高常青，杨 波,吕 冰,王 成

(济南大学 机械工程学院，济南 250022)

科学效应在产品概念设计中的应用*

高常青，杨 波,吕 冰,王 成

(济南大学 机械工程学院，济南 250022)

从功能元模式、效应链模式、流参量模式三个方面，分析了科学效应对于功能原理解形成的作用。建立了科学效应的知识表示模型，辅助设计人员从功能元层面、效应链层面、流参量层面实现知识推理。通过一款清洁工具的开发过程，说明科学效应在产品创新设计过程中的作用，验证相关理论的正确性。

系统化设计理论 ; 概念设计; 效应 ;知识工程 ;发明问题解决理论

0 引言

概念设计的结果是产生设计方案，形成有效的原理解是概念设计阶段的重要输出形式，因此方案设计是概念设计过程中的重要内容。该过程大都与功能、行为、结构之间的映射有密切关系，是一个基于知识的推理过程[1-2]。

科学效应是关于物理、化学、几何等领域的定律与法则。设计方案的形成与科学效应的应用密切相关。

1 理论基础

设计理论与方法是研究产品设计本质规律、步骤与策略的学科，质量功能展开(Quality Function Deployment，QFD)、公理设计(Axiomatic Design，AD)、系统化设计方法(Systematic Approach of Pahl and Beitz, SAPB)等均为该领域的研究成果。SAPB是德国经典设计理论的代表，对设计过程进行了全面的分析，提出了较完整的设计方法学，对于指导产品设计具有很大的实用价值。本论文的工程案例设计活动是基于SAPB过程展开的。

1.1 方案设计与概念设计

SAPB将设计流程分为阐明任务、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。Pahl and Beitz在[文献1]中对概念设计定义为：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的工作原理及其组合，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作称为概念设计。”

尽管国内众多学者对概念设计的研究范畴与实现方式等问题的认识上有所差异，但大都认同方案设计是概念设计的主要内容，即根据需求，通过各种方法得到相应的设计方案[3]。因此，研究设计方案的获取方法是实现概念设计的重要内容。

1.2 SAPB方案设计过程

方案设计过程一般以下主要内容：在分析需求表的基础上，利用黑箱法抽象设计任务，确定系统的总功能；根据物质流、能量流、信息流的变化，确定各个分功能之间的逻辑关系与空间关系，形成功能结构；寻找满足分功能要求的物理效应及其几何、物料特征，形成作用原理；基于形态学矩阵，在相容性原则的基础上，形成技术方案；在设计约束条件下，评价并筛选方案。

其中，作用原理的获得是形成设计方案的基础。寻求实现分功能作用原理，是一个设计方案逐步细化的过程，作用原理为后续的设计工作提供初步的结构特征，其与科学效应与领域经验知识的应用密切相关。

1.3 “功能—行为—结构”映射模型

Gero[4]提出的“功能(Function，F)—行为(Behavior，B)—结构(Structure，S)”映射模式也是一种原理方案求解方法，也称为F-B-S方法。

F-B-S方法也是一个原理方案逐步细化的过程。首先确定设计需求所对应的功能，再由功能需求转化为行为，最后确定物理结构形态。其中，功能与行为、行为与结构之间均存在多对多的关系。

如图1所示，对于简单的产品设计，功能与结构之间的映射可以在设计人员经验的基础上直接实现。随着设计产品创新程度的增加，F-B-S之间实现映射的难度加大，特别是对于复杂的产品创新设计过程，需要跨领域的效应知识支持，否则功能与行为之间的映射难以实现，后续设计工作无法进行。

图1 功能、行为、结构映射过程

1.4 科学效应知识

通过SAPB过程与F-B-S方法的分析，可以发现，原理方案的获得是一个基于知识的推理过程。有效的利用相关知识，是提高设计效率的关键。

领域效应(科学发现)是获得分功能作用原理的基础，其有助于功能推理的实现。

2 基于科学效应的方案设计

根据SAPB的方案设计流程，从总功能确定到获得技术方案，一般要经历功能分解、寻求作用原理、综合作用原理的过程。效应知识可以辅助设计人员实现获得作用原理与组合作用原理的过程，主要包括功能元映射、流变量变换、效应链组合等模式。

2.1 功能元映射模式

根据需求确定总功能，是方案设计的起点。为了支持后续设计活动，总功能通常需要进一步分解为相互关联的若干分功能，直到分解到功能元的层面(其在物理域中有相应的解)，形成相应的功能结构。在功能分解过程中，功能元是一个模糊概念，功能分解的终止取决于设计人员的工程经验。形成规范表达的功能元集合有利于功能分析过程的实现。

Altshuller[5-6]提出的30个标准功能，Stone[7]提出的功能基均为该领域的成果，其不仅规范了获得功能结构的功能建模过程，由于获得实现功能元作用原理的过程需要应用相关的设计知识，其成为知识管理过程中的有效编码准则，是实现功能与相关效应知识映射的基础。

2.2 流参量转换模式

效应知识有多种表达方式。从系统论的角度，用输入、输出之间的变化关系进行描述是常用的一种方法[8-10]。输入量、输出量可以用流的方式进行定义，如图2所示。

图2 效应模型

总结工程经验是在工程实践之后的智力活动，由于设计过程与约束条件的复杂性，所以可能出现特定的分功能求解无法通过功能元映射过程实现，需要寻求另外的求解过程。

流参量转换过程是对功能元映射过程的补充与拓展，其丰富了功能推理的方式，有助于发现新的功能元映射关系。

2.3 效应链组合模式

图3 串联与并联效应链模型

分功能的实现需要利用效应知识，效应的输出流通常和设计目标相关。实现过程可能仅需利用单个效应，也可能需要将多个效应通过特定的关联来实现设计目标，后者称为效应链组合模式。

