陈剑飞，成思源，杨雪荣，周金平

(广东工业大学 机电工程学院，广州 510006)

基于功能拓展的创新设计方法*

陈剑飞，成思源，杨雪荣，周金平

(广东工业大学 机电工程学院，广州 510006)

由于消费者对产品功能需求的不断变化，企业需要系统化的设计方法来提高产品创新能力，以满足消费者快速多变的需求。针对功能需求的新产品开发进行研究，提出一种基于功能拓展的创新设计方法。在确定核心功能的基础上，以宏功能为逻辑联系，对核心功能进行拓展绘制出功能系统图，再利用功能导向搜索和结构知识库，对功能进行结构匹配，实现从功能到结构的映射，最后将各结构组合，完成概念设计。从而通过核心功能的拓展形成满足特定功能需求的创新设计方案。最后用行李车案例验证了该设计方法的有效性。

宏功能；功能拓展；概念设计；创新设计

0 引言

随着消费水平的不断提高，消费者对产品的功能需求在不停的变化，这就使得生产的产品必须满足消费者快速多变的要求，进一步导致了制造业之间的竞争更加激烈，针对消费者的功能需求，不断推出好的新产品是企业提升竞争力的重要途径。

目前，针对功能需求来设计新产品，已有许多学者进行了大量的研究。文献[1]针对已有产品的再创新设计提出一种基于功能本体的再创新设计策略;文献[2]针对专利的再创新设计提出一种集成TRIZ和专利规避设计的产品创新方法;文献[3]为了提高复杂产品的概念设计创新性,提出一种运用知识进化算法和实例推理的结合算法开发复杂产品的方法。

以上研究对产品的创新设计起到了重要的推动作用，但是大多是在现有产品的基础上进行集成、裁剪、替换等操作，以达到再创新设计的目的。针对功能需求，基于核心功能的拓展进行新产品创新的方法还比较少见。

本文在已有研究基础上，针对新产品技术系统，提出了一种基于功能拓展的创新设计方法。在确定核心功能的基础上，以宏功能为逻辑联系，对核心功能进行拓展绘制出功能系统图。然后运用功能导向搜索和现有的结构知识库等来映射各功能对应的物理结构，完成概念设计。最后用案例验证了该设计方法的有效性。

1 宏功能的定义

产品功能可以理解为产品的效能，用途和作用。功能定义就是对产品的需求信息或者效应，用科学、准确、简洁、明确的语言进行抽象的描述[4-5]。图1是产品与功能实物特性的抽象描述。功能求解就是要寻求实现功能的技术载体，功能求解的过程就是功能到结构映射的过程[6-8]。

宏功能本身是一种功能，更重要的是它表述功能之间相互作用与种种联系，可以理解为功能的功能，用于描述方法功能与目标功能之间的关系[1]。如图2所示是宏功能的概念模型，宏功能是连接方法功能和目标功能最本质的桥梁，它为功能与功能之间进行逻辑联系提供依据。具体的可以理解为宏功能作用于方法功能而产生目标功能，也可以由目标功能利用宏功能找出方法功能，如提供，驱动，使得，控制，操纵等。

图1 产品与功能实物特性的抽象描述

宏功能对产品的概念设计起到非常重要的作用，事实上只要确定目标功能，再根据宏功能，我们就可以找到方法功能，只要可以满足宏功能要求的方法或原理都可以选择，就是说可以供选用的方法功能不只一种，每一种方法功能都是一种新的思路，进而产生不同的设计结果，这都会对整个设计概念产生巨大影响，可以说每个宏功能都是创新的突破节点。

图2 宏功能概念模型

2 基于功能拓展的概念设计

基于功能拓展的概念设计可分为五个步骤：确定核心功能、核心功能的拓展、功能整理和功能结构图的绘制、功能到结构的映射、评价。

2.1 确定核心功能

核心功能就是用户对于产品的需要功能，是实现产品使用价值必不可少的功能，子功能是为了实现核心功能而存在的功能，这里的核心功能和子功能可以作为方法功能或目标功能。对于同一个功能需求，可能有很多种核心功能供选择，每一种新的核心功能都是一种新的思路。

2.2 核心功能拓展

在核心功能确定的基础上，以核心功能为中心拓展成若干个子功能，宏功能为功能拓展提供了思路和逻辑依据。拓展的基本思路是：核心功能怎样产生，核心功能要做什么。如图3功能拓展的流程图所示。将核心功能当作目标功能，通过宏功能就可以找到方法功能，只要可以满足宏功能要求的方法或原理我们都可以选择，也就是说可以供选用的方法功能有很多种，根据自己的经验和知识库选择易于实现的方法功能，以产生的方法功能作为目标功能，通过宏功能再产生方法功能，以此类推，原则上是拓展到不能再拓展为止，直到最后的末端功能。然后将核心功能当作方法功能，通过宏功能就可以找到目标功能。像这样利用宏功能拓展出功能组织结构。

