基于產品組態圖的跟蹤創新方法研究

張勇為 顧新建 黃沈權

浙江大學，杭州，310027

0 引言

我國機械制造業技術創新整體水平不高，產品國際競爭力不強，高端產品領域缺乏自主知識產權的核心技術。面對當今快速變化的市場需求，我國機械制造業企業唯有重視產品的自主創新［1］，才能夠在競爭日益激烈的全球化市場中得以健康生存和可持續發展。跟蹤創新（消化吸收再創新）是后發企業實現技術進步的捷徑［2］，它與原始創新和集成創新共同構成自主創新的三大模式［3－4］。從我國機械制造業的產品現狀和技術創新發展水平看，具有技術平臺高、見效較快、成本較低等特點的跟蹤創新，在目前及今后的一個時期內，必將是多數國內機械制造業企業產品技術創新開發戰略的首選。

概念設計是產品設計過程中最具體現人類創造性的環節，而且概念設計環節的缺陷和錯誤將在后續設計中無法彌補［5］。國內外已有學者對創新概念設計方法做了大量的研究，并取得了豐碩成果，譬如 產 品 創 新 開 發 模 板 理 論［6－7］、TRIZ 技術進化理論［8－9］等。前者最早由美國學者 Goldenberg和Mazursky提出，該理論將創新設計看作是一種系統化實現由產品的早期組態向隨后產品組態變化發展的過程，并從創造心理學角度概括總結了4個基本操作模板［7］，即屬性依賴模板、替換模板、轉移模板和組件控制模板。但是，使用產品創新開發模板理論，無法幫助設計人員克服心理慣性影響，保證獲得創新概念設計問題的最優解。幫助設計人員打破“思維慣性”，明確產品和技術的進化發展趨勢，快速產生創新設想，則是TRIZ技術進化理論最重要的特點［2，10］。因此，有必要將產品創新開發模板理論和TRIZ技術進化理論結合起來進行研究，從而促進提升企業產品創新成功率和效率。

本文研究一種基于產品組態圖的跟蹤創新方法，促進實現產品創新開發模板理論和TRIZ技術進化理論在機械產品創新概念設計過程中的集成應用，以期能為我國機械制造業產品自主創新發展提供幫助。

1 產品組態圖概述

產品作為技術系統，處在進化狀態。產品組態圖（product configuration diagram，PCD）是產品組成結構系統的“快照”，能夠較為完整地反映產品（技術系統）的基本信息，如圖1所示。組件和功能是構成產品組態圖的基本要素。

圖1 自動調整臂組態圖

組件是產品的組成部分，以及對產品有直接影響的外部元素［11］。通常，一個產品由若干個不同層次、不同粒度的組件構成，既有內部組件，又有外部組件。功能是組件在產品系統中的作用，以及不同組件功能之間的相互作用和因果關系［12］。產品組態圖中的功能要素主要描述的是后者，常用的功能術語和詞匯包括“控制”、“驅動”和“支撐”等。集成小粒度組件可以產生大粒度組件；反之，大粒度組件又可以分解為若干個小粒度組件。組件通過實例化內部成員來實現功能，組件和組件實例之間存在“一對多”的映射關系，即一個組件可以實例化為不同的組件實例。

產品組態圖對促進企業發展產品跟蹤創新的意義主要在于：

（1）通過構建產品組態圖，可促進幫助設計人員捕獲產品原設計者的設計意圖，消化吸收其內在技術，快速發現和確定其存在的問題和不足。因此，對企業和個人的產品技術創新能力的提高、技術資源的積累顯然都具極為重要的意義。

（2）分析待改進產品及現有可選產品的組態圖，有助于利用TRIZ技術進化理論快速產生創新設想，指導高效完成從待改進產品組態圖到跟蹤創新后產品組態圖的快速變換，并最終產生跟蹤產品待選的創新概念設計方案。

2 基于組態圖的跟蹤創新過程

如圖2所示，基于產品組態圖的跟蹤創新過程主要包括兩個階段：①產品組態圖的構建，包括待改進產品及其所有可選產品。常見的方法是通過解析產品組成結構系統中各部件的物理結構和工作行為狀態，從功能、結構等角度發現和識別其包含的所有組件及組件間的功能鏈接關系，繪制產品組態圖。②基于組態圖的創新設計。首先對比分析待改進產品及其所有可選產品的組態圖，明確產品不足之處及可以改進的組件（實例），然后運用技術進化路線快速產生創新設想，以指導待改進產品組態圖實施變換操作，從而發展出新的產品組態圖，并最終落實為跟蹤創新后產品待選的概念設計方案。

