产品创新集成模型建立及其评价实现

刘晓敏，陈钰婷，王自伟，田松龄

（福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108）

产品创新技术发展的关键是在概念设计阶段建立概念创新集成模型，并评价该模型，以此来发现、确定并求解产品冲突问题.发明问题解决理论［1］（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）认为，技术系统发展要遵循一定的法则.该理论主要侧重于产品创新想法的产生过程.约束理论（Theory of Constraints，TOC）认为，提升系统性能最有效的途径是找出约束条件.该理论主要侧重于提供一种分析系统冲突的工具，但未能给出解决问题的具体办法.

RIZZO［2］认为，TOC与 TRIZ相结合更有助于分析、确定和解决冲突.ELLEN 等［3］得到与ANTHONY相类似的结论.MOURA［4］认为在创新过程中最难解决的是系统核心问题.为此，MOURA深入研究TOC当前实现树（Current Reality Tree，CRT）与 冲 突 解 决 图 表 （Conflict Resolution Diagram，CRD）的关系，并用实例验证与TRIZ组合比单独使用TRIZ能更好地解决问题.LUKE博士［5］同样认为TOC与TRIZ结合更能有利于创新.

目前，对产品创新集成模型的评价过程及方法的研究较为欠缺.为此，从增加产品创新自由度、拓宽求解空间及提高产品创新成功率入手，对紫外光油烟机产品进行研究.

1 产品创新集成模型建立

1.1 产品创新集成模型的建立

图1为产品创新集成模型，该模型中各操作步骤间相互关联并相互制约.具体实现过程为：

首先，分析技术进化理论，包括产品技术成熟度、功能进化模式及进化路线；其次，应用输入、输出流表示法与功能分解原理进行产品功能结构建模，通过构造冲突逻辑图表，确定不理想因素的根原因及冲突，利用TRIZ求解冲突问题，最后对系统冲突根原因进行求解；最后，将形态学矩阵作为创新工具，求得各分功能原理解，并评价出合理的产品创新概念结构.

图1 基于TRIZ与TOC的产品创新集成模型Fig.1 Integrated model based on TRIZ and TOC for product innovation

1.2 产品创新集成模型的实现

1.2.1 产品技术成熟度及技术进化法则分析

当产品核心技术在婴儿期和成长期时，企业研发重点应从原理实现转向产品商业化，使产品尽快占领市场；当在成熟期和退出期时，产品竞争激烈，企业应继续优化技术来保证产品质量并降低成本，同时加速旧技术淘汰，并研发新一代核心技术［1］.

技术进化法则是指实现某一功能所采用技术不断变化的规律.Altshuller的直接技术进化理论［6］应 用 较 广.Zusman［7］提 出 8 种 进 化 模 式，Darrell［8］提出11种进化模式.每种进化法则中都含有多条进化路线.技术进化法则应用过程为［1］：①根据专利信息，选出符合技术发展的典型进化路线.②确定进化潜能.③将创新设想转化为领域解.

1.2.2 建立功能结构模型及冲突逻辑图表

功能结构模型是一种对产品具体功能抽象、直接、全面表达的实现过程.STONE［9］提出：功能基是以功能分解为基础的输入流、输出流的描述方式.通过建立产品总功能及其分解图、确定总功能图中每个输入流的功能链、聚合各功能链（包括串联、并联及聚合等）等方式生成总功能结构图.

冲突逻辑图表是在一系列不良效应中找出冲突问题产生的根原因，要根据实体间的逻辑关系建立当前实现树.

1.2.3 产品冲突求解的TRIZ过程

首先，将冲突转化为TRIZ一般问题；然后，利用TRIZ技法，得出TRIZ问题通用解；最后，依靠设计者知识与经验转化为最终领域解.在该过程中，若遇到物理冲突，则用相应的分离原理解决；若遇到技术冲突，则用冲突问题矩阵求解.

1.2.4 方案组合与评价过程

形态学矩阵是对分功能求解，合成出多个系统原理解，再用方案评价法确定系统原理解.方案评价法是一种集成加权计分法与层次分析法的应用.层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）［10］是用一种标准归一化的值来确定各评价目标加权因子的方法.加权计分法是将评价指标定量化处理一种效用价值分析法.实现步骤是：①确定评价指标及其权重系数.构造判断矩阵，排列权重，检验判断矩阵一致性；②对各方案评价指标值评分，获得评分矩阵；③计算各方案总体得分，确定分值最高的方案为最优方案.

