江 屏，孙建广，张换高，檀润华

0 引言

市场竞争的加剧，要求企业快速开发出满足新的市场和客户需求的产品，这对企业的自主研发能力提出了新的挑战，企业必须提高自身的创新能力才能适应未来市场快速的变换，在竞争中处于技术优势。产品创新的核心是根据市场和客户的需求变化，通过设计人员的创新设计开发出适应新需求的产品，因此，产品创新的关键是如何针对市场和客户需求的变化产生新设想，并通过系统化方法将该设想转换为技术方案。产品创新模糊前端（Fuzzy Front End，FFE）是在概念设计之前产生创造设想的阶段，是创新设计开端、产品创新发动机和创新能否成功的关键。创新设想的产生是FFE过程中最重要的活动，经过论证的设想作为FFE的输出，启动新产品的开发过程［1］。通过FFE阶段得到产品的创新设想，以设想为驱动进行产品的创新，形成新产品的概念设计方案，并将概念设计方案生成更具竞争力的技术或产品。该阶段输出新产品设想，决定是否开发和启动新产品过程，直接影响后续的设计过程和质量。

FFE阶段的创新设想产生以设计人员主观思维的工作为主，存在很大的不确定性。目前，关于FFE的研究主要是降低FFE阶段的不确定性，提出切合产品发展的创新设想。例如，文献［2］建立了四阶段模型，实现了市场分割、用户讨论、竞争基准、新产品规划的无缝连接，以降低FFE阶段的不确定性对新设想的影响；文献［3］提出了信息技术，如数据挖掘，可用于FFE阶段的设想产生；文献［4］提出了设想产生的三类方法，即面向未来的方法、上下文方法、资源驱动方法；文献［5－8］将发明问题解决理论（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）方法与FFE结合，应用TRIZ分析并解决产品设计中的问题，根据TRIZ的原理解类比计算机辅助创新（Computer Aided Invention，CAI）知识库中的案例，提出产品创新的设想。

目前，我国技术对外依存度高达50%，我国大部分企业都处于对跨国公司技术的模仿和消化吸收阶段，因此，为提高企业赢取竞争的优势和自主创新的能力，我国企业的技术研发正逐渐向原始创新拓展，开发出具有自主知识产权的核心技术。设计人员有一个较好的产品思想是原始创新的关键，而这种产品思想正来源于FFE阶段。FFE的有效性成为了企业取得竞争性的产品概念，是进行原始创新的基础。本文研究以FFE为驱动的产品创新过程，从市场和技术两个发展方向入手，建立由产品设想产生到概念设计并最终形成技术方案的创新过程模型，系统化地指导设计人员进行产品开发，提高产品创新的成功率。以社会、经济、工业等的发展为背景，通过顾客与市场的需求进化规律和技术自身发展的技术进化定律来发现创新机遇，根据产品发展的目标明确产品创新所要解决的发明问题，应用TRIZ理论对该发明问题进行分析，结合CAI软件系统所提供的知识库，确定产品创新设想，以该设想驱动产品的概念设计并形成创新的技术方案。

1 FFE的内涵及其与创新设计的关联

随着全球市场一体化的逐步形成，世界范围内的竞争异常激烈且不断升级。企业间的竞争在更大范围内展开，在此情形下企业如果不能及时果断地抓住机会，则势必会将产品利润和市场份额拱手让与他人。这就要求企业具有高柔性，以最快的速度把握住市场机遇，在更广阔范围内的激烈竞争中占领先机。高效率、高成功率地响应客户和市场需求变化的能力，是企业在当今竞争环境中获得成功的关键。

FFE指新产品开发过程中进行创意产生、筛选的阶段，FFE虽然是新产品开发（New Product Development，NPD）过程中最模糊的阶段，但也是体现企业整体创新能力、创新成功与否的关键阶段。企业NPD取得成功的关键因素是FFE创新活动的正确结果以及在此基础上对产品的合理规划与概念设计。随着产品的生命周期越来越短，技术、竞争环境以及顾客需求的快速变化导致企业之间的竞争逐渐加剧，企业对新产品开发的能力、效率和成功率等各方面的要求越来越严格。产品创新是设计者为满足一定的目标进行的一个动态、复杂、模糊的不确定性活动。本文所定义的FFE是指从最初创意产生到形成最终概念的整个过程，因此，FFE过程本身就是产品创新设计过程，只不过其重点是在产品概念设计之前的一系列设计活动，主要通过合理的分析在众多创意中选择最佳的创新方向，并根据该方向确定出产品的概念设计方案，从而指导设计人员进行后续的新产品开发。