圖2 基于產品組態圖的跟蹤創新過程

3 產品組態圖的構建過程

獲取產品組成結構系統（物理結構）的描述信息是構建產品組態圖的前提和基礎工作。主要有兩種途徑：①通過收集市場現實產品信息，采用類似逆向工程的分析方法獲得；②從世界大量專利中獲得。目前，世界各國專利庫中的專利每年以百萬數量級在遞增，90%～95%的人類技術創新成果可以在專利文獻中查到，專利文獻對技術創新成果做了全面詳細的描述，可達到該領域內一般人員可借鑒的程度［13］。因此，專利信息是構建產品組態圖所需信息最主要的、也是取之不竭的資源源泉。

如圖3所示，從產品組成結構系統出發，構建產品組態圖需要經歷三個步驟：系統元素識別、系統元素組件化和基于已獲取組件建立組態圖。

圖3 建立產品組態圖的過程模型

（1）系統元素識別。這里的系統元素指的是組成產品組成結構系統的基本單元，包括系統功能元和系統結構元。結構是功能的載體，功能最終要映射到結構、由結構來實現［11］。系統元素的粒度由分解的角度和深度決定，例如表1；同時，系統元素的粒度又決定組件的粒度。根據公理設計理論［14］，提取和界定系統元素應盡量滿足獨立最有效、耦合度最小和高內聚性等原則。通過系統化分析待改進產品及其所有可選產品的組成結構系統，識別和確定最優粒度系統元素，可以建立系統元素庫。

對于表1中所給出的“粒度1”，根據TRIZ技術進化理論中的技術系統完整性定律［15］來提取和定義系統元素是一種較為有效的方式。即按照工作原理把總功能（FR0）分為執行功能單元（FR1）、能量產生功能單元（FR2）、能量傳遞功能單元（FR3）和控制功能單元（FR4），在此基礎上，再繼續分解為一系列獨立的子功能集，其拓撲結構如圖4所示。執行功能單元完成產品的主要功能，其工作原理的改變意味著產品發生了重大進化，也是判斷產品升級換代的重要依據，其他單元完成產品的輔助功能。

表1 幾種系統元素粒度的簡要說明

圖4 產品功能分解拓撲結構圖［15］

（2）系統元素組件化。它是一個將系統元素聚類并采用一定模型來形式化和結構化表述每類系統元素的過程。每一類系統元素可以概括抽象為一個組件，若干組件又可以聚合成一個新的組件，形成組件庫，組件具有層次性特征。不同組件的表述模型往往也是不同的。由于確定組件受制造環境、技術發展水平、市場需求以及個人或群體能力等因素影響，所以不同時期不同企業對同一類產品建立的組件庫是不盡相同的。

（3）基于已獲取組件建立組態圖。反過來，在已建立的組件庫的支持下，對待改進產品及其所有可選產品的組成結構系統作進一步分析，從組件庫中提取它們包含的各內部組件和相關的各外部組件，并進行實例化；從功能原理庫中匹配和獲取恰當的功能表述來確定和建立關聯組件實例之間的功能鏈接，從而獲得它們各自的產品組態圖。

上述涉及的元素庫、組件庫、組件實例庫、功能原理和產品組態圖庫，一經建立可重用，可根據需要進行動態更新。通過利用元素庫、組件庫和產品組態圖庫來建立產品組態圖，將有助于保證產品組態圖真實表述組成產品結構系統，以及支持協同共建產品組態圖。

4 基于組態圖的創新設計過程

基于產品組態圖的創新設計是一個重復迭代、深入發展的過程，如圖5所示，主要包含三個步驟。

圖5 基于組態圖進行創新設計的過程模型

首先，對比分析待改進產品及其各可選產品的組態圖之間的變化，初步確定跟蹤創新的關鍵組件，通過搜索該類產品及各關鍵組件具有進化潛力的技術進化路線，發現潛力狀態和遺漏狀態，從而快速產生創新設想；然后，進一步分析和綜合這些創新設想，并在其導向下完成對待改進產品組態圖作恰當的變換操作，從而產生新的產品組態圖，并落實為跟蹤創新后產品的概念設計方案；最后，根據企業內部已有的資源儲備情況，以及外部可獲得資源情況，并結合客戶和市場需求，對已獲得的跟蹤創新后的產品概念設計方案進行可行性評判。

