馮雁霞　楊伯軍

摘要 功能進(jìn)化是系統(tǒng)理想化水平不斷提升的過程，功能進(jìn)化定律可指明功能進(jìn)化的方向和路徑，為彌補(bǔ)模糊前端設(shè)想產(chǎn)生的盲目性，將功能進(jìn)化理論應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端階段。以功能進(jìn)化定律實(shí)施方式為基礎(chǔ)抽取出12條產(chǎn)品改進(jìn)策略;以產(chǎn)品改進(jìn)策略預(yù)期達(dá)到效果為導(dǎo)向，構(gòu)建了產(chǎn)品改進(jìn)策略與設(shè)計(jì)目標(biāo)間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新過程中功能進(jìn)化定律的有效檢索，進(jìn)而產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)想，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于功能進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型。最后，應(yīng)用半自動型雙缸洗衣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān) 鍵 詞 功能加化;功能進(jìn)化定律;設(shè)計(jì)目標(biāo)

中圖分類號 TH122? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Research on product innovation design process based on function evolution theory

FENG Yanxia1，2， YANG Bojun1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center，Tianjin 300401，China）

Abstract Function evolution is the process of improving the ideality. The function evolution law can indicate the direction and path of function evolution. In order to reducing the blindness of generating innovation ideas， the functional evolution theory will be applied in the fuzzy front end of product development. Based on the function evolution law implementation， 12 product improvement strategy were extracted ; and then，the mapping relationship between product improvement strategy and design goal is constructed based on the expected effect of product improvement strategy; and the effective retrieval of the law of functional evolution was ensured.Thus， the product innovation process model based on the theory of evolution was constructed. Finally， the innovative design of a semi-automatic double cylinder washing machine by applying the model verified its feasibility.

Key words function evolution; law of function evolution; design goal

0 引言

面對日新月異的科技進(jìn)步、社會發(fā)展，產(chǎn)品創(chuàng)新已成為了企業(yè)保持生命力的重要途徑，同時(shí)也是企業(yè)提升自身綜合競爭力的關(guān)鍵因素之一[1]。產(chǎn)品創(chuàng)新包含模糊前端、新產(chǎn)品開發(fā)、商業(yè)化3個(gè)階段[2]，模糊前端階段是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段[3]，與項(xiàng)目的開發(fā)成本、開發(fā)時(shí)間、產(chǎn)品優(yōu)勢以及項(xiàng)目的成敗直接相關(guān)，根據(jù)創(chuàng)新專家統(tǒng)計(jì)，每產(chǎn)生11個(gè)創(chuàng)新設(shè)想，最多有3個(gè)會得到開發(fā)，1.3個(gè)投產(chǎn)生產(chǎn)，最終只有1個(gè)獲得成功[4]。因此如何降低模糊前端設(shè)想產(chǎn)生的不確定性程度，產(chǎn)生高質(zhì)量的創(chuàng)新設(shè)想，仍然是需要研究解決的課題。

本文將功能進(jìn)化理論應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新的模糊前端。以功能進(jìn)化定律實(shí)施方式和預(yù)期達(dá)到效果為導(dǎo)向，構(gòu)建產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間的優(yōu)選關(guān)系及設(shè)計(jì)目標(biāo)與產(chǎn)品改進(jìn)策略間映射關(guān)系;從設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)選擇產(chǎn)品改進(jìn)策略并確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo);依據(jù)產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律間的優(yōu)選關(guān)系選擇有效的功能進(jìn)化定律進(jìn)行功能預(yù)測，產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)想;在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于功能進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型。

