基于功能技術(shù)矩陣和模糊評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法

徐躍楠

基于功能技術(shù)矩陣和模糊評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法

徐躍楠

（西安科技大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

目的：為解決多因素制約下的產(chǎn)品模塊化設(shè)計問題，提高產(chǎn)品設(shè)計的系統(tǒng)性和效率性，提出一種基于功能技術(shù)矩陣和模糊綜合評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法。方法：建立在系統(tǒng)論和功能論的基礎(chǔ)上，通過對產(chǎn)品系統(tǒng)進行功能劃分，采用功能技術(shù)矩陣算法對建立的多準(zhǔn)則模塊劃分模型求解，并運用多層次的模糊綜合評價法尋找系統(tǒng)最優(yōu)解，從而得到一套完整的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法。結(jié)論：將功能技術(shù)矩陣和多層次的模糊綜合評價應(yīng)用于廁所節(jié)水器的設(shè)計案例中，可以增加用戶需求分析準(zhǔn)確性，擴大設(shè)計方案評價層次性，提高產(chǎn)品模塊化設(shè)計的高效性和系統(tǒng)性。

產(chǎn)品設(shè)計；模塊化；功能技術(shù)矩陣；模糊綜合評價；節(jié)水器

科技革命是中國由制造大國走向“智”造強國的歷史機遇。產(chǎn)品模塊化是中國成為“智”造強國的關(guān)鍵，已廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)制造中[1-2]。模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)是劃分功能模塊[3]。模塊劃分方法主要有基于功能、結(jié)構(gòu)和面向產(chǎn)品生命周期的模塊劃分方法等[4]。李安虎等[5]提出基于功能聚類映射的應(yīng)急救援器材箱模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)功能模塊的劃分以及結(jié)構(gòu)模塊的創(chuàng)建。郟維強等[6]提出基于模糊關(guān)聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品模塊設(shè)計，解決信息傳遞與轉(zhuǎn)化的不確定性問題。王相兵等[7]提出基于客戶需求驅(qū)動的柔性產(chǎn)品平臺模塊化設(shè)計方法，解決模塊劃分和設(shè)計周期問題。上述文章或多或少對產(chǎn)品模塊化做了研究，但缺少從系統(tǒng)設(shè)計的角度思考。本文從系統(tǒng)的角度對產(chǎn)品模塊進行功能技術(shù)分析，運用模糊評價尋求系統(tǒng)最優(yōu)解，進而解決不同需求和功能下的產(chǎn)品模塊化設(shè)計問題。

1 產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法

1.1 設(shè)計方法

產(chǎn)品模塊化設(shè)計,是將產(chǎn)品進行功能分析并組合功能模塊，構(gòu)成具有特定模塊的子系統(tǒng)。作為通用性模塊的子系統(tǒng)與其他單元進行組合或互換，從而產(chǎn)生具有不同功能或性能的多樣化產(chǎn)品[8]。模塊化設(shè)計是綠色生態(tài)設(shè)計方法之一[9]。在產(chǎn)品設(shè)計中，面對多因素、多條件的制約問題，如何尋找功能模塊組合最優(yōu)解是該領(lǐng)域面臨的核心問題。

基于功能技術(shù)矩陣和多層次的模糊綜合評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法，是通過系統(tǒng)綜合、功能分析和模糊評價，逐步實現(xiàn)設(shè)計對象的具體化和實質(zhì)化。首先，黑箱法尋找系統(tǒng)總功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系；然后，將總功能抽象為具體的分功能；其次，利用功能技術(shù)矩陣，通過定性或定量的方法，分析實現(xiàn)各功能技術(shù)途徑的不同組合形式，尋求可行的設(shè)計方案[10]；最后，結(jié)合多層次模糊綜合評價法，確定最佳設(shè)計方案。同時，在模塊劃分和組合過程中，要充分考慮三原則，即內(nèi)部交互聚類與集群原則、外部交互獨立原則和總體系統(tǒng)可靠性原則，有助于提高多原則模塊劃分及重組的準(zhǔn)確性。