4.1 組態圖變換操作

根據產品創新開發模板理論，創新設計實質上就是實現產品由早期組態圖向隨后組態圖的系統變化的過程，即推動產品組成結構系統（技術系統）演化。因此，產品隨后組態圖可以看作是在早期組態圖上實施一系列變換操作而得到的。

如圖6所示，這些組態圖變換操作可以概括為如下幾種［7］：包含和排除、鏈接和解開、分裂和結合。

（1）包含和排除。包含操作行為是向產品組態圖中引入一個外部組件；排除操作行為是引出一個被解開的組件，使該組件由內部組件轉變成外部組件。

（2）鏈接和解開。鏈接操作行為是鏈接兩個非鏈接的組件；反之，則為解開操作行為。

（3）分裂和結合。分裂操作行為是從鏈接中移走一個內部組件，但鏈接的功能被保留，從而創造出一個過渡的組態，可以通過引入一個替代的組件（實例）來執行其功能；結合操作行為是從產品組態圖中加入一個新的組件到一個分裂的鏈接。

圖6 組態圖變換操作

4.2 進化路線分析

技術進化模式/路線是TRIZ技術進化理論的基礎和核心［9］，反映了產品進化技術過程中系統的元件之間或系統和環境之間重要的、穩定的、可重復的交互作用，可應用于產品進化技術預測，指導創新概念設計。脫離特定環境和拋開各種限制條件以理想化定義問題的最終解，技術進化路線指明了理想解的發展趨勢，從而幫助設計人員確定創新設計方向，所提供的各發展趨勢上的具體進化狀態特征序列，又可以支持快速產生創新設想甚至是更為具體概念設計方案，因此可顯著提升產品跟蹤創新的效率和成功率。

如圖7所示，每條進化路線有若干個進化狀態，通過搜索待改進產品及各組件有進化潛力的進化路線，定位它們在這些相關進化路線上所處的進化狀態，查找和發現潛力狀態和遺漏狀態，從而快速產生待改進產品的若干個創新設想，有效指導產品組態圖變換操作，可極大提高跟蹤創新設計的效率。技術進化模式僅僅指出了產品進化的大致方向，并不涉及具體細節。目前已發展了20種進化模式和350條進化路線［9］。

圖7 基于組態圖和技術進化路線搜索創新設想

如圖7所示，“增加可控性進化路線”是組件“自控裝置”的有進化潛力的技術進化路線之一，若在待改進產品中與之對應的組件實例是處于進化狀態“間接控制系統”，則基于該進化路線可獲得的創新之一就是用“反饋控制系統”替代“間接控制系統”，即可通過對當前產品組態圖的組件“自控裝置”進行分裂和結合來實現。

5 案例分析

自動調整臂（automatic slack adjuster，ASA）在國外已是成熟技術，載重車、客車及掛車等制造商近年來均已將其作為整車的標準配置。但在我國，自動調整臂技術尚還處于起步階段。現以專利US4749063作為待改進產品，如圖8所示，對本文所提出的產品跟蹤創新方法進行可行性驗證。

圖8 自動調整臂（US4749063）原理圖

5.1 構建產品組態圖

首先，分析專利US4749063的產品系統結構，以及其各可選產品的系統結構，可以獲得“調整臂殼體”、“自控裝置”、“自控裝置的效應原理”、“制動氣室推桿行程”、“凸輪驅動軸角位移”、“制動蹄總成”、“制動鼓”等多個系統元素，從而構建自動調整臂的系統元素庫。然后，對自動調整臂的系統元素進行聚類、概括和抽象，可以獲得“調整臂殼體”、“自控裝置”、“制動氣室”、“凸輪驅動軸”、“制動蹄總成”等組件，從而構建自動調整臂的組件庫。最后，以自動調整臂的組件庫中的組件為基礎，分別繪制專利US4749063及其各可選產品的組態圖。如圖9所示，給出了專利US4749063及其兩種典型可選產品的組態圖（部分）。在實際實施中，該過程是一個反復迭代、逐步深入完善的過程。

5.2 創新概念設計

對比分析專利US4749063及其各可選產品的組態圖后發現：自動調整臂的系統結構歷時變化大多與組件“自控裝置”有關，而其他組件諸如“調整臂殼體”、“蝸輪”和“蝸桿”等則相對穩定。表2列舉說明了幾個“自控裝置”的組件實例及結構化表述。

