面向产品平台创新演进的模块基因操作方法*

王浩伦

(华东交通大学机电工程学院，南昌 330013)

0 引言

基于产品平台(Product Platform)的新产品开发模式成为大规模生产模式企业关注的焦点［1］。产品平台也成为企业创新战略、核心技术以及组织管理的集中体现。能否根据市场变化、技术发展及自身资源能力等进行产品平台的创新和升级，对于企业能否保有和提升产品创新能力具有重要意义。对于产品平台创新演进过程，许多学者已经进行了较为深入的研究和探讨。文献［1］利用产品族线来反映基于产品平台或称为核心平台的产品族演化过程，并通过产品平台市场细分图描述各市场共享核心产品平台;文献［2］利用决策支持模型设计出了基于可升级产品平台的产品族;文献［3］研究了产品架构和模块化对产品种类、产品更新换代、零部件标准化、产品性能以及产品开发过程管理的影响和作用;文献［4］建立了基于结合分析和多属性决策的产品平台扩展决策模型。但对于产品平台结构自主性创新，尤其是产品平台的创新演进机理和方法等关系到企业核心能力的深层次创新的研究还缺乏深入讨论。本文提出了面向产品平台创新演进的模块基因操作方法，并以升降台铣床实例说明以上理论和方法的有效性。

1 产品平台创新演进过程

产品平台的创新演进过程，如图1所示。利用TRIZ理论中的技术进化预测理论，构建产品平台模块的技术成熟度曲线确定平台及模块可能的技术进化方向，同时采用价值工程方法选择模块创新对象;在此基础上将平台中模块的功能、效应、结构信息进行提取并进行模块的基因表达，构建产品平台模块基因组;基于价值工程选择不良的模块基因(不适应市场的需求、技术落后、成本较高);类比于基因工程中的破分、组合、替换、交叉、变异的方法对不良的模块基因进行基因操作;当改变某个模块基因进行操作时，可能会影响与之相关联的模块，造成产品平台中另一模块的性能受到影响，使得产品平台出现了冲突。基于物-场模型，QFD，AD设计理论确定产生的矛盾冲突;基于TRIZ创新设计理论与专利辅助产品设计方法对设计冲突进行解决，产生概念方案解，最终实现产品平台演进。本文研究主要以图1中虚线框中的内容。

图1 产品平台创新演进过程

2 模块创新对象选择

2.1 技术成熟度预测方法

产品技术成熟度是企业制定产品开发和技术创新战略的重要指标，可以帮助企业寻找自身的差距，预测技术未来的发展方向［5］。产品技术成熟度预测的结果可以在TRIZ理论［6］中技术进化S曲线上四个不同阶段表现出来，并为企业研发决策指明方向。因此，对技术成熟度进行预测并对其技术进化发展方向进行探讨具有重要意义。本文采用文献［7］将结合TRIZ理论的S曲线与专利数据及等级，对产品技术成熟度进行预测。

2.2 基于价值工程的创新对象评价

步骤1：建立功能系统图。为能够清楚的描述算法以及进行功能的定量分析与计算，首先对功能系统图的组成要素进行约定。系统组成要素的复杂程度与功能分解的程度有关，既可能是零件，也可能是模块。根据系统内各构成要素对系统总功能所起的作用以及系统内有待分析的区域，将系统构成要素划分为四类：输出、模块、环境要素以及功能作用，其中输出、模块、环境要素为系统构成的实体要素［8］，如图2所示。

图2 模块功能系统图

步骤2：运用图论的方法进行功能评价系数的求解。具体确定方法如下：①直接作用于输出的功能作用其F值为最高，为基本功能作用，以B来描述，其对应的边标号为0。②如果某个功能作用的作用体为B的功能载体，则该功能作用以A1来描述，其对应边的标号为1。③如果某个功能作用的作用体为An的功能载体，则该功能动作用An+1来描述，其对应边的标号为n+1，(n=1，2，…，N，N表示图中最长链的边数)。④如果某个功能作用的作用体为环境要素，则该功能作用对应边的标号也为1。⑤定义标号最大的边的绝对值F最小，为1;该链中的下一条边对应的功能作用对总功能的贡献比该边大，量差用1表示，而基本功能作用B与A1的量差用2表示，以示贡献程度的不同。各边赋值计算如式(1)所示：

