基于功能技術矩陣的概念產品設計方法探索*

吳 婷 楊 濤

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基于功能技術矩陣的概念產品設計方法探索*

吳 婷1楊 濤2

1. 福州海峽職業技術學院；2. 福建工程學院

針對目前概念產品創新設計中存在的問題，借助功能技術矩陣、TRIZ創新理論原理，提出一種基于功能技術矩陣的概念產品開發模式，并闡述具體的實現技術，以期降低概念產品設計的復雜性和不確定性，提高設計成功率和設計品質。

概念產品 功能技術矩陣 創新設計方法

為了更好地規劃公司發展戰略，更早地預判市場需求趨勢，使設計更具超前性、更具競爭力，概念設計應運而生。“概念設計”最早于1984年由德國學者Pahl和Beitz提出，他們認為：在確定設計任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，一部分的設計工作叫做概念設計[1]。概念設計在產品設計過程中占有非常重要的地位，類似于生物的基因，從質的層面決定產品的品質[2]。各大知名廠商諸如伊萊克斯、飛利浦、蘋果、寶馬等每年都投入大量的人力物力進行相關領域的概念設計實驗，并定期推出概念產品展示活動，以求準確把握未來市場的需求與動向，在產品競爭中立于引領地位，實現企業利潤最大化。

1 理論基礎

目前，國內對概念產品設計理論研究的主體為高校，主要有浙江大學、西北工業大學、河北工業大學等，主要的理論基礎有TRIZ、AD、QFD（質量功能配置理論）理論，國家863 科技計劃和國家自然科學基金均資助了很多相關的研究課題。

浙江大學的馮培恩教授及其指導的研究生陳泳基于仿生學對概念產品設計方法學進行了探索，為建立基于遺傳和重組的技術產品計算機輔助概念設計的新理論和方法做了探索性工作。

河北工業大學的檀潤華教授及其指導的研究生王永山基于QFD及TRIZ理論對概念產品設計進行了研究，將QFD與TRIZ有機的結合，應用QFD解決設計中做什么的問題(What)，應用TRIZ解決設計中如何做的問題(How)，提升產品創新性。

以上對概念設計開發設計的研究雖然取得了一定了成效和進展，但仍然存在很多問題，比如：產品未來概念僅僅從技術進化規律層面研究是遠遠不夠的，人們的審美、需求是多元、動態變化的，對未來需求的預測需要從文化、能源、環境等綜合大環境角度進行研究；TRIZ理論解決具體工程問題很有效，但對建立豐富的、多元化的概念路線方面還有許多不足之處；此外現代產品的需求分析分為顯性需求分析和隱性需求分析兩個層面，蘋果公司、微軟公司、谷歌公司所創造的極富想象力的新產品顯現出對隱性需求分析的重要性，而上述研究都沒有涉及如何在概念產品研發中進行隱性需求分析。

本課題針對上述問題提出基于功能技術矩陣的概念產品開發模式，并在需求分析階段引入TRIZ預測技術與未來預測理論相結合，針對隱性需求分析進行相應研究。

功能技術矩陣是一種非常直觀的表格，它將產品所有分功能及其對應的所有可能實現途徑羅列其中，設計者可以借助于功能技術矩陣進行各種組合，從中形成實現產品總功能的原理方案。功能技術矩陣為豐富產品開發方案、開拓設計思路、進行方案評價提供了有效解決模式。

TRIZ起源于前蘇聯，是俄語“發明問題解決理論”的縮寫，前蘇聯著名發明家阿奇舒勒所領導的研究機構為研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則，分析了世界上近250萬件高水平的發明專利，并綜合多學科的原理和法則，形成了一套TRIZ理論體系（見圖1）[3]。此外，阿奇舒勒發現，技術從結構上可以進行進化，并總結出進化的趨勢，該進化趨勢概括出：技術系統是按照剛體→單鉸鏈→多鉸鏈→柔性體→液體/氣體→場的趨勢進化，我們可以據此總結現在的產品技術處于技術進化中的何種階段，并預測出該技術進化的趨勢，從而在未來競爭中占得先機。例如，海爾集團等就在積極研發替代機械洗衣的利用水電解與超聲波震蕩相結合的新型洗衣機，這種新型洗衣機符合TRIZ技術進化趨勢，能夠實現省水、省電、省洗衣劑的要求。

