基于功能分析與可拓理論的再設計方法

陳錦成，成思源，楊雪榮

（廣東工業(yè)大學 機電工程學院, 廣東 廣州 510006）

產(chǎn)品的核心價值在于功能，用戶所需要的并非產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所附帶的功能[1]。對此，面向功能的概念設計成為產(chǎn)品開發(fā)過程中創(chuàng)新程度最高的設計階段。其中針對已有產(chǎn)品的再設計主要通過分析產(chǎn)品的已有功能并對其中相關模塊改進以實現(xiàn)創(chuàng)新。殷習等[2]基于功能?結構的映射關系提出了一種關于可變功能的機械設計方法。肖河曼等[3]提出一種基于功能相似矩陣的創(chuàng)新設計方法，通過建立專利產(chǎn)品的功能模型并建立其功能相似矩陣以選擇合適的創(chuàng)新原則對其進行再設計。梁鎧等[4]提出了一種基于功能建模的專利規(guī)避創(chuàng)新設計方法，對產(chǎn)品進行功能建模并對其進行裁剪，利用TRIZ理論得到侵權風險較小的創(chuàng)新方案。成思源等[5]提出一種基于功能結構分析與TRIZ理論集成的產(chǎn)品創(chuàng)新方法設計方法，利用功能分解與結構圖解方法找出產(chǎn)品中待改進的問題及相關功能元，再使用TRIZ理論工具對其分析并改進。

隨著可拓學的廣泛應用，對于產(chǎn)品的可拓創(chuàng)新方法也逐漸成熟?？赏貙W將事物的特征和量值結合研究，相比其他創(chuàng)新方法更容易獲取產(chǎn)品潛在的信息，有助于后續(xù)創(chuàng)意的發(fā)散與生成[6]。鄭震霆等[7]提出了一種機械運動系統(tǒng)行為表示研究方法，通過蘊含系分析與事元模型分析機械的運動系統(tǒng)。陳曉菁等[8]提出了一種面向?qū)＠a(chǎn)品創(chuàng)新的可拓變換方法，通過產(chǎn)品的組件構建功能模型并進行可拓變換得到專利規(guī)避模型。樓炯炯等[9]提出一種基于可拓創(chuàng)新的TRIZ改進方法，利用基元模型規(guī)避了TRIZ在解決矛盾問題時問題分析和概念方案評價困難等缺點。李正軍等[10]提出了一種基于可拓基元的產(chǎn)品設計符號創(chuàng)新方法，通過可拓理論表示產(chǎn)品的設計符號，拓展產(chǎn)品的創(chuàng)新思路。

目前將可拓理論應用于產(chǎn)品功能分析的創(chuàng)新方法主要集中于研究產(chǎn)品的組件或整體功能結構，而以產(chǎn)品某個具體功能作為再設計出發(fā)點的可拓創(chuàng)新方法則較少。本文將產(chǎn)品的特定功能與可拓理論結合研究，提出一種基于功能分析與可拓理論的再設計方法。首先構建已有產(chǎn)品的功能結構，隨后確認產(chǎn)品存在的不良事件，并對不良事件建立其事元模型，通過可拓學中的蘊含系分析推斷其發(fā)生的原因。根據(jù)分析結果，可確認功能結構中的問題功能并對其建立功能事元模型，然后對其進行拓展分析與可拓變換得到改進后的功能，最后構建新的功能結構，完成對已有產(chǎn)品的再設計。本文以一種菠蘿采摘裝置設計為例驗證該方法的可行性。

1 功能結構的建立

功能是產(chǎn)品與組件存在的依據(jù)，是從產(chǎn)品與組件中抽象出來的概念，而且在產(chǎn)品的使用過程中得以表現(xiàn)。但通過自然語句描述產(chǎn)品的行為來確認產(chǎn)品功能在結果上往往因人而異，導致在確認產(chǎn)品的功能過程中受到人的主觀影響，有可能會導致功能表達不規(guī)范或不準確[11]。

