基于改进可拓学第三创造法的产品创新设计

桂方志，任设东，赵燕伟，楼炯炯

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014)

基于改进可拓学第三创造法的产品创新设计

桂方志，任设东，赵燕伟，楼炯炯

(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014)

针对可拓设计方法中第三创造法对现有产品模型的建立以及缺点列举中的不足，提出建立产品事元模型，并引入功能分析与因果链分析方法的改进第三创造法。该方法利用功能分析方法对产品的缺点进行分析，并通过因果链分析方法找出引起产品缺点的深层原因，以形成关键问题，最后运用第三创造法对关键问题的改进，得到产品创新设计方案。应用改进后的第三创造法，对现有普通断线钳进行创新设计并生成了多种不同的设计方案，对这些方案进行优度评价，选取优度最高者作为最终设计。设计结果验证了该方法的可行性和有效性。

第三创造法；事元模型；功能分析；因果链分析；创新设计

解决发明问题即创新设计，其核心是设计过程中的冲突消解[1]。四川大学李彦等[2]认为，对于产品的创新设计一般基于以下3个方面：1)运用领域知识的知识创新，如专家系统、基于实例推理CBR等；2)改变思维方式的思维创新，如头脑风暴法、横向思维法等；3)以工程技术为基础的发明问题解决方法，如TRIZ、创造模版法等。可拓学是我国学者蔡文提出的一种解决矛盾问题的方法。赵燕伟、苏楠[3]将可拓学理论应用于产品设计，形成可拓设计方法，该方法针对产品设计过程中出现的矛盾问题，利用可拓学理论进行研究以寻求最优设计方案[4]；陈建等[5]根据可拓设计方法研究了转换桥方法消解产品的绿色设计冲突问题，并将其应用于油锯的绿色设计；LIAO Yongqiang等[6]将可拓设计方法与Kano需求模型相结合，对产品族的创新设计进行了研究。

可拓学第三创造法[7-8]是从已有产品缺点出发并进行改善的概念设计方法，其中对产品缺点的分析采用缺点列举法。缺点列举法[9]的关键是从产品的功能、使用过程和环境以及消费者的反馈等方面找到产品的缺点或产品使用过程中的不便，产品表面的缺点易于发现并易于解决，但引起产品缺陷的内在因素却很难把握。另外，可拓学第三创造法采用的是建立产品物元模型，物元模型能够描述产品的特征及特征的量值，但是不能清楚地反映产品与其作用对象之间的相互作用。

针对上述不足，本文提出改进可拓学第三创造法。由可拓学基元理论可知，物与物之间的相互作用可用事元来描述，因此本文主要采用事元及其复合元模型对产品进行描述，并对各组件从功能特征方面用物元模型描述，以便从功能层面找出产品的缺点，进而生成更多创意。对产品缺陷的分析采用功能分析和因果链分析。功能分析和因果链分析是源于社会科学研究的两种基本方法[10-11]，在TRIZ理论中，这两种方法作为重要的分析工具，在解决冲突问题中起着关键作用。

1 可拓学第三创造法

广东工业大学杨春燕[12]提出利用拓展分析方法及可拓变换实现产品创新设计的第三创造法，该方法针对现有产品的缺点，通过有序的流程对产品中存在的不足进行改进，形成新的设计方案，使其满足客户需求。在此基础上，齐宁宁等[13]在可拓变换前加入了物元特征相关分析，丰富了设计流程，使设计过程更加清晰合理，并用该方法对生活中的垃圾桶进行了创新设计。

可拓学第三创造法是针对现有产品的缺点，通过可拓学理论将缺点进行改进的产品创新设计方法。其核心思想包括以下几个方面。

1.1 物元建模

第三创造法中的物元建模包括产品的多元模型建立和缺点分物元的建立。产品的多元模型可用多维物元模型表示，缺点分物元用一维物元模型表示。

1.2 拓展分析

为了从尽可能多的途径获得解决矛盾问题的方法，可对基元进行拓展，即拓展分析方法[7]。拓展分析方法包括发散分析方法、相关分析方法、蕴含分析方法以及可扩分析方法。拓展分析方法不能直接解决矛盾问题，而是给问题提供多种解决途径，分析之后需采用可拓变换的方法才能获得解决方案。