FFE的概念最早出现于1985年，是指在新产品开发之前阶段的活动，包括创意的获取、对顾客需求的认识、市场发展趋势以及新产品创意的产生等活动。随着新产品研发过程的研究，FFE的结果对新产品研发的重要性日益显著。Koen等［9］将模糊前端的影响因素分成组织内部与组织外部两大块内容，分析了不同类型的创新（从渐进性产品创新到突破性产品创新）前端活动，并将模糊前端的内容概括为机会确认、机会分析、创意的产生和丰富、创意的选择以及产品概念的定义五大块内容。概念的定义是后续产品开发的起始点，根据该概念，首先进行产品的概念设计。概念设计的主要任务是产生满足需求功能的设计方案，是产品创新的核心。概念设计基于功能分析给出建立功能结构的过程与方法，将总功能分解为分功能和功能元，功能与能量、物料、信号三种流组成的网络结构即为待设计产品的功能结构，定义每个功能元的原理解，并将所有功能元的原理解合成，以便得到待设计产品的原理解。

FFE驱动的产品创新过程在上述FFE阶段五部分内容的基础上，引入TRIZ理论并将其设计活动扩展到概念设计中，从市场需求拉动和技术进化驱动两方向挖掘技术机会，应用TRIZ理论的问题标准化与求解流程，将潜在的技术机会转化为TRIZ的原理解，在CAI系统的辅助下结合产品所处的具体领域将该目标确定为领域解，即产品开发的创新设想。对于市场需求拉动的创新设想，通过渐进性创新来缩短现有产品与客户需求之间的差距，以提高产品的顾客满意度；对于技术进化驱动的创新设想，通过突破性创新来开发新的替代技术，从而提高产品适应未来市场变化的能力。FFE与概念设计的一体化创新设计如图1所示，FFE驱动的产品创新过程模型总体上可以分为以下四个阶段：

（1）目标市场分析 从已有产品或未来产品领域出发，首先对产品所采用技术的历史和现状进行分析，通过专利检索对技术发展现状有一个明确的认识，根据市场调研与顾客满意度分析确定产品竞争的焦点，根据自身技术优势与特点选择合适的关键技术作为研发对象，通过需求进化定律在可预测需求区内预测未来需求，确定最终产品的研发目标。

（2）技术机会分析 根据产品研发目标，将产品的创新机会分为技术进化驱动和市场需求拉动两个方向。在技术进化驱动方向，结合TRIZ的技术成熟度预测和技术进化定律确定创新技术机会，即在某条进化路线上技术所处的状态，分析当前产品所处的进化路线阶段，根据需求发展方向确定面向突破性创新的技术机会；在市场需求拉动方向，通过分析当前产品和未来目标之间的差距，找到产品在研发方向上的关键问题点，将其转换为TRIZ中的冲突，并应用冲突解决理论确定面向渐进性创新的技术机会。

（3）创新设想产生 问题形式化及求解是对于确定的领域问题，应用TRIZ中的冲突、效应及标准解等工具及类比方法，确定解决领域问题的创新设想［6］。CAI起到提供工具及知识库的作用，即CAI中包含的各种TRIZ工具及其所对应的知识库可方便地支持产品创新设想产生。

（4）产品概念设计 根据创新设想进行产品的概念设计，首先将新产品的客户需求转换为功能结构，并确定待求解的功能元，将待求解功能元分为普通功能元与困难功能元两类，前者采用通常方法获得原理解，后者采用效应综合法求解，该过程由CAI软件中的效应知识库及其综合算法的支持完成。

