于志刚,成思源,杨雪荣

(广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006)

0 前言

设计是为了满足人们的某种需求而进行的有目的的创造性活动[1]，随着人们需求的不断变化，人们不断总结和提出新的设计理论和方法。

通用的设计理论将整个设计过程分为4个阶段，包括需求建模、产品功能建模、物理建模和详细设计。用户需求是企业进行产品设计的源头、依据和关键，也是连接市场、用户和产品开发过程的桥梁[2]。目前，在对已有产品进行创新设计时，研究较多的是基于TRIZ理论的系统化的功能建模和冲突解决原理。姚莉娟等[3]将系统化功能建模和分析方法应用于轨道三维检测设备的改进。黄兆飞等[4]将TRIZ的产品冲突解决流程用于求解往复式线切割机床贮丝筒设计中存在的问题。由我国学者提出的创新设计方法可拓学，具有对一般问题形式化描述的特点，能够深入地理解和挖掘用户需要的信息[5]。文献[6]中认为“用户需要”和“用户需求”是不同的，需要对应产品功能，需求对应产品本身。对于某件产品，用户需要的是产品的功能而不是产品本身。杨亮鸿等[7]提出了从用户需要事元出发，将它映射到移动运输机器人的功能事元，再由功能事元映射到产品的结构关系元的可拓创新设计方法。李文军和杨春燕[8]针对可拓学第一创造法体系不完善以及创造过程太笼统，提出根据用户需要准确确定产品功能的方法，有效解决了原有概念设计方法中根据用户需要进行概念设计过程中产生的信息遗漏问题。花黄伟[9]从用户需要分析出发，对纯电动汽车车门进行轻量化的设计研究。以上的研究从用户的需要出发，在获得用户需要事元基础之上，经过可拓变换方法分析处理，处理结果作为新产品设计开发的依据。本文作者将已有产品的用户需要作为产品开发的起点，充分考虑不同类型用户需要的特点，针对不同类型的用户需要开展相应的创新流程，提出基于用户需要与功能融合的产品创新设计方法。

本文作者提出的针对已有产品创新设计一般化流程如图1所示。判断用户需要事元与已有产品功能事元是否一致，若一致，利用功能分析建立功能模型，找出问题功能(有害、不足和过剩)的相关技术特征，再借助可拓学中的基元理论和可拓变换对问题功能进行分析，对原有系统功能结构模型进行改进；若不同，利用用户需要事元与功能事元的映射关系获得功能动作表现的物元，再根据功能事元和结构关系元的映射关系找到结构关系元的特征和量值，建立新功能系统模型。将改进系统功能结构模型与新功能系统模型相融合，获得最终的产品设计方案。通过案例分析，验证方法的有效性。

1基于功能分析和可拓学改进原系统功能结构模型

1.1 功能分析

功能分析是TRIZ中分析问题的工具，是一个对系统建模的过程，主要包括组件分析、相互作用分析和建立功能模型[10]。组件是系统或超系统中的一个物质、场或者物质和场的组合。相互作用是描述和识别系统组件和超系统组件之间的关系，用矩阵可以辅助分析组件间的相互作用。功能模型用来描述系统组件与超系统组件或系统组件之间的相互作用关系，对于产品功能事元不能充分满足用户需要时，可以帮助设计人员找到需要改进的组件，并利用基元理论进行进一步分析。

1.2 基元理论和可拓变换及其应用

在可拓学中，为了形式化描述事物，建立了基元理论，包括物元、事元和关系元[11]，分别由对象O,特征C和量值V组成。用一维或多维的形式来表现事物的特征和量值，基元的一般表达式[12]记为

B=(O,C,V)

可拓变换是可拓学中用于解决矛盾问题的工具和手段，将不可行问题转化为可行问题，包括5种基本变换方法(置换变换、增删变换、扩缩变换、分解变换和赋值变换)、4种变换的运算方法(积变换、与变换、或变换和逆变换)、传导变换方法和共轭变换方法。在可拓创新设计中，常用基本可拓创新方法包括建模、拓展、变换和选择4个步骤[11]。可拓变换中的增删变换和置换变换可将系统中的组件或组件的特征进行增删和替换成所需的基元，从而获得创意，故文中运用可拓变换中的增删变换与置换变换作为原系统功能模型的改进方法，在确定改进对象并建立基元模型后，根据基元模型作形式化的变换公式，实现对系统组件或组件的特征结构增删、替换，完成改进。

在文中，主要用到增加变换和置换变换，增加变换包括增加某个执行组件和目标组件以实现其功能或增加执行组件由该组件实现某功能；置换变换是把目标结构关系元的量值换成另一个量值，从而实现结构关系的改进。当确定了改进目标，比如增加执行组件由该组件实现某功能，则可以通过式(1)表示：

(1)

增加某个执行组件和目标组件实现其功能，则可以通过公式(2)表示：

T2B3=[O1,C7，V5⊕V6]

(2)

