基于問題確定的產品創新設計方法的研究

羅建設*，羅垂敏，鐘 嵐

(1.成都工業學院 a.模具技術四川省高校重點實驗室;b.電加工四川省高校重點實驗室，成都 611730;2.成都廣播電視大學，成都 610051)

基于問題確定的產品創新設計方法的研究

羅建設1a*，羅垂敏1b，鐘 嵐2

(1.成都工業學院 a.模具技術四川省高校重點實驗室;b.電加工四川省高校重點實驗室，成都 611730;2.成都廣播電視大學，成都 610051)

針對目前產品概念設計方法的多樣性和片面性，通過將質量功能布置、價值工程理論與發明問題解決理論等方法進行有機集成，提出了一種面向技術系統問題確定的產品創新設計過程模型。通過質量功能布置定性描述技術特征之間的相關影響關系，發現可能存在的技術矛盾，建立功能模型分析技術系統存在的標準、不足或者過剩作用等問題，利用價值工程理論的價值評價尺度對各類問題進行分析并確定最終的產品創新方向。采用表示層/業務邏輯層/數據訪問層的構建方式開發了支持產品創新設計的原型系統，并通過示例驗證了該系統的有效性。

產品創新設計;問題確定;過程模型;發明問題解決理論

隨著經濟的高速發展，產品的同質化競爭越來越激烈，企業必須注重新產品的開發以建立各自的競爭優勢［1］。產品概念設計是產品創新設計過程中的重要階段，由于設計的不確定因素多，設計的可塑性和自由度大，是產品創新設計的核心階段。目前已提出多種概念設計階段可用的方法，如Alaa Hassan等［2］將質量功能布置(QFD)、失效模式效應分析(FMEA)和作業成本核算法(ABC)有機集成一種適用于概念設計階段的方法;Zülal Güngo¨r等［3］將QFD中的設計需求和用戶需求應用于模糊控制中而形成一個模糊決策系統，這個系統應用于新產品設計中;H.Kawakami等［4］提出和實現了一種基于價值工程(VE)和公理設計(AD)理論的，運用于產品概念設計階段的知識獲取的方法。發明問題解決理論(TIPS，Theory of Inventive Proldem Solving)提供了一系列解決問題的方法來實現技術創新，但不能有效識別產品創新設計中的技術問題［5］。因此，本文通過將QFD、VE與TIPS進行有機集成，提出一種能有效地確定并解決產品創新設計中的技術問題的創新設計過程模型。基于該模型，設計實現了原型系統，該系統是文獻［6］建立的計算機輔助創新設計系統平臺的一個子系統。

1 產品創新設計過程模型

依據認知心理學，當人們想要達到一個特定的目標，但又不能立即找到達到該目標的合適的路徑時，人們所從事的活動，都可以稱作問題解決。Simon［7］認為設計過程就是問題解決的過程。如圖1中的產品創新設計過程按照Bransford提出的IDEAL方法［8］建立，遵循以下5個步驟:1)問題確定;2)問題定義和表征;3)策略形成;4)按策略行動;5)回顧與評定。問題確定是問題解決過程的第1步，是決定問題解決成功與否的關鍵。如果設計人員把更多的心理資源分配在確定要解決什么問題及如何解決問題上，那么在問題解決過程中就會較少出現錯誤，并可節省時間和精力。

圖1 產品創新設計過程模型

圖2 產品功能模型

圖3 價值分析評價圖

1.1 用戶需求的轉化

QFD通過質量屋(HoQ)進行產品設計的有效規劃［9］。本文利用層次分析法對用戶需求進行預處理，通過分析不同需求的重要性，給出量化的權重值。根據獲得的用戶需求及權重值，實現用戶需求向技術特征的映射，進而建立整個HoQ。利用已建立的HoQ進行決策，確定各技術特征的目標值，使用戶對所設計產品的滿意度最大。對技術特征目標值進行綜合，轉換成可作為創新設計依據的產品功能需求說明書。根據其屋頂表示的技術特征的相互關系，對技術特征進行分析，發現各技術特性征間可能存在的矛盾。可見，基于HoQ的規劃過程不僅能夠確定產品中的技術問題，而且為后續創新設計提供了依據。

1.2 產品功能模型的構建

產品是功能的載體，因此產品創新設計研究對象選擇的出發點和落腳點都是產品的功能。參照產品功能需求說明書，明確產品應具有的功能，定性地對產品進行功能分析，以了解系統內的功能關系并構建產品功能模型。

本文功能模型的構建是以TIPS中物質-場模型［10］為基礎，與Pahl＆Beiz［11］提出的功能模型不同點在于，其產品功能模型是按照環境因素、產品組件及作用對象的功能邏輯關系構建的，如圖2所示。為了便于控制系統的細分程度及設計人員之間的交流，利用Stone建立的標準功能動詞表中的基本功能［12］來描述系統中的各項作用。