1 功能進(jìn)化理論

功能進(jìn)化是產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)組成與組成關(guān)系沿不同的方向或路徑發(fā)生演化以提高主功能的理想化水平或產(chǎn)生新功能的過程[5]。在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)，功能伴隨著需求和技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展處于不斷進(jìn)化的狀態(tài)。產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)功能進(jìn)化過程不是隨機(jī)的，有一定的規(guī)律指導(dǎo)[6]。Petrov[7]提出的4條功能進(jìn)化定律，在此基礎(chǔ)上，LI等[8]進(jìn)一步擴(kuò)展和完善提出11條功能進(jìn)化定律，如表1所示，功能進(jìn)化的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功能理想化，提高系統(tǒng)理想化水平。功能進(jìn)化反應(yīng)了技術(shù)系統(tǒng)、組成元件、系統(tǒng)與環(huán)境間相互作用關(guān)系的轉(zhuǎn)變，利用這些作用關(guān)系轉(zhuǎn)變可有效預(yù)測并指導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生。

2 產(chǎn)品創(chuàng)新過程的功能預(yù)測

2.1 功能進(jìn)化定律、產(chǎn)品改進(jìn)策略與設(shè)計(jì)目標(biāo)三者間關(guān)系

設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)部門根據(jù)設(shè)計(jì)戰(zhàn)略要求組織各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動預(yù)期取得的成果[9]，其是否達(dá)到有效滿足，是系統(tǒng)問題是否解決的關(guān)鍵。功能進(jìn)化定律的應(yīng)用能夠簡化系統(tǒng)、大幅度提高系統(tǒng)的理想化程度，以功能進(jìn)化定律的實(shí)施方式和預(yù)期達(dá)到效果為導(dǎo)向，構(gòu)建產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間的優(yōu)選關(guān)系和設(shè)計(jì)目標(biāo)與產(chǎn)品改進(jìn)策略間映射關(guān)系，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可從設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，選用合適的功能進(jìn)化定律，得到相應(yīng)的創(chuàng)新方案，構(gòu)建過程如圖1所示，具體過程如下。

產(chǎn)品改進(jìn)策略是設(shè)計(jì)者針對現(xiàn)有產(chǎn)品存在的系統(tǒng)問題，依據(jù)設(shè)計(jì)意圖等提出的戰(zhàn)略方法或手段，指導(dǎo)、明確產(chǎn)品改進(jìn)方向;設(shè)計(jì)意圖可間接表明功能進(jìn)化的趨勢，所以產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間存在著一定的聯(lián)系。以文獻(xiàn)[5]中功能進(jìn)化定律的實(shí)施方式及過程步驟來提取產(chǎn)品改進(jìn)策略，構(gòu)建產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律間關(guān)系。以其中“功能集成化定律”為例說明產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間的優(yōu)選關(guān)系和設(shè)計(jì)目標(biāo)與產(chǎn)品改進(jìn)策略間映射關(guān)系。

1）功能集成化定律：通過已有功能或新功能開發(fā)使有用功能得到增強(qiáng)，而有害功能被削減或抵消。

實(shí)施方式：集成相同或相似的功能，集成不同種類的功能，集成相反的功能，產(chǎn)生具有不同特征的相似功能，產(chǎn)生競爭或多樣化的功能。

可能產(chǎn)生效果：功能多樣化、簡化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)性能。

2）依據(jù)設(shè)計(jì)意圖等提出的產(chǎn)品改進(jìn)的方法或手段為導(dǎo)向，確定功能集成化定律之產(chǎn)品改進(jìn)策略和可能實(shí)現(xiàn)的效果如下。

產(chǎn)品改進(jìn)策略：集成相同、相似或相反功能，改變資源利用方式。

可能實(shí)現(xiàn)效果：簡化系統(tǒng)、提高系統(tǒng)性能。

3）按照這樣的方式，得到從其他功能進(jìn)化定律抽象出來的產(chǎn)品改進(jìn)策略，對其進(jìn)行總結(jié)匯總，得到產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間的優(yōu)選關(guān)系，如表2所示。應(yīng)用產(chǎn)品改進(jìn)策略可達(dá)到不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如簡化系統(tǒng)、降低成本、消除沖突、提高性能等。為了有效的應(yīng)用產(chǎn)品改進(jìn)策略使之快速達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，將產(chǎn)品改進(jìn)策略根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)歸類成5個(gè)子集，形成設(shè)計(jì)目標(biāo)對應(yīng)的產(chǎn)品改進(jìn)策略選用策略，如表3所示。

