基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計過程

楊伯軍 馮雁霞 孫 群

1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津，300130

2.國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)研究中心，天津，300130

0 引言

在國內(nèi)和國際競爭日趨激烈的大環(huán)境下，企業(yè)必須不斷地通過自身產(chǎn)品的技術(shù)升級提升其在市場中的競爭力。產(chǎn)品技術(shù)升級方法有多種，其中突破性創(chuàng)新就是一種重要途徑，對于提升企業(yè)競爭力具有決定性作用［1］。國內(nèi)外學(xué)者對突破性創(chuàng)新的關(guān)注度越來越高，在其實現(xiàn)的基本原理及設(shè)想產(chǎn)生方面，已取得了一些成果：SCHOEN?MAKERS等［2］通過專利研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新的實現(xiàn)來源于已有知識及其組合，并非依靠全新的技術(shù)。ARTHUR［3］的研究表明，突破性創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)生實際是來源于現(xiàn)有還不能實現(xiàn)的某種需求，通過搜尋能獲得實現(xiàn)這種需求的科學(xué)原理或結(jié)構(gòu)；或與上述相反，是始于一種新的科學(xué)原理或方法，在實現(xiàn)這些原理或方法的過程中會導(dǎo)致后續(xù)問題的出現(xiàn)，而解決這些問題的途徑是出現(xiàn)某種突破性創(chuàng)新技術(shù)。上述研究表明實現(xiàn)突破性創(chuàng)新是有技術(shù)指導(dǎo)的，但在產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計者往往因思維慣性或知識局限性，很難準確把握突破性創(chuàng)新技術(shù)，導(dǎo)致設(shè)計過程存在較大的盲目性。張洪石等［4］系統(tǒng)闡述了模糊前端管理的內(nèi)容和步驟，將其作為突破性創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生和識別的基礎(chǔ)。ALI［5］利用生命周期觀點在分析大量突破性創(chuàng)新工程案例的基礎(chǔ)上建立了突破性創(chuàng)新過程模型。平恩順等［6-7］將TRIZ應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端階段，對實現(xiàn)產(chǎn)品主功能的技術(shù)系統(tǒng)進行技術(shù)預(yù)測，或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品主功能的技術(shù)子系統(tǒng)進行功能裁剪及可用資源分析后進行技術(shù)預(yù)測，分析突破性創(chuàng)新的技術(shù)機會，構(gòu)建了產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生過程模型。以上研究在一定程度上為設(shè)計者提供了理論指導(dǎo)，提高了創(chuàng)新的效率，但突破性創(chuàng)新是一種突變，具有明顯的非線性、不確定性，因此如何降低模糊前端設(shè)想產(chǎn)生的不確定性程度，產(chǎn)生高質(zhì)量的突破性創(chuàng)新設(shè)想，仍是需要研究解決的課題。

本文將激進式裁剪方法用于產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端階段，通過功能分析和根原因分析確定系統(tǒng)裁剪對象后實施裁剪，利用標準解、進化趨勢、效應(yīng)等創(chuàng)新方法輔助進行功能重組，進而產(chǎn)生突破性創(chuàng)新設(shè)想，最終建立產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新過程模型。

1 激進式裁剪與產(chǎn)品突破性創(chuàng)新的關(guān)系

1.1 激進式裁剪

裁剪（trimming）是TRIZ中分析問題和解決問題的方法，其可分為漸進式裁剪（incremental trim?ming）和激進式裁剪（radical trimming）［8］。漸進式裁剪指只裁剪系統(tǒng)內(nèi)較少的組件數(shù)量，對系統(tǒng)的改進相對較少，不會造成系統(tǒng)有用功能的缺失，從而達到消除有害功能、簡化系統(tǒng)以及提高系統(tǒng)理想化水平的目的，改進的結(jié)果往往屬于漸進性創(chuàng)新。激進式裁剪是相對于漸進式裁剪而言的，其對系統(tǒng)的改進相對較大，通常會裁剪系統(tǒng)內(nèi)大量組件（包括系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)基本功能的問題組件及與之相關(guān)聯(lián)的組件）。激進式裁剪可使系統(tǒng)發(fā)生根本性變化，裁剪后會導(dǎo)致系統(tǒng)有用功能缺失，問題轉(zhuǎn)化為功能求解問題。與漸進式裁剪相比，激進式裁剪解決問題更徹底，裁剪后產(chǎn)生的新問題更加尖銳，在項目約束允許的條件下，對系統(tǒng)進行激進式裁剪，往往會產(chǎn)生突破性創(chuàng)新［9］。