1.3 可拓变换

可拓变换是可拓理论中解决矛盾问题的主要方法，可将矛盾问题转化为相容问题[7]，其包括基本变换(置换、增删、扩缩、分解、复制等)和传导变换。

1.4 优度评价

在可拓学中，优度评价方法[7]是利用关联函数来评价产品优劣的基本方法。它从产品的技术、经济和社会角度确定衡量指标，并赋予其权系数。通过建立关联函数确定各指标的关联度，最后计算得出设计方案的优度。优度的高低反映了方案的优劣，选择优度最高的设计方案确定产品的最优设计。

2 改进可拓学第三创造法

2.1 改进可拓学第三创造法流程

针对传统可拓学第三创造法中缺点列举的不足，本文首先从功能层面分析现有产品功能层面的缺点，再通过因果链分析方法找出缺点的内在原因，形成关键问题；然后通过对产品的关键问题进行拓展分析，并用可拓变换的方法生成众多产品创新设计方案；最后对改进的方案进行优度评价，选择优度值最高者作为最终设计的新产品方案。该方法的流程如图1所示。

图1 改进第三创造法设计流程图Fig.1 Flowchart of the modified third creation method

2.2 功能分析

功能分析是TRIZ理论解决问题的重要分析方法，该方法从产品各组件的功能出发，发现其中不足之处[14]。功能分析能完整定义系统各组件之间的功能关系，以便找出其中的问题。钱炜苗等[15]提出将功能分析与约束理论相结合的方法，对太阳能组件接线盒的设计问题的根本原因进行分析并产生解决方案。卢希美等[16]利用功能分析方法找出系统组件之间的相互作用，建立了物场模型，并用实例检验了该方法的可行性。蔡敢为等[17]针对传统液压装载机的概念设计引入功能分析方法，设计了新型机构式装载机。通过功能分析能够确定产品改进设计的目标，从产品薄弱点确定设计的重点。其主要过程包括组件分析、相互作用分析以及功能模型的建立。

1)在TRIZ理论中，组件分为系统组件和超系统组件，在进行组件分析时需要根据研究对象划分系统组件和超系统组件。

2)两个物体相互接触就会产生相互作用。相互作用一般是通过矩阵形式表示的，若某组件与其他组件之间均不存在相互作用，则表示该组件对整个系统不产生功能，可直接从组件中去除。

3)功能包括有用功能和有害功能，功能模型是用于描述系统组件或超系统组件的参数。从性能上看，有用功能中又存在正常功能、过度功能和不足功能，只有正常功能符合产品改进的期望值，才可以保留，而过度功能、不足功能以及有害功能都是不希望在新产品中出现的，可以通过一定的方法对其改进。

2.3 因果链分析

功能分析能够找出产品功能层面的缺陷或问题，因果链分析能够找出缺点或问题最根本的原因。因果链分析是以图形的方式呈现工程系统中的初始缺点及其潜在联系，通过探讨具体问题实现产品的改进[18]。该分析方法在很多领域都得到了广泛的应用：O. Abramov等[19]用该方法分析了在农药制备过程中的物理冲突；A. Zeller[20]在程序编译过程中能自动找到程序中出现问题的因果链；贾仁安[21]提出了用于火力发电系统的因果链分析法，采用系统反馈环模型，找出产生冲突的因素所在，并采取措施予以解决。在因果链分析中，缺点分为初始缺点、中间缺点和末端缺点，三者之间存在因果关联。其分析过程如下[13]：

1) 根据产品的结构、性能等列出需解决的初始缺点；

2) 从初始缺点出发，找出影响该缺点的直接因素，一般可通过查阅相关文献等方法来获得，中间缺点可以有多层；

3) 重复2)，直至达到停止的条件，形成末端缺点；

4) 根据产品实际情况，在中间缺点和末端缺点中筛选出关键缺点。

3 案例分析

断线钳是用于剪切钢丝、钢筋、电缆等棒材和线材的工具，广泛应用于建筑、通信等行业[22]，其结构如图2所示，它是由两个曲杠杆组成的复合式杠杆结构，其工作方式是两块刀片的刀刃对材料进行对口咬合。本文采用改进后的第三创造法对断线钳进行创新设计。

