基于粒化与合成思想的设计问题解决模式

辛越峰　刘健松　童春

摘 要：问题解决是思维不断发散与收敛求解的过程，不仅需要采用合适的问题分析方法分析问题，还需要采用合适的方法重组整个产品或者技术系统来获得最优的方案。首先将设计问题表征后分为功能、行为、结构三类设计问题，并分别采用FAST功能分析、根源分析法、组件分析法来粒化分析问题，得到合适粒层的元素及元素结构。然后根据三类思维途径并应用方法解决问题，获得新的元素组成及元素关系，并根据合成技术中的合成法则重组整个系统，进而获得多个可行的设计方案。最后，提出了一种融合粒化思想与合成思想的设计问题解决方法，并将此方法应用于铁轨除冰问题，验证了本方法的可行性。

关键词：问题分析；问题粒化；合成法则；进化鱼骨图

中图分类号：TP391；TH122 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.023

随着制造业全面发展需求的强烈及复杂化的设计问题逐步显现，国内外学者已对创新设计的问题解决过程经进行了大量探索和研究。人类智能的一个公认特点是人们可以从极不相同的粒度上观察和分析同一问题。人们不仅能在不同粒度的世界上求解问题，还能往返自如地从一个粒度世界跳到另一个粒度世界。既然问题可以通过不同粒度世界或粒度层之间的粒度分析来解决，那么设计问题也可通过粒计算思想获得解决方案。粒度计算由美国学者Y Y Lin于1997年提出；商空间理论由国内学者张铃和张钹教授提出，属于粒计算工具之一。

目前，商空间理论应用研究主要集中于信息处理方面问题解决，在产品设计方面的应用研究还处于起步阶段。结合商空间理论的严密推理特性，该理论适合用于计算机技术等行业，此特性与产品概念设计推理过程的模糊性不同。但商空间理论中以粒化分解与合成技术的问题求解思想，与创新设计理论中通过创新方法引导思维发散与收敛转变等，利用多学科知识解决问题的思想殊途同归。本文重点根据商空间的粒化及合成技术思想，结合设计问题的表征及已有问题分析方法，在根源分析法、组件分析法改进加强的基础上，将设计问题分为功能、行为、结构设计问题三类，并分别通过FAST、根源分析、组件分析法分析问题，并根据粒度世界变化特点，通过三类思维途径以及合适的问题解决工具求解问题，获得新的粒层元素及元素结构。最后通过对新粒层元素的合成来获得设计问题的多个创新方案，进而提出了一种基于粒化与合成思想的设计问题解决模式。

1 设计问题粒化分析方法

按照概念设计一般过程，产品设计问题可依据需求以功能设计、行为设计、结构设计三个核心环节分类，分为功能设计问题、行为设计问题及结构设计问题三类。基于粒化思想，结合设计理论中的常用问题分析方法，为获得问题合适粒度的分层结构以及各信息粒之间的相互关系，本文主要采用FAST、根源分析法、组件分析法三种分析方法，分别获得合适的子功能、子行为、子组件粒层以及信息粒之间的关系。

1.1 FAST功能分析法

产品的功能模型要求可反映各相关元件之间的相互作用，反映产品功能结构的层次关系，拓宽产品设计方案的求解空间。功能分析系统技术（FAST）最早在价值工程应用的基础上提出，它不仅可以定义、分析产品的功能，还可以解释产品各功能之间的关系，并把功能按照逻辑顺序或优先次序排列，为理解每层各个功能之间的结构关系提供了依据。根据FAST对产品功能的分析，可以清楚地反映产品功能之间的因果关系和层次关系。

1.2 根源分析法

行为反映了产品实现功能的方法、途径以及在实现过程中物质、能量、信息传递与变化过程，根源分析法是确定机器故障的一种系统的方法，是产品因果分析的有效工具之一。产品的行为模型是一个由行为类型、行为变量和它的定性状态间的因果关系构成图，主要采用根源分析法对其分析。根源分析法可以通过进化鱼骨图工具进行行为设计问题分析，如图1所示。

