面向模块化设计的产品多层次创新设计策略研究

宋兴格，万　浩，妥世花，刘　超，甘吴波

(1.四川大学制造科学与工程学院，四川 成都　610065)(2.重庆化医恩力吉投资有限责任公司，重庆　401221)

模块化设计(modular design，MD)是实现大批量定制(mass customization, MC)生产方式的核心基础。它能够有效解决客户个性化需求和大批量生产之间的矛盾，提高设计生产效率，缩短产品生命周期，便于产品更新换代和新产品的研发，提高产品质量和可靠性，便于实现标准化、通用化等[1]。虽然模块化设计提高了生产效率，但也在一定程度上阻碍了产品的创新发展，因此针对大批量模块的个性化定制产品的升级，还需要用创新设计方法来引导。

创新设计方法是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科，为合理开发、设计和应用系统而采用的思想、步骤、组织和方法的总称[2]。然而，孤立的创新设计方法现在已经不能满足客户的个性化需求，迫切需要多方法融合实现创新设计：CROSS[3]提出了基于概念级、基于FBS等一系列的产品创新设计过程模型；清华大学的马怀宇等[4]提出了基于TRIZ/QFD/FA的产品概念设计模型；河北工业大学的苑彩云等[5]提出将TRIZ与TOC相结合，解决产品设计过程中出现的冲突。然而，现有的创新设计方法侧重于设计过程和解决技术问题，仍停留在需求获取技术的研究上。对创新设计方法与模块化设计的结合以及个性化需求与大批量定制生产模式的研究较少。由此可知，面向产品的模块化设计，对用户需求进行分析研究，以各种创新设计方法为手段，构建模块化思维下产品多层次创新设计策略的研究具有重要意义。

1　以用户需求和创新设计方法为导向的创新策略

笔者结合模块化设计思维，以用户需求为目标，各种创新设计方法为手段，通过对需求获取技术、重要度决策、功能特征获取以及产品模块划分的研究，在公理设计(axiomatic design，AD)理论、TRIZ和形态学矩阵指导下，建立了面向模块化设计的产品多层次创新设计策略。

1.1　用户需求的采集、分析与功能特征的获取

用户需求的获取首先需要采集和整理用户需求，可采用5W2H方法，引入用户之声(voice of customers，VOC)表收集用户的原始数据并进行整理。然后利用亲和图法(the KJ method，KJ)对需求进行合并归类，做到相互独立，形成层次分明的需求树结构。最后采用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)定量分析用户需求之间的关系[6]。层次分析法的核心是将复杂的需求进行归类分层计算权重。先对需求进行层次的划分，构造相应的判断矩阵，计算下层元素对上层元素的权重，然后进行单排序一致性的检验，接下来分析层次是否结束，进行总排序权重的计算，最后进行总排序一致性检验。

同时，为了建立用户需求与功能特征之间的关系，还需要根据用户需求获取功能特征。获取功能特征常常采用头脑风暴法、质量要素表、实践经验、市场相似产品功能特征提取等方法。

1.2　基于AD的功能特征与设计参数分析

公理设计转换层是通过构建分解层次表将产品的功能特征(FR)和设计参数(DP)连接起来，得到新产品的初始功能结构，并将功能特征转换为工程人员设计时使用的设计参数。为了表明功能之间是否存在耦合关系，构建了功能特征和设计参数之间的设计矩阵，设计矩阵的作用是把功能要求之间的关系转换为功能要求和设计参数之间的关系，通过分析、判断功能要求和其他设计参数之间的关系间接判断两个功能之间的关系[7]。

其中，功能特征和设计参数之间的设计矩阵关系采用模糊评价法，设计矩阵表中1代表两个功能之间具有“强相关”，-1代表“弱相关”，0代表“不相关”。对功能特征和设计参数进行分析，具有强相关的两个功能需要进行重新设计或解耦，弱相关需要考虑设计的顺序，不相关则刚好满足AD的独立性原理。