图3 功能拓展的流程图

2.3 功能整理及绘制功能系统图

宏功能揭示了功能之间的相互作用和联系。如图4功能系统图所示，利用宏功能拓展出功能组织结构在描述形式上常采用功能块图，运用系统思想，分析确定功能间的网状关系，从而建立功能系统图。可以看到，功能系统图具有较强的逻辑性和合理性，是分析功能相互关系的强有力的图形工具，能准确地显示所有功能之间的关系，检查所研究的各功能的有效性，发现遗漏的功能，开拓设计者的思维。

图4 功能系统图

2.4 功能到结构的映射

通过前面的各个工作步骤，已经建立了功能系统图，可以清晰地看到实现核心功能所需的各个功能，为了实现这些功能，运用功能导向搜索和现有的结构知识库等来映射各功能对应的物理结构。如图5所示是从功能到结构的映射框架，由功能到结构的映射是通过功能匹配、功能实现方法查找以及功能间互相关系来实现的[9-10]。功能导向搜索是通过检索功能实现的方法库，从中可以找到功能的实现方法，为我们提供思路，由于功能导向搜索使用的是现有的解决方案，实现起来比较容易，需要的资源也比较少，而且得出来的方法大多数已经经过证实，项目失败的风险也比较低[11-12]。结构知识库存贮了大量而丰富的物理结构方法，可以在其中找到合适的结构方法，实现部分功能的结构辨识和匹配。通过功能匹配和功能实现方法查询完成功能结构模型到物理结构模型的映射，组合到一起就构成了最终产品。

对物理结构模型进行评价，希望最终得到低成本、高可靠性、易于实现的结构。在需要时可以对物理结构模型进行替换，在必要的情况下甚至可以对功能结构模型进行修改，修改的方法是通过在知识库中查找同义或反义功能语义表达，进而产生功能变更或改变功能间的关系来产生替代功能，这种替代功能与原始功能具有相同的作用目标，但是比原始功能性能更加优越，可以映射出所希望的低成本、高可靠性、易于实现的物理结构。

图5 从功能到结构的映射框架

3 案例

行李车被广泛应用于车站、航站等公共场所中，以协助相关使用者搬运移动行李及物品的，行李车在结构设计上为人们所熟知，通常包括设于行李车底部的一载盘、由该载盘后侧立向延伸的一拉杆架，以及设于载盘底部的数个轮子，十分普遍。

行李车于实际应用经验中发现，行李车的轮子具有轻易滚动特性，以利于其移动的顺畅性,但也相对造成行李车使用过程中会因此存在一些问题，例如在通过地下通道时，行李车极易因速度过快而侧翻，给人们造成不便，或者在光滑地面上，稍微人为的碰撞就会产生位移，甚至侧翻摔倒，造成一些不必要的损失。针对现有技术上存在的不足，人们需要一种具有速度控制功能的行李车。

(1)核心功能的确定

确定核心功能为速度控制功能。

(2)核心功能的拓展

在速度控制功能确定的基础上，以速度控制功能为中心拓展出子功能，宏功能为功能拓展提供了思路和逻辑依据,拓展的基本思路是：核心功能怎样产生，核心功能要做什么。

将速度控制功能当作目标功能，怎么样产生“速度控制功能”呢？所以定下宏功能为“使得”，就可以找到满足宏功能“使得”的方法功能比如“产生摩擦力”“减少动力”“减档位”等等，我们根据实际需要选择易于实现的“产生摩擦力”，以产生的方法功能功能“产生摩擦力”作为目标功能，怎么样产生“产生摩擦力”呢？确定宏功能为“提供”通过以上的方法再找到易于实现的方法功能“力作用的转换”，以产生的方法功能功能作为目标功能，通过宏功能“驱动”再找到方法功能“力作用的传递”，运用这种方法，最后找到末端功能“提供动力”。将速度控制功能当作方法功能，“速度控制功能”要做什么呢？确定宏功能“控制”就可以找出目标功能“车体的减速或加速”。利用宏功能这种揭示了功能之间的相互作用和联系就可以拓展出功能系统结构。

(3)功能整理及绘制功能系统图

核心功能拓展完成后对功能进行整理绘制出功能系统图。如图6所示是速度控制装置功能系统图。

图6 速度控制功能装置的功能系统图

(4)功能到结构的映射

通过前面的各个工作步骤，已经建立了功能系统图，可以清晰地看到实现核心功能所需的各个功能，为了实现这些功能，运用功能导向搜索和现有的结构知识库等来映射各功能对应的物理结构，如表1所示是功能到结构的映射方案。