2.2 產(chǎn)品創(chuàng)新的功能預(yù)測過程

功能結(jié)構(gòu)表達(dá)了功能實(shí)現(xiàn)過程中物料、能量、信息資源轉(zhuǎn)換過程，基于此，較容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中資源利用或轉(zhuǎn)換過程中不期望的結(jié)果。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用功能進(jìn)化定律指導(dǎo)設(shè)計(jì)者對功能結(jié)構(gòu)中的功能元做相應(yīng)改進(jìn)，并利用新原理或新資源對功能進(jìn)行重新求解，往往能夠產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)想，提高系統(tǒng)的理想化程度。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中，基于功能進(jìn)化定律的功能預(yù)測過程如圖2所示，具體步驟如下：

1）選擇目標(biāo)系統(tǒng)，建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。

2）明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)與產(chǎn)品改進(jìn)策略間的選用改進(jìn)策略，依據(jù)產(chǎn)品改進(jìn)策略實(shí)施目標(biāo)或操作對象，結(jié)合步驟1到的功能結(jié)構(gòu)圖，確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)。

3）依據(jù)產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律間優(yōu)選關(guān)系選定功能進(jìn)化定律，確定可能的進(jìn)化方向，預(yù)測功能潛力狀態(tài)。其中一條功能進(jìn)化定律的使用可能會導(dǎo)致系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改變，即最終系統(tǒng)改進(jìn)的目標(biāo)除了包含步驟2確定的改進(jìn)目標(biāo)，還有其他功能結(jié)構(gòu)。

3 基于功能進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新過程

基于功能進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型如圖3所示，具體過程如下：

1）選定基礎(chǔ)產(chǎn)品。選定已有產(chǎn)品作為產(chǎn)品開發(fā)的原型產(chǎn)品即明確需要改進(jìn)的技術(shù)系統(tǒng)。

2）明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。明確基礎(chǔ)產(chǎn)品后，設(shè)計(jì)者根據(jù)需求確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3）系統(tǒng)功能分析，建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)。功能結(jié)構(gòu)表達(dá)了功能實(shí)現(xiàn)過程中物料、能量、信息資源轉(zhuǎn)換過程，是實(shí)施產(chǎn)品改進(jìn)的基礎(chǔ)。

4）確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用產(chǎn)品改進(jìn)策略子集，依據(jù)產(chǎn)品改進(jìn)策略實(shí)施目標(biāo)或操作對象，結(jié)合（3）得到的功能結(jié)構(gòu)圖，確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)。

5）功能預(yù)測。依據(jù)產(chǎn)品改進(jìn)策略與功能進(jìn)化定律之間的對應(yīng)關(guān)系，選用1條或多條功能進(jìn)化定律確定功能可能的進(jìn)化方向，預(yù)測具有功能的潛力狀態(tài)，這些潛力狀態(tài)即創(chuàng)新設(shè)想。

6）判斷設(shè)想方案是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，若滿足，則轉(zhuǎn)至下1步;若不滿足，則判斷是否存在未采用的功能進(jìn)化定律，若存在則轉(zhuǎn)至第5步，若不存在轉(zhuǎn)至第4步重新確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)。

7）構(gòu)建產(chǎn)品原理解。依據(jù)第5得到的創(chuàng)新設(shè)想對第3步所建立的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，并進(jìn)行功能元求解，按照功能結(jié)構(gòu)中功能關(guān)系以及結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式組合，形成產(chǎn)品原理解。

8）依據(jù)選定的產(chǎn)品原理解進(jìn)行后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

洗衣機(jī)是利用電能產(chǎn)生機(jī)械作用來洗滌衣物的清潔電氣，已經(jīng)被廣泛用在各家各戶中。通過半自動型雙缸洗衣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以驗(yàn)證基于功能進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型的實(shí)用性。