1.2 產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新

關(guān)于產(chǎn)品突破性創(chuàng)新的概念界定，縱覽國內(nèi)外相關(guān)文獻，主要有以下幾種具有代表性的定義：DESS等［10］認為突破性創(chuàng)新是在一套新的科學(xué)知識基礎(chǔ)上建立的創(chuàng)新，這種創(chuàng)新常常能開啟新的市場或潛在的應(yīng)用。HENDERSON等［11］認為產(chǎn)品核心部件間的連接關(guān)系發(fā)生巨大改變或生成全新產(chǎn)品概念可稱之為突破性創(chuàng)新。RICHARD等［12］認為可從以下三點來判斷產(chǎn)品創(chuàng)新是否為突破性創(chuàng)新：①產(chǎn)品是否具有全新的產(chǎn)品特色；②產(chǎn)品的性能指標是否提高5倍以上；③產(chǎn)品成本是否顯著降低（至少30%）。張洪石等［13］認為突破性創(chuàng)新是會導(dǎo)致產(chǎn)品性能指標發(fā)生巨大變化，或?qū)κ袌鲆?guī)劃和競爭態(tài)勢產(chǎn)生重大影響，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)業(yè)重新洗牌的一類創(chuàng)新。熊敏等［14］指出突破性創(chuàng)新是技術(shù)創(chuàng)新方法中的一種，是使產(chǎn)品、工藝或服務(wù)具有前所未有的性能特征；或者使產(chǎn)品、工藝或服務(wù)具有與之前相似的性能特征但性能和成本都有巨大的改善；或者創(chuàng)造出一種新的產(chǎn)品。平恩順等［7］認為機械產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新是實現(xiàn)產(chǎn)品某一核心功能技術(shù)子系統(tǒng)（包括產(chǎn)品的執(zhí)行技術(shù)子系統(tǒng)、傳動技術(shù)子系統(tǒng)、控制技術(shù)子系統(tǒng)、驅(qū)動技術(shù)子系統(tǒng)）的工作原理發(fā)生改變，且改變后的核心功能技術(shù)系統(tǒng)的性能極限提高。

本文從技術(shù)、功能兩個層面給出突破性創(chuàng)新的界定：①技術(shù)層面上，新技術(shù)取代舊技術(shù)的過程（即技術(shù)進化過程中兩條S曲線的自然更迭，新舊技術(shù)完成的功能相同，新技術(shù)的性能極限提高）；②功能層面上，產(chǎn)品核心功能不變的前提下，核心功能實現(xiàn)的工作原理發(fā)生變化，且改變后核心功能技術(shù)系統(tǒng)的性能極限提高，技術(shù)進化潛力也提高。只要滿足其一即為突破性創(chuàng)新。

1.3 激進式裁剪用于產(chǎn)品突破性創(chuàng)新的可行性

從20世紀初創(chuàng)新概念被提出開始，迄今為止已涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新技法，大致可分為兩類：①基于認知的方法，如頭腦風(fēng)暴法、形態(tài)學(xué)分析法、K-J法等。這些方法均側(cè)重于人創(chuàng)新性思維的發(fā)展，進行問題求解時沒有相應(yīng)的規(guī)則參照或指導(dǎo)，且應(yīng)用這些方法求解時往往會受到專業(yè)知識和思維定勢的限制，無法有效地進行創(chuàng)新。②基于知識的方法，如公理設(shè)計、質(zhì)量功能展開（quality func?tion deployment，QFD）、發(fā)明問題解決理論（TRIZ）等。公理設(shè)計通過四個域之間的“之字形”映射完成產(chǎn)品設(shè)計，且提出了兩條設(shè)計公理，設(shè)計者可根據(jù)這兩條設(shè)計公理判斷設(shè)計的合理性，指導(dǎo)設(shè)計者在最初作出正確的判斷，但如果設(shè)計不滿足設(shè)計公理存在的耦合關(guān)系，設(shè)計者只能根據(jù)經(jīng)驗去解決，公理設(shè)計中并未給出詳細的解耦過程；QFD是一種需求驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)方法，通過質(zhì)量屋（houses of quality，HOQ）建立用戶要求與設(shè)計要求之間的關(guān)系［15］，在概念設(shè)計階段，HOQ給出了待設(shè)計產(chǎn)品明確的設(shè)計要求，但是并未給出實現(xiàn)這些要求具體的方法與規(guī)則，且在設(shè)計前期需求權(quán)重的判定多為主觀判斷，會對后期設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；TRIZ中提供了多種問題分析和問題解決工具，可有效地幫助設(shè)計者在解決問題過程中避免繁瑣的試湊工作，從而提高解決問題的效率。在一定程度上，上述方法均可用來指導(dǎo)設(shè)計者進行產(chǎn)品創(chuàng)新，但均未提出一個系統(tǒng)化過程或方法以有效地指導(dǎo)設(shè)計者進行產(chǎn)品突破性創(chuàng)新。