因素相关原则：实线箭头表示这一级与上一级属于正相关关系，即表示这一级因素的增加、扩大、升高、变强等会对上一级产生促进作用；虚线箭头表示这一级与上一级属于负相关关系，即表示这一级因素的减少、缩小、降低、变弱等会对上一级产生促进作用。在图1中，中因素“11”与大因素“1”呈正相关，中因素“12”与大因素“1”呈负相关。根据相关原则，同级各因素之间的关系可以分为矛盾、促进、独立三种关系。图1中中因素“12”“21”“31”都包含相同的小因素“a”，所以，“12-a”与“21-a”呈现矛盾关系；同理可知，“21-a”与“31-a”呈现促进关系。而图1中的“11-c”与其他小因素没关系，所以为独立关系。

因素之间的相互关系判断可以根据以下方式进行：①查找同级的相同因素。如果某因素没有相同因素，则为独立关系；如果有相同因素，从其中一个因素出发，查找到达相同因素之间的箭头通路，并算出箭头通路上虚线箭头的个数。②根据虚线箭头的数量判断因素的关系。如果虚线箭头数量为奇数，则为矛盾关系；如果虚线箭头数量为偶数，则为促进关系。促进关系与独立关系反映了各因素的结构关系，可为后续问题解决奠定基础。

1.3 组件分析法

产品设计过程中，所实现的功能由系统内的所有组件完成。组件分析法应该区分实现该功能或者存在问题的系统主要组件、系统次要组件、系统其他组件、超系统组件，并按此顺序罗列出所有与研究对象相关组件，组件之间存在相互关系需要标注，如图2所示。

其中，部分组件之间存在着相互作用关系，以黑点标注。组件之间相互作用的确定可以采取线条标注的方法，具体操作步骤为：①分别以每个组件为起点，用虚线连接本组件与该组件存在作用的最远处的标注黑点。②以每个组件为起点，查找虚线的通路，直到虚线线条截止为止。这样就可以确定各个组件之间的相互作用链或环。在组件分析的基础上，明确组件之间相互关系。

2 设计问题求解思维途径及合成技术

2.1 基于粒化的设计问题求解思维

某设计问题在求解过程中的粒度世界变化特点，如图3所示。其中，原粒度世界和新粒度世界是相对而言的，比如开发一个全新的产品作为原世界，则竞争产品等激励新产品开发的对象都可以作为新世界。

这样，每个设计问题求解思维途径可以分为问题从“原世界”获取方案、问题从“原世界—新世界”获取方案、问题从“原世界—新世界—原世界”获取方案三种。其中，“原世界”表示设计问题通过原世界的不同粒度上分析解决；“原世界—新世界”表示先在原世界粒度上表示或初步分析设计问题，然后进入新世界的不同粒度上分析解决设计问题；“原世界—新世界—原世界”表示先在原世界粒度上表示或初步分析设计问题，然后进入新世界的不同粒度上继续分析问题获取激励，最后通过原世界的不同粒度解决设计问题。

2.2 基于合成思想的创新设计方案形成

设计问题方案形成就是对新的粒层进行自下而上、细粒度向粗粒度划分（收敛）的一个过程，不同的划分结果代表不同的创新方案。划分策略应结合具体实际情况，防止结果的主观性较强，比如王玉新等人提出的一种划分策略是通过自定义阀值来限制方案数。

2.2.1 创新设计方案形成的划分原则

方案形成划分过程中，为方便过程描述，从元素结构的某一个起点开始划分，则称该起点为划分起点，并将最终划分组中的最后一点称为“划分终点”；由部分元素通过输入输出关系首尾相连接构成的串联结构称为“分支”。

方案形成划分原则1：在某个设计问题的粒层结构中，依次选择有固定、有驱动输入、没有输入只有输出的元素作为划分起点优先进行划分，然后选择有前面输入元素且都为划分终点的元素作为划分起点划分。

