基于功能技术矩阵的概念产品设计方法探索*

吴 婷 杨 涛



基于功能技术矩阵的概念产品设计方法探索*

吴 婷1杨 涛2

1. 福州海峡职业技术学院；2. 福建工程学院

针对目前概念产品创新设计中存在的问题，借助功能技术矩阵、TRIZ创新理论原理，提出一种基于功能技术矩阵的概念产品开发模式，并阐述具体的实现技术，以期降低概念产品设计的复杂性和不确定性，提高设计成功率和设计品质。

概念产品 功能技术矩阵 创新设计方法

为了更好地规划公司发展战略，更早地预判市场需求趋势，使设计更具超前性、更具竞争力，概念设计应运而生。“概念设计”最早于1984年由德国学者Pahl和Beitz提出，他们认为：在确定设计任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，一部分的设计工作叫做概念设计[1]。概念设计在产品设计过程中占有非常重要的地位，类似于生物的基因，从质的层面决定产品的品质[2]。各大知名厂商诸如伊莱克斯、飞利浦、苹果、宝马等每年都投入大量的人力物力进行相关领域的概念设计实验，并定期推出概念产品展示活动，以求准确把握未来市场的需求与动向，在产品竞争中立于引领地位，实现企业利润最大化。

1 理论基础

目前，国内对概念产品设计理论研究的主体为高校，主要有浙江大学、西北工业大学、河北工业大学等，主要的理论基础有TRIZ、AD、QFD（质量功能配置理论）理论，国家863 科技计划和国家自然科学基金均资助了很多相关的研究课题。

浙江大学的冯培恩教授及其指导的研究生陈泳基于仿生学对概念产品设计方法学进行了探索，为建立基于遗传和重组的技术产品计算机辅助概念设计的新理论和方法做了探索性工作。

河北工业大学的檀润华教授及其指导的研究生王永山基于QFD及TRIZ理论对概念产品设计进行了研究，将QFD与TRIZ有机的结合，应用QFD解决设计中做什么的问题(What)，应用TRIZ解决设计中如何做的问题(How)，提升产品创新性。

以上对概念设计开发设计的研究虽然取得了一定了成效和进展，但仍然存在很多问题，比如：产品未来概念仅仅从技术进化规律层面研究是远远不够的，人们的审美、需求是多元、动态变化的，对未来需求的预测需要从文化、能源、环境等综合大环境角度进行研究；TRIZ理论解决具体工程问题很有效，但对建立丰富的、多元化的概念路线方面还有许多不足之处；此外现代产品的需求分析分为显性需求分析和隐性需求分析两个层面，苹果公司、微软公司、谷歌公司所创造的极富想象力的新产品显现出对隐性需求分析的重要性，而上述研究都没有涉及如何在概念产品研发中进行隐性需求分析。

本课题针对上述问题提出基于功能技术矩阵的概念产品开发模式，并在需求分析阶段引入TRIZ预测技术与未来预测理论相结合，针对隐性需求分析进行相应研究。

功能技术矩阵是一种非常直观的表格，它将产品所有分功能及其对应的所有可能实现途径罗列其中，设计者可以借助于功能技术矩阵进行各种组合，从中形成实现产品总功能的原理方案。功能技术矩阵为丰富产品开发方案、开拓设计思路、进行方案评价提供了有效解决模式。

TRIZ起源于前苏联，是俄语“发明问题解决理论”的缩写，前苏联著名发明家阿奇舒勒所领导的研究机构为研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，分析了世界上近250万件高水平的发明专利，并综合多学科的原理和法则，形成了一套TRIZ理论体系（见图1）[3]。此外，阿奇舒勒发现，技术从结构上可以进行进化，并总结出进化的趋势，该进化趋势概括出：技术系统是按照刚体→单铰链→多铰链→柔性体→液体/气体→场的趋势进化，我们可以据此总结现在的产品技术处于技术进化中的何种阶段，并预测出该技术进化的趋势，从而在未来竞争中占得先机。例如，海尔集团等就在积极研发替代机械洗衣的利用水电解与超声波震荡相结合的新型洗衣机，这种新型洗衣机符合TRIZ技术进化趋势，能够实现省水、省电、省洗衣剂的要求。