TRIZ中的裁剪可有效克服思維定勢的限制，對系統(tǒng)組件進行刪除，而不是簡單修補，其中激進式裁剪方法會去除系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)基本功能的問題組件及與之相關(guān)聯(lián)的組件，裁剪后將導(dǎo)致系統(tǒng)有用功能缺失，系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)化為“如何實現(xiàn)被裁剪組件的有用功能”，需應(yīng)用一些新技術(shù)、新原理實現(xiàn)該有用功能，使技術(shù)系統(tǒng)向更高水平進化。TRIZ中的技術(shù)進化趨勢指明產(chǎn)品進化的方向、效應(yīng)知識庫為功能求解提供了理論基礎(chǔ)，為裁剪后問題求解提供強有力的支撐。激進式裁剪對系統(tǒng)的改進較大，可使系統(tǒng)發(fā)生根本性變化，采用新技術(shù)、新原理進行功能重組后會使系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理發(fā)生改變，使系統(tǒng)格局發(fā)生改變，因此可將激進式裁剪視為實現(xiàn)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新的一條路徑，并用于產(chǎn)品創(chuàng)新過程中，結(jié)合使用技術(shù)進化、效應(yīng)等高級別創(chuàng)新方法來實現(xiàn)產(chǎn)品突破性創(chuàng)新。

2 激進式裁剪在產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過程中的應(yīng)用

2.1 確定裁剪對象

功能分析是分析系統(tǒng)具體工作過程的系統(tǒng)化方法，可清楚表達元件及元件間的作用關(guān)系，進而明確功能與元件間的關(guān)系［15］。針對系統(tǒng)存在問題進行根原因分析，由果索因，識別出引起問題的關(guān)鍵因素；綜合功能分析結(jié)果及根原因分析結(jié)果確定系統(tǒng)中存在問題的部件或子系統(tǒng)，將其作為初始預(yù)裁剪對象（即后期可能要裁剪的對象）。應(yīng)用文獻［16］中的功能等級評價值的計算規(guī)則計算系統(tǒng)中部件的功能等級，從而判斷其是否符合激進式裁剪，符合則確定其為終裁剪對象（即最終確定要裁剪的對象），否則，重新分析問題。部件在系統(tǒng)中的功能等級越高，對系統(tǒng)的作用越大（即重要性越大），主要功能的功能等級最高。

2.2 激進式裁剪后的有用功能重組

對問題及功能進行分析，確定裁剪對象，執(zhí)行裁剪操作后，確定系統(tǒng)缺失的有用功能，應(yīng)用已有的基于知識的工具（標準解、進化趨勢、效應(yīng)等）輔助進行功能重組，如圖1所示。

圖1 基于知識的功能重組Fig.1 Function reorganization assisted by knowledge

2.3 基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計過程模型

基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過程模型如圖2所示，該模型的具體步驟如下：

（1）確定目標產(chǎn)品，建立系統(tǒng)功能模型。明確需要改進的技術(shù)系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行功能分析，明確各部件間的相互作用關(guān)系，建立系統(tǒng)的功能模型。

（2）確定裁剪對象。根據(jù)系統(tǒng)存在的問題，對系統(tǒng)進行根原因分析，結(jié)合步驟（1）的功能分析結(jié)果，確定初始預(yù)裁剪對象，利用功能等級計算規(guī)則計算功能等級，判斷其是否符合激進式裁剪，符合則確定其為終裁剪對象，否則，重新分析問題。