TRIZ有三種工具：①39個通用過程參數和40條發明原理；②物質—場模型和76個標準解；③效應原理解[4]。

圖1 TRIZ 理論體系關系

2 基于功能技術矩陣的概念產品開發模式

在概念產品設計過程中，對未來需求的準確預測是成功的起點，準確的設計定位可以為企業贏得市場先機，在科學技術高度發展的今天，單純利用現有的科技已經不能適應市場的競爭了，蘋果、Google等企業的經驗告訴我們，現在的產品研發必需具有超前意識，產品開發的模式也必須進行必要的調整；與此同時，如何將未來的需求用最低的成本、最令消費者滿意的形式進行展現也是概念產品開發取得成功的另一關鍵。

隱性需求是與顯性需求相對的，隱性需求可以通過一定的轉化過程而表現為顯性需求從而被企業和用戶認知。為了在激烈的市場競爭中贏得先機，國際上比較知名的幾大企業甚至提出引導消費者生活習慣的設計口號，在這種背景下，如何挖掘隱性需求成為設計師必須解決的難題。因此，本課題在研究概念產品開發的需求分析過程中，引入需求預測概念——即通過TRIZ預測理論及未來環境預測、歸納，發掘用戶的隱性需求，以提升產品開發的創新性。

TRIZ技術進化理論中包含10條定律(或模式)與多條進化路線。這里的10條定律是指技術進化的10個方向。技術進化路線指出了某種技術進化的狀態序列，實質是技術如何從一種狀態移動到另一種新的狀態，新舊狀態所完成的基本功能相同，但性能極限提高，或成本降低，即產品沿進化路線進化的過程是新舊技術更替的過程。基于當前的產品技術所處的狀態，按照進化路線，通過設計，可使其移動到新的狀態。基于TRIZ中技術進化理論的預測結果可以幫助企業確定新產品開發戰略機遇。

對未來進行預測，主要通過分析推導得出預期的環境變化、用戶使用變化、審美、價值觀變化等。這要求在產品開發過程中，多咨詢、了解相關專家的科研預測成果，并對技術發展趨勢進行充分調研，在后續的概念產品方案評價階段對新技術、新工藝等應用于新產品中的提案進行中立環境下分析。在確定了用戶的需求之后，如何將需求轉換為結構隨之成為概念產品開發的關鍵，此過程也稱為求解過程，并且解的數量不是單一的，我們必須對解進行評價、取舍。在系統論設計方法的指導下，本研究綜合產品開發中的單項技術、理論，并融入相關的預測技術，將功能技術矩陣與創造性解決問題理論相結合，以得到新型創新設計解決模式，對概念創新設計提出新思路、指導一般性概念產品設計。

應用于具體的概念產品開發過程中，本理論的操作流程為：獲取需求信息→需求轉換為功能→功能轉換為結構→方案評價。在此過程中，主要基于功能技術矩陣模型進行產品開發，運用TRIZ理論進行開發定位技術性預測、方案具體求解、方案評價。

2.1 需求設計

獲取需求信息：為獲得最充分、最全面的需求信息，產品研發團隊應對消費者進行全面的需求調查，進行必要的訪談與產品使用觀察實驗；同時，設計師進行產品試用、專家訪談，以尋求產品缺陷及消費者潛在的需求。

獲取隱性需求：隱性需求是指人們還沒有意識到的、客觀存在的需求。這種需求通常是設計師本人通過敏銳的感覺能力、訓練有素并且善于觀察和思考的頭腦產生出的需求信息。

隱性需求是概念產品贏得未來市場的基礎，是概念產品研發的重中之重。獲取隱性需求的關鍵是進行未來預測，這要求我們要洞悉未來社會的發展趨勢、人們的生活習慣、科技的動向、人們的審美等等, TRIZ中的技術進化理論為我們對技術的發展提供了未來預測的可能。

2.2 需求轉換為功能→功能轉換為結構

按功能論設計方法進行功能定義、功能分類、功能整理、形成功能技術矩陣。與傳統建立功能技術矩陣的方式不同，本研究模式融合了TRIZ創新理論原理(見圖2)，可以在產品設計過程中提出盡可能多的、有效的設計方案，正確反映設計提案的成本與設計品質，為設計師及企業決策者提供清晰的選擇提案，可以有效提高產品設計方案的商業成功率、提升產品品質。