TRIZ有三种工具：①39个通用过程参数和40条发明原理；②物质—场模型和76个标准解；③效应原理解[4]。

图1 TRIZ 理论体系关系

2 基于功能技术矩阵的概念产品开发模式

在概念产品设计过程中，对未来需求的准确预测是成功的起点，准确的设计定位可以为企业赢得市场先机，在科学技术高度发展的今天，单纯利用现有的科技已经不能适应市场的竞争了，苹果、Google等企业的经验告诉我们，现在的产品研发必需具有超前意识，产品开发的模式也必须进行必要的调整；与此同时，如何将未来的需求用最低的成本、最令消费者满意的形式进行展现也是概念产品开发取得成功的另一关键。

隐性需求是与显性需求相对的，隐性需求可以通过一定的转化过程而表现为显性需求从而被企业和用户认知。为了在激烈的市场竞争中赢得先机，国际上比较知名的几大企业甚至提出引导消费者生活习惯的设计口号，在这种背景下，如何挖掘隐性需求成为设计师必须解决的难题。因此，本课题在研究概念产品开发的需求分析过程中，引入需求预测概念——即通过TRIZ预测理论及未来环境预测、归纳，发掘用户的隐性需求，以提升产品开发的创新性。

TRIZ技术进化理论中包含10条定律(或模式)与多条进化路线。这里的10条定律是指技术进化的10个方向。技术进化路线指出了某种技术进化的状态序列，实质是技术如何从一种状态移动到另一种新的状态，新旧状态所完成的基本功能相同，但性能极限提高，或成本降低，即产品沿进化路线进化的过程是新旧技术更替的过程。基于当前的产品技术所处的状态，按照进化路线，通过设计，可使其移动到新的状态。基于TRIZ中技术进化理论的预测结果可以帮助企业确定新产品开发战略机遇。

对未来进行预测，主要通过分析推导得出预期的环境变化、用户使用变化、审美、价值观变化等。这要求在产品开发过程中，多咨询、了解相关专家的科研预测成果，并对技术发展趋势进行充分调研，在后续的概念产品方案评价阶段对新技术、新工艺等应用于新产品中的提案进行中立环境下分析。在确定了用户的需求之后，如何将需求转换为结构随之成为概念产品开发的关键，此过程也称为求解过程，并且解的数量不是单一的，我们必须对解进行评价、取舍。在系统论设计方法的指导下，本研究综合产品开发中的单项技术、理论，并融入相关的预测技术，将功能技术矩阵与创造性解决问题理论相结合，以得到新型创新设计解决模式，对概念创新设计提出新思路、指导一般性概念产品设计。

应用于具体的概念产品开发过程中，本理论的操作流程为：获取需求信息→需求转换为功能→功能转换为结构→方案评价。在此过程中，主要基于功能技术矩阵模型进行产品开发，运用TRIZ理论进行开发定位技术性预测、方案具体求解、方案评价。

2.1 需求设计

获取需求信息：为获得最充分、最全面的需求信息，产品研发团队应对消费者进行全面的需求调查，进行必要的访谈与产品使用观察实验；同时，设计师进行产品试用、专家访谈，以寻求产品缺陷及消费者潜在的需求。

获取隐性需求：隐性需求是指人们还没有意识到的、客观存在的需求。这种需求通常是设计师本人通过敏锐的感觉能力、训练有素并且善于观察和思考的头脑产生出的需求信息。

隐性需求是概念产品赢得未来市场的基础，是概念产品研发的重中之重。获取隐性需求的关键是进行未来预测，这要求我们要洞悉未来社会的发展趋势、人们的生活习惯、科技的动向、人们的审美等等, TRIZ中的技术进化理论为我们对技术的发展提供了未来预测的可能。

2.2 需求转换为功能→功能转换为结构

按功能论设计方法进行功能定义、功能分类、功能整理、形成功能技术矩阵。与传统建立功能技术矩阵的方式不同，本研究模式融合了TRIZ创新理论原理(见图2)，可以在产品设计过程中提出尽可能多的、有效的设计方案，正确反映设计提案的成本与设计品质，为设计师及企业决策者提供清晰的选择提案，可以有效提高产品设计方案的商业成功率、提升产品品质。

