面向模塊化設計的產品多層次創新設計策略研究

宋興格，萬　浩，妥世花，劉　超，甘吳波

(1.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都　610065)(2.重慶化醫恩力吉投資有限責任公司，重慶　401221)

模塊化設計(modular design，MD)是實現大批量定制(mass customization, MC)生產方式的核心基礎。它能夠有效解決客戶個性化需求和大批量生產之間的矛盾，提高設計生產效率，縮短產品生命周期，便于產品更新換代和新產品的研發，提高產品質量和可靠性，便于實現標準化、通用化等[1]。雖然模塊化設計提高了生產效率，但也在一定程度上阻礙了產品的創新發展，因此針對大批量模塊的個性化定制產品的升級，還需要用創新設計方法來引導。

創新設計方法是研究產品設計規律、設計程序及設計中思維和工作方法的一門綜合性學科，為合理開發、設計和應用系統而采用的思想、步驟、組織和方法的總稱[2]。然而，孤立的創新設計方法現在已經不能滿足客戶的個性化需求，迫切需要多方法融合實現創新設計：CROSS[3]提出了基于概念級、基于FBS等一系列的產品創新設計過程模型；清華大學的馬懷宇等[4]提出了基于TRIZ/QFD/FA的產品概念設計模型；河北工業大學的苑彩云等[5]提出將TRIZ與TOC相結合，解決產品設計過程中出現的沖突。然而，現有的創新設計方法側重于設計過程和解決技術問題，仍停留在需求獲取技術的研究上。對創新設計方法與模塊化設計的結合以及個性化需求與大批量定制生產模式的研究較少。由此可知，面向產品的模塊化設計，對用戶需求進行分析研究，以各種創新設計方法為手段，構建模塊化思維下產品多層次創新設計策略的研究具有重要意義。

1　以用戶需求和創新設計方法為導向的創新策略

筆者結合模塊化設計思維，以用戶需求為目標，各種創新設計方法為手段，通過對需求獲取技術、重要度決策、功能特征獲取以及產品模塊劃分的研究，在公理設計(axiomatic design，AD)理論、TRIZ和形態學矩陣指導下，建立了面向模塊化設計的產品多層次創新設計策略。

1.1　用戶需求的采集、分析與功能特征的獲取

用戶需求的獲取首先需要采集和整理用戶需求，可采用5W2H方法，引入用戶之聲(voice of customers，VOC)表收集用戶的原始數據并進行整理。然后利用親和圖法(the KJ method，KJ)對需求進行合并歸類，做到相互獨立，形成層次分明的需求樹結構。最后采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)定量分析用戶需求之間的關系[6]。層次分析法的核心是將復雜的需求進行歸類分層計算權重。先對需求進行層次的劃分，構造相應的判斷矩陣，計算下層元素對上層元素的權重，然后進行單排序一致性的檢驗，接下來分析層次是否結束，進行總排序權重的計算，最后進行總排序一致性檢驗。

同時，為了建立用戶需求與功能特征之間的關系，還需要根據用戶需求獲取功能特征。獲取功能特征常常采用頭腦風暴法、質量要素表、實踐經驗、市場相似產品功能特征提取等方法。

1.2　基于AD的功能特征與設計參數分析

公理設計轉換層是通過構建分解層次表將產品的功能特征(FR)和設計參數(DP)連接起來，得到新產品的初始功能結構，并將功能特征轉換為工程人員設計時使用的設計參數。為了表明功能之間是否存在耦合關系，構建了功能特征和設計參數之間的設計矩陣，設計矩陣的作用是把功能要求之間的關系轉換為功能要求和設計參數之間的關系，通過分析、判斷功能要求和其他設計參數之間的關系間接判斷兩個功能之間的關系[7]。

其中，功能特征和設計參數之間的設計矩陣關系采用模糊評價法，設計矩陣表中1代表兩個功能之間具有“強相關”，-1代表“弱相關”，0代表“不相關”。對功能特征和設計參數進行分析，具有強相關的兩個功能需要進行重新設計或解耦，弱相關需要考慮設計的順序，不相關則剛好滿足AD的獨立性原理。