（3）執(zhí)行裁剪操作，得到裁剪模型。裁剪模型為裁剪后系統(tǒng)的功能模型。

（4）分析裁剪模型，確定系統(tǒng)缺失功能。系統(tǒng)組件裁剪后會產(chǎn)生新的問題（即“被裁剪組件的有用功能如何實現(xiàn)”），準確定義該功能，便于后續(xù)進行功能重組，保證功能實現(xiàn)。

（5）功能重組，得到創(chuàng)新方案解。

（6）判斷步驟（5）得到的創(chuàng)新方案解是否滿足要求，若滿足，則該方案解為最終方案解；若不滿足，則轉(zhuǎn)至步驟（7）。

（7）選用TRIZ工具解決問題，得到新的解決方案。

圖2 基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過程模型Fig.2 Process model of radical innovation design based on radical trimming

3 自動出貨機構(gòu)的突破性創(chuàng)新設(shè)計

網(wǎng)上購物已經(jīng)逐漸成為一種主流消費方式，網(wǎng)店出售的商品大都呈現(xiàn)“材質(zhì)種類多、尺寸大小不一、尺寸范圍廣、形狀各式各樣”等特點，目前網(wǎng)店銷售大都采用手工包裝，而網(wǎng)店普遍人力資源少、工作量大、效率低，因此，迫切需要一類用于包裝多種材質(zhì)、尺寸和形狀商品的機械裝置，以滿足市場需求。其中，自動出貨機構(gòu)是整個機械裝置的重要模塊之一。

現(xiàn)有一種自動售貨機的出貨機構(gòu)［17］結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。由于操作工序復(fù)雜，導(dǎo)致大量的人力資源浪費，下面應(yīng)用上述基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過程模型對該出貨機構(gòu)進行改進，并檢驗該模型的合理性和有效性。

圖3 出貨機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of automatic shipment machine

3.1 確定裁剪對象

（1）構(gòu)建系統(tǒng)功能模型。在出貨機構(gòu)系統(tǒng)中，貨物是制品，通過電機驅(qū)動繞線盤旋轉(zhuǎn)收緊拉繩，帶動推板向前移動，進而實現(xiàn)貨物進給。但是根據(jù)貨物的大小規(guī)格，需不斷調(diào)整滑槽和貨道寬度，且裝卸貨物時需停機，工序復(fù)雜，浪費時間。將上述問題以部件間不足作用和有害作用進行描述，構(gòu)建系統(tǒng)的功能模型如圖4所示。

圖4 自動出貨機構(gòu)的功能模型Fig.4 Functional model of automatic shipment machine

（2）根原因分析。針對系統(tǒng)存在的主要問題進行根原因分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 根原因分析Fig.5 Root cause analysis

（3）確定初始預(yù)裁剪對象。由功能分析和根原因分析可知裝卸貨物時需停機操作，且需拆卸繞線盤。這是由于電機與繞線盤通過緊定螺釘連接，只能單向進給，再則需根據(jù)不同商品需求，不停地更換滑槽并調(diào)節(jié)貨道的距離，從而導(dǎo)致耗費大量的人力和時間，因此將這些部件作為裁剪對象。由于電機、繞線盤等被裁減，滑塊及推板失去驅(qū)動力，所以一并裁剪掉，確定的初始預(yù)裁剪元件為電機、繞線盤、拉繩、滑塊、推板、滑槽。

（4）功能等級計算，確定終裁剪對象。功能等級計算結(jié)果見表1，由表1可知，初始預(yù)裁剪對象中滑槽的功能等級最高，滑塊、推板、電機、拉繩、繞線盤的功能等級依次降低，由其組成的推進機構(gòu)完成系統(tǒng)的主要功能，因此將這些部件作為裁剪對象符合激進式裁剪的要求，裁剪后得到裁剪模型如圖6所示。

表1 功能部件的功能等級數(shù)值Tab.1 Functional rank values of components

圖6 裁剪模型Fig.6 Trimmed model

3.2 裁剪問題解決

分析裁剪后的系統(tǒng)功能模型，缺失功能一般化為“改變位移”，以功能“改變位移”為關(guān)鍵詞在Goldfire效應(yīng)庫中進行檢索，選擇可用效應(yīng)“重力”進行功能重組，設(shè)計方案將貨道設(shè)計成傾斜面，利用貨物自身的重力作用使其向出貨口移動。