2 FFE驱动的产品创新过程模型

在FFE阶段所产生的创新设想是提高企业创新成功率和效率最有效的保证，创新设想是对设计对象未来状态的一种描述，这种状态可能是功能的、原理解的、结构的或者参数的一种语义描述。本文以TRIZ理论为依据进行创新设想的分析，减少FFE阶段的模糊性和不确定性。基于TRIZ产生的创新设想是一种基于知识的描述，不仅描述了对象的未来状态，还通过CAI软件得到与之关联的技术信息（专利和实例），即在产生设想的同时，为后续概念设计提供了相应的支持。TRIZ的引入建立了FFE和概念设计的桥梁，实现了创新设想到最终功能－结构方案的设计。基于TRIZ的FFE驱动的产品创新过程模型如图2所示。

FFE驱动的产品创新过程是以TRIZ分析框架与概念设计的功能分析为核心，通过以现有产品的类比确定产品创新设想并进一步建立产品的功能结构，进而完善整个产品的创新设计。产品创新的目标是开发一种更具竞争力的新产品或新技术，以适应未来市场的变化趋势。市场和技术的发展是产品创新的动力和源泉，技术的发展可以提高产品的性能，满足更高的市场要求；反之市场需求的不断提高会要求产品的某些技术进行改进或者更新换代。因此，本文将产品创新的动力分为市场需求拉动力和技术进化驱动力，从两个方向分析进行创新的目标市场调研；以目标市场的发展趋势为依据来选择TRIZ的工具进行创新设想可行性设计，结合CAI软件系统提供的实例确定出产品新的未预见发现（Unexpected Discovery，UXD）；根据产品创新的UXD进行产品的概念设计，建立创新设想所对应的产品功能－结构关系，并通过参考现有产品的技术原理方案，分析创新设想与现有产品之间的差距，从原理和结构两个方向进行产品创新，最终确定新产品的概念设计方案。

2.1 目标市场分析

客户需求是产品开发的动力和源泉，满足客户要求的产品才能在市场中占有一席之地。如果开发人员不能对市场中的客户需求进行完整的描述和定义，或产品功能不能完全实现客户需求，此时导致了较高的市场不确定性。因此，市场环境的不确定性主要是由于客户需求的变化不稳定所造成的。客户对产品越来越高的要求导致其复杂性急剧提高，产品的复杂性体现在功能的多样化和技术的集成化，产品发展的根本在于客户需求的变化；与此同时，市场竞争的激烈和技术的不断创新也推动了客户需求的不断提高，客户需求和产品都处于主动－被动交替的进化过程中，这种交替的进化导致产品的技术发展存在相当大的技术不确定性。FFE阶段技术不确定性和市场不确定性的降低对NPD项目的效率和效果有不同程度的正面影响［10］。因此，目标市场分析阶段需尽可能减少产品开发的市场不确定性，这样才能保证后续研发活动的方向的正确性。

目标市场分析是在对现有成熟定型的产品及其关键技术分析的基础上确定未来新产品的研发目标，首先确定当前产品所对应的市场和技术能力，然后根据技术能力与市场满意度定义目标市场。确定目标市场的主要任务是确定现有系列产品中某一个或几个关键技术，及其所对应的市场网格和客户群体。市场分析是提取产品的需求信息，包括用户特征、消费者需求、技术需求、协作需求和管理需求等细分变量。其中，消费者对产品的功能特点、能力、使用性、外观和安全性等需求细分变量是确定目标市场的主要出发点。专利信息里蕴含了产品整个发展过程中技术的更新替代，包含了最详细的技术发展过程，通过专利检索并按照专利的研究方向对其进行分类，能够挖掘出该产品的相关技术发展过程以及目前的研究热点。

产品设计的目的是满足客户需求，客户需求的变化是向更好的状态发展，这也是人类社会发展的过程中对追求目标的实现难度越来越大的一种体现，是人类需求的层次不断发展的一种结果。为减少目标市场的不确定性，通过对未来产品市场需求的预测分析，确定出产品未来市场的发展方向，PETROV［11］认为人类需求不断提高的过程就是用户需求不断进化的过程，分析产品市场需求的历史变化趋势，根据需求进化的规律，预测未来的用户需求，可以引导企业开发出领先于竞争对手的新产品。PETROV［11］定义了5条需求进化定律，即需求进化理想化、动态化、协调化、集成化和专门化定律，并构成需求进化系统，如图3所示。每条定律指出需求进化的一个方向，研发人员可以根据该方向预测所开发产品未来的需求。

