基于核心功能约束的概念设计方法*

李 超，李文强，李 彦

(四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065)

0 引言

概念设计阶段是产品创新过程中最重要的阶段，该阶段直接决定了产品最终价值的80%以上[1]。根据对以往创新过程的分析，不同的创造性活动中存在一些共性，针对这些共性的分析，国内外学者提出了不同的产品设计过程和创新方法，其中Gero[2]提出的FBS模型作为一种设计过程模型，已经被广泛认可并用于各种设计学领域[3]。以FBS模型为基础，Zhang[4]提出基于行为驱动的功能-环境-结构(B-FES)建模框架的功能设计方法；李彦[5]在整合FBIE/e模型、B-FES/s模型和FEBS/e模型的基础上提出了FSMEE模型概念设计过程；金熙哲[6]通过建立数学模型和引入遗传算法设计了基于FBS模型的执行机构系统的计算机辅助概念设计系统；贺欢[7]在FBS模型的框架下提出了一种支持机电产品创新知识库构件技术。这些研究主要聚焦于FBS模型功能、行为与结构之间的映射表达及知识组织等，而对模型本身辅助设计的效率关注较少。

对于FBS模型，为了更好的实现功能与行为之间的映射，将一个复杂的总功能分解成若干个较简单且单一的分功能是一种行之有效的方法，但功能、行为及结构之间是多对多的映射关系，而FBS模型中缺少设计约束，因此每个分功能往往对应多个结构，其中部分结构对于最终的整体方案而言是多余的，而这些冗余的结构会增加形成组合方案的复杂度，降低产品创新设计的效率。本文主要聚焦于如何在设计的过程中避免产生这些冗余的结构，以FBS模型为基础，从设计流程自身引入设计约束的角度出发，提出一种基于核心功能约束的概念设计方法，并以洗碗机的设计过程验证了该方法的可行性和有效性。

1 基于FBS模型的功能设计

1.1 FBS模型的设计过程

FBS模型在功能和结构之间引入了行为，有效的支持了概念设计过程。其中功能表明了设计产品的目的或用途，行为从原理层上描述了如何实现功能，而结构从物理实体层面表明了实现功能所需要的元件或构件及其相互关系。因此，在整个设计模型中，行为是连接功能和结构的纽带，表明“结构如何实现功能”。三者之间的映射关系如图1所示[1]。

图1 功能-行为-结构模型

1.2 功能分类

设计产品的主要目的是满足所需功能。功能是对产品或技术系统的特定工作能力的抽象化描述，是产品存在意义的体现[8]。一个完整的产品往往包含多个功能，这些功能可分为不同类别，而不同研究的功能分类方法虽然有所差异，但大同小异，本文将产品的总功能分为核心功能和辅助功能，辅助功能又分为支撑功能和附加功能。核心功能指设计产品主要想满足关键的需求，支撑功能指为满足核心功能所必须的功能，而附加功能指除必须功能外的其他用来增加产品本身价值的功能。产品总功能可用一个功能集表达式表示：

F={Fc,Fs,Fa}

式中，F表示总功能，Fc代表核心功能，Fs表示支撑功能，Fa表示附加功能，Fs和Fa统称辅助功能。需要说明的是核心功能和辅助功能都可能不止一个，且随着产品的发展，核心功能和辅助功能也可能发生相应的变化。

1.3 功能的表达与功能基

为方便实现功能域到行为域的映射，本文采用功能基来规范不同的功能。功能基由功能与流组成，增加了功能表达的规范性和可重用性，使不同设计人员可以对同种产品的功能做出相同的描述[9]，是定义功能的标准化术语。Hirtz[10]等通过对功能和流的分类进行比较分析并融合统一，建立了标准的功能基词库；作者所在课题组[11]在结合当前工程设计活动以及中文语义基础上，重新整理并提出了相应功能基词库。在该功能基词库中，功能被分为稳定、产生、分离、吸收、调控、检测、结合、积累、引进、输出、移动11个基本子类，从物质流、信息流和能量流三个方面加以描述，从而形成本文所采用的功能基模型。

2 基于核心功能的概念设计

为了减小形成组合方案的复杂度，提高产品创新设计的效率，本文提出了一种基于核心功能约束的概念设计方法，如图2所示。该方法主要由核心功能设计，辅助功能设计以及方案生成三个部分构成。其中将核心功能设计单独划分出来可以从两方面减小组合方案生成的复杂度：①直接减少核心功能的结构方案数；②确定的核心功能原理解可作为辅助功能设计的设计约束，间接减少辅助功能的结构方案数。