圖2 TRIZ創新原理

具體操作步驟為：在建立功能技術矩陣過程中，先將前期的需求設計結果表述為具體的總體功能和分功能（與傳統的產品開發過程不同，本研發模式為先確定理想的結果，不考慮具體的實現技術），運用TRIZ創新理論原理生成框架式的廣義上的解，再把設計知識、制造知識、商業運作知識等諸多方面融合在一起，最終形成更廣度范圍內的創新設計方案，建立反映成本、設計品質、實現途徑技術先進性等選項的概念產品設計方案多維矩陣模型(見圖3)，然后按照設定的權重對每個方案進行評分（公式參照式（1）），評分最高的選定為設計方案，進行產品量產、推廣。

Si=ΣkjCiI(i=1,2,…n；j=1,2,…m) 式（1）

其中：

Si——第i 項方案的綜合評分；

j——表示產品研發評價特性的指標個數；

kj——評價指標為j 時所對應的權重值；

i——產品分功能項；

I——可以實現產品分功能i項的技術途徑項；

CiI——多維矩陣模型中可以實現產品分功能i項的技術途徑項I的分值。

圖3 概念產品設計方案多維矩陣模型

在利用“基于TRIZ、功能技術矩陣的概念產品開發模式”過程中，進行功能轉換時，會遇到各種技術矛盾或物理矛盾，TRIZ技術提供了系統的解決方案，融合本多維矩陣模型的方案評價體系，按如下步驟進行：

(1)進行問題分析；

(2)確定理想狀態產品所要具備的功能，包括總功能及各個分功能；

(3)查找效應庫，解決各功能需求；

(4)對所得出的各個方案選取成本、技術先進性、品質、美學評價等方面進行綜合評價，利用前文提到的方案權重綜合評價公式進行評分，優選分值最高的方案。

在進行方案設計過程中應把握如下原則：當我們已知存在的問題與矛盾而不知該做些什么的時候，運用創新原則來解決；知道要做什么而不知如何做時，科學效應與現象能為你提供幫助。技術系統的進化趨勢可以解決整個系統的改善問題。

在分析創新原則階段適當運用類比思考，組織小團隊開展頭腦風暴還是有必要的。畢竟確定方案需要不同領域的專業知識。

如果問題沒能得到解決或功能無法實現，請重新分析問題或查找合適的效應。

在利用問題與矛盾解決原則不能找到解決方案之后。物質—場分析可以揭示問題的產生原因，標準解法可以按層次給出更多的方案選擇。當然物質—場分析與標準解法比起其它工具則需要更多的專業知識。

找到解決方案后要與理想化最終結果進行比較，我們要知道現在方案與預期的差距。另外，任何方案沒有絕對的正確性，反復變換選擇的特征參數與看問題的角度能得到更多的可選擇方案。

3 結語

本文重在研究建立概念產品開發方法及模型，以促使設計在理性的思維導向下形成正確的結果，而不必通過失敗后的反復修正或在設計中留下不可挽回的后遺癥。通過本研究，一方面是形成較完善的概念產品開發理論及開發模型，另一方面，是希望它能推動我國制造業在國際競爭中能取得更好的成績，現在制造業的競爭是設計的競爭，我國現在是一個制造大國，但卻不是制造強國，問題就在設計！我們的制造業主要依靠引進技術制造，設計競爭能力差距很大，掌握正確的設計理論和方法無疑會加快設計能力的提升，希望本研究能夠改進我們的思維習慣和教育傳統。

[1] 梁玲琳.產品概念設計[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[2] 唐林.產品概念設計基本原理及方法[M].北京:國防工業出版社, 2008.

[3] Steven Ungvari. Triz within the context of the kano model or adding the third dimension to quality[EB/OL]. http://www.ideationtriz.com/paper_TRIZ_ Within_Context.asp.html, 2006-4-24/2011-04-24.

[4] 張武城,趙敏.開創創新教育，提高創新能力[A] //高校創新理論教育·教學研討會論文集[C].北京：億維訊集團,2007.

[5] 鄒寧.基于QFD 與工效學方法的產品開發與評價技術研究[D].杭州：浙江大學, 2009.

[6] 劉華. 基于TRIZ理論的產品概念設計方法及應用[D]. 南京:南京理工大學,2005.

[7] 王永山. 基于QFD及TRIZ的產品概念設計及相關軟件開發[D].石家莊:河北工業大學, 2002.

*福建工程學院教育科學規劃項目基金:“基于工作過程導向的創新設計課程教學模式研究”（GB-K-11-05）。