图2 TRIZ创新原理

具体操作步骤为：在建立功能技术矩阵过程中，先将前期的需求设计结果表述为具体的总体功能和分功能（与传统的产品开发过程不同，本研发模式为先确定理想的结果，不考虑具体的实现技术），运用TRIZ创新理论原理生成框架式的广义上的解，再把设计知识、制造知识、商业运作知识等诸多方面融合在一起，最终形成更广度范围内的创新设计方案，建立反映成本、设计品质、实现途径技术先进性等选项的概念产品设计方案多维矩阵模型(见图3)，然后按照设定的权重对每个方案进行评分（公式参照式（1）），评分最高的选定为设计方案，进行产品量产、推广。

Si=ΣkjCiI(i=1,2,…n；j=1,2,…m) 式（1）

其中：

Si——第i 项方案的综合评分；

j——表示产品研发评价特性的指标个数；

kj——评价指标为j 时所对应的权重值；

i——产品分功能项；

I——可以实现产品分功能i项的技术途径项；

CiI——多维矩阵模型中可以实现产品分功能i项的技术途径项I的分值。

图3 概念产品设计方案多维矩阵模型

在利用“基于TRIZ、功能技术矩阵的概念产品开发模式”过程中，进行功能转换时，会遇到各种技术矛盾或物理矛盾，TRIZ技术提供了系统的解决方案，融合本多维矩阵模型的方案评价体系，按如下步骤进行：

(1)进行问题分析；

(2)确定理想状态产品所要具备的功能，包括总功能及各个分功能；

(3)查找效应库，解决各功能需求；

(4)对所得出的各个方案选取成本、技术先进性、品质、美学评价等方面进行综合评价，利用前文提到的方案权重综合评价公式进行评分，优选分值最高的方案。

在进行方案设计过程中应把握如下原则：当我们已知存在的问题与矛盾而不知该做些什么的时候，运用创新原则来解决；知道要做什么而不知如何做时，科学效应与现象能为你提供帮助。技术系统的进化趋势可以解决整个系统的改善问题。

在分析创新原则阶段适当运用类比思考，组织小团队开展头脑风暴还是有必要的。毕竟确定方案需要不同领域的专业知识。

如果问题没能得到解决或功能无法实现，请重新分析问题或查找合适的效应。

在利用问题与矛盾解决原则不能找到解决方案之后。物质—场分析可以揭示问题的产生原因，标准解法可以按层次给出更多的方案选择。当然物质—场分析与标准解法比起其它工具则需要更多的专业知识。

找到解决方案后要与理想化最终结果进行比较，我们要知道现在方案与预期的差距。另外，任何方案没有绝对的正确性，反复变换选择的特征参数与看问题的角度能得到更多的可选择方案。

3 结语

本文重在研究建立概念产品开发方法及模型，以促使设计在理性的思维导向下形成正确的结果，而不必通过失败后的反复修正或在设计中留下不可挽回的后遗症。通过本研究，一方面是形成较完善的概念产品开发理论及开发模型，另一方面，是希望它能推动我国制造业在国际竞争中能取得更好的成绩，现在制造业的竞争是设计的竞争，我国现在是一个制造大国，但却不是制造强国，问题就在设计！我们的制造业主要依靠引进技术制造，设计竞争能力差距很大，掌握正确的设计理论和方法无疑会加快设计能力的提升，希望本研究能够改进我们的思维习惯和教育传统。

[1] 梁玲琳.产品概念设计[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[2] 唐林.产品概念设计基本原理及方法[M].北京:国防工业出版社, 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] 张武城,赵敏.开创创新教育，提高创新能力[A] //高校创新理论教育·教学研讨会论文集[C].北京：亿维讯集团,2007.

[5] 邹宁.基于QFD 与工效学方法的产品开发与评价技术研究[D].杭州：浙江大学, 2009.

[6] 刘华. 基于TRIZ理论的产品概念设计方法及应用[D]. 南京:南京理工大学,2005.

[7] 王永山. 基于QFD及TRIZ的产品概念设计及相关软件开发[D].石家庄:河北工业大学, 2002.

*福建工程学院教育科学规划项目基金:“基于工作过程导向的创新设计课程教学模式研究”（GB-K-11-05）。