(shù)，對(duì)元素進(jìn)行重組，盡可能多地獲得可行性問(wèn)題解決新方案。④方案評(píng)價(jià)。對(duì)獲得的設(shè)計(jì)問(wèn)題方案給予客觀評(píng)價(jià)。如果方案滿(mǎn)意，則進(jìn)行下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)；如果方案不滿(mǎn)意，則重新選擇粒層求解。

4 應(yīng)用案例

4.1 設(shè)計(jì)問(wèn)題描述

國(guó)內(nèi)鐵軌除冰大都是由人手工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、工作效率低。采用已有的除冰裝置，只在軌道內(nèi)外側(cè)敲擊除冰雪，而存在對(duì)火車(chē)輪行走的軌道上層冰雪未作處理、敲擊損壞鐵軌等局限性。

4.2 設(shè)計(jì)問(wèn)題分類(lèi)

專(zhuān)利ZL200810121127.3中提出了一種鐵路冰雪清除車(chē)，因其未考慮鐵軌軌道表面冰雪對(duì)火車(chē)運(yùn)營(yíng)的嚴(yán)重危害作用，因?yàn)椴荒軡M(mǎn)足所需求的功能，定義為功能設(shè)計(jì)問(wèn)題。

4.3 設(shè)計(jì)問(wèn)題?；治?/p>

對(duì)于功能設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用FAST對(duì)該鐵軌除雪去冰車(chē)進(jìn)行分析，獲得其粒層組成結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

4.4 設(shè)計(jì)問(wèn)題解決

通過(guò)FAST分析，選擇粒層4作為求解的粒層，則粒層元素組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖8所示。

已有的鐵軌除冰雪裝置因存在諸多缺陷很難提供問(wèn)題解決思路，所以選擇“原世界—新世界—原世界”的思維途徑。通過(guò)功能知識(shí)庫(kù)查詢(xún)，分別以“新世界”公路通過(guò)前面鏟刀來(lái)同時(shí)鏟移冰雪和銑床通過(guò)銑刀來(lái)連續(xù)去除表層硬物為指引，可以獲得新的功能元素及結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖9所示。

對(duì)其進(jìn)行方案劃分合成，鐵軌除雪除冰車(chē)的子功能主要有動(dòng)力傳遞、鐵軌除雪、鐵軌除冰三個(gè)子功能。其結(jié)構(gòu)表示動(dòng)力傳遞帶動(dòng)鐵軌除雪，動(dòng)力傳遞帶動(dòng)鐵軌除冰。

4.5 方案評(píng)價(jià)

通過(guò)采用雪鏟來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道同時(shí)除雪與移雪的功能，并用銑刀、刮刀實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵軌表層先碎冰后移冰等功能，以滿(mǎn)足產(chǎn)品新需求。

5 總結(jié)

針對(duì)遇到的復(fù)雜產(chǎn)品或者技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，思維從發(fā)散到收斂都是問(wèn)題解決的重要階段，而不應(yīng)該僅僅注重分析問(wèn)題階段。通過(guò)將設(shè)計(jì)問(wèn)題分為功能、行為、結(jié)構(gòu)三類(lèi)設(shè)計(jì)問(wèn)題，明確各類(lèi)問(wèn)題所采用分析方法，并獲得合適粒層的元素及元素結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)三類(lèi)思維途徑并應(yīng)用方法解決問(wèn)題，獲得新的元素組成及元素關(guān)系，并根據(jù)合成技術(shù)中的合成法則重組整個(gè)系統(tǒng)，提高了問(wèn)題解決效率和獲得多個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案可能性。

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〔編輯：劉曉芳〕