基于上述改進后，分析發(fā)現(xiàn)分離條對貨物不能實現(xiàn)有效控制，表現(xiàn)為作用不足，按照加強物質(zhì)-場中標準解No.16：對于可控性差的場，用一個易控場代替，或增加一個易控場。用液壓系統(tǒng)來替代機械系統(tǒng)，利用氣缸交替運動帶動的擋板代替分離條，以實現(xiàn)貨物的阻擋及一定數(shù)量的下落，裁剪改進后新系統(tǒng)的功能模型如圖7所示。

圖7 新系統(tǒng)功能模型Fig.7 Functional model of new system

3.3 方案評價

應(yīng)用基于激進式裁剪的機械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)計過程模型對自動出貨機構(gòu)進行改進，將改進后的功能原理解與原始產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)連接方式組合形成產(chǎn)品原理解，最終得到一種自動出貨機構(gòu)新產(chǎn)品，新系統(tǒng)的三維模型圖見圖8，試驗樣機如圖9所示。改進后的出貨機構(gòu)較之前的出貨機構(gòu)相比有如下優(yōu)點（具體評價見表2）：

（1）裁剪了系統(tǒng)中由電機、繞線盤、滑槽等組成的主功能推進機構(gòu)，用氣缸等組成的液壓系統(tǒng)代替，利用貨物自身重力實現(xiàn)進給，通過氣缸的交替動作來控制出貨，系統(tǒng)的執(zhí)行技術(shù)子系統(tǒng)和驅(qū)動技術(shù)子系統(tǒng)的工作原理均發(fā)生改變。

（2）由樣機試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)出貨誤差減小，運作穩(wěn)定，無需停機補貨，工作強度減小，節(jié)約時間，從長遠來看，會極大地降低成本，進而使得系統(tǒng)的理想化水平得到很大提升，技術(shù)系統(tǒng)向提高理想化水平的方向進化，所以可視該產(chǎn)品改進為突破性創(chuàng)新。理想化水平計算公式［18］為

其中，Ideality指理想化水平；Benefits指有用功能產(chǎn)生的效用；Expenses指全生命周期的成本；

圖8 新系統(tǒng)的三維模型圖Fig.8 Three-dimensional model of new system

圖9 出貨機構(gòu)的試驗樣機Fig.9 Prototype of shipment machine

表2 方案評價表Tab.2 Scheme evaluation

Harms指有害作用和不期望的結(jié)果。

4 結(jié)語

通過功能分析和根原因分析方法確定導(dǎo)致系統(tǒng)問題產(chǎn)生的一系列問題部件，選用激進式裁剪方法，然后應(yīng)用標準解、進化趨勢、效應(yīng)等方法輔助功能重組，進而建立了基于激進式裁剪的產(chǎn)品突破性創(chuàng)新過程模型，并用自動出貨機構(gòu)的實例驗證了該方法的可行性和有效性。應(yīng)用激進式裁剪方法可更徹底地解決問題，消除系統(tǒng)中有害及不足作用，從而提高系統(tǒng)的理想化水平。應(yīng)用標準解、效應(yīng)等高級別創(chuàng)新方法完成裁剪后的功能重組產(chǎn)生突破性創(chuàng)新設(shè)想，不僅提高了產(chǎn)品創(chuàng)新效率，還大大提高了產(chǎn)品的競爭力，對于企業(yè)占領(lǐng)市場或擴大市場份額有著重要的戰(zhàn)略意義。

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［17］ 胡建武.一種自動售貨機的出貨機構(gòu)：中國，CN201210016447.9［P］.2012-07-04.

HU Jianwu.A Shipment Machine of Vending Ma?chine：China，CN201210016447.9［P］.2012-07-04.

［18］ 張換高.創(chuàng)新設(shè)計：TRIZ系統(tǒng)化創(chuàng)新教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2017.

ZHANG Huangao.Innovation Design：Systematic In?novation Based on TRIZ［M］.Beijing：China Machine Press，2017.

（編輯 胡佳慧）

作者簡介：楊伯軍，男，1975年生，副教授。研究方向為技術(shù)創(chuàng)新方法、創(chuàng)新設(shè)計、TRIZ。發(fā)表論文10余篇。E-mail：ybj@hebut.edu.cn。馮雁霞（通信作者），女，1991年生，碩士研究生。研究方向為創(chuàng)新設(shè)計。E-mail：zxp0520@126.com。