1.3　问题的模块化分析

对公理设计的结果进行分析，结合功能特征与设计参数的分解层次表、设计矩阵，对功能进行模块划分，设置接口截面，理清层次间的关系，对模块之间流的输入输出关系进行分析，根据功能之间的各种流的输入输出关系进行划分，称为功能流模型[8]，从而确定合理的模块划分方案，主要还是基于用户的需求考虑。基于功能流进行模块划分时，应从系统的观点出发，将整个产品系统划分为各个相对独立的功能单元，通过对各个子模块、子功能或功能元之间关系的分析，确定产品的功能主结构，然后按照一定关系来选择模块，并组合成用户所需的产品[9]。

1.4　基于功能模块的原理解寻找和解的变型

这一过程应通过头脑风暴法、形态学矩阵以及TRIZ等方法尽可能多地获取功能原理解及其变型。形态学矩阵(morphological matrix，MM)可以通过辅助决策生成系统级概念解，能够在一定程度上鼓励创新，这就为与TRIZ的融合提供了可能。形态学通过陈列问题的所有组合来寻求系统的解，将产品的总功能分解后的子功能对应的解作为矩阵的行，将每个功能的原理解作为矩阵的列，但是系统出现解的数量是呈爆炸性增加的，矩阵中的元素多为已有解，常导致组合解也缺乏创新性。

TRIZ将大量解决冲突的原理与工程实例相结合，减少了盲目的不具备可行性的解，同时扩展了解的产生领域，提高了解的有效性和创新性。在TRIZ实际工程案例出现功能冲突、结构冲突时，冲突分析法就成为TRIZ工程问题求解的基础[10]。虽然TRIZ工具能较容易地求解单一功能冲突，但在系统层面判断各个解之间的关系，确定组合解及具体结构时比较困难。TRIZ和MM在设计过程中具有互补性和一致性，因此可以构建基于TRIZ和MM解决问题的模型。

2　面向模块化设计的产品多层次创新设计过程模型的建模

为了更好地辅助设计者在模块化设计中实现设计创新，实现产品相关功能子模块之间的互换性，本文在研究用户需求、功能特征以及相关创新设计方法理论的基础上，围绕模块化思维，构建了基于用户需求和设计方法的产品模块化创新设计过程模型。该模型包含4个子模型：用户需求分析及功能特征分析模型、基于公理设计的FR与DP的分析模型、问题的模块化分析模型、基于形态学矩阵和TRIZ矛盾矩阵模块的求解模型。该策略首先对用户需求进行获取并分析，根据分析结果在工程特征库选定产品的FR；其次基于公理设计理论工具，构建FR与DP之间的功能-结构的设计矩阵和分解层次表，然后采用模块化思维，基于功能流进行模块划分和组合，得到产品的主模块和子模块；最后采用TRIZ和MM对模块进行求解，实现产品的创新设计。该策略为设计者进行产品设计提供了一套完整的、系统化和可操作性强的设计指导思路，具体如图1所示。

2.1　用户需求分析模型及功能特征的确定

用户需求分析模型包含用户需求获取、用户需求整理、用户需求重要度排序以及市场竞争力分析等内容。首先企业确定需要开发的产品；其次采用调查访问、5W2H等方法获取用户的需求信息；然后对所获取的信息进行规范、表达和整理；最后利用AHP法将需求按照KJ法的操作流程进行归类分层，得到各个要素之间的权重指标。

功能特征分析模型包括功能特征的获取、功能特征的整理以及功能特征的竞争性分析等内容。首先搜集能够满足用户需求的工程特征；然后对这些工程特征进行整理，结合企业自身情况以及技术条件加以规整；最后确定所整理的每项功能特征在市场中的竞争力。

图1　面向需求和设计方法学的产品模块化创新设计模型

2.2　基于AD的FR和DP的分析模型

基于AD的FR与DP的分析模型，主要是把产品的功能特征和设计参数通过分解层次表连接起来，实现产品功能层次的结构化，并通过研究设计矩阵分析产品功能特征之间的关系[11]。基于AD，产品功能要求与设计参数之间的关系可以表示为如下方程：