1.3　問題的模塊化分析

對公理設計的結果進行分析，結合功能特征與設計參數的分解層次表、設計矩陣，對功能進行模塊劃分，設置接口截面，理清層次間的關系，對模塊之間流的輸入輸出關系進行分析，根據功能之間的各種流的輸入輸出關系進行劃分，稱為功能流模型[8]，從而確定合理的模塊劃分方案，主要還是基于用戶的需求考慮。基于功能流進行模塊劃分時，應從系統的觀點出發，將整個產品系統劃分為各個相對獨立的功能單元，通過對各個子模塊、子功能或功能元之間關系的分析，確定產品的功能主結構，然后按照一定關系來選擇模塊，并組合成用戶所需的產品[9]。

1.4　基于功能模塊的原理解尋找和解的變型

這一過程應通過頭腦風暴法、形態學矩陣以及TRIZ等方法盡可能多地獲取功能原理解及其變型。形態學矩陣(morphological matrix，MM)可以通過輔助決策生成系統級概念解，能夠在一定程度上鼓勵創新，這就為與TRIZ的融合提供了可能。形態學通過陳列問題的所有組合來尋求系統的解，將產品的總功能分解后的子功能對應的解作為矩陣的行，將每個功能的原理解作為矩陣的列，但是系統出現解的數量是呈爆炸性增加的，矩陣中的元素多為已有解，常導致組合解也缺乏創新性。

TRIZ將大量解決沖突的原理與工程實例相結合，減少了盲目的不具備可行性的解，同時擴展了解的產生領域，提高了解的有效性和創新性。在TRIZ實際工程案例出現功能沖突、結構沖突時，沖突分析法就成為TRIZ工程問題求解的基礎[10]。雖然TRIZ工具能較容易地求解單一功能沖突，但在系統層面判斷各個解之間的關系，確定組合解及具體結構時比較困難。TRIZ和MM在設計過程中具有互補性和一致性，因此可以構建基于TRIZ和MM解決問題的模型。

2　面向模塊化設計的產品多層次創新設計過程模型的建模

為了更好地輔助設計者在模塊化設計中實現設計創新，實現產品相關功能子模塊之間的互換性，本文在研究用戶需求、功能特征以及相關創新設計方法理論的基礎上，圍繞模塊化思維，構建了基于用戶需求和設計方法的產品模塊化創新設計過程模型。該模型包含4個子模型：用戶需求分析及功能特征分析模型、基于公理設計的FR與DP的分析模型、問題的模塊化分析模型、基于形態學矩陣和TRIZ矛盾矩陣模塊的求解模型。該策略首先對用戶需求進行獲取并分析，根據分析結果在工程特征庫選定產品的FR；其次基于公理設計理論工具，構建FR與DP之間的功能-結構的設計矩陣和分解層次表，然后采用模塊化思維，基于功能流進行模塊劃分和組合，得到產品的主模塊和子模塊；最后采用TRIZ和MM對模塊進行求解，實現產品的創新設計。該策略為設計者進行產品設計提供了一套完整的、系統化和可操作性強的設計指導思路，具體如圖1所示。

2.1　用戶需求分析模型及功能特征的確定

用戶需求分析模型包含用戶需求獲取、用戶需求整理、用戶需求重要度排序以及市場競爭力分析等內容。首先企業確定需要開發的產品；其次采用調查訪問、5W2H等方法獲取用戶的需求信息；然后對所獲取的信息進行規范、表達和整理；最后利用AHP法將需求按照KJ法的操作流程進行歸類分層，得到各個要素之間的權重指標。

功能特征分析模型包括功能特征的獲取、功能特征的整理以及功能特征的競爭性分析等內容。首先搜集能夠滿足用戶需求的工程特征；然后對這些工程特征進行整理，結合企業自身情況以及技術條件加以規整；最后確定所整理的每項功能特征在市場中的競爭力。

圖1　面向需求和設計方法學的產品模塊化創新設計模型

2.2　基于AD的FR和DP的分析模型

基于AD的FR與DP的分析模型，主要是把產品的功能特征和設計參數通過分解層次表連接起來，實現產品功能層次的結構化，并通過研究設計矩陣分析產品功能特征之間的關系[11]。基于AD，產品功能要求與設計參數之間的關系可以表示為如下方程：