需求进化最直接的结果是产生全新概念的产品，这就要求不断发展技术来推动产品满足新需求。同时，技术自身的发展与进化对产品的创新具有推动作用，所产生的新的科学发现或技术发明导致产品进行技术变革，在该变革技术指导下开发的产品是一种全新产品的创新，该产品也能够推动市场需求的发展，使其更具创新性和竞争力。根据需求进化确定未来产品的发展方向，并以此为推动力进行产品的技术创新，在降低产品研发过程中的市场不确定性的同时，为进一步确定技术创新机会奠定了基础。

2.2 产品创新的技术机会分析

为减少技术不确定性对产品创新的后续影响，在技术机会分析中应用TRIZ的问题分析工具对产品研发目标进行技术分析，以理想解作为市场需求拉动下的产品研发目标，通过渐进性创新解决冲突，克服现有产品存在的问题，提高顾客满意度。根据技术进化路线确定产品潜在的进化方向，该进化方向即为技术进化驱动下的产品研发目标，通过突破性创新实现产品的技术升级，提高产品快速应对未来市场变化的能力。

市场需求拉动下的渐进性创新是对已有产品的改进，尽量缩小当前技术特征实现功能的能力与客户需求之间的差距，即设计中的冲突。TRIZ认为冲突是普遍存在的，必须从根本上解决冲突才能使产品向理想化发展。市场需求拉动的创新通过对现有产品的局部改进来克服当前产品中的冲突，以提高产品理想化水平和顾客满意度，如图4所示。根据TRIZ中理想解的定义，理想系统是指在系统有用功能充分实现的同时，它对外部的有害作用以及消耗趋于零的系统。客户需求代表一种不平衡，是目标与现状的差距，这种差距一直处于动态变化之中，会不断地产生问题，因此要求企业不断克服这些问题，推动产品的不断改进。

市场需求拉动下的创新是对已有产品的改进，已有产品可以是本企业正在生产中的产品，又可以是其他企业生产的竞争产品。在符合知识产权保护法的范围内，根据已有产品的技术特征与产品功能要求之间的关系，分析当前技术特征实现功能的能力与客户需求之间的差距，确定未确认的缺点及未来可能发生的潜在问题，然后明确该产品用户目前及未来还没有满足的需求，分析当前产品所达到的性能和未来目标之间的差距，定义出该产品创新要解决的问题，并应用TRIZ的物质—模型和冲突发现等分析问题的工具，以及约束理论 （Theory of Constraints，TOC）、质量功能配置（Quality Funtion Deployment，QFD）、公理设计（Axiomatic Design，AD）等方法分析问题，并建立问题的冲突模型，从而确定出面向冲突的创新机会。

技术进化驱动下的突破性创新以开发适应未来市场变化的全新产品为目标，通过技术更新或变革来开发出更具创新性的产品。客户需求通过功能来满足，功能由技术来实现，技术进化驱动的产品创新将需求进化和技术进化两个方向的因素进行融合，以功能为媒介，建立需求—功能—技术三者之间的两两映射关系，以需求进化为起点，根据需求发展趋势和映射变换关系，选择要进行创新的关键技术，并根据技术进化分析，确定出技术进化的最终创新设想，如图5所示。

TRIZ中的技术成熟预测是对产品当前技术发展现状的评价并能指出产品创新的策略；技术进化定律和路线是具体地明确技术发展趋势，10条进化定律是指技术进化的10个方向，技术进化路线指出了某种技术进化的状态序列，即产品沿进化路线进化的过程是新旧技术更替的过程。基于当前产品技术所处的状态，按照进化路线发展，使其移到新的状态。基于TRIZ中技术进化理论的预测结果可以帮助企业确定新产品开发的方向，减少技术不确定性。技术进化驱动下的产品创新是对未来市场或技术的预测前提下开发出的目前不存在的产品，首先根据目标市场对客户群体进行划分，对目标市场进行需求预测，确定一个待开发的新市场网格，然后将需求转换为功能需求，之后应用技术进化分析确定技术发展的趋势，确定出未来产品的新技术或原理的发展方向。