方案形成划分原则2：根据某个设计问题的粒层结构属性所表示目标的重要性，对粒层结构中所有串行链中相对重要的链优先划分。

2.2.2 方案形成划分基础定义

默认按照以上划分原则进行划分的过程中，且划分后的各元素集合之间无交集且单分支，即同一元素只能被划分在一个分组中且元素之间为串行链。

定义1：设某个设计问题粒化后的粒层结构中，元素之间只有一个分支，且分支总共有n个元素，则划分方案数W为：

W=2n-1. （1）

例1：如图4（a），某子功能粒层结构由X={a，b，c}有3个元素组成，优先选择子功能a为起点，则其划分方案个数为W=4，分别如图4所示。

定义2：设某个设计问题粒化后的粒层结构中，某元素起点有t个分支，且每个分支分别有n1，n2，n3，…，nt个元素组成，则划分方案数W为：

例2：如图5（a），某子功能粒层结构由X={a，b，c，d}有4个元素组成，优先选择以a为起点，有2个分支、4个元素组成，则其划分方案个数为W=6，分别如图5所示：

3 基于粒化与合成思想的设计问题解决模式

设计问题通过粒化，可以确定其元素组成及结构，确定问题求解的关键所在；辅助使用比对设计、发明原理等理论方法，可以为问题的求解提供可靠的支持；最后通过元素的不同合成，可获得多种创新的方案。基于粒化与合成思想的设计问题解决模式如图6所示，主要包括4个步骤：①设计问题分类。通过设计问题表征，确定设计问题属于功能设计问题、行为设计问题还是结构设计问题。②设计问题粒化。结合设计问题分析方法，对功能设计问题、行为设计问题、结构设计问题分别采用FAST功能分析法、根源分析法、组件分析法进行分析，获得粒层组成元素及结构关系，简单问题可能通过分析即可初步获得方案。③设计问题求解。通过问题分析很难获得方案的设计问题，可以选择合适的粒层，并选择“原世界”“原世界—新世界”“原世界—新世界—原世界”三种思维途径，并采用“进化法则、发明原理等”“比对设计等”“知识库系统、专家系统等”进行问题求解，进而获得解决问题的新元素组成或结构关系，并通过合成技术，对元素进行重组，尽可能多地获得可行性问题解决新方案。④方案评价。对获得的设计问题方案给予客观评价。如果方案满意，则进行下一步详细设计；如果方案不满意，则重新选择粒层求解。

4 应用案例

4.1 设计问题描述

国内铁轨除冰大都是由人手工完成，劳动强度大、环境恶劣、工作效率低。采用已有的除冰装置，只在轨道内外侧敲击除冰雪，而存在对火车轮行走的轨道上层冰雪未作处理、敲击损坏铁轨等局限性。

4.2 设计问题分类

专利ZL200810121127.3中提出了一种铁路冰雪清除车，因其未考虑铁轨轨道表面冰雪对火车运营的严重危害作用，因为不能满足所需求的功能，定义为功能设计问题。

4.3 设计问题粒化分析

对于功能设计问题，采用FAST对该铁轨除雪去冰车进行分析，获得其粒层组成结构，如图7所示。

4.4 设计问题解决

通过FAST分析，选择粒层4作为求解的粒层，则粒层元素组成及结构关系如图8所示。

已有的铁轨除冰雪装置因存在诸多缺陷很难提供问题解决思路，所以选择“原世界—新世界—原世界”的思维途径。通过功能知识库查询，分别以“新世界”公路通过前面铲刀来同时铲移冰雪和铣床通过铣刀来连续去除表层硬物为指引，可以获得新的功能元素及结构关系，如图9所示。

对其进行方案划分合成，铁轨除雪除冰车的子功能主要有动力传递、铁轨除雪、铁轨除冰三个子功能。其结构表示动力传递带动铁轨除雪，动力传递带动铁轨除冰。

4.5 方案评价

通过采用雪铲来实现对轨道同时除雪与移雪的功能，并用铣刀、刮刀实现对铁轨表层先碎冰后移冰等功能，以满足产品新需求。

5 总结

针对遇到的复杂产品或者技术系统设计问题，思维从发散到收敛都是问题解决的重要阶段，而不应该仅仅注重分析问题阶段。通过将设计问题分为功能、行为、结构三类设计问题，明确各类问题所采用分析方法，并获得合适粒层的元素及元素结构。然后根据三类思维途径并应用方法解决问题，获得新的元素组成及元素关系，并根据合成技术中的合成法则重组整个系统，提高了问题解决效率和获得多个创新设计方案可能性。

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〔编辑：刘晓芳〕