FR=A·DP

式中：A為設計矩陣，表示功能特征和設計參數之間的關系；FR和DP分別為功能要求集和設計參數集。該模型以設計矩陣為核心，構建了功能特征和設計參數之間的映射關系。具體過程首先是引入公理設計方法，將功能要求分解為子功能要求，并確定實現該功能要求的設計參數；然后記錄每級功能要求和設計參數之間的設計矩陣和層次分析表，以為后期模塊的劃分提供理論基礎。

2.3　設計問題的模塊化分析模型

設計問題的模塊化分析模型主要包括模塊劃分規則和組合規則。首先對產品總功能進行分析，并結合產品層次分析表得到總功能結構；然后將總功能分解為多個子功能。在得到子功能的同時，應該對該層級的模塊進行劃分，這里要遵循功能獨立原則，是一個逐層向下的過程[12],如圖2所示。具體劃分規則分為3種。

1)串聯模式。當某種流輸入其中一個或者多個子功能之后，流的形式沒有發生變化，最后退出系統或在中途轉變為另外一種形式，則這些子功能可以判定為一個模塊。

2)并聯模式。基本上每一個分支都可以劃分為一個主模塊，如果還有分支，則可以繼續劃分，流的分支處形成模塊之間的接口界面。

3)混聯模式。對于子功能、轉換和傳送功能而言，子功能在接收到信息、能量和物料以后，如在下一級轉換為另外一種形式，那么這些子功能就可以確定為一個模塊。

圖2　新產品初始功能-結構劃分結構圖

2.4　基于形態學矩陣和TRIZ矛盾矩陣模塊求解模型

雙矩陣模塊求解模型主要包括產品模塊的分析和描述、模塊下產品FR和DP的提取和分析、采用MM和TRIZ矛盾矩陣對問題進行分析和探討相關的解決方法等[10]。首先將模塊中功能原理解不明確的問題進行TRIZ描述，轉化為TRIZ問題；其次通過TRIZ工具進行求解，分析產品的FR和DP，得到分功能及其原理解；再次將所得結果放入形態學矩陣進行討論；最后根據用戶需求權重，對選擇結果進行分析，不滿足用戶需求，返回重新求解，滿足用戶需求，則生成產品的創新方案。創新方案的生成，離不開TRIZ提供的多種分析工具進行矛盾描述。在建立功能結構的同時，采用相應的TRIZ工具，如沖突矩陣發明原理、科學效應庫、進化路線等工具獲取功能原理解，將設計中的問題解決，從而開發出滿足用戶需求的創新產品[13]。

3　泡沫硬化劑自動制備裝置創新設計

3.1　泡沫硬化劑設備的用戶需求獲取、處理及功能特征的獲取

目前常采用TESSARI等在2011年提出的方法[14]制備泡沫硬化劑：用兩個一次性注射器分別盛放液體硬化劑和氣體，分別成90°角與三通開關連接，通過來回推送產生泡沫。由于臨床手工制備的泡沫硬化劑難免存在質量上的差異，有可能會產生嚴重的副作用。基于此，筆者設計了一種泡沫硬化劑自動制備裝置，該裝置的推注速度、次數和行程可調、可控，并可適用于不同注射器。

泡沫硬化劑裝備的用戶需求可根據1.1節和2.1節內容獲取，在滿足需求的前提下，從工程角度將其分為3個層次，如圖3所示。

圖3　用戶滿意的泡沫硬化劑需求KJ圖

基于KJ法的分析，利用層次分析法(AHP)對獲取的需求進行分析處理，建立關于第1層和第2層需求的判斷矩陣，獲得第3層用戶需求之間的關系權重。

通過對上述判斷矩陣的求解，可以得到泡沫硬化劑用戶需求的層次單排序結果。為了驗證各判斷矩陣中重要度分析判斷的邏輯是否合理，還需要對結果進行一致性檢驗，檢驗結果見表1所示。

表1　判斷矩陣的一致性檢驗

表1中各個判斷矩陣的CR值都小于0.1，因此用戶需求之間的重要程度的判定邏輯是合理的，由此可以得出用戶需求的總排序，見表2。

表2　泡沫硬化劑設備用戶需求的權重

在獲取用戶需求權重之后，根據1.1節和2.1節內容，可知該產品總體有以下幾大功能特征：1)驅動、傳輸功能；2)控制功能；3)人機交互功能；4)注射器的夾持定位功能。