2 概念创新集成模型评价过程实现

统计出2000—2010年间出现紫外光解油烟净化技术的相关专利共54项，该专利信息汇总见表1.

表1 专利信息汇总Tab.1 Summary of patent information

2.1 产品技术成熟度及技术进化过程分析

2.1.1 专利特性曲线拟合与成熟度分析

各专利特性用表1中离散点表示，将曲线拟合为连续曲线，再以此来判断技术发展所处的位置.要确定给定的离散点函数族很困难.为此，利用最小二乘法原理进行多项式曲线拟合［10］.当多项式次数n太高时，会出现“病态矩阵”，次数太低又不能反映待拟合点的实际变化规律.经分析，n取3较好.利用MATLAB软件对给定离散点拟合，再将拟合曲线与标准曲线对比来判断产品技术成熟度.

专利特性曲线拟合用户计算界面，见图2a.用户只需输入各年份专利数量、专利等级与特殊专利数.将表1中各年份专利数据信息输入到图2a界面中，分别单击特殊专利数、专利数量及专利等级等拟合方式，将生成图2b，2c，2d曲线，再分别与其各自对应的标准特性曲线对比，即判断出紫外光净化油烟技术正处于成长期前期.

目前，紫外光解油烟净化技术在国内使用还不够普遍，有一定技术缺陷，该市场份额还不够大，符合成长期特点.此时，企业需要继续优化产品技术，加大研究发展投入，以尽早占领市场份额.

2.1.2 紫外光解油烟净化技术进化分析

2.1.2.1 提高理想解进化法则

进化法则认为：产品是沿着理想解不断提高的方向进化.提高产品理想解方法有：①增加有用功能数量.创新解为：增加油烟机照明功能以改善工作环境；增加定时功能，可避免油烟机结束时忘记关闭；增加油烟检测功能，用以实时监控厨房环境状况；增加火灾报警功能等.②提高有用功能质量.创新解为：提高油烟机电机功率及优选紫外光催化结构布置以提高净化能力.③减少系统有害功能个数及危害程度.创新解为：提高理想解可从降低油烟机能耗、降低系统复杂性及成本、消除烟道火灾隐患、减小设备振动及噪音等方面入手.

2.1.2.2 向超系统进化法则

超系统是指超出本系统范围更高一层次的系统，它可突破原有系统的局限性，更好地实现系统功能［1］.创新解为：①将油烟机与灶具相结合，随着灶具点火与熄火，油烟机自动开启与关闭，以提高自动化程度并防止忘记关闭油烟机；②传统厨房各子系统，如油烟机、燃气灶具 、消毒柜等均单独设计与安装，外观与功能不能很好地实现统一搭配.因此，设计人员采用超系统思想，将油烟机与橱柜、厨具以及其他厨用家电按其形状、尺寸及使用要求等进行合理布局，以实现超系统层次厨房用具的一体化.

2.1.2.3 向微观层次进化法则

该法则是指：技术系统工作原理要向微观方向进化，系统的元件最终发展为原子或基本粒子的微观层次.图3是油烟净化技术向微观层次进化路线图.（图3，4，5中实线箭头为搜索选定的进化趋势指向；虚线箭头为搜索具体的进化目标指向.）由图3知，当前油烟净化技术中，对于等离子体法与紫外光（Ultraviolet，UV）光解氧化油烟技术，完善各项功能，提高油烟净化核心技术性能是重要的发展方向.

2.1.2.4 增加系统动态性法则

增加系统动态性与可控性是系统技术进化的重要法则，扩大了系统适用范围.

当前，油烟机位置多为固定结构，难以适应不同状况.创新解为：①将油烟机进烟口改成移动可调式结构，根据油烟量大小及其发生位置，移动进烟口靠近油烟发生源.在风量相同条件下，提高油烟吸附能力，降低能耗.比如，将集烟罩设计成可调式升降结构.②油烟机集烟罩设计成可变式动态结构.如在进烟口处设置一个可移动侧挡板，在工作时将该挡板伸出，以减少油烟向侧面溢出.当关闭油烟机或油烟量较少时，移动挡板自动回收，不占用空间，实现了动态化.

图2 产品技术成熟度预测相关拟合曲线及计算界面Fig.2 Related fitting curve and calculating interface of product technology maturity prediction

此外，系统整体及其各子系统沿可控性增强的方向发展.产品可控性分为连续可调与智能反馈控制等两个方向.油烟机产品连续可调式进化路线和提高其可控性的进化过程分别见图4和图5.