功能本體可被定義為一個包括功能術語及其之間規(guī)范關系的體系，是功能概念化和功能分類的規(guī)范說明系統(tǒng)，是對各種功能知識進行結構化描述的表述方式[12]。其相關應用包括利用對功能的基礎動詞詞匯進行分類，搭建多層級的功能本體庫。如Szykma[13]整理的，由裝配、組合、使用、控制、傳輸、轉(zhuǎn)換六大類組成的功能集詞庫。其中表1為功能集詞庫的節(jié)選部分。

表1 功能集詞庫（節(jié)選）Table1 Function set lexicon

功能集詞庫有助于設計者規(guī)范地描述功能，其穩(wěn)定性好，在建立已有產(chǎn)品的功能結構過程中，功能集詞庫可作為知識基礎以標準化、規(guī)范化、格式化的形式描述各組件的功能。

已有產(chǎn)品的功能結構建立可分為以下步驟：

(1) 信息提取：對包括但不限于已有產(chǎn)品的專利說明書在內(nèi)的書面文件或產(chǎn)品實物進行分析以獲取產(chǎn)品的技術信息。

(2) 功能定義：以功能本體庫為知識基礎，通過上一步驟所提取的技術信息確認各組件表達的行為，與功能本體庫中的功能詞匯進行匹配。

(3) 功能建模：從系統(tǒng)分析的角度去確認已有產(chǎn)品中各組件的相互關系，建立功能結構的拓撲模型。

以功能本體庫為知識基礎，通過對已有產(chǎn)品的專利說明書或其他書面文件進行信息提取以了解已有產(chǎn)品的工作原理，建立對應的功能結構。如圖1所示，總功能可逐層分解為分功能、子功能，形成多層級的功能結構[14]。根據(jù)各功能的重要程度將產(chǎn)品的功能劃分層級并將各組件與對應子功能間進行匹配，構建已有產(chǎn)品的功能結構模型，可以對產(chǎn)品各組件表現(xiàn)的行為進行抽象，有助于設計者在后續(xù)對于產(chǎn)品的問題功能的確認與改進。

圖1 功能結構模型圖Fig.1 Functional structure model diagram

2 基于可拓理論的問題功能改進

2.1 不良事件的事元模型建立與原因追溯

不良事件常指用戶在使用過程中產(chǎn)品并不能滿足其需求，產(chǎn)品的行為存在缺陷的負面現(xiàn)象，同時也是產(chǎn)品存在問題功能的外在表現(xiàn)。相較于產(chǎn)品內(nèi)在的功能，不良事件更容易在產(chǎn)品使用過程中被發(fā)現(xiàn)和觀察，因此可對不良事件進行分析，將造成不良事件的原因作為確認產(chǎn)品功能結構中對應問題功能的依據(jù)。

在可拓學中，物與物之間的相互作用可稱為事，不良事件可以理解成用戶與產(chǎn)品之間或產(chǎn)品組件之間的相互作用，屬于事的范疇。故可以用事元模型以形式化的方法使設計者更清晰地分析事物信息[15]。其中事元模型的組成為

其中，Oa為 動作的名稱,ca為動作的特征，va為對應特征所取的量值。動作的基本特征有支配對象、施動對象、接受對象、時間、地點、實現(xiàn)方式、工具等，根據(jù)實際事件類型合理選擇特征與補充相對應的量值能有針對性地去定義事件[6]。

不良事件在通過事元模型的建立后，可通過可拓理論中的蘊含系分析法來推斷其發(fā)生的原因。

蘊含系分析可根據(jù)事物之間的蘊含性，以事元為形式化工具對事物進行分析，是找到核心問題與問題源頭的一種常用方法。一個事元的出現(xiàn)常常與另外一個事元相關并導致其他事元的出現(xiàn)，故事元之間存在著邏輯關系，其蘊含關系主要包括“與蘊含”和“或蘊含”[16]。

設有事元A、A1與A2, 若A1、A2兩者之一實現(xiàn)都能使A實現(xiàn)，則稱A1、A2或蘊含A， 記A1∨A2?A。反之則稱A或 蘊含A1、A2，記A?A1∨A2。

設有事元A、A1與A2,若A1、A2兩者同時實現(xiàn)方能實現(xiàn)A， 則稱A1、A2與蘊含A， 記A1∧A2?A。反之則稱A與 蘊含A1、A2，記A?A1∧A2。