1.2 設(shè)計流程

模塊設(shè)計通常分為三級，包括系統(tǒng)級、系列級和產(chǎn)品級。本文主要針對產(chǎn)品級這一層進行研究，基于功能技術(shù)矩陣和模糊評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法流程圖如圖1所示，包括：用戶需求分析、功能系統(tǒng)分析、功能技術(shù)矩陣分析和多層次的模糊綜合評價。

圖1 設(shè)計方法流程圖

2 產(chǎn)品模塊化設(shè)計系統(tǒng)

2.1 用戶需求分析

用戶需求分析是用戶需求信息的獲取與處理，是產(chǎn)品模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)[7]。用戶需求分析有利于產(chǎn)品設(shè)計決策，避免產(chǎn)品設(shè)計偏差[11]，增加產(chǎn)品設(shè)計可靠性。用戶需求分析的流程為：通過市場分析及5W2H提問法尋找用戶痛點，運用KJ法進行數(shù)據(jù)收集、分類和綜合。歸納用戶的需求集為：

2.2 功能系統(tǒng)分析

功能系統(tǒng)分析結(jié)合了系統(tǒng)論和功能論，即從系統(tǒng)的整體性、統(tǒng)一性和動態(tài)性去研究設(shè)計對象的功能全貌。為便于系統(tǒng)可視化，首先，確定系統(tǒng)總功能；其次，對系統(tǒng)總功能進行分解，直至分解到功能元[12]。

2.2.1 黑箱法（分析總功能）

黑箱指僅知輸入量和輸出量而不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表達(dá)設(shè)計任務(wù)的一種模式，黑箱明確規(guī)定了設(shè)計任務(wù)的基本功能要求和主要約束條件。暫時忽略輔助功能和非必要功能，突出抽象形式的基礎(chǔ)功能和必要功能，從而抓住事物的本質(zhì)。黑箱法如圖2所示。

圖2 黑箱法

2.2.2 功能整理（總功能劃分分功能）

功能整理是以系統(tǒng)論思想為依據(jù)，按照功能之間的邏輯關(guān)系進行整理。根據(jù)功能的重要性程度，以區(qū)分必要功能和非必要功能，從而構(gòu)建功能鏈條。根據(jù)目的和手段的關(guān)系，以區(qū)分功能的上下關(guān)系，從而形成功能系統(tǒng)圖，如圖3所示。

圖3 功能系統(tǒng)圖

2.3 功能技術(shù)矩陣分析

功能技術(shù)矩陣是功能論中分析問題的主要工具。在產(chǎn)品設(shè)計中，功能技術(shù)矩陣是圍繞設(shè)計對象的功能序列，通過定性或定量化的方法，分析實現(xiàn)各功能的技術(shù)途徑的不同組合形式，從而找出可行的設(shè)計方案。

2.3.1 功能序列重要性系數(shù)評定

功能序列重要性系數(shù)評定是根據(jù)設(shè)計對象總體功能的分功能在設(shè)計系統(tǒng)中作用的不同，通過確定功能重要性系數(shù)，分析各功能在系統(tǒng)整體中的重要性程度的方法。根據(jù)用戶需求和各功能地位的差異，將采用0.4評分法進行對比。非常重要為4分，較重要為3分，同等重要為2分，不太重要為1分，很不重要為0分，與自己相比為1分。評分法如表1所示。

表1 0.4評分法

2.3.2 構(gòu)建功能技術(shù)矩陣及技術(shù)途徑綜合分析

已知設(shè)計對象的邏輯功能體系后，根據(jù)功能序列重要性評定結(jié)果，構(gòu)建功能技術(shù)矩陣，如表2所示。為擴大設(shè)計途徑的范圍，增強設(shè)計方案的創(chuàng)造性，發(fā)掘設(shè)計組合的潛力性，需要找尋現(xiàn)有的技術(shù)途徑，需要考察設(shè)計途經(jīng)的可行性，需要關(guān)注最新的科研成果和手段。

