基于功能分析和TRIZ集成的產品創(chuàng)新設計

趙然，門德來

(華南理工大學，廣東廣州510006)

1　功能分析和TRIZ集成的基礎

功能是對技術系統或產品能完成任務的抽象描述［1］。功能分析是指把設計對象視為一個系統用抽象的方法分析其總功能，并將總功能逐層分解分析，然后在加以整理、組合，得到新的產品創(chuàng)新設計方案。它具有以下幾點優(yōu)勢:1.功能分析可以將用戶的真實需求表達出來。2.產品再創(chuàng)新設計時，有助于設計人員發(fā)現產品功能優(yōu)缺點。3.新產品創(chuàng)新設計時，利用功能分析法可以得到實現產品總功能的各個分功能，從而構建邏輯性強、布局完整的新產品設計方案。

TRIZ理論是前蘇聯發(fā)明專家根里奇·阿奇舒勒 (G.S.Altshuller)對世界各國大量高水平專利進行進行研究、歸納和整理，創(chuàng)立的一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論［2］。它被廣泛的運用在各個領域，它具有以下幾點優(yōu)勢:1.TRIZ理論具有多個問題分析方法和問題解決模型。2.TRIZ理論包含發(fā)明原理、分離原理等，可為設計人員提供有效的問題解決方案。3.TRIZ理論可以有效地預測產品發(fā)展趨勢，使得產品具有競爭力。

綜上所述，功能分析和TRIZ理論都有多項特點和優(yōu)勢，功能分析重在發(fā)現問題，TRIZ理論重在解決問題，分析問題是解決問題的前提和基礎，二者結合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現雙方優(yōu)勢的互補。

2　功能分析和TRIZ集成的產品創(chuàng)新設計

功能分析階段中，首先確定用戶需求和總功能。再以物質流、信息流、能量流為主線，分別建立功能鏈，運用合并、補充、刪除等手段將功能鏈融合，得到已有產品的功能模型。最后結合用戶需求與已有產品的功能，得到待改善或待設計功能。

TRIZ解決問題過程時，首先確定是否存在沖突，再根據沖突的類型利用相對應的問題解決工具解決問題。在產品創(chuàng)新設計過程中，可以利用功能結構模型為基礎，通過TRIZ理論建立產品創(chuàng)新設計模型，如圖1所示。

圖1　產品創(chuàng)新設計模型

2.1　需求分析

(1)用戶需求調查分析

產品設計的目的是為了滿足用戶需求，因此，用戶需求的分析是產品設計中的重要內容［2］。以用戶以及設計人員雙視角為基礎，運用觀察法、訪談法和問卷調查法等方法獲取用戶的真實需求。

(2)用戶需求歸納與整理

利用親和圖法將獲得的用戶需求信息進行歸納和整理。主要通過頭腦風暴法將用戶需求的功能用黑色筆寫在紙上，制作“基礎卡片”;然后分別將內容點相同的詞條合為一組并用一個詞代替作為“小組標題卡”，不能歸類的卡片自成一組;以此類推，制作“中組標題卡”和“大組標題卡”。最后將分門別類的卡片按照隸屬關系排列就得到了整理后的功能需求。

(3)用戶需求權重分析

通過問卷調查請用戶為各個需求的重要度打分，為支撐后續(xù)設計部分的工作做依據。其權重系數用英文大寫字母K表示，判定分值如表1所示。

表1　用戶需求重要度判定分值及其意義

2.2　問題發(fā)現

(1)確定產品的總功能

產品的總功能即為“產品是用來干什么的”［3］。產品設計過程中，常采用黑箱法確定產品的總功能，即在不清楚產品內部結構的情況下，根據外部輸入信息、經過系統內部并發(fā)生作用后輸出信息及周圍環(huán)境的變化，來判斷系統功能的和特性的一種方法。

(2)對產品進行功能結構分解

產品結構分解的同時進行功能分解，如圖2所示。在功能結構分解模型中注意以下幾點:功能、結構分解需要同時進行，相互交叉;確定功能間的目的和手段關系，功能見得目的和手段關系是相對而言的，A功能是B功能的目的，B功能實現A功能的手段。