圖9 US4749063及其可選產品的組態圖（部分）

表2 部分“自控裝置”組件實例及結構化表述

應用TRIZ技術進化理論分析組件“自控裝置”的理想化趨勢，發現其滿足技術進化路線“增加可控性（無控制→直接控制→中介控制→增加反饋→智能反饋）”和“場（固體→彈性體→液體→氣體→電磁場→光場）”。“自控裝置1”、“自控裝置2”和“自控裝置3”在“增加可控性”進化路線上都處于“增加反饋”進化狀態；而在“場”進化路線上，這里主要從感知原理的角度考慮，“自控裝置1”處于“氣體”進化狀態，“自控裝置2”和“自控裝置3”則處于“彈性”進化狀態。因此，可以產生創新設想：將“自控裝置4”替代“自控裝置3”，發展專利US4749063的跟蹤產品概念設計方案。

其中，“自控裝置4”是組件“自控裝置”的實例，其技術水平應用技術進化路線可以表述為“增加可控性（智能反饋）”和“場（電磁場）”。在這一創新設想導向下，通過對US4749063自動調整臂組態圖進行一系列變換操作后，可以得到如圖10所示的跟蹤創新后的產品組態圖，以及產品概念設計的結果，該產品已申請專利保護（中國專利申請號：CN201010235569.8）。

圖10 跟蹤創新后的產品組態圖及工作原理圖

6 結束語

首先，在分析待改進產品及可選產品的系統結構基礎上，提取最優粒度的系統元素定義組件，繪制各與之對應的產品組態圖；然后，對比分析產品組態圖，發現和確定待改進產品可以改進的組件，從而大致定位跟蹤創新的突破口；最后，應用TRIZ技術進化理論，確定目標組件的潛力進化路線，以及在各條潛力進化路線上的潛力狀態或遺漏狀態，從而快速產生創新設想，以指導待改進產品組態圖的變換操作，發展出跟蹤創新后產品可能的組態圖，并落實為具體的概念設計方案，以及驗證概念設計方案的可行性。

［1］Coleman C.Creative System Design Methodologies：the Case of Complex Technical Systems［J］.Technovation，2005，25（8）：831－840.

［2］陳旭玲，樓佩煌，唐敦兵，等.概念設計中功能驅動的消化吸收再創新研究［J］.計算機集成制造系統，2009，15（10）：1873－1879.

［3］柳巖，管曉方，宋玉泉.中國轎車自主創新的現狀［J］.吉林大學學報（工學版），2009，39（1）：266－273.

［4］謝科范，董芹芹，陳云.基于資源集成的自主創新模式辨析［J］.科學學研究，2007，25（增刊1）：110－113.

［5］馬炳和，王輝，苑偉政.基于結構組件庫的 MEMS概念設計方法［J］.中國機械工程，2010，21（1）：46－50.

［6］李桂東，周來水，安魯陵，等.基于八元集合模板和專用模塊的產品快速設計方法研究［J］.中國機械工程，2009，20（19）：2348－2354.

［7］譚術洋，張根保，麥小鋒.基于模板理論的計算機輔助創新平臺研究與開發［J］.機械設計與制造，2006（7）：155－157.

［8］張建輝，檀潤華，楊伯軍，等.產品技術進化潛力預測研究［J］.工程設計學報，2008，15（3）：157－163.

［9］張換高，趙文燕，檀潤華.基于專利分析的產品技術成熟度預測技術及其軟件開發［J］.中國機械工程，2006，17（8）：823－827.

［10］Clarke D.Strategically Evolving the Future：Directed Evolution and Technological Systems Development［J］.Technological Forecasting and Social Change，2000，64：133－153.

［11］白晶，秦現生，蔣明桔，等.一種組態式產品設計方法［J］.西北工業大學學報，2010，28（4）：553－558.

［12］徐榮華，唐敦兵，朱仁淼，等.基于功能本體的再創新設計策略研究［J］.工程設計學報，2009，16（6）：395－400.

［13］張冬梅，曾忠祿.結合專利分析與技術環境監測的技術預見模型［J］.情報理論與實踐，2010，33（4）：61－63.

［14］胡旭潔，劉繼紅.集成TRIZ的計算機輔助公理化設計系統［J］.計算機集成制造系統，2010，16（11）：2321－2326.

［15］丁俊武，韓玉啟，鄭稱德.基于TRIZ的產品需求獲取研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12（5）：648－653.