FR=A·DP

式中：A为设计矩阵，表示功能特征和设计参数之间的关系；FR和DP分别为功能要求集和设计参数集。该模型以设计矩阵为核心，构建了功能特征和设计参数之间的映射关系。具体过程首先是引入公理设计方法，将功能要求分解为子功能要求，并确定实现该功能要求的设计参数；然后记录每级功能要求和设计参数之间的设计矩阵和层次分析表，以为后期模块的划分提供理论基础。

2.3　设计问题的模块化分析模型

设计问题的模块化分析模型主要包括模块划分规则和组合规则。首先对产品总功能进行分析，并结合产品层次分析表得到总功能结构；然后将总功能分解为多个子功能。在得到子功能的同时，应该对该层级的模块进行划分，这里要遵循功能独立原则，是一个逐层向下的过程[12],如图2所示。具体划分规则分为3种。

1)串联模式。当某种流输入其中一个或者多个子功能之后，流的形式没有发生变化，最后退出系统或在中途转变为另外一种形式，则这些子功能可以判定为一个模块。

2)并联模式。基本上每一个分支都可以划分为一个主模块，如果还有分支，则可以继续划分，流的分支处形成模块之间的接口界面。

3)混联模式。对于子功能、转换和传送功能而言，子功能在接收到信息、能量和物料以后，如在下一级转换为另外一种形式，那么这些子功能就可以确定为一个模块。

图2　新产品初始功能-结构划分结构图

2.4　基于形态学矩阵和TRIZ矛盾矩阵模块求解模型

双矩阵模块求解模型主要包括产品模块的分析和描述、模块下产品FR和DP的提取和分析、采用MM和TRIZ矛盾矩阵对问题进行分析和探讨相关的解决方法等[10]。首先将模块中功能原理解不明确的问题进行TRIZ描述，转化为TRIZ问题；其次通过TRIZ工具进行求解，分析产品的FR和DP，得到分功能及其原理解；再次将所得结果放入形态学矩阵进行讨论；最后根据用户需求权重，对选择结果进行分析，不满足用户需求，返回重新求解，满足用户需求，则生成产品的创新方案。创新方案的生成，离不开TRIZ提供的多种分析工具进行矛盾描述。在建立功能结构的同时，采用相应的TRIZ工具，如冲突矩阵发明原理、科学效应库、进化路线等工具获取功能原理解，将设计中的问题解决，从而开发出满足用户需求的创新产品[13]。

3　泡沫硬化剂自动制备装置创新设计

3.1　泡沫硬化剂设备的用户需求获取、处理及功能特征的获取

目前常采用TESSARI等在2011年提出的方法[14]制备泡沫硬化剂：用两个一次性注射器分别盛放液体硬化剂和气体，分别成90°角与三通开关连接，通过来回推送产生泡沫。由于临床手工制备的泡沫硬化剂难免存在质量上的差异，有可能会产生严重的副作用。基于此，笔者设计了一种泡沫硬化剂自动制备装置，该装置的推注速度、次数和行程可调、可控，并可适用于不同注射器。

泡沫硬化剂装备的用户需求可根据1.1节和2.1节内容获取，在满足需求的前提下，从工程角度将其分为3个层次，如图3所示。

图3　用户满意的泡沫硬化剂需求KJ图

基于KJ法的分析，利用层次分析法(AHP)对获取的需求进行分析处理，建立关于第1层和第2层需求的判断矩阵，获得第3层用户需求之间的关系权重。

通过对上述判断矩阵的求解，可以得到泡沫硬化剂用户需求的层次单排序结果。为了验证各判断矩阵中重要度分析判断的逻辑是否合理，还需要对结果进行一致性检验，检验结果见表1所示。

表1　判断矩阵的一致性检验

表1中各个判断矩阵的CR值都小于0.1，因此用户需求之间的重要程度的判定逻辑是合理的，由此可以得出用户需求的总排序，见表2。

表2　泡沫硬化剂设备用户需求的权重

在获取用户需求权重之后，根据1.1节和2.1节内容，可知该产品总体有以下几大功能特征：1)驱动、传输功能；2)控制功能；3)人机交互功能；4)注射器的夹持定位功能。