表2 功能技術(shù)矩陣

注：J為實現(xiàn)G功能的技術(shù)途徑。

2.3.3 技術(shù)途徑綜合分析

技術(shù)途徑綜合分析是針對技術(shù)、經(jīng)濟、成本及審美等方面的優(yōu)異指標(biāo)進行分析研究，比較各組合的差異，尋找實用價值高、技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)異，且符合審美及心理的設(shè)計方案。評分項目根據(jù)需要制定，如適用性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)、創(chuàng)造性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)、能耗性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)、成本優(yōu)異性系數(shù)及環(huán)保優(yōu)異性系數(shù)等?？赏ㄟ^表1中的0.4評分法進行技術(shù)途徑優(yōu)異性評定。

2.3.4 技術(shù)相容性分析

技術(shù)相容性分析是解決各技術(shù)途徑組合是否兼容和適應(yīng)問題，是確定組合方案可行性的重要方法。利用相鄰矩陣的作法，構(gòu)成×階矩陣，進行技術(shù)途徑相容性分析，如表3所示。根據(jù)技術(shù)途徑組合條件是否可行進行判定，可行為1，不可行為0。依次進行J1、J2、J3……等技術(shù)途徑判定，最終可求得若干個可行組合方案。

表3 技術(shù)相容性矩陣

式中：l為第個可行方案；為可行方案的個數(shù)。

2.4 多層次的模糊綜合評價

為求出滿足各評價指標(biāo)的最佳設(shè)計方案，采用多層次的模糊綜合評價，對保留下來的技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)綜合值最大的個可行組合方案進行多層次的模糊綜合評價。為實現(xiàn)多因素、多目標(biāo)評價，模糊層次分析法結(jié)合了層次分析法和模糊綜合評價法。首先，層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重；然后，模糊綜合評價得出評價結(jié)果[13]。

2.4.1 設(shè)計評價指標(biāo)模型

為區(qū)分組合方案各評價因素的不同層次，將評價因素分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層[14]，如圖4所示。目標(biāo)層為關(guān)鍵識別元素，準(zhǔn)則層為設(shè)計專家提供的識別準(zhǔn)則，方案層為子評價元素。

圖4 設(shè)計評價指標(biāo)模型

2.4.2 構(gòu)建判斷矩陣及確定權(quán)重

采用1～9標(biāo)度法使得判斷矩陣定量化，如表4所示。邀請設(shè)計專家對設(shè)計方案評價指標(biāo)進行兩兩比對，從而構(gòu)建判斷矩陣。

表4 1～9標(biāo)度法

根據(jù)以上對比所得標(biāo)度值建立模糊判斷矩陣為：

式中：a為指標(biāo)與相比的重要性程度。

采用幾何平均法求解各評價指標(biāo)權(quán)重值，表示為[15]：

（1）計算模糊判斷矩陣每行數(shù)值的乘積

（3）歸一化處理后得到相對權(quán)重W

2.4.3 模糊綜合評價法

層次分析確定權(quán)重后，選擇最佳設(shè)計方案進行模糊綜合評價的滿意度調(diào)查。設(shè)評價集＝{滿意, 一般, 不滿意}，回收有效數(shù)據(jù)建立模糊評價矩陣，計算設(shè)計方案的評價向量，即：

由以上滿意度評價結(jié)果，可得出設(shè)計方案綜合滿意度情況并輸出結(jié)果。

3 設(shè)計實例

3.1 案例選取與需求分析

2019年4月15日，國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)關(guān)于《國家節(jié)水行動方案》的通知[16]，明確提出：“水是事關(guān)國計民生的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。”

在我國居民的日常生活中，沖廁日用水量在30 L以上，約占總用水量的30%[17]。廁所節(jié)水器不僅具有良好的節(jié)水效果，而且能夠有效地預(yù)防細(xì)菌感染。但我國目前使用的節(jié)水器形式、功能和原理較為單一。就現(xiàn)狀而言，擁有一款節(jié)能與節(jié)水相結(jié)合的節(jié)水器十分必要。

通過市場分析及用戶調(diào)研，收集用戶需求并用KJ法歸納為：良好的節(jié)水性、節(jié)能減排的政策性以及高敏感性和可靠性。因此約束設(shè)計結(jié)果的需求集為：