4.1 明確基礎(chǔ)產(chǎn)品，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前雙缸洗衣機(jī)是較成熟的產(chǎn)品，現(xiàn)有某型號雙缸洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深化，對于產(chǎn)品的工作效率、工作穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)輕量化和節(jié)約能源方面提出了更高的要求，而如今國內(nèi)市場上銷售的雙桶洗衣機(jī)是由1個(gè)洗滌桶和1個(gè)脫水桶組成，洗滌、脫水分別進(jìn)行，洗凈度高，耗電量小，但洗滌時(shí)，洗滌漂洗時(shí)要進(jìn)行多次換水，且進(jìn)水、排水都得靠手動完成，脫水時(shí)，還要將衣物等取出平整放入脫水桶，否則出現(xiàn)失衡狀態(tài)，產(chǎn)生劇烈振動和噪音，縮短洗衣機(jī)壽命。針對以上問題，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)為：整個(gè)洗滌-脫水過程中降低人的參與度，簡化操作工序，減少耗時(shí)。

4.2 建立系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

洗衣機(jī)的主要功能是分離，即將污漬、灰塵等與衣物分開，功能結(jié)構(gòu)的建立過程如下所示。

第1步：確定洗衣機(jī)的總功能和輸入、輸出流，如圖5所示，洗衣機(jī)的總功能為清潔衣物，輸入流有控制信號，臟衣物和電能，輸出流為干凈衣服，臟水和動能。

第2步：將洗衣機(jī)的總功能分解成子功能，建立功能樹，如圖6。

第3步：建立每個(gè)輸入流功能鏈。

第4步：組合功能鏈，得到洗衣機(jī)的功能結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

4.3 基于功能進(jìn)化定律的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1）確定產(chǎn)品改進(jìn)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是：整個(gè)洗滌-脫水過程中降低人的參與度，簡化操作工序，減少耗時(shí)。轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)語言即“簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可操作性”，從表3可得相應(yīng)的產(chǎn)品改進(jìn)策略有“B、D、F、G、H、L、K”，其中產(chǎn)品改進(jìn)策略B、H、K、L主要針對系統(tǒng)中存在不合理結(jié)構(gòu)的問題類型，據(jù)此未得到可優(yōu)化的功能結(jié)構(gòu);產(chǎn)品改進(jìn)策略F、G針對系統(tǒng)中相同、相似、相反的功能進(jìn)行功能集成和組合等，從洗衣機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖圖7可知，輸入電能1與輸入電能2、轉(zhuǎn)換電能1與轉(zhuǎn)換電能2、釋放電能1與釋放電能2、分離水和分離臟污這些功能元間存在相似性，所以將上述功能元確定為系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)。

2）選擇功能進(jìn)化定律，進(jìn)行功能預(yù)測

依據(jù)表2可知產(chǎn)品改進(jìn)策略F和G對應(yīng)的功能進(jìn)化定律有4、5、6、7、9，結(jié)合上述得到的功能改進(jìn)目標(biāo)選用可用功能進(jìn)化定律：功能集成化、功能動態(tài)化、功能精簡化，提出改進(jìn)方案。

功能集成化? 在系統(tǒng)中“輸入電能1”和“輸入電能2”、“轉(zhuǎn)換電能1”和“轉(zhuǎn)換電能2”、“釋放電能1”和“釋放電能2”“分離臟污”和“分離水”這4對功能具有相似性，所以可以將這4對功能各自進(jìn)行集合，用同一個(gè)功能載體來實(shí)現(xiàn)功能。

功能動態(tài)化? 在系統(tǒng)將“輸入電能1”和“輸入電能2”、“轉(zhuǎn)換電能1”和“轉(zhuǎn)換電能2”、“釋放電能1”和“釋放電能2”、“分離臟污”和“分離水”這4對功能集成后，洗滌和脫水將在1個(gè)缸內(nèi)完成，此時(shí)需要1個(gè)功能，使得“分離臟污”與“分離水”這個(gè)2個(gè)功能實(shí)現(xiàn)互不干涉。