2.3 基于UXD的创新设想产生

FFE阶段的设计具有未预见发现UXD的特征，是一种事先未预料到而又发生的感知行为结果［6］。UXD是驱动产品创新的动力和源泉。本文从市场需求拉动和技术进化驱动两个方向出发，以TRIZ技术进化和冲突解决方法进行分析相结合，确定产品创新机会，根据创新机会结合CAI知识库，通过类比确定UXD，通过UXD产生产品创新的设想，并以UXD作为概念设计的起点进行产品的创新。UXD类比的过程是将市场需求及企业实现环境作为主要因素，并在TRIZ框架下进行的设计决策活动。因此，评价过程的主要依据应是市场需求及企业实现环境。通过市场需求确定哪些设想能成为突破性创新设想或产品结构较大改进设想，这些设想如果有可能在企业实现，则选为高质量设想，并输出到NPD阶段，以进一步指导概念设计。

UXD能够启发创新并使设计者突现新概念，发现及传递UXD成为类比创新成功的关键［12］。发现及传递UXD是面向FFE的创新设想产生的关键，随着产品开发的难度越来越大，仅靠设计人员的经验很难找到切合产品发展的创新设想。现代产品设计的重心已由传统的基于经验的设计转变为基于知识的设计，充分的设计知识源是进行产品创新设计的必备条件［15］。本文以CAI提供的知识库为技术支持，根据上述两个创新机会确定出创新所要解决的问题，将该问题转换为TRIZ中的标准问题描述，通过将TRIZ的标准问题作为类比源，选择对应的原理解决该标准问题，构建TRIZ第一级类比过程，根据原理解选择合理的知识库实例，并结合产品实际情况进行第二级类比过程，实现由TRIZ通解及CAI知识库实例产生UXDs，并使设计人员产生设想或概念，如图6所示。

基于UXD的产品创新设想产生过程是以TRIZ理论及CAI知识库为基础的二级类比过程，通过第一级类比将领域问题转换为TRIZ问题，并通过匹配操作获得TRIZ通用解；第二级类比将第一级类比获得的TRIZ通用解及与之对应的设计实例作为设计场景，同时作为类比源，驱动领域解的类比求解过程；设计者依据自身的设计经验、对领域问题的理解及提供的场景，提出多个UXD，即源设计传递给目标设计的特征，这是CAI驱动产品创新设想产生的关键步骤。在UXD和个人知识、经验、创新思维方法的共同作用下建立扩展解空间，将UXD特征传递给目标设计，并在TRIZ通用解的约束下收敛确定领域解。

2.4 CAI支持的产品概念设计

在概念设计阶段，产品设计活动的焦点是建立新产品的功能结构，并根据企业已有资源选择合理的技术方案来实现新产品的功能，其设计的核心是困难功能元的技术方案设计，对于渐进性创新，其困难功能元主要是设计中存在的冲突，通过冲突解决理论来实现新产品功能的重组；对于突破性创新，其困难功能元主要是未来产品中某个关键功能的核心技术实现，通过效应知识来确定实现功能的新原理。

CAI提供了不同领域、不同行业的知识，这些知识是从世界专利库中精选出的专利中抽象出来的；TRIZ中的各种工具经过几十年的发展及众多企业实践的检验是正确的；选出的TRIZ解或称TRIZ特解要经过第二级类比形成领域解的过程，充分体现了设计者的创造能力。因此，基于TRIZ的FFE创新设想是在充分运用大量已有知识的基础上获得的高质量设想，与此同时，CAI技术为产品创新设计，尤其是概念设计提供了先进的创新理论、方法与多学科知识的支持。在此基础上采用CAI工具进行产品的创新，可大大激发研发人员的创新能力，能够将产品设计的创新设想转化为产品。