＝{節(jié)水性,節(jié)能性,高敏感性,可靠性}

3.2 節(jié)水器功能系統(tǒng)分析

系統(tǒng)黑箱法抽象出廁所節(jié)水器的總功能，如圖5所示。對輸入（其他能源、水資源和控制信號）及輸出（電能、水資源和反饋信號）的分析，確定廁所節(jié)水器的總功能為：節(jié)水和節(jié)能。

圖5 廁所節(jié)水器黑箱法

通過功能整理，將總功能劃分為供電模塊、蓄電模塊和控制模塊。按照上位功能和下位功能關(guān)系，進一步整理三級功能模塊。廁所節(jié)水器的功能系統(tǒng)圖如圖6所示。

3.3 功能技術(shù)矩陣分析

首先，在構(gòu)思廁所節(jié)水器的設(shè)計方案時，各功能領(lǐng)域和模塊有主有次。需要進行功能模塊重要性排序，確定功能模塊的重要性系數(shù)，以便后期技術(shù)途徑拓展及加權(quán)。采用0.4評分法進行廁所節(jié)水器的功能序列重要性系數(shù)評定，如表5所示。得出：在設(shè)計方案中，最重要的是供電模塊，其次是蓄電模塊和控制模塊。

然后，已知廁所節(jié)水器的邏輯功能體系和功能序列重要性系數(shù)后，構(gòu)建其功能技術(shù)矩陣，如表6所示。引入最新技術(shù)手段和先進科研成果，擴大方案的設(shè)計潛力。同時，考察各技術(shù)途徑的經(jīng)濟指標(biāo)，把價值低、技術(shù)陳舊的途徑剔除，節(jié)省計算精力。

圖6 廁所節(jié)水器的功能系統(tǒng)圖

表5 廁所節(jié)水器的功能序列重要性系數(shù)評定

表6 廁所節(jié)水器的功能技術(shù)矩陣

其次，根據(jù)方案需求制定節(jié)能性、適用性、智能性和技術(shù)性優(yōu)異性指標(biāo)系數(shù)評定，進行技術(shù)途徑綜合分析。利用0.4評分法進行評定，如表7～10所示。

表7 G1節(jié)能性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)評定

最后，按表3所示，將技術(shù)優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)得分較高的途徑進行技術(shù)相容性矩陣分析，相容為1，不相容為0。求得廁所節(jié)水器的可行組合方案如下：

（1）水輪發(fā)電，鋰離子電池，紅外檢測，定時注水；

（2）水輪發(fā)電，鋰離子電池，語音控制，定時注水；

（3）太陽能發(fā)電，鋰離子電池，紅外檢測，定時注水；

（4）太陽能發(fā)電，鋰離子電池，語音控制，定時注水。

表8 G2適用性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)評定

表9 G3適用性及智能性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)評定

表10 G4適用性及技術(shù)性優(yōu)異指標(biāo)系數(shù)評定

3.4 模糊層次分析

在廁所節(jié)水器設(shè)計中，需要考慮多因素的層次性特點。按照層次化方式去處理設(shè)計對象的評價問題，可以實現(xiàn)權(quán)重的合理分配。首先，通過德爾斐法收集專家意見，建立設(shè)計方案整體評價指標(biāo)模型，如圖7所示。

圖7 廁所節(jié)水器設(shè)計方案整體評價指標(biāo)模型

然后，邀請5位設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜?，采用?的1～9標(biāo)度法，建立判斷矩陣并求得各評價權(quán)重，如表11所示。得出結(jié)論為：在評價廁所節(jié)水器設(shè)計方案時，既要重點考慮節(jié)能性，又要考慮便捷性和環(huán)境適應(yīng)性。在方案層評價時，要重點考慮能源損耗、操作方便和環(huán)境受限問題。因此，確定方案1＝{水輪發(fā)電，鋰離子電池，紅外檢測，定時注水}。