步骤3：计算图中每个顶点的功能绝对值，即组件的功能绝对值F。设图中共有j个顶点，则第i个顶点Vi的功能绝对值FVi为：

计算图中每个顶点的功能评价系数。为保证价值工程基本公式中各参数值(F，C，V)具有可比性，所有参数的最大值定义为10，其它各值和最大值比较得到相应的评价系数。顶点Vi的功能评价系数FVir的计算如公式(3～5)：

步骤4：构建价值评价图。列出各模块的功能评价系数F、成本系数C;以F值为Y轴，以C值为X轴，建立坐标系，X、Y的最大值为10;以模块的成本评价系数为X坐标值，以该模块的功能评价系数作为其Y坐标值，确定各模块在坐标系中对应的点;以坐标系原点，(0，10)点，(10，10)点，(10，0)点为矩形顶点绘制矩形。过点(0，0)和点(5，10)做直线L;过点(0，0)和点(10，10)做直线M;过点(0，0)和点(10，5)做直线N。

3 模块的基因获取与操作

3.1 模块基因的获取

虽然生物个体有现实的生物基因，产品平台没有真正的产品基因，但产品平台拥有相似的遗传信息，如模块的功能、效应、结构，以及模块零件的几何、受力、公差、装配信息等，这些正是产品平台的遗传信息，通过系统地分析，不仅可以创造出产品平台模块的基因，还能够依照基因工程原理，利用类似的方法来进行模块基因的重组，实现产品平台的创新设计，并将重组后的创新模块基因组表达为现实的产品族。

将模块的基因定义为：表征设计对象N的功能F，效应E，结构S的信息单元体，记作N={F，E，S}。其中基本的基因信息还可以进一步细分为各种基因，在产品平台的创新演进过程中，基因是一种独立运算的单位，不依赖于其他单元而存在。模块基因是具有一定排列秩序的基因的组合，记作M={N1，N2，…Ni}，他可以完整地表达模块的功能基因组成和基因的序列，是一种描述复杂装备产品平台的一种有效基因表达形式。如图3所示，描述了产品平台模块基因的获取过程。

图3 产品平台模块基因的获取过程

3.2 模块基因的操作

随着客户需求的改变，对产品的结构和功能需求也发生改变，这导致产品平台构成模块的增加、删减、变更、合并和拆分。构成模块的这些变化，在宏观上属于产品体系结构的演化，反映了产品平台模块的方案创新对整体产品平台创新演进的影响，下面将类比进化设计中的基因操作，对个模块的各种演进活动类比基因工程进行抽象的描述。

(1)删除若：M1，M2，…，Mn∈M，将产品平台基因组中第i个模块基因单独划分出来，而不改变其他序列基因的相对位置关系。在产品平台创新演进过程中的具体表现为，平台中某个模块的功能已经没有市场或不能很好的满足客户需求因此对其进行删减，删减后由余下的基因组构成新的基因链;

(2)替换若：M1，M2，…，Mn∈M，将基因Mi在位置i处替换该处原有基因，且不改变其他序列基因的相对位置关系和基因组性质。在产品平台创新演进过程中表现为，原有的模块在功能与结构上已不能够适应客户的功能需求，因此需要用能够满足客户功能需求的模块对其进行替换，替换后的模块基因组与原有基因组构成新的基因链;

(3)组合若：M1，M2，…，Mn∈M，将基因Mi与Mj合并为一个基因，并重新定义新基因组与原有基因组之间的约束关系。在产品平台创新演进过程的表现为，原有平台中的某一定制模块在功能和结构上较为简单且定制程度不高，因此可将其功能结构合并到与之联系最紧密的那个通用模块中，两个模块合并为一个通用模块。组合后的基因与原有基因构成新的基因链。

(4)拆分若：M1，M2，…，Mn∈M，将基因Mi拆分为Mi1，Mi2…Min，并将原有的基因链重新进行排列。在产品平台创新演进过程的表现为，原有平台中的某一通用模块中的某些结构参数随着客户需求的变化需要对其进行定制生产，因此将通用模块需要定制的功能结构载体分离出来形成若干的定制模块，拆分后的基因与原有基因组构成新的基因链。

(5)添加若：M1，M2，…，Mn∈M，将基因Mn+1加入到原有的基因链当中，并定义与其他基因组之间的装配约束关系。在产品平台创新演进过程中的变现为，无法通过原有产品平台模块的配置来满足某一新的客户需求，因此需要添加新的模块到原有产品平台以适应客户需求的变化。新添加的模块基因与原有基因组构成新的基因链。