市场需求拉动的结构创新是以更好地满足客户需求为目标，通过分析现有产品市场的顾客期望目标与产品实际能力之间的差距，以及对现有产品的持续改进来不断提高顾客的满意度，市场拉动下创新的焦点是现有产品所存在的发明问题，设计者应用TRIZ中的发明问题解决方法，以CAI知识库为技术支持来解决该问题，实现对现有产品的功能－结构的局部重构或优化。产品结构创新是指对现有产品在保持功能原理不变的情况下，针对产品应用过程中存在的问题对其进行持续性的改进，以提高产品的顾客满意度。产品结构创新是基于渐进创新的产品持续改进，是通过解决产品中存在的某个问题，使其更接近产品的理想化水平。在对现有产品的功能－结构进行分析的基础上，发现冲突域及冲突，应用TRIZ中的发明原理解决冲突，形成创新概念。根据创新概念改进已有结构，完成创新设计，如图7所示。

技术进化驱动的原理创新是以产品的进化发展为目标，通过需求进化定律对当前产品市场需求的预测分析，确定出产品未来市场的发展方向，并对产品的某项技术进行变革来应对未来市场的快速变化，技术进化驱动的创新焦点是在可预测的未来发展趋势下现有产品的技术更新换代，根据市场的未来发展趋势，应用TRIZ的技术进化对现有技术进行分析，确定出新产品的研发方向并重构新产品的功能－结构，选择CAI的效应知识库中的效应来实现产品的功能，以及对现有产品的功能拓展与技术替代。产品的原理创新是指产品某项功能以满足市场的未来发展为目标，将其对应的实现技术以一种新技术来替代，提高产品适应市场变化的能力和市场竞争力。产品原理创新是基于突破性创新的产品技术的更新换代或破坏性创新，是产品的某项技术由一个生命周期向另一个生命周期的转换，一条S曲线向另一条S曲线的跳跃。

原理创新的驱动力来自于FFE阶段所确定的技术进化驱动下的创新设想，根据该设想对现有产品的功能－结构进行重构，通过现有的产品技术方案与重构的功能－结构模型中的各个功能元进行对比，在保留现有产品可用结构的基础上，确定功能结构中包括主功能的困难功能元。采用TRIZ中的效应方法实现困难功能元的综合。该过程需要CAI软件中的效应知识库及其综合算法的支持，如图8所示。

3 实例应用—带式输送机创新设计

带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械，将物料在一定的输送线上，在最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。在矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中，广泛应用带式输送机，主要用于水平运输或倾斜运输。

3.1 带式输送机创新设想产生

带式输送机从1795年发明到现在已经经历了三百多年的发展历史，其产品的发展已经达到了非常高的水平，而且客户需求基本稳定，产品的性能参数及其变化范围比较固定，已经形成了国家级的标准和规范。本文实例中的DTⅡ型固定式带式输送机用于煤矿中开采原煤的输送，客户在购买带式输送机时主要进行机器的选型，根据使用的要求确定出带式输送机的相关性能参数：输送量（t·h－1）、输送机安装倾角、输送机长度、提升高度、物料密度和工作环境。带式输送机的各项技术发展较为均衡，客户需求的变化主要是对带式输送机的性能要求的变化，因此，以技术驱动下的原理创新为依据，进行带式输送机创新设计，适应未来市场变化。

3.1.1 带式输送机目标市场分析

通过对带式输送机性能参数的提高范围与客户的满意度进行分析，可知近几年性能改进的重点是产品的运量能力的提高，这种改变对动力传输提出了新的要求，带速太高会加剧皮带的磨损，也会影响带式输送机的可靠性和寿命。由于带式输送机的发展历史较长，我国的带式输送机水平虽然与国外有一定的差距，但基本上跟上了国际先进技术水平，本文以国内的带式输送机的专利为目标，通过专利的检索和分析，确定现有带式输送机的关键技术，根据创新设想进行新技术的更新。在国家知识产权局检索到带式输送机专利资料321件，其中实用新型专利269件，发明专利52件；通过筛选分析，将专利研究的关键技术归纳为承载方式、驱动方式、制动方式、输送带结构、移动方式。通过分析上述五个核心技术与客户需求的关系，进而分析核心技术的变化会对产品的满意度存在哪些影响变化，建立技术－性能参数的关联矩阵，并采用权重（1，3，5，7，9）来描述两者之间的关联程度，根据权重的不同确定出未来产品的核心发展技术。技术－需求关联矩阵（如表1）表明，承载方式和输送带结构是与客户需求关联最为密切的两个技术，由于本文研究的带式输送机用于煤矿原煤的运送，其物料的材质基本确定，承载方式的变化会影响输送带的结构形式。因此，本文将承载方式作为未来带式输送机的技术研发重点。