表1 功能到结构映射的方案

(5)最终方案

通过功能映射出的速度控制装置的结构，并且和传统行李车的支撑结构模块、移动结构模块有机的组合到一块就构成了具有速度控制功能的行李车结构系统。具体方案如图7所示，行李车工作时，主要通过固定式拉杆1向下压或上提时，操纵连动杆2，使连动杆压紧或放松，来驱动止推杆3的下压和复位，使得摩擦片4与工作轮5接触与分离，以达到控制速度的作用。

本具体实施方式通过固定式拉杆向下压、上升动作即可以完成行李车的速度控制，而整体结构仅仅通过所述的连动杆、推动杆、止推杆、弹性复位构件即可达到行李车的速度控制功能，可提供一种机构简单且操作方便的行李车速度控制功能机构，该设计通过人力使拉杆下压产生的力让摩擦片去控制行李车的速度，这个下压的力不仅仅是来源与人力，更主要的是来源于行李车及所承载货物本省的重力，这样就极大的减轻了人的劳动负荷量，具有一定的新颖性和实用性[13]。

1.固定式拉杆 2.联动杆 3.止推杆 4.摩擦片 5.工作轮

4 结论

本文以新产品开发的核心功能为基础，以宏功能扩展为手段，为产品的创新设计提供了一种新的思路。针对新技术系统的开发，以核心功能为出发点，以宏功能为逻辑联系，对核心功能进行拓展绘制功能系统图，预先确定其应具备的功能。然后根据功能系统图要求和约束条件去构思、设计实现功能的方法，运用功能导向搜索和现有的结构知识库等来映射各功能对应的物理结构，完成概念设计，最终得到所需求的产品。以一种速度控制功能的行李车的创新设计验证了该设计路线对新技术系统创新设计的有效性。

[1] Tang D, Zhu R, Chen X, et al. Functional Reverse Engineering for Re-creation Design.[J]. Advances in Intelligent & Soft Computing, 2009, 66:185-195.

[2] 王浩伦. 基于TRIZ和专利规避设计的产品创新方法[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2014(5):66-68.

[3] 胡玉兰, 杨汝静. 基于知识进化与多级实例推理的复杂产品概念设计方法[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2013(10):20-23.

[4] 陈飞, 王隆太. 产品概念设计中的相关技术[J]. 扬州大学学报(自然科学版), 2001, 4(3):64-66,71.

[5] 单鸿波, 李淑霞, 孙志宏. 本体范畴下一种新的功能定义及对应的产品设计过程划分[J]. 工程设计学报, 2011,18(1):12-16.

[6] 杨艳华. 概念设计功能求解混合推理映射研究[D].福州:福州大学, 2011.

[7] 宋慧军, 林志航. 机械产品概念设计多层次混合映射功能求解框架[J]. 机械工程学报, 2003, 39(5):82-87.

[8] 许勇, 邹慧君. 基于接口匹配的机电系统概念设计功能求解[J]. 计算机集成制造系统, 2006, 12(9):1396-1401.

[9] 邹慧君, 汪利. 机械产品概念设计及其方法综述[J]. 机械设计与研究, 1998(2):9-12.

[10] 罗海玉.基于功能分析的概念设计[J]. 机械研究与应用, 2002,15(4):65-67.

[11] 刘宁, 李艳, 金琳,等. 基于功能导向搜索和功能裁剪的专利规避设计[J]. 北京印刷学院学报, 2015,23 (2):48-51.

[12] 成思源，周金平，郭钟宁．技术创新方法-TRIZ理论及应用[M]．北京：清华大学出版社，2014．

[13] 陈剑飞，成思源，杨雪荣．一种具有速度控制功能的行李车[P]．中国：CN 201520227836.5A，2015-04-15．

(编辑 李秀敏)

A Methodology of Innovation Design Based on Function Expansion

CHEN Jian-fei, CHENG Si-yuan, YANG Xue-rong, ZHOU Jin-ping

(College of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

Due to consumer demand for product function changing, the enterprise needs to systematic design method to improve product innovation capability, in order to meet the rapidly changing consumer demand. Aimed at function needs based new product development, a methodology of Innovation Design Based on function expansion was proposed.On basis of determining core function, the key function was expanded by logically linking of the meta-function, and the function system diagram was drawn. The structure-knowledge library and Functional orientation search were used to match the function with the structure. So the structure was achieved. Combining the structures, conceptual design was realized. So the innovation design products which satisfies function needs was formed. Finally, a luggage cart case study was used to illustrate the validity of the design method.

meta-function; functional expansion; conceptual design; innovation design

1001-2265(2017)01-0028-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.008

2016-03-17；

2016-04-18

广东省科技计划项目 (2013B061000006, 2014A040402004, 2014A040401078)

陈剑飞(1989—)，男，湖北谷城人，广东工业大学硕士，研究方向为产品创新方法，(E-mail)903868794@qq.com。

TH122;TG506

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