功能精簡化? 通過功能集成化和功能動態(tài)化改進(jìn)后，系統(tǒng)中“輸入排水信號”和“輸入脫水信號”這2個(gè)功能是不需要的，可以將這2個(gè)功能裁剪掉。改進(jìn)后功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3）功能元求解，構(gòu)建產(chǎn)品原理解

對于改進(jìn)后的功能元，通過功能-結(jié)構(gòu)映射確定功能的功能載體，完成功能元的原理求解。

“控制，檢測污染度、水位等”功能元原理解：引入微電腦控制，即用單片機(jī)來控制，在相應(yīng)位置設(shè)置傳感器，通過采集相應(yīng)數(shù)據(jù)來控制驅(qū)動電能部件進(jìn)行工作。例如水位開關(guān)的運(yùn)作，通過洗衣桶內(nèi)水位所產(chǎn)生壓力來控制觸電開關(guān)的通斷，水位開關(guān)與程控器配合，根據(jù)洗衣程序與洗衣桶內(nèi)水位的高低，控制洗滌電動機(jī)的通斷，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水、洗滌、脫水以及排水過程。

“分離”功能元原理解：采用套桶方式，將離心桶與盛水桶同軸套在一起，通過電機(jī)與減速離合器的離合轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)洗滌與脫水工作。

通過上述改進(jìn)后發(fā)現(xiàn)，由于洗滌物分布不均勻，高速離心脫水時(shí)，使得內(nèi)、外桶產(chǎn)生劇烈的振動和晃動，針對此問題，采用一種彈性支撐結(jié)構(gòu)來減振，即將盛水桶通過4根吊桿懸掛于箱體4個(gè)角上，并在離心桶上口裝有平衡圈。彈性支撐結(jié)構(gòu)包括阻尼筒、吊桿和吊桿掛頭，阻尼筒內(nèi)裝有減振彈簧和阻尼膠碗。

利用上述原理得到一種新產(chǎn)品——全自動洗衣機(jī)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，其基本工作原理是：洗滌時(shí)，電機(jī)在程序的控制下，產(chǎn)生間歇正反轉(zhuǎn)，通過減速離合器降低轉(zhuǎn)速帶動波輪間歇正反轉(zhuǎn)，此時(shí)離心桶不轉(zhuǎn);脫水時(shí)，離合器帶動離心桶高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行脫水，此時(shí)波輪與離心桶是一起運(yùn)轉(zhuǎn)的。使用時(shí)只需在程序面板上設(shè)定程序，其可自行運(yùn)行。

4.4 方案評價(jià)

改進(jìn)后的全自動洗衣機(jī)與原有洗衣機(jī)相比，工作原理發(fā)生巨大改變，只需設(shè)定程序即可完成洗滌、漂洗、脫水等全過程，整個(gè)過程中大大減少了人的參與，降低了人的勞動強(qiáng)度;且設(shè)有平衡減振裝置，有效避免因桶內(nèi)的衣物分布不均勻而出現(xiàn)失衡狀態(tài)，減少振動和噪音，具體評價(jià)如表4。

5 結(jié)論

1）以功能進(jìn)化定律實(shí)施方式為導(dǎo)向提取出產(chǎn)品改進(jìn)策略，又以其可達(dá)到的效果構(gòu)建與設(shè)計(jì)目標(biāo)間映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了一種用于產(chǎn)品創(chuàng)新的功能預(yù)測方法，進(jìn)而提出基于功能進(jìn)化的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型。

2）半自動洗衣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例表明，該方法可有效支持針對特定設(shè)計(jì)目標(biāo)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，有利于提高產(chǎn)品的創(chuàng)新效率。

3）以功能進(jìn)化定律實(shí)施方式為導(dǎo)向提取出產(chǎn)品改進(jìn)策略，又以其可達(dá)到的效果構(gòu)建與設(shè)計(jì)目標(biāo)間映射關(guān)系，在此過程中存在有一定的主觀性，因此在此基礎(chǔ)上提出的產(chǎn)品創(chuàng)新功能預(yù)測方法仍有一定完善空間，且還需要更多的工程案例加以驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]