图2 断线钳的结构Fig.2 The structure of bolt cutter

3.1 模型建立

根据断线钳的功能，建立断线钳的事元模型：

其中

将断线钳的主要组件用物元表示：

3.2 功能分析

功能分析是对产品分析的基础，通过功能分析，能够将产品各组件的功能详细展现出来并能找出其中存在的问题。

3.2.1 组件分析

在组件分析之前，需根据产品的约束条件对断线钳进行系统划分。断线钳的操作方式是操作者内压手柄使两刀片的刀刃挤压材料，本文保持力的施加对象不变，因此将操作组件作为超系统，其他组件作为工程系统，相应组件分析如表1所示。

表1 断线钳系统组件分析

3.2.2 相互作用分析

考虑表1中断线钳两两组件之间的相互作用，其分析如表2所示。其中“+”表示两组件之间有相互作用，暗示两者之间可能存在功能；“-”表示两者无相互作用，则在后续分析过程中不再考虑这两者的功能。断线钳组件的相互作用分析如表2所示。

表2 断线钳相互作用分析

3.2.3 功能建模

功能体现在两组件之间发生参数或状态变化。若某功能是有用的，可根据其作用对象的不同，将有用功能分为基本功能(对象是系统目标)、辅助功能(对象是超系统组件)或附加功能(对象是其他组件)，这3种功能的重要性是不同的。有害功能是产品设计中必须要避免的，所以需特殊对待。对断线钳的各组件功能进行两两分析，结果如表3所示。

表3 断线钳功能表

3.2.4 图形化表示

对上述断线钳功能表进行图形化描述，能够使各组件之间功能的关系更加直观。不同功能的图形化描述如表4所示。

表4 功能图形化表示

将表3中的功能进行图形化表示如图3所示。

图3 断线钳的功能模型图Fig.3 The function model of bolt cutter

3.2.5 功能缺点列举

将图3所反映出的问题列出来，就可得到如表5所示的功能缺点列表，根据这些缺点，就可以进行下一步因果链分析，找出问题的潜在原因。

表5 断线钳功能缺点

3.3 因果链分析

因果链分析关键在于对矛盾的挖掘，对于某一个矛盾问题，引起其产生的原因可能有很多，但是在究其原因的时候，需要注意矛盾的层次性，在找某一缺点的原因时，只需分析其直接诱因，而不必究其内涵，如果在找原因时跳跃性太大，会丢失很多产生问题的原因，减少了解决问题的关键点。

由功能分析找到了断线钳存在的3个缺点，针对缺点S1进行因果链分析，其结果如图4所示。

图4 因果链分析Fig.4 Cause-effect chain analysis

每个缺点都可能是解决问题的突破口，材料方面的原因与断线钳的创新设计无关，因此无需继续分析其深层次原因。从图4的分析结果可以提炼出关键缺点，并可将其转换为关键问题，以采用适当方法加以解决。本文提取出的关键缺点、其问题表述以及可能解决的方案如表6所示。

表6 因果链分析结果

3.4 拓展分析

由功能分析和因果链分析得出产品创新设计的关键问题，将这些问题用一维基元表示：

对这些缺点基元进行如下拓展分析。

3.4.1 对刀片和待剪切材料进行蕴含分析

在刀片变钝的情况下，必须对刀片进行磨刀或者换刀，磨刀需要有磨刀装置，磨刀装置又可集成到断线钳上或采用独立磨刀装置两种方式……。因此，其蕴含分析过程如图5(a)所示。

若采用在断线钳上安装磨刀装置，则根据可加分析原理，将断线钳与磨刀装置构成“聚合物”；若采用拿来其他独立的磨刀机构，则可根据可积分析原理将断线钳与磨刀装置构成完整的工程系统。

同理，对剪切材料蕴含分析如图5(b)所示。

(a)缺点D1蕴含分析

(b)缺点D4蕴含分析图5 蕴含分析Fig.5 Implication analysis

根据上述蕴含分析结果，再利用发散分析将思路具体化：

D412┤

3.4.2 对刀片进行可扩分析

在刀片变钝或者已经无法再使用的情况下，可采取的另一种方法就是将其更换掉，但是目前的断线钳的刀片是一体化结构，因此可按一定条件对刀片进行可分解分析：

D2//(l){D21，D22}，l=用途

3.4.3 对断线钳的机械原理进行发散分析

断线钳的功能是剪切材料，现有断线钳为双杠杆机构，两刃口在剪切时呈现V形，材料会产生滑移，因此，可将断线钳的V形对口咬合改为平行对口咬合。故而对断线钳的机械原理进行发散分析：