3.2　基于AD的FR和DP映射關系

該設備的總功能要求為硬化劑自動制備功能FR0和硬化劑自動制備裝置DP0。根據公理設計原理可以定義：驅動傳輸功能FR1、系統控制功能FR2、人機交互功能FR3、注射器夾持功能FR4，其中FR2對FR1之間具有一定的相關性。對應的設計參數為動力源與傳動結構參數DP1、控制系統參數DP2、人機交互界面參數DP3、注射器夾持結構DP4。根據前文1.2節和2.2節的定義可得到該級的設計矩陣，如式(1)所示。

(1)

驅動傳輸功能FR1可以分解為驅動力FR11、動力傳輸功能FR12、推動功能FR13。對應的設計參數為電力驅動裝置DP11、機構連接參數DP12、推動結構DP13。通過分析得到該級的設計矩陣，如式(2)所示。

(2)

系統控制功能FR2可以分解為速度可調節功能FR21、推動次數可調功能FR22、推動力大小可調功能FR23。對應的設計參數為速度控制方式DP21、循環次數控制方式DP22、推力控制結構DP23。通過分析得到該級的設計矩陣，如式(3)所示。

(3)

人機交互功能FR3可以分解為快速輸入信號功能FR31、轉換和傳輸信號功能FR32、執行信號功能FR33。對應的設計參數為信號動力源DP31、信號轉換和傳輸DP32、執行構件DP33。通過分析得到該級的設計矩陣，如式(4)所示。

(4)

注射器夾持功能FR4可以分解為夾緊功能FR41和定位功能FR42。對應設計參數為夾緊結構參數DP41和定位參數DP42。通過分析得到該級的設計矩陣，如式(5)所示。

(5)

3.3　產品功能模塊的劃分和確定

基于3.2節中對功能特征和設計參數的分析，對功能進行模塊劃分，設置接口截面，理清層次間的關系，同時對模塊之間流的輸入輸出關系進行分析，從而確定合理的劃分方案。根據1.3節和2.4節研究內容，進行子模塊劃分，圖4為泡沫硬化劑自動制備裝置的功能模塊劃分圖。

3.4　設計問題的創新求解

該裝置分為4個模塊：人機交互模塊、控制系統模塊、動力裝置模塊以及傳輸系統模塊。通過對結構布局進行分析，可知要求具有一定的速度，但在調節速度過程中會產生不同分貝的噪聲。因此，在保證速度的情況下，應盡量減少物體產生的有害因素。通過查詢TRIZ矛盾矩陣，可得推薦的發明原理：抽取原理、快速通過原理、中介物原理、改變特性原理。結合分析和發明原理，應選用更合理的機械結構裝置來傳遞能量，比如滾珠絲杠導軌。

圖4　泡沫硬化劑自動制備裝置的功能模塊劃分圖

對控制系統而言，要求整個系統安全可靠、誤操作少，即要保證系統的可靠性且自動化程度要高。如引入可編程邏輯控制器(PLC)，就可以改善產品的自動化程度。查詢TRIZ矛盾矩陣，可得推薦的發明原理：一次性用品原理、改變顏色原理、預先應急措施原理。根據分析和發明原理，考慮在人機交互模塊下設置功能按鈕。當硬化劑制備過程中可靠性得不到保證時，通過功能按鈕，使制備過程停止。通過對以上功能的劃分和相關參數分析，根據1.4節和2.4節可得系統的最終結構，見表4。

表4　硬化劑裝置原理變型解的形態學矩陣

4　結束語

本文針對個性化的用戶需求，在設計方法學的指導下，結合模塊化設計思維，首次提出基于需求和設計方法學的產品模塊化創新設計策略。通過對該策略的研究，可以指導企業實施產品模塊化設計，縮短設計周期，更好地將研究理論轉化為制造業研發能力，實現MC生產方式。文章最后對泡沫硬化劑自動制備裝置的研究，證明該創新設計策略是可行的，對機電類產品的研發和設計具有參考作用。

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