表11 設(shè)計方案指標(biāo)各評價權(quán)重

3.5 設(shè)計方案演繹

綜合以上步驟，設(shè)計了一種廁所用自俘水能供電節(jié)水系統(tǒng)及其智能測控方法，包括自發(fā)電模塊、蓄電模塊和控制模塊。自發(fā)電模塊包括水輪發(fā)電機和穩(wěn)壓模塊；蓄電模塊包括鋰離子電池、與鋰離子電池相接的電池保護電路和降壓模塊；控制模塊包括控制器、紅外檢測模塊和執(zhí)行模塊。該測控方法如下：獲取紅外檢測模塊的信號和鋰離子電池的電壓；判斷鋰離子電池的電壓是否小于低電壓閾值；鋰離子電池的充電；判斷是否有使用者使用廁所；電磁閥打開放水及鋰離子電池的充電。本設(shè)計成本低，便于安裝，能根據(jù)使用者使用廁所時間不同選擇電磁閥關(guān)閉時間不同，實現(xiàn)廁所沖水時間的不同，節(jié)約水資源，且發(fā)電模塊為充電鋰離子電池，有效節(jié)約電能。系統(tǒng)原理如圖8所示，智能測控流程如圖9所示，效果圖如圖10所示。

圖8 廁所節(jié)水系統(tǒng)原理圖

圖9 廁所節(jié)水系統(tǒng)智能測控流程圖

3.6 模糊綜合評價

運用模糊綜合評價法對上述設(shè)計方案進行綜合滿意度評估。邀請50名工業(yè)設(shè)計系碩士研究生進行問卷滿意度調(diào)查，回收有效問卷50份，得出設(shè)計方案滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)，如表12所示。

建立模糊評價矩陣為：

圖10 廁所節(jié)水器效果圖

表12 設(shè)計方案滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)

代入得到評價模型為：

同理得到：

設(shè)計方案評價結(jié)果：廁所節(jié)水器綜合滿意度為76.3%，節(jié)能性滿意度為74.4%，便捷性滿意度為79.2%，環(huán)境適應(yīng)性滿意度為78.9%。表示該設(shè)計方案兼顧節(jié)能性、便捷性和環(huán)境適應(yīng)性。以水輪發(fā)電機為核心設(shè)計單元的廁所節(jié)水系統(tǒng)是對傳統(tǒng)節(jié)水器的一種創(chuàng)新。采用自發(fā)電模塊設(shè)計，合理地實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的高效低成本運營，具有重要的實用價值。

4 結(jié)語

本文針對產(chǎn)品模塊化設(shè)計過程中如何合理的劃分產(chǎn)品模塊和推理產(chǎn)品設(shè)計方案流程問題，提出一種基于功能技術(shù)矩陣和模糊綜合評價的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法。通過用戶需求分析、功能系統(tǒng)分析、功能技術(shù)矩陣分析和多層次的模糊綜合評價，得到一套科學(xué)的設(shè)計方法并應(yīng)用于廁所節(jié)水器的創(chuàng)新設(shè)計中。該理論分析方法具備系統(tǒng)、高效和跨學(xué)科的優(yōu)點，為今后的設(shè)計提供新的方法論。

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Product Modular Design Based on Functional Technical Matrix and Fuzzy Evaluation

XU Yuenan

( Art College, Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054, China )

In order to solve the problem of product modular design under the restriction of multiple factors and improve the systematicness and efficiency of product design, a product modular design method based on functional technology matrix and fuzzy comprehensive evaluation is proposed. On the basis of the system theory and function theory, by dividing the function of the product system, the function technology matrix algorithm is used to solve the multi-criteria module partition model, and the multi-level fuzzy comprehensive evaluation method is adopted to find the optimal solution of the system, so as to obtain a complete product modular design method. The conclusion shows that the application of functional technology matrix and multi-level fuzzy comprehensive evaluation in the design of toilet water economizer can increase the accuracy of user demand analysis, expand the evaluation level of design scheme, and improve the efficiency and systematicness of product modular design.

product design；modular；functional technical matrix；fuzzy comprehensive evaluation；water economizer

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.010

1006-0316 (2021) 08-0065-09

2021-03-23

徐躍楠（1994－），女，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計，E-mail：1933516905@qq.com。