3.2　基于AD的FR和DP映射关系

该设备的总功能要求为硬化剂自动制备功能FR0和硬化剂自动制备装置DP0。根据公理设计原理可以定义：驱动传输功能FR1、系统控制功能FR2、人机交互功能FR3、注射器夹持功能FR4，其中FR2对FR1之间具有一定的相关性。对应的设计参数为动力源与传动结构参数DP1、控制系统参数DP2、人机交互界面参数DP3、注射器夹持结构DP4。根据前文1.2节和2.2节的定义可得到该级的设计矩阵，如式(1)所示。

(1)

驱动传输功能FR1可以分解为驱动力FR11、动力传输功能FR12、推动功能FR13。对应的设计参数为电力驱动装置DP11、机构连接参数DP12、推动结构DP13。通过分析得到该级的设计矩阵，如式(2)所示。

(2)

系统控制功能FR2可以分解为速度可调节功能FR21、推动次数可调功能FR22、推动力大小可调功能FR23。对应的设计参数为速度控制方式DP21、循环次数控制方式DP22、推力控制结构DP23。通过分析得到该级的设计矩阵，如式(3)所示。

(3)

人机交互功能FR3可以分解为快速输入信号功能FR31、转换和传输信号功能FR32、执行信号功能FR33。对应的设计参数为信号动力源DP31、信号转换和传输DP32、执行构件DP33。通过分析得到该级的设计矩阵，如式(4)所示。

(4)

注射器夹持功能FR4可以分解为夹紧功能FR41和定位功能FR42。对应设计参数为夹紧结构参数DP41和定位参数DP42。通过分析得到该级的设计矩阵，如式(5)所示。

(5)

3.3　产品功能模块的划分和确定

基于3.2节中对功能特征和设计参数的分析，对功能进行模块划分，设置接口截面，理清层次间的关系，同时对模块之间流的输入输出关系进行分析，从而确定合理的划分方案。根据1.3节和2.4节研究内容，进行子模块划分，图4为泡沫硬化剂自动制备装置的功能模块划分图。

3.4　设计问题的创新求解

该装置分为4个模块：人机交互模块、控制系统模块、动力装置模块以及传输系统模块。通过对结构布局进行分析，可知要求具有一定的速度，但在调节速度过程中会产生不同分贝的噪声。因此，在保证速度的情况下，应尽量减少物体产生的有害因素。通过查询TRIZ矛盾矩阵，可得推荐的发明原理：抽取原理、快速通过原理、中介物原理、改变特性原理。结合分析和发明原理，应选用更合理的机械结构装置来传递能量，比如滚珠丝杠导轨。

图4　泡沫硬化剂自动制备装置的功能模块划分图

对控制系统而言，要求整个系统安全可靠、误操作少，即要保证系统的可靠性且自动化程度要高。如引入可编程逻辑控制器(PLC)，就可以改善产品的自动化程度。查询TRIZ矛盾矩阵，可得推荐的发明原理：一次性用品原理、改变颜色原理、预先应急措施原理。根据分析和发明原理，考虑在人机交互模块下设置功能按钮。当硬化剂制备过程中可靠性得不到保证时，通过功能按钮，使制备过程停止。通过对以上功能的划分和相关参数分析，根据1.4节和2.4节可得系统的最终结构，见表4。

表4　硬化剂装置原理变型解的形态学矩阵

4　结束语

本文针对个性化的用户需求，在设计方法学的指导下，结合模块化设计思维，首次提出基于需求和设计方法学的产品模块化创新设计策略。通过对该策略的研究，可以指导企业实施产品模块化设计，缩短设计周期，更好地将研究理论转化为制造业研发能力，实现MC生产方式。文章最后对泡沫硬化剂自动制备装置的研究，证明该创新设计策略是可行的，对机电类产品的研发和设计具有参考作用。

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