其中：V表示物元M、事元A、关系元R。通过可拓变换的方式可以清楚地表达增加组件的具体参数，并得到增加和替换后的一般解。增加的对象是物元、事元或关系元，则相当于增加了组件、功能和组件间的相互作用关系包括的参数。由于增加了组件或新的相互作用关系，以完善和改进原系统同样的功能，可实现已有产品系统的升级与改进，进一步深度满足用户需要。

2 基于映射关系的新增系统功能模型

2.1 用户需要事元与功能事元的映射关系

根据用户需要事元与已有产品功能事元判断，对新增的用户需要事元展开进一步分析。根据需要事元和功能事元的映射关系、功能事元与结构关系元的映射关系对产品功能模型进行结构实现的求解。

功能通过使用者或机械结构的动作表现，因此，对应产品功能事元表述应包括具体的使用动作和工具。文献[5]提出，需要事元Ani赋予功能事元Afi一系列特征及量值，进而实现需要事元Ani映射到功能事元Afi的目的。根据文献[13]中的需要与功能的映射关系，且仅当Ofi=Oni、cfij=cnij、vfij=vnij(j=1,2,…,t)时，可将需要事元与功能事元映射关系表示为公式(3)的形式[7]，功能事元对应的工具用物元表示为式(4)的形式：

(3)

(4)

2.2 功能事元与结构关系元的映射关系

产品的功能与产品的结构的映射称为功构映射，是对产品功能模型向结构化的求解，可将产品的功能性描述转化为能实现功能的零部件形状、尺寸及相互关系的描述[13]。由功构映射可知，功能事元Afi可赋予结构关系元Rri相应的特征和量值，从功能事元向结构关系元映射。功能事元Afi的工具量值Mfi与其他工具量值或已有产品结构Mij的映射方式可以表示为公式(5)[7]的形式：

(5)

根据新的用户需要，通过映射关系，可以从新的用户需要映射出待创造产品的结构及结构之间的关系。将这些映射结果(物元、结构关系元)进行组合，形成新增功能系统模型。该方案既包括了原有产品功能上的改进，也包括了新功能添加，使得设计方案更能满足用户需要。

3 案例分析

为提升光伏板发电效率，需要经常清洁粘结在光伏板面的灰尘和鸟类粪便等杂质。已有的光伏电池板清洁设备结构如图2所示，该工具主要由机架、毛刷、刷柄、机械臂等组成，其工作方式是由牵引车提供外力，通过机械臂控制机架的方向与角度，毛刷与板面接触，从而去除光伏板面上的灰尘等杂质。

3.1 事元模型建立及比较

用户需要可以用事元模型表示为

根据实地考察，我国西北高纬度地区有大批的光伏发电基地，该地区地理环境和气候对光伏电池板清洁效率有非常显著的影响。在寒冷的冬季清洗光伏电池板时，由于室外温度较低，为了防止板面结冰，只能在天气晴朗的较高温度时间段进行清洗。根据用户反馈，可将用户需要事元模型表示为

根据用户需要是否具有同类目的或是否具有先后承接关系，将用户对产品的需要分为清洁类(An11,An12)、移动类(An21,An22)、喷洒类(An31,An32)和去除类(An41,An42)。

(2)已有产品事元模型建立

原有的清洁方式是用高压水枪将水喷洒到光伏板面上之后，使用牵引车带动清洁设备进行板面清洁工作。根据光伏电池板清洁设备的方式，设备的事元模型表示为

(3)比较

已有产品的事元模型A与清洁类用户需要事元(An11,An12)一致，按照图1改进原系统功能模型。移动类(An21,An22)、喷洒类(An31,An32)和除水类(An41,An42)为新增的用户需要事元，建立新的系统功能模型。

3.2 改进原系统功能结构模型

建立功能模型的步骤大致分为4步：(1)找到系统组件；(2)找到超系统组件；(3)找到目标组件；(4)定义组件间的功能[14]。根据该步骤，找到系统组件为机架、毛刷；超系统组件为机械臂、板面；目标组件为灰尘。根据组件间的功能进行定义，得到如图3所示的功能模型。

学生可以自主选择实验内容（背景图），可以平面密铺，也可以立体架构。学生从“智慧珠”的不同研究兴趣出发，自主选择实验内容结伴研究，从而形成个性化的实验结果。通过合作交流、动手实践、思维碰撞后，感悟得出属于个人的见解。数学实验的主要价值在于促进学生数学活动经验的累积，让学生在“做中学”，通过实物操作培养学生的多种能力。任务是真实而复杂的，需要学生付出努力，自我反思，需要不断地尝试、判断、调整。在操作过程中，学生的分析、实践、创新思维都得到了锻炼，高阶思维在动手操作中得以提升。