4 工程案例

如图4所示功能结构图，可以将产品X6125A和X5025A划分为：M1={能量模块}，M2={主传动模块}，M3={铣削模块}，M4={排屑模块}，M5={支撑模块}，M6={进给模块}，因此产品平台的模块可以表达为M={M1，M2，M3，M4，M5，M6}。

图4 升降台铣床产品平台的功能结构图

4.1 模块创新选择

图5所示为1990～2008年间有关升降台铣床铣削模块的专利数量与专利级别，由于铣削模块的利润与性能难以评估，所以本文只对专利数与专利级别曲线进行拟合，与标准的S曲线进行比较。可以得出铣削模块的技术成熟度目前仍处于成长期，因此还有很多的发展空间，企业可以选择对铣削模块投入更多的研究经费促进其发展。构建产品平台功能系统图，如图6所示：对升降台铣床的各个模块进行价值评价，最后得出表1与图7价值评价图直观的反映出升降台铣床产品平台中进给模块M6的价值在OM线的下方，因此可以选择其为创新对象进行创新。

4.2 基因获取与表达

获取每个模块的功能解，效应解和结构解，例如对于模块基因M1的信息单元体可以表达为N11={F11，E11，S11}，N12={F12，E12，S12}，其中F11={能量提供}，E11={电磁效应}，S11={电机}，F12={能量转换}，E12={电磁效应}，S12={变速器}。余下模块以此类推。因此，升降台铣床的产品平台基因库由M构成，其中M1，M2，M4，M6为共享模块，M5为定制模块，M3为专用模块构成产品平台的模块基因链。

图5 铣削模块技术成熟度预测

图6 升降台铣床产品平台功能系统

图7 升降台铣床系列产品价值评价

表1 升降台铣床产品系列产品功能系数、成本系数及价值

M1={N11=(F11，E11，S11)，N12=(F12，E12，S12)};M2={N21=(F21，E21，S21)};M3={N31=(F31，E31，S31)，N32=(F32，E32，S32)，N33=(F33，E33，S33)};M4={N41=(F41，E41，S41)};M5={N51=(F51，E51，S51)，N52=(F52，E52，S52)};M6={N61=(F61，E61，S61)，N62=(F62，E62，S62)}，其中：功能F11={能量提供}，F12={能量转换}，F21={传递转矩}，F31={加工检测}，F32={铣削工件}，F33={冷却}，F41={排屑}，F51={放置工件}，F52={固定工件}，F61={移动}，F62={润滑}。效应E11={电磁效应}，E12={电磁效应}，E21={齿轮效应}，E31={几何物理效应}，E32={摩擦效应}，E33={温度效应}，E41={重力效应}，E51={几何物理效应}，E52={几何物理效应}，E61={齿轮效应}，E52={化学效应}。结构S11={电机}，S12={变速器}，S21={主轴，主轴箱体，变速齿轮}，S31={检测装置}，S32={主轴，铣头}，S33={冷却系统}，S41={排屑装置}，S51={工作台}，S52={夹具工作台}，S61={滚珠丝杆，导轨，滑座，床身，立柱}，S52={润滑系统}。

因此，由产品平台的功能结构图获取产品平台的基因从而构建出升降台铣床产品平台的基因库为后续产品平台创新演进中的基因操作提供依据。

4.3 模块的基因操作

对于价值比较低的进给模块M6与技术成熟度较低的铣削模块M3，设计人员可以选择对其进行基因操作，促进其进化。例如，对于铣削模块M3进行替换操作，用带有分度结构和技术的铣头代替原有的铣头以达到原有产品平台模块基因的进化。

5 结论

本文对产品平台结构自主性创新，尤其是产品平台的创新演进机理和方法进行了深入讨论，提出了面向产品平台创新演进的模块基因操作方法。采用技术成熟度预测和价值工程方法确定模块创新对象，通过对模块基因的表达和获取以及拆分、组合、替换、交叉、变异等模块基因操作使得创新问题显化，为进一步利用TRIZ理论等创新设计方法解决模块矛盾冲突问题提供基础。这在产品族创新演进过程中对于模块创新问题识别和采用何种创新设计决策对产品族创新和演进具有重要的意义。因此，在本研究的基础上，结合各种创新技术面向MC的产品平台和产品族创新演进的决策将是下一步的研究重点。

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