2.2 产品功能结构建模分析

UV型油烟机主要功能是收集与净化油烟，具体包括油烟收集、传输、过滤、紫外光分解氧化等过程.其总功能分解为油烟收集、净化、油烟导流、动力驱动、控制系统等分功能，各分功能还可继续分解.功能分解程度取决于分功能是否已较容易得到原理解为止.图6为产品功能分解树.

图3 油烟净化技术微观级进化路线Fig.3 Microscopic level evolution route of fume purifying technology

图4 连续可调的进化路线Fig.4 Continuous adjustable evolution route

图5 提高可控性进化过程Fig.5 Evolution process of improving controllability

图6 紫外光油烟机功能分解树Fig.6 Functional decomposition tree of UV fume purifying machine

根据总功能分解原则，建立包括能量流、物料流和信号流在内的人力功能链（用于启动设备、调节挡位及开启辅助功能等）、电能功能链（提供油烟机工作的能量来源，是提供风机动力及产生紫外光能所需的能量）、油烟子功能链（反映油烟运动以及分解净化的过程）等，图7为其功能结构模型.

图7 紫外光油烟机功能结构模型Fig.7 Function structure model of UV fume purifying

2.3 构造产品冲突解决图表

2.3.1 建立当前实现树

当前实现树是构造冲突逻辑图表的基础，也是行之有效的确定冲突问题的方法.

当前实现树是从油烟机性能主要影响因素中建立的，如图8所示，涉及到产品体积、风机噪音、油烟外溢、紫外光灯管与产生氧化剂数量、光解氧化反应速率、管道长短、管道结构合理性、管道压力损失、集烟罩结构合理性、集烟罩位置合理性、风机位置、风机功率、烟气流速、光解氧化反应及油烟含量等方面.图8中的箭头表示实体间满足充分的关系；大黑点表示实体间不满足充分的关系.在后续工作中利用计算机对图8实现了冲突个数的自动搜索及识别，这和人工搜索（效率低）结果是一致的.

2.3.2 构造冲突逻辑图表的TOC分析

降低油烟机振动与噪音的前提是要降低风机功率；但要保证油烟机负压足够大，使油烟被吸入烟罩并防止外溢，前提是增大风机功率.此时，出现冲突1：风机功率既要增大又要减小，如9a所示.

图8 系统冲突的当前实现树示意图Fig.8 Current reality tree of system conflict

为提高油烟机净化效率，应保证有足够的氧化反应时间使油烟净化充分，前提条件是增长油烟管道；但为了保证体积不能太大，前提条件是缩短油烟管道长度.此时出现冲突2：油烟管道既要增长又要缩短，如图9b所示.

系统根原因是集烟罩结构和位置不合理.改进措施为：降低集烟罩高度以利于吸收油烟，提高收集油烟能力；适当升高集烟罩高度，但又不能影响操作者的视线.因此，出现冲突3：集烟罩安装位置既要降低又要升高，如图9c所示.

图9 3种冲突逻辑图表的分析Fig.9 Analysis of three kinds of conflict logic chart

2.4 冲突问题的TRIZ求解

用TRIZ工具对上述冲突问题求解如下：

（1）冲突1 功率增大与减小是一对物理冲突，应采用空间分离原理，创新解为：将产生噪音的风机置于室外，即将噪音源与室内进行空间分离，这样即便增大功率也不会加噪音.

（2）冲突2 管道的延长与缩短是一对物理冲突，它与后面的冲突5有类似的分析结果.

（3）冲突3 集烟罩高度的升高与降低是一对物理冲突，采用时间分离或者条件分离原理，创新解为：根据不同时间或条件改变集烟罩高度，当油烟量较大时可适当降低高度，反之则升高，或者根据油烟发生源具体位置调整其高度.

（4）冲突4 提高油烟吸收率与降低烟机噪音是一对技术冲突，用冲突矩阵求解，冲突特性参数为性能改善参数：物质损失23或可靠性27.性能恶化参数：物体产生的有害因素31.通过查找冲突矩阵，选得可行的原理解为：①发明原理No.1，分割.创新解为：由于风机功率较大，产生噪音也大，可用2台功率较小的风机来取代一台大功率风机，以减小噪音产生.②发明原理No.2，分离.创新解为：将噪音源风机分离出厨房，置于室外.③发明原理No.10，预操作.创新解为：通过改变集烟罩形状和位置，使其更有利于油烟收集，以减少油烟外溢量.