對于一個實際問題事件而言，其蘊含系常常是包括多種蘊含關系且多層級的[17]，如圖2所示。

圖2 實際問題事元蘊含系結構圖Fig.2 Structure diagram of the affair element implication system for practical problem

對不良事件的事元模型進行邏輯推斷能構建它的蘊含系，通過蘊含系分析能以清晰的因果關系得出導致不良事件發(fā)生的原因。其原因可作為依據(jù)以確認功能結構中的問題功能，并為其事元模型的建立提供部分特征的屬性量值，還能為問題功能事元模型的拓展分析指引合理的拓展方向。

2.2 問題功能的事元模型建立與拓展分析

通過對產(chǎn)品的不良事件建立事元模型并進行蘊含系分析得到其原因，可以從功能結構中檢索出問題功能。

事元模型能夠通過選擇與補充多個特征量值這一方式對功能進行多維度的信息提取與分析，這無疑體現(xiàn)了可拓學中基元理論的優(yōu)勢與特點。但對整個功能結構的所有功能都建立事元模型會造成功能特征信息的冗余，導致拓展分析的方向過多，不利于后續(xù)針對產(chǎn)品當前存在的問題進行改進。因此有必要先確認出功能結構中的問題功能，再針對問題功能建立其事元模型并對其進行分析。

建立問題功能事元模型后，為得到改進的思路需進行拓展分析。本文主要采用拓展分析中的發(fā)散分析方法對問題功能事元模型與對應的組件物元模型進行發(fā)散，其主要針對基元的三元素：對象、特征、量值進行拓展。在拓展過程中，常常不變動三者之一，然后對剩余兩個元素進行拓展，從而進行如“多對象一特征多量值”、“一對象多特征多量值”等針對不同元素的拓展分析。

2.3 可拓變換

從一個基元出發(fā)，基于拓展分析可以得到許多相關的基元，為問題功能與對應組件的變換提供了多條途徑。但拓展分析只是生成了可能實現(xiàn)的途徑，并未對功能結構進行操作。想要實現(xiàn)改變功能結構這一目的，仍需要進行可拓變換，通過變換運算，生成功能與組件的變換方案。

基元的可拓變換有5種基本形式[16]，分別為：

(1) 置換變換：TB=B′，從B的發(fā)散基元集中尋找可以替代本身的基元。

(2) 增刪變換：TB=B⊕B0；T B=B⊕B0，從B的發(fā)散基元集尋找可與之進行組合的基元B0進行增變換或?qū)煞只狟進行分解出基元B0并進行減變換。

臨床妊娠中10%~15%以流產(chǎn)告終,復發(fā)性流產(chǎn)理論上的風險為0.34%,發(fā)生率1%~3%,其中50%~70%找不到明確的原因[1 2]。對于年齡大于35歲,既往有不孕癥歷史的婦女,當出現(xiàn)2次自然流產(chǎn)時即應加以重視。

(3) 擴縮變換:TB=αB,對B的對象或者特征的量值進行擴縮變換。

(4) 分解變換：T B={B1,B2,···,Bn} ，若B為可分基元，則可將其分解為若干個子基元。

(5) 復制變換：TB*={B,B*}。

在可拓變換過程中，常不能直接一步變換便把初始基元變換為目標基元，故需要一定邏輯的變換運算方法，其中最常見的運算方法為積變換，即多個變換依照順序連續(xù)執(zhí)行。

基于功能本體庫內(nèi)的知識內(nèi)容以及對不良事件的原因追溯，并通過以上多種形式的可拓變換及其運算，可將問題功能事元模型與其對應的組件物元模型進行變換，獲得規(guī)避了造成不良事件的原因且表現(xiàn)更好的功能事元模型及其對應的組件物元模型，從而構建新的功能結構。

2.4 問題功能改進流程

問題功能的改進流程如圖3所示，首先通過功能本體庫去構建已有產(chǎn)品的功能結構，之后對產(chǎn)品存在的不良事件建立其事元模型，利用可拓理論中的蘊含系分析推斷其出現(xiàn)的原因。通過該原因可得到功能結構中的問題功能，并建立問題功能事元模型及其對應的組件物元模型。