D3┤

3.4.4 对断线钳的组件进行相关分析

由于断线钳的各组件之间具有相关性，通过相关分析能够清楚表明它们之间的相互关系，其相关网模型如下：

3.5 可拓变换

可拓变换方法有多种，针对不同的模型可采取不同的变换。由上述拓展分析结果可知，断线钳的各项缺点都有很多不同变换方向，因此可以采用不同的设计方案。设可拓基本变换方法为

M31=(手柄，用途，传送动力)

M02=(断线钳，机械原理，杠杆)

则根据上述拓展分析，分别对其作如下可拓变换：

变换1

变换2

变换3

变换4

根据上述变换并结合实际分析，可得到以下设计方案。

方案1 替换压板材料，使其具备磨刀功能，其物元模型可表示为

方案2 改变机构的机械原理，采用四边形机构进行传动，使刀刃剪切时保持平行，增大剪切力，其物元模型可表示为

方案3 将方案2中的刀片模块化，其物元模型可表示为

3.6 优度评价

针对普通断线钳的制造以及应用情况，从其技术、经济和社会方面进行全方位衡量，确定其衡量条件：

根据评价指标的重要程度高低，对MI1、MI2、MI3、MI4赋予权系数，即

则其关联函数为

由上式计算改进后方案的关联度分别为K21(230)=0.895，K22(220)=0.947，K23(240)=0.842。

由于产品的创新等级和便利性指标是一个离散的数据，对方案的创新等级、便携性以及互换性衡量指标进行量化[18]，可令

则关联度矩阵为

由关联度规范化[19]公式

式中，kij表示第i个方案的第j个衡量指标，m为方案总数量。可将上述关联度规范化为

由优度计算公式：

根据评价结果，选择优度最高者作为最终设计方案，即采用方案3作为断线钳的创新设计方案，该方案的机构原理如图6所示。

图6 方案3机构原理图Fig.6 Schematic diagram of the program 3

4 结束语

可拓设计以解决设计过程中的矛盾问题为目标，其中提出的三个创造法能初步处理产品开发过程中的矛盾问题并可应用于产品设计中。本文改进了可拓设计方法中第三创造法的不足之处，采用事元建立产品模型，采取功能分析和因果链分析相结合的分析方法对缺点进行列举，并利用可拓学中的方法对普通断线钳进行改进，设计出了3种不同的设计方案，通过优度评价获得最优的设计方案，对产品的创新设计提供一种可行有效的思路。文中仅对结构简单的普通断线钳进行了创新设计，对于该方法在复杂装备中的创新设计的应用仍需进一步研究。

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Product innovation design using the modified third creation method

GUI Fangzhi, REN Shedong, ZHAO Yanwei, LOU Jiongjiong

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Minister of Education/Zhejiang Province, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Due to the deficiency of product modeling and defect listing in the third creation method, a modified third creation method of Extenics was proposed using the affair model, and the functional analysis and cause-effect chain analysis were introduced. The product defects were found by functional analysis and the underlying cause can be determined by the cause-effect chain analysis. Then, the key defects were determined. Finally, the defects were resolved using the modified third creation method and a new product was formed with many design schemes. Also, new bolt cutters were designed by selecting the optimum scheme, and they proved the feasibility and effectiveness of the method.

third creation method; affair model; functional analysis; cause effect chain analysis; innovative design

桂方志，男，1992年生，硕士研究生，主要研究方向为数字化制造、可拓设计。

任设东，男，1989年生，博士研究生,主要研究方向为数字化制造、可拓设计。

赵燕伟，女，1959年生，教授，博士生导师，主要研究方向为数字制造/数字装备建模与仿真的基础理论和关键技术、现代物流系统智能配送与优化调度、可拓设计等。

10.11992/tis.201610016

http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170227.2211.020.html

2016-10-14.

日期：2017-02-27.

国家自然科学基金项目(51275477).

任设东.E-mail：renshedong@zjut.edu.cn.

TP18;TH122

A

1673-4785(2017)01-0038-09

桂方志，任设东，赵燕伟，等. 基于改进可拓学第三创造法的产品创新设计[J]. 智能系统学报， 2017, 12(1): 38-46.

英文引用格式：GUI Fangzhi， REN Shedong， ZHAO Yanwei， et al. Product innovation design using the modified third creation method[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(1): 38-46.