（5）冲突5 提高油烟净化率与系统体积是一对技术冲突.查找冲突矩阵，选出可行的发明原理并转化成问题领域解为：①发明原理No.14，曲面化，用旋转运动代替直线运动.创新解为：在紫外光分解油烟后端加一个旋风分离器，将直线变为螺旋线运动结构，在气体排出前，先气液分离.②发明原理No.7，套装.创新解为：烟道结构采用类似于镶嵌式的套装结构形式，可缩短管道长度，但其总体积变化不大.③发明原理No.35，参数变化.创新解为：在一般化学反应中，高温高压可提高化学反应速度.因此，在反应的油烟管道中适当提高温度，可加快化学反应，同时还能达到缩短油烟管道的目的.

2.5 产品创新集成模型综合评价

2.5.1 各功能元求解及构造形态学矩阵

表2用形态学矩阵列出各分功能的解空间.形态学矩阵是一种基于功能分解的系统地收集与组合分功能解的方法，用于求解系统整体方案.该矩阵第一行与第一列分别为各分功能载体编号及名称，其余位置为各分功能具体原理解.最后，从表2多个组合方案中选出3个可行性较高的概念方案，见表3.上述3方案组合是在各分功能的解空间中提取出的一个功能载体.考虑各功能载体的相容性问题，最终组成系统的原理解.设计方案组合，见表3.表2中的大黑点表示选择指示对象的标识符；实线、虚线和点化线分别表示3种不同设计方案的原 理解获取路线.

表2 紫外光油烟机形态学矩阵Tab.2 Morphology matrix of UV fume purifying machine

表3 设计方案组合Tab.3 Design combination

2.5.2 方案评价及决策过程

由层次分析法确定权重系数，后续评价计分过程采用加权计分法进行［10］.方案评价过程为：

评价目标分多个层次，主要有：技术性能、成本、外观.成本包括可批量制造性及工艺难度；技术性能包含噪音、风阻、净化效率、结构紧凑性、易维护性等.评价目标集为：｛可批量制造性X1，工艺难度X2，噪音X3，风阻X4，净化效率X5，结构体积X6，易维护性X7，外观X8｝，用符号表示评价目标集：

应用层次分析法（AHP）确定权重系数过程如下：

判断矩阵：矩阵中元素aij表示Xi对Xj相对重要性的数值（Xi，Xj分别为产品成本所在的评价目标集的行、列选项）.Saaty提出用1—9的奇数表示，即aij为1，3，5，7，9分别表示指标Xi对Xj同等重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要.这些数的倒数则表示相反的意思.各评价指标重要性为：净化效率＞噪音＝风阻＝结构体积＞工艺难度＝易维护性＞可批量制造性＝外观.因此，判断矩阵A为

求解AG＝λmaxG，其中λmax为判断矩阵A的最大特征根，G为对应的特征向量.归一化处理后将各分量作为评价目标权重系数.经计算得：最大特征值λmax＝8.141 7，该特征向量经归一化处理后为：G＝（0.030 23，0.065 85，0.156 50，0.156 50，0.345 60，0.149 10，0.065 85，0. ）030 23 判断矩阵一致性检查：

CI为一致性判断的指标值；CR为一致性比值；RI为随机指标值；n为矩阵阶数.

其中RI值从表4［10］中查询.因此，将向量G的各分量作为评价目标的权重系数是合理的.

（2）评价集及各目标评语

通过评分法获得3个方案各评价目标的分数，性能值用1—5来表示，各方案评价目标分数见表5.

表4 随机指标RITab.4 Random Index RI

由表5中数值建立以下评价目标分值矩阵W，并求解各方案加权分值R如下：

表5 各方案评价目标分值Tab.5 Evaluating objective score of the schemes

上面3个方案的加权分值R1＜R2＜R3.因此，3个方案优劣顺序为：方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ.故选用方案Ⅲ作为紫外光油烟机最终概念方案.图10是方案Ⅲ的紫外光油烟机工作流程.

图10 紫外光油烟机工作流程示意Fig.10 Workflow diagram of UV fume purifying machine

3 结论

（1）建立一种操作性较强的产品创新集成模型.这对其他类产品的创新有一定的参考.

（2）构造冲突逻辑图表，找出系统冲突的根原因及冲突类型，结合TRIZ冲突解决原理寻找创新解.在紫外光油烟机集烟罩、油烟管道、风机安装位置、净化过程等方面获得创新解.

（3）确定各分功能原理解，建立形态学矩阵，得到可行原理解，利用集成评价策略选出最优方案.

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