圖3 問題功能改進流程圖Fig.3 Problem function improvement process

在拓展分析過程中，利用先前蘊含系分析中所得的不良事件原因作為規(guī)避的依據(jù)，使問題功能事元模型與組件物元模型朝著合理的方向拓展；功能本體庫作為其知識基礎，便于生成更多的創(chuàng)意。

3 案例分析

本次案例分析引用了專利號為CN201920316642，名為“一種菠蘿采摘工具”的產(chǎn)品。通過其專利說明書附圖獲取其組件構成，如圖4所示。

圖4 一種菠蘿采摘工具示意圖Fig.4 Schematic diagram of a pineapple picking tool

通過專利說明書可知其相關工作原理：本申請實施例中，提供了一種菠蘿采摘工具，通過手柄、彈簧刀、定位部件等組件，完成對菠蘿的采摘工作且不會損傷植株；通過定位部件定位菠蘿莖部，并在手柄轉(zhuǎn)動的過程中將莖部折彎，對后續(xù)切斷有幫助；通過彈簧刀的彈力產(chǎn)生切割的動力，以便于菠蘿莖的一次性切除，提高菠蘿采摘效率[18]。

根據(jù)專利文本提供以上的信息，以已有的功能本體庫為知識基礎，建立該產(chǎn)品的功能結構，如圖5所示。

圖5 原有產(chǎn)品的功能結構圖Fig.5 Functional structure of the original products

從原有產(chǎn)品的功能結構圖可知，該產(chǎn)品主要通過切割子功能實現(xiàn)菠蘿與菠蘿根莖分離的目的，定位功能則是保證切割功能的穩(wěn)定實現(xiàn)。結合產(chǎn)品專利說明書對功能結構分析，可知產(chǎn)品在長期使用后容易出現(xiàn)切割力不足與不能準確定位這兩種不良現(xiàn)象，可定義產(chǎn)品存在的不良事件為：產(chǎn)品在長期使用后切割運動不穩(wěn)定以及定位效果不佳。對此，分別對兩不良事件建立以下事元模型。

結合實際應用的不良現(xiàn)象與不良事件事元模型可知，彈簧在長期反復的壓縮拉伸的運動后，其彈力性能惡化，使得擋板與手柄之間的面接觸固定不可靠，不利于產(chǎn)品執(zhí)行切割運動。同時定位部件也用到了扭簧，亦有類似風險。對此，建立對應的事元模型，并進行以下的蘊含系分析，所得的事元蘊含系結構如圖6所示。

圖6 不良事件蘊含系結構圖Fig.6 Structure of implication for adverse affairs

由圖6可知，使用者在長期使用該產(chǎn)品時，需要反復按壓手柄切割，而這一運動的長期執(zhí)行又導致了彈簧和扭簧的彈性性能惡化。對此，可確認產(chǎn)品中由彈簧形變來實現(xiàn)固定擋板的固定功能與由扭簧實現(xiàn)的定位功能為問題功能。下一步，分別建立其對應的問題功能事元模型并對其進行拓展分析。

對于原有的問題功能“固定”，其特征“實現(xiàn)方式”的量值為“面接觸”，而該量值屬于不良原因，故需要對其進行變更。為更換事元特征中實現(xiàn)方式這一量值，相比由彈力生成的靜摩擦而實現(xiàn)的面接觸，可選擇更為穩(wěn)定的桿系連接，而桿系連接中能實現(xiàn)水平方向位移且符合實際情況的傳動方式有曲柄滑塊傳動。具體發(fā)散過程為：面接觸┫ 桿 系連接┫ 曲柄滑塊傳動。

通過對已有的功能本體知識庫查找可知，原有的“固定”屬于“保障”一類，而“牽引”屬于“導向”一類，但“牽引”這一抽象概念能通過連接這一更為穩(wěn)定的傳動方式來表達，而且“固定”與“牽引”屬于同一層級，故可進行替換，建立起新的功能事元模型并拓展其合適的實現(xiàn)方式。該問題功能事元模型發(fā)散分析過程為