文献[8]列出了串联、并联、混联和环形四种效应链应用方式。其中，串联与并联方式是最基本的效应链组合模式，如图3所示。

应用效应链组合模式，应以提高技术系统理想度为目标，尽可能减少参与功能实现的效应数量，降低成本，提高可靠性。

2.4 基于科学效应的方案设计过程

如图4所示，基于效应的方案设计流程主要包括以下内容：在需求分析的基础上确定总功能，通过功能分解过程获得技术系统的功能结构；针对功能结构中的分功能(功能元)，通过功能元映射、流参量转换、效应链组合方式进行作用原理的求解；基于形态学矩阵组合单个作用原理，形成技术方案；通过设计准则，评价技术方案；方案采纳则进入后续设计阶段，否则通过功能分析、资源分析等方法，重新分析问题，进入设计流程的上游，展开方案求解过程。

图4 基于效应的方案设计流程

3 知识库系统开发

3.1 科学效应知识模型

表1 知识模型编码信息

功能元映射、流参量转换、效应链组合是由科学效应获得作用原理的三种基本方式。

开发相应的知识库系统，可以提高该过程的实现效率，建立广义科学效应知识模型是前提条件，模型编码信息见表1。

3.2 知识库系统开发

基于Windows XP操作系统，采用Visual Basic 6.0可视化编程工具与ACCESS2003数据库，开发了科学效应知识库系统，可以功能元映射、流变量转换、效应链组合等效应知识的查询，支持方案设计过程。部分功能软件界面，如图5所示。

图5 串联效应链查询

4 工程实例

高层建筑物窗户清洁工作通常比较繁重，手工清洁过程中，外窗更难以清洗，且有潜在的危险性。设计适用性好、方便有效的玻璃清洁工具有广泛的需求。

下面以窗户清洁工具的设计为例，说明广义科学效应在产品概念设计过程中的应用。

(1)根据需求确定出产品的总功能，用“黑箱法”确定输入流、输出流。将产品的的总功能逐步分解，得到产品的功能结构，如图6所示。

图6 产品的功能结构

(2)针对功能结构中的分功能进行求解。按照功能元映射模式，寻求支持各个功能元实现的效应知识，并在此基础上，获得作用原理。以“固定擦布”分功能为例，其对应“控制物体位移”的标准功能，通过系统查询，筛选相关效应知识，并根据应用实例获取作用原理。如图7所示。

图7 基于效应的功能元映射

(3)功能结构中部分分功能的实现，可能会受到输入或输出流的约束，如分功能“输送液体”。基于知识库系统，可以基于流变量实现相关效应的查询，并获得作用原理，如图8所示。

图8 基于流变量的效应查询

(4)获得所有分功能的作用原理后，基于形态学矩阵，实现原理组合。经过筛选，产生概念设计方案，主要组件如图9所示。通过脚踏板输入动力，利用压力实现喷水，经钢丝轴驱动刷头，手持手柄部位，实现窗内、外的清洁。

图9 产品的概念设计方案

5 结束语

(1)概念设计方案的确定与科学效应的应用密切

相关。作用原理的确定可以通过功能元映射、流参量转换、效应链组合的方式实现相关知识的推理。

(2)开发科学效应知识库系统有助于提高概念设计的效率。

[1] PAHL G, BEITZ W. Engineering design: a systematic approach [M]. London: Springer-Verlag, 2007.

[2] 刘康, 李彦, 赵武，等. 基于本体的FPBS设计模型研究[J]. 工程设计学报，2012,19(5)：329-334.

[3] 谭建荣. 机电产品现代设计：理论、方法与技术[M]. 北京：高等教育出版社，2012.

[4] GERO J, UDO K. The situated function-behavior-structure framework [J]. Design studies, 2004, 25(4): 373-390.

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[6] 杨清亮. 发明是这样诞生的[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

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[8] 曹国忠，檀润华，孙建广. 基于扩展效应模型的功能设计过程及实现[J] . 机械工程学报，2009,45(7)：157-166.

[9] 曹国忠, 檀润华, 张瑞红. SAFE集成型概念设计过程模型[J] . 机械设计，2005, 22(8)：1-4.

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(编辑 李秀敏)

Study on Scientific Effects for Conceptual Design

GAO Chang-qing ,YANG Bo , LV Bing ,WANG Cheng

(School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)

Scientific effects are a kind of important knowledge base for innovation design process. From the viewpoint of function base, effect chain and flow variable, the function of principle solution based on scientific effects is analyzed. The knowledge representation of generalized scientific effects is established and the corresponding knowledge base system is developed to help the designers to finish knowledge reasoning by function base, effect chain and flow variable. The effectiveness is proved by the new product development process of the cleaning tool.

SAPB;conceptual design;effect;knowledge base;TRIZ

1001-2265(2014)05-0046-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.012

2013-08-08

2013-09-21

国家自然科学基金 ( 50905074，50975124)；科技部创新方法工作专项(2012IM020700);山东省大型科学仪器设备升级改造技术研究专项(2012SJGZ15) 资助项目

高常青(1975—)，男，山东无棣县人，济南大学副教授，博士，主要从事创新设计理论、方法与计算机辅助工具开发，(E-mail)me_gaocq@ujn.edu.cn。

TH122 ；TG65

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