表1 带式输送机技术—需求关联矩阵

3.1.2 带式输送机技术机会分析

带式输送机的主要客户需求是运输能力，从需求进化的角度对带式输送机的客户需求进行分析，确定客户需求向理想化发展，其理想的客户要求是一种无磨损的高速带式输送机，以实现快速的运送货物。实现该需求的重要功能是带式输送机的承载货物和输送货物两大功能，其中承载货物决定了输送货物的能力，结合目标市场分析结果，承载货物对应的技术－承载方式可以作为关键技术点，对其进行技术进化分析并选择该技术的替代技术。

应用计算机辅助创新系统InventionTool3.0对带式输送机的承载方式进行技术成熟度预测，并根据技术成熟度预测结果确定带式输送机的开发战略。根据专利分析结果，将筛选后得到的带式输送机承载方式有关的107份专利的申请时间、申请号、专利名称、申请人、摘要和专利等级，分别输入InventionTool3.0系统，以两年为时间跨度单位对专利数据进行分析，技术成熟度预测如图9所示。

带式输送机的承载方式已经达到成熟期前期，现有的承载技术对产品性能的提高已经达到了极限，因此需要一种新的技术来替代现有的承载方式。根据专利信息中的技术发展过程进行分析，选择进化模式和路线来确定新型承载方式的替代技术。通过对带式输送机的专利分析，发现其承载方式经历了如下几个阶段：原始带式输送机→深槽型带式输送机→管状带式输送机→气垫式、液垫式带式输送机。

根据带式输送机承载方式的发展过程，通过对比TRIZ的进化模式，选择一条柔性化的进化路线：

动态性增加：刚性体 → 一个铰接 → 两个（多个）铰接 → 弹性体 → 分子结构（液体、气体）→ 场。按照这条进化路线描述带式输送机承载方式的进化过程，如图10所示。

由进化路线可知，带式输送机的承载方式已经达到了分子结构，出现了气垫式带式输送机。虽然气垫式带式输送机已经得到了一定程度的应用，但是它的缺点决定了其应用场合具有很大的局限性，也促使它向更高的程度进化。因此，带式输送机的承载方式将向场进化，可以利用磁场支撑来实现，磁垫式带式输送机是带式输送机的技术机会。

3.1.3 带式输送机创新设想产生

与普通带式输送机相比，磁垫式带式输送机具有许多优点，但缺点是更容易跑偏。主要原因是，磁垫式带式输送机的输送带与托辊之间是靠磁力支撑的，没有了摩擦阻力，提高了传动效率，降低了输送带的摩擦，但是也增大了输送带跑偏的趋势。因此，可将这个问题转化为力与结构稳定性的冲突。查询冲突矩阵，可得发明原理35，10，21。

根据发明原理35（参数变化）的提示，如果能通过改变输送带自身的某个参数来克服输送带跑偏的缺陷，无疑是最好的方法。采用“改变物体的柔性”的原理，增大托辊的柔性，采用每组多个托辊支撑的方式，并增大托辊的槽角。经过简单的受力分析就可以得出结论，胶带能自行对中，不会跑偏。如图11所示，假设胶带向左偏，则δ1＜δ2，这时磁斥力N5＜N4，胶带在N4作用下右移；反之N4＜N5，胶带则向左移动，只有当δ1＝δ2，N4＝N5时，胶带将在x方向达到受力平衡，故磁浮系统能使胶带自动对中。结合发明原理和现有设计参数的分析，确定出5个托辊支撑的UXD，该方案可以有效避免跑偏，如图12所示。