對于定位功能，其功能為產(chǎn)品所需，故不需更改。結合蘊含系分析的結果可知，扭簧形變是定位功能成為問題功能的不良原因，需要變更該功能的實現(xiàn)方式。由產(chǎn)品的功能結構可知，手柄與復位彈簧共同作用可實現(xiàn)角度變化的功能。通過發(fā)散分析，將實現(xiàn)定位功能的定位部件變更為新的手柄，利用按壓手柄逐漸靠攏菠蘿根莖這一動作來作為定位功能新的實現(xiàn)方式。具體發(fā)散過程為：扭簧形變┫ 按 壓┫ 靠攏夾緊，該問題事元模型的發(fā)散分析過程為

此外，增加部分在功能事元模型拓展分析后伴隨著特征變更而發(fā)散生成的組件物元模型與需要進行可拓變換的原有組件物元模型，具體為

M11=[待添加組件群，組成部分，{M4、M5}]

首先對原有產(chǎn)品的問題功能事元模型A3、A4分別進行置換變換T1、T2，將其分別替換成表現(xiàn)更佳的新功能事元模型A32、A42。

T1A3=A32

T2A4=A41

對應地，伴隨著功能的變換，與原功能相關的組件物元模型亦需要進行可拓變換，變換成能實現(xiàn)新功能的新組件物元模型。其中扭簧M7、 擋板M3，彈簧M8的對應功能已被替換，而手柄M2與定位部件M6在后續(xù)需要進行可拓變換，故將上述物元納入待刪減組件群M10的特征“組成部分”的量值中。通過原產(chǎn)品M1與 待刪減組件群M10之間進行基于共有特征“組成部分”的刪變換T3， 得到保留組件群M101。

同理，對手柄M2與 定位部件M6進行基于共有特征“形狀”的增變換T4，得到具有定位效果的新手柄M21， 并將其納入待添加組件群M11的特征“組成部分”的量值中。變換公式與組件模型為

之后，對保留組件群M101與 待添加組件群M11進行基于其共有特征“組成部分”的增變換T5，得到改進后的新產(chǎn)品M102，其特征“組成部分”的量值見圖7中的組件，共7個。

圖7 新功能結構圖Fig.7 Functional structure of new product

通過可拓變換可得到新功能事元模型與新組件物元模型，并建立新的功能結構，如圖7所示。

根據(jù)新的功能結構可得到改進后的設計方案，如圖8所示。

圖8 新產(chǎn)品外觀示意圖Fig.8 New product appearance diagram

本次再設計首先構建原有產(chǎn)品的功能結構，之后通過對產(chǎn)品的不良事件進行蘊含系分析得到產(chǎn)品的問題功能，分別為形變功能、固定功能、定位功能。其中形變功能被刪去，并通過對剩余問題功能事元模行進行發(fā)散分析與可拓變換，使牽引功能替換固定功能，同時改進定位功能的實現(xiàn)方式。此外，還對原有產(chǎn)品的組件構成進行刪減，將手柄的前端作為定位部件，使得手柄在按壓的過程同時能夾緊菠蘿根莖，增大了定位部件與菠蘿根莖的接觸面積，提高其定位效果，確保切割效果。

4 結語

本文提出了一種基于功能分析與可拓理論的再設計方法?；诠δ鼙倔w庫建立已有產(chǎn)品的功能結構，發(fā)現(xiàn)并選擇以產(chǎn)品的不良事件作為切入點，通過蘊含系分析去確認產(chǎn)品功能結構中的問題功能。對不良事件與問題功能建立事元模型，其信息被特征與量值兩類元素作為載體并以矩陣形式表達，設計者能直觀地分析并提取有用的信息。通過蘊含系分析方法得到不良事件發(fā)生的原因作為后續(xù)功能事元模型拓展分析的規(guī)避依據(jù)。對問題功能事元模型進行合理的發(fā)散分析，變更部分特征與量值，最后對問題功能進行可拓變換，得到改進的新功能。該方法通過深入分析問題功能的相關信息，并以此提供合理的拓展分析指引，為針對已有產(chǎn)品的再設計提供了一種新的思路和可操作的方法。