通過建立的產品功能模型，可分析出是否存在不足作用或過剩作用等問題。這是完成產品創新設計，推進產品進化的前提，同時也是VE分析的基礎。

1.3 基于VE的問題確定

產品功能的提高是以增加產品的生命周期成本為代價的，企業為贏得利潤，必須尋找功能和成本的最佳結合點。基于此，本文提出以VE中的價值為評價尺度的產品問題確定方法。在功能定義與整理的基礎上，通過產品組件功能評價系數和成本系數的定量計算來衡量價值，主要過程為:1)功能評價系數的確定:將產品各組件按順序自上而下、自左而右排列起來，將縱列各功能與橫向各功能進行重要性對比打分，將分值填于表中形成矩陣形式;將各組件的得分匯總求出評分值，最后用各組件評分值除以所有組件得分總數即得各組件的功能評價系數。2)成本系數的確定:各組件的目前成本與所有組件目前成本之和相比較得到各組件的成本系數。3)最合適區域法:建立價值系數坐標系，在圖中做出價值標準線和最合適區域線，將各組件表示在直角坐標內，如圖3所示。將落在最合適區域外的各點表示的組件選作VE對象。s取值的大小，決定了最合適區域的大小。

1.4 利用TIPS解決問題

QFD、VE是確定產品創新設計問題的有力工具。以列表或圖表的方式對問題進行表征，以啟發式、類比及頓悟作為產品問題求解策略，最后按照問題求解策略行動，利用TIPS理論的沖突解決原理和科學效應消除系統中的問題。若系統存在技術沖突和物理沖突，利用沖突解決原理予以解決;若需要應用本領域或其他領域的有關定律解決設計中已確定的問題，可以利用科學效應。當所有問題都得以解決，就要進行設計方案評價與擇優決策。若經過評估獲得了最優方案，即可對該方案進行進一步處理。基于本文提出的產品創新設計過程模型，初步設計實現了QVT原型系統。

圖4 QVT系統構架

圖5 QVT應用流程

2 QVT原型系統設計與實現

2.1 系統構架

本文設計實現的QVT原型系統是計算機輔助創新設計系統平臺的一個子系統，主要功能是輔助設計人員發現產品中存在的問題，為設計人員提供有效解決系統沖突的工具，激發設計人員的創新思維，使之產生新的概念和新穎的設計思路。QVT原型系統采用“表示層/業務邏輯層/數據訪問層”3層體系結構，如圖4所示。

表示層為應用的客戶端部分，負責設計人員與整個系統的交互，具有系統集成的作用，并對系統擴展提供良好的支持。業務邏輯層是整個系統的核心，它與該系統的領域有關，包括支持產品創新設計的各個功能模塊，這些模塊通過統一的用戶界面與設計人員進行交流。數據訪問層是整個系統的支撐平臺，為應用提供數據來源。

2.2 系統功能實現

QVT系統以Java+Eclipse+XML+SQL Server 2000為具體實現技術，在Windows平臺上實現并運行。系統應用流程如圖5所示。

QVT系統實現了以下6組功能:1)需求分析功能組。采用QFD四階段模式中第一階段的質量規劃矩陣將用戶需求與技術特性結構化地聯系起來并轉化成技術目標值，實現需求轉換及技術沖突的確定。輔助設計人員決策及提供決策跟蹤方式，并提供對以往設計實例中用戶需求分析的查詢及比較。2)設計問題挖掘功能組。采用功能分析、價值工程等先進的設計理論確定影響產品主要功能的問題，實現產品的綜合性能改進。3)創新方案求解功能組。在產品改進和設計過程中，通常會出現沖突，創新原理為設計人員不折衷地解決技術系統中的沖突提供了方向和思路。該功能組為設計人員提供了基于TIPS理論的啟發式問題求解方法，基于專利分析的創新原理數據庫及效應實例數據庫，對新設計方案的快速形成起到了良好的支持作用。4)設計方案評價功能組。構建包含技術、經濟、社會等方面信息的綜合評價指標體系，作為分析概念設計方案優劣的依據。利用模糊評價法將模糊信息數值化，并完成評分信息的提取與管理，指標權重的確定及評價結果的計算與反饋等，輔助設計人員對設計結果進行綜合定量評價。5)知識資源管理功能組。設計人員可對系統中的用戶需求信息庫、失效模式知識庫、效應實例數據庫、創新原理數據庫進行查看、修改和刪除等操作，并利用Form表單的形式把格式化后的文字和動畫內容按照表單的表格式界面提示，添加到相應的表格內并保存，即可完成信息和知識的導入操作，實現知識資源的不斷擴展和更新。6)報告生成功能組。設計人員可以利用基于模板的報告生成器自動完成項目總結報告，由后臺程序自動完成抓圖、排序、插圖等工作，可以節省大量重復勞動的時間，只需對生成的報告稍作修改，即可快速完成規范化的產品設計報告。為后續再利用提供一個可追溯的途徑。