3.2 带式输送机原理创新

带式输送机以磁垫式承载代替现有的接触式承载，减少带式输送机的摩擦力，提高了输送效率，降低了输送成本，从而降低了企业的维护费用。本文应用技术进化驱动的原理创新对带式输送机的功能—结构进行分析，重新构建磁垫式带式输送机概念设计，选择合理的技术方案实现该概念设计。

3.2.1 磁垫式带式输送机功能－结构分析

带式输送机的客户需求主要是运送货物，实现物料的位置转移，带式输送机的总功能定义为改变物料的位置，带式输送机用于煤矿中原煤开采后向地面的输出，顾客会针对煤矿开采的情况以及煤矿巷道的走向提出对于带式输送机的运输能力的要求，并针对井下的工况环境提出个性化要求，因此，运量、长度和工况环境（工况环境包括巷道的走向）定义为设计约束。根据带式输送机的总功能在功能－结构之间进行映射变换，对现有的带式输送机进行功能分解，功能－物料结构分解为四级，如图12所示。根据各个功能之间的相互影响和作用，确定带式输送机的叶功能要求的执行顺序和输入输出关系。根据输入输出关系建立带式输送机的功能结构，并在功能结构的基础上应用三流原则进行带式输送机的功能模块划分，如图13所示。

对于带式输送机这种成熟的产品，对其进行功能分解的关键点有两个层次：第一个层次，根据客户需求确定带式输送机的功能层次结构；第二个层次，将可重用的产品零部件与其功能实现进行一一对应，并根据功能和结构的影响关系，确定困难功能元。图13中的各个虚线框表示带式输送机的各个功能模块，其中“存储物料＋支撑物料”模块是磁垫式带式输送机所要解决的关键技术，其他功能模块都可以用现有的技术方案。

3.2.2 磁垫式带式输送机概念设计

磁垫式带式输送机采用磁垫支撑，虽然提高了输送效率，但需要专门的磁性胶带，且容易发生飘带和跑偏。因此，磁垫式带式输送机的困难功能元是磁场支撑货物下如何解决跑偏的问题，从效应知识库里选择磁场效应来实现其基本功能，并引入市场需求驱动中的结构创新，辅助对该问题进行分析，将跑偏问题定义为一对技术冲突——力与结构的稳定性，查询冲突矩阵，可得发明原理35，10，21。根据发明原理35参数变化中的“改变物体的柔性”的原理，增大托辊的柔性，采用每组多个托辊支撑的方式，并增大托辊的槽角，通过受力分析发现该方法能够保证输送带不跑偏，设计方案如图14所示。通过后续的技术设计建立如图15所示的带式输送机结构。

4 结束语

本文以TRIZ作为FFE和概念设计的桥梁，建立FFE驱动的概念设计一体化创新过程模型，将技术进化驱动和市场需求拉动作为产品创新动力，在市场需求拉动下，以解决现有产品存在的问题及提高顾客满意度为目标，通过分析现有产品市场的顾客期望目标与产品实际能力之间的差距，确定基于冲突的创新设想，通过TRIZ中的发明原理、标准解等解决冲突，使产品向最终理想解进化，建立面向持续性创新的产品结构创新设计关键技术；在技术进化驱动下，以开发未来产品实现技术为目标，通过分析市场需求的变化趋势以及技术进化趋势，确定基于技术进化的创新设想，根据创新设想重新构建未来产品的功能－结构，应用TRIZ中的效应原理求解困难功能元的解，开发出下一代产品，提高产品快速应对未来市场变化的能力，建立面向突破性创新的产品原理创新设计关键技术；以两种创新的关键技术为基础，结合FFE阶段的不确定性和创新性的特点，引入CAI知识库作为技术支撑，建立产品创新设想与概念设计相融的FFE驱动的产品创新设计系统化过程模型。应用该创新设计系统化过程模型进行带式输送机的创新设计，从原理创新的角度设计出磁垫式带式输送机技术方案，为适应该产品未来的市场变化奠定了技术基础。

因为需求和技术的发展是动态化的，需求和技术的变化推动作用是相互的，所以本文中结构创新和原理创新之间存在相互交叉，今后应进一步分析创新驱动力的本质，优化创新设计过程模型。

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