圖2　功能結構分解模型

(3)建立功能鏈

建立功能鏈時，引入了流的概念，流通常分為物質流、能量流和信號流［4］。它包含了產品模型中關鍵的物理信息。物質流一般包括人、氣體、固體、液體等。信號流包括聽覺、嗅覺、觸覺、視覺等。能量流包括電磁、液壓、電壓、機械等。

我們根據三種流為主線，以各分功能的時間順序關系，將最底層的各分功能組合起來，建立各個輸入流的功能鏈。一般來說，功能結構關系有三種基本型式［5］，分為串聯、并聯和反饋功能鏈:串聯功能鏈是分功能按照時間先后順序作用于流;并聯功能鏈是分功能同時作用于流;反饋功能鏈是分功能反向作用于前面的流。以物質流為例，串聯、并聯和反饋功能鏈的形式如圖3a、b、c所示。

圖3　物質流功能鏈

(4)產品功能結構模型的建立

產品功能結構模型的建立是將上一步中的各個功能鏈通過分功能交叉部分連接起來，合成一個產品的功能結構。功能結構模型圖可以清楚的表達從輸入流到輸出流所經過的具體分功能，同時也能看清各分功能運作的時序關系，完整的功能結構模型如圖4所示。

圖4　功能結構模型

(5)結合用戶需求確定沖突點

通過功能結構模型清晰的看到各個分功能以及分功能在整體中的功能角色，結合用用戶需求，確定需要解決的問題并對所要解決的問題進行整理。

2.3　問題解決

如圖5繪制出了沖突的分析與解決過程模型。首先判定出沖突的屬性和問題的難易程度，再通過分離原理、發(fā)明原理、標準解等解決工具，根據問題的屬性和難易程度采用不同工具進行解決。

圖5　沖突的分析與解決過程模型

(1)特定問題轉化為一般問題

根據功能結構模型，初步判斷沖突的類型，表2為沖突類型分析參考。

表2　物理沖突和技術沖突分析比較表

再通過通用工程參數、ARIZ、物質-場、功能分析等工具將其轉化為一般問題，如果不能判斷該問題是否存在沖突，則根據問題的難易程度，用不同難易程度的分析工具進行判定。

(2)一般問題轉化為一般解

根據問題的類型，將一般問題轉化為具有TRIZ語言的一般解。如果是物理沖突，我們則采用分離原理將沖突與原物體分離，如果是技術沖突，則通過發(fā)明原理尋找到這種問題的一般解。同時針對這些問題也可以合理利用標準解和知識效應庫的知識進行解決。

(3)一般解具體化為特定解

將具有TRIZ語言的一般解具體化為特定解，獲得問題的解決方案并對方案進行評價，如果方案達到設計要求并且具有可行性，那么方案通過，生成最終方案。如果獲得的方案沒有達到預想的要求，則需要回到第一步重新對特定問題進行分析，直到生成令用戶滿意的且有效的產品方案為止。

3　結語

功能分析和TRIZ理論各具其特點和優(yōu)勢，功能分析是在更高層次上認識產品的效能和作用，發(fā)現各分功能在整體系統中的功能角色，TRIZ理論擁有不同的解決問題工具，二者結合使用，實現雙方優(yōu)勢的互補，拓寬了設計人員的視野，開闊了他們的思路，提供了發(fā)現問題的方法和解決問題的途徑，達到“1+1＞2”的效果。二者結合使用，為設計者提供了可以遵循的設計途徑，指導設計者快速的進行產品創(chuàng)新設計。

參考文獻:

［1］袁峰，王太勇，聶慧娟.基于創(chuàng)新設計理論/功能分析的機械產品功能原理創(chuàng)新設計［J］.計算機集成制造系統，2016，12(2):205-209

［2］檀潤華.TRIZ及應用:技術創(chuàng)新過程與方法［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［3］簡召全.工業(yè)設計方法學 ［M］.北京:北京理工大學出版社，2011.

［4］龍妍，黃素逸，劉可.大系統中物質流、能量流和信息流的基本特征［J］.華中科技大學學報，2008(12):87-90

［5］黃純穎.工業(yè)設計方法學 ［M］.北京:中國科學技術出版社，1988.