3 應用示例

面對日益嚴重的能源短缺問題和環境污染問題，以及汽車正碰、側碰、排放等強制法規的相繼出臺，汽車的輕量化、安全性和抗沖擊性等越來越受到關注，而在汽車車身及部件中采用高強度鋼板是一種行之有效的解決方案。本文利用建立的原型系統對高強度鋼板的加工方案進行分析。

1)根據對多個汽車生產廠家的調查，主要的加工高強度鋼板方式是采用冷沖壓技術。這種方式下，沖壓過程需要的沖壓力非常大，所以容易導致高強度鋼板開裂，另一個突出問題是會產生過量回彈。對用戶需求進行預處理，分析不同需求的重要性，給出量化的權重值，建立QFD，如圖6所示。通過QVT系統建立的QFD，對用戶需求進行演繹分析，轉化為減小沖壓力、加熱鋼板等工程特征。通過分析工程特征之間的關系，系統給出的加熱鋼板的權重最大，達45%;另外系統提示需要解決加熱鋼板與減小壓邊力之間的技術沖突。然后，通過QVT系統構建高強度鋼板加工方式的功能模型，如圖7所示。如果使用傳統的冷沖壓技術，勢必要增大沖床的沖壓力，進而必須加大壓邊力;而采用熱沖壓，將高強度鋼板進行加熱，由鐵碳合金相圖可知，碳鋼全部奧氏體化以后，其硬度降低，塑性增加，有利于高強度鋼板的成形精度和防止回彈。成形后冷卻液對成形件的淬火，可以進一步提高其強度。

圖6 通過QVT系統建立的QFD

圖7 高強度鋼板加工方式的功能模型

圖8 技術沖突求解界面

2)利用VE對高強度鋼板的2種加工方式進行對比，熱沖壓技術雖然在加熱這一環節耗費了較多的能源，成本有所增加，但其他成本都明顯低于冷沖壓技術。利用價值分析評價圖進行計算后可驗證其正確性。

3)通過計算機輔助創新設計系統平臺來解決加熱鋼板與減小壓邊力之間的技術沖突。通過查找發明原理庫，發明原理中的“預操作”(如圖8所示)可以用來解決兩者之間的技術沖突，即在壓邊圈上施加一個預緊力。

4 結語

為了提高產品設計效率，促進產品設計的創造力，本文結合企業新產品開發流程及企業新產品開發的實際情況，基于質量功能展開、價值工程理論和發明問題解決理論等先進的設計開發理念，提出了一種面向問題確定的產品創新設計過程模型，并設計實現了QVT原型系統。分析了如何規范從設計需求分析到設計方案提出等一系列過程，給出了各階段解決具體問題的方法和工具。對于實現產品設計方案的技術經濟綜合優化、降低產品成本和提高產品競爭力具有一定意義。

［1］華中生，楊杰，黃飛華.面向產品生命周期的部分柔性技術選擇［J］.中國管理科學，2003，11(2):76-80.

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［5］HIPPLE J.The integration of TRIZ problem solving techniques with other problem solving and assessment tools［EB/OL］.［2011-12-11］.www.trizjournal.com.

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Research on Product Innovation Design Based on Problem Identified

LUO Jianshe1a* ，LUO Chuimin1b，ZHONG Lan2

(1.a.Key Laboratory for Mold Technology of Sichuan College;b.Electric Processing Key Laboratory of Sichuan College，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China;2.Chengdu Radio and TV University，Chengdu 610051，China)

Aimed at the diversity and one-sidedness of the current product conceptual design method，the innovation design process model for technology system problem identified was put forward based on the integration of Quality Function Deployment(QFD)，Value Engineering(VE)and Theory of Inventive Problem Solving(TIPS)method.Through QFD，the associated relationships among the technology features were qualitatively described，，possible existed technology conflicts were found，the problems such as standard，inadequate or excess functions were analyzed by establishing functional model，evaluated by VE value scale and the innovative direction was made sure again.The product innovation design prototype system was developed with the construct method Presentation Layer/Business Logic Layer/Data Access Layer.At last，an example was given to illustrate the validity of the system.

product innovation design;problem identified;process model;Theory of Inventive Problem Solving

TH122;TP319

A

2095-5383(2013)04-0052-04

2013-10-28

四川省教育廳項目“高強度汽車用鋼的熱沖壓成形關鍵技術研究”(11ZB014);校博士基金資助項目(KYBS12006)。

羅建設(1979-)，男(漢族)，四川宣漢人，講師，博士，研究方向:產品創新設計理論及應用研究、塑性加工工藝與設備等，通信作者郵箱:ljsaq@163.com。

羅垂敏(1963-)，男(漢族)，湖南道縣人，副教授，碩士，研究方向:機電一體化。