根据上文分析获得的功能模型可知，整个产品的目标功能是清洁灰尘。产品的整体功能虽然能够在一定程度上清洁灰尘，但由于机架与毛刷之间的固定方式存在干扰毛刷正常清洁效果的现象，而不能使固定位置的毛刷清洁当前位置的灰尘，同时只用刷丝去清洁灰尘，并不能完全带走灰尘，所以机架固定毛刷和毛刷清洁灰尘的功能不足。分析可知与系统的目标功能相关的关键组件为灰尘，与清洁功能相关的关键组件为清洁设备和毛刷，与固定功能相关的关键组件为机架和毛刷。对关键组件和组件之间的关系建立基元模型。

根据已有设备的结构和功能分析，建立物元、事元和关系元。建立关键组件的基元模型需要将已有产品的结构分层次，依次为系统、子系统和特征结构，还有与系统相关的超系统和目标[15]。已有产品的系统即光伏电池板清洁设备；子系统为机架、毛刷；特征为刷丝、刷柄。超系统为光伏电池板板面，目标是灰尘。基元模型表示为

系统为

子系统为

特征结构为

超系统为

目标为

建立功能事元和关系元：

对于机架固定毛刷功能，由功能模型和关系元模型分析可知，是由于用螺钉配合使得部件的更换过于繁琐以及螺钉与板面接触容易刮伤板面，因此增加一个卡槽的子系统更换这种配合关系。建立卡槽的物元模型，由公式(1)得到如下结果：

对于毛刷清洁灰尘的功能，由前面分析可知，整个设备清洁效果主要取决于毛刷去除灰尘的效果，但是整体功能不足。因此，添加刷布的特征结构以提高灰尘的清洁效果。建立刷布的物元模型，由公式(2)得到如下结果：

T2M12=[毛刷,特征结构，M121⊕M122⊕

M123]M12=M′12

通过可拓变换公式，对存在问题功能的相关组件进行分析，最终对其整个系统和结构关系进行设计和改进，得到M′1和R′1，对子系统结构进行设计得到M′12，可以表示为

改进原系统功能结构模型结构如图4所示。该方案在产品的用户需要之一清洁类(An11,An12)层面上做出了创新和改进，产品的清洁效果与原方案不同，且产品的结构也发生了改变，在已有产品的基础上深度满足了用户需要。

3.3 新功能系统模型

(1)用户需要事元与功能事元的映射关系

根据第3.1节分析内容，移动类(An21,An22)、喷洒类(An31,An32)和除水类(An41,An42)为新增的用户需要事元，应与产品的功能相对应。所以，产品研发人员从用户需要出发，构建开发新产品的形式化思路，辅助其高效的开发新产品[11]。

在功能映射关系中，工具量值Mfi是实现功能模型Afi对应功能的物元。所有新增的用户需要事元都可以映射为满足相应需要的功能事元。根据公式(3)可得到如下映射结果：

(2)功能事元与结构关系元的映射关系

根据用户需要事元映射得到的功能事元，可以直接映射到结构关系元，所以不需要进行蕴含分析。由用户需要事元与功能事元的映射关系分析得到的物元及设计相关知识，6个功能事元Afi到结构关系元Rri的映射关系可以表示为

通过上述分析，从用户需要事元映射到功能事元，再从功能事元映射到结构关系元，已经实现了产品的需要设计到产品的结构设计的过程。从移动类(An21,An22)、喷洒类(An31,An32)和除水类(An41,An42)的用户需要事元做出了结构化设计，满足了用户的新增需要。新功能系统模型如图5所示。

3.4 改进原系统功能结构模型与新功能系统模型融合

根据第3.2节和第3.3节分析所得到的结果，将改进原功能系统模型和新功能系统模型进行融合。最终，光伏电池板清洁设备的产品功能配置如表1所示。在已有产品的基础上，添加新的子系统卡槽，不仅使原有清洁装置的结构发生了变化，而且提高了毛刷的互换性和装置的稳定性；同样，将毛刷的特征结构更换为刷丝与纤维材质的刷布的组合，极大地改善了板面灰尘的清洁效果。改进后的原系统功能模型在功能上并没有发生改变，而系统的结构稳定性和可靠性有了本质的提升。对于新系统功能模型，分析得到的结果是已有产品所不具备的，通过映射关系，逐步得到与用户需要匹配的产品功能、产品功能的实施工具、工具之间的结构关系，实现了用户需要到产品结构化设计的目的。新产品设计方案结构简图如图6所示。

表1 功能融合产品功能配置

4 结束语

本文作者提出了基于用户需要与功能融合的设计方法，并应有于已有产品光伏电池板清洁设备的创新设计。将用户需要事元与原有产品的功能事元进行比较并分类，借助功能分析对已有产品组件建立功能模型，将基元理论和可拓变换引入问题功能的改进求解；通过用户需要事元向功能事元的映射、功能事元和结构关系元的映射关系，建立新功能系统模型。针对不同的用户需要分别进行已有产品的创新设计，通过功能融合，使整个产品包含了用户所需要的功能，为已有产品的创新设计提供新的思路和方法。同时，在针对已有产品的设计过程中，充分考虑不同类型的用户需要信息，体现了形式化、流程化和分类和融合的逻辑性的研究思路。通过实例，验证了该创新设计方法的有效性。