图2 基于核心功能约束的概念设计方法

2.1 核心功能的设计

核心功能设计部分主要根据产品需求识别出核心功能，并通过功能到行为的映射输出产品的核心功能原理解方案。产品总功能由核心功能和辅助功能组成，本阶段只需要分析产品的核心功能，定义核心功能为最小功能单元，即不能再分解的分功能，例如清洗功能就是洗衣机的核心功能。确定核心功能后，为方便计算机实现功能到行为的映射求解，将自然语言表达的功能转化为适合计算机理解的功能基，再根据功能基从知识库中搜索原理解，并筛选出最有创新价值的原理解，从而完成核心功能的功能到行为的映射过程。核心功能设计直接从行为层减少了核心功能结构方案数。

2.2 辅助功能的设计

辅助功能设计部分以FBS模型为基础，首先将总功能分解到最小的功能单元，为每个分功能选择功能基，根据功能基搜索并选择合适的原理解，完成功能到行为的映射过程；接着根据原理解搜索结构，类比产生结构方案，完成行为到结构的映射，从而完成F->B->S的映射过程，如图3所示。因为在总功能设计前，已求得产品核心功能及其原理解，所以功能分解时只需分解辅助功能。且由文献[12]可知核心功能及其实现方式为产品设计的内部约束，该约束是对产品功能原理的要求，反映了产品应该具有的功能及其实现行为，表现为保证功能原理而采用相应的设计知识等[13]。因此本设计模型中，在分解和选择辅助功能及其原理解时，应将流程本身产生的核心功能原理解作为一个设计约束，以缩小辅助功能及其原理解的选择范围，从而有效的减少分功能的结构方案数。

图3 辅助功能设计过程

需要说明的是辅助功能是指为满足核心功能而所必须的支撑功能和一些其它附加功能的总称，当实现核心功能的原理不同时，对应的支撑功能及其所需原理解可能会有所不同，但附加功能不受影响，如图4所示，因此在确定核心功能原理解后可以在设计过程中舍弃部分支撑功能及其原理解。例如在设计金属切割机时，核心功能为切割金属，其切割方式有冷态切割和热态切割两种原理，若切割原理采用冷态切割后，则可省略热态切割机所必须的冷却功能。

图4 核心功能原理解的约束原理

2.3 方案生成

方案生成阶段完成从单个分功能结构方案到整体产品结构方案的组合过程，并输出最优的产品概念方案，这与形态分析法的思路类似。形态分析法是由美籍瑞士天文学家兹威基教授提出的一种系统搜索和程式化设计的创新方法，其基本思路是将事物分为若干独立要素，分析每个要素所有可能的方案，列出形态分布矩阵，然后加以排列组合，经过综合分析筛选出最佳的组合方案。基于核心功能约束的概念设计方法中，前两部分已经把待设计的总功能分成若干个相对独立的分功能，并对每个分功能完成了从功能到行为再到结构的发散性映射求解，所以参考形态分析法，方案组合时引入形态分布矩阵进行组合创新，矩阵如表1所示，其中“列”代表分功能，“行”代表各个分功能对应的结构方案名。

表1 形态分布矩阵

列出矩阵后，通过排列组合原理列出可能的组合方案，虽然已减少了很多结构方案数，但剩余的结构方案经排列组合后还是会产生较多的组合方案，所以在排列组合过程中需要随时对得到的方案从创新性、可行性、实用性等方面进行初筛，列出有前途、有创意的组合方案，最后再从成本、市场状态等其他角度对挑选出的方案进行综合评价，做到好中取优。

3 洗碗机设计实例

洗碗机曾被誉为继洗衣机后第二个解放人类双手的发明，目前在欧美国家已经有过半的家庭使用洗碗机；然而反观国内市场，虽然在20世纪80年代就开始生产洗碗机，但是一直未得到消费者广泛接受，其普及率远不如欧美市场。本文以家用洗碗机的概念方案设计来验证基于核心功能约束的概念设计方法的合理性、可行性及在指导新产品设计流程中的意义。

3.1 洗碗机核心功能的设计

洗碗机“清洗餐具”的过程一般包括洗涤和漂洗两步，其中去除顽固油渍污渍的洗涤过程可确定为核心功能，其功能基可抽象为“去除物质”，再借助本课题组自主研发的CAIP系统[14]的知识库对其进行功能到行为的映射，其中用于清洁和去除杂质或污染物的科学效应有机械运动去除物质、萃取剂提取杂质、电迁移、分子或原子束激发解吸和超声清洗等。考虑到国内烹饪多油，餐具形状大小多样，且直接与人们饮食健康相关及经济性等情况，洗碗机洗涤的基本原理可选用超声清洁技术。

3.2 洗碗机辅助功能的设计

洗碗机工作过程如下：放入待洗餐具，启动清洗流程，洗碗机自动执行清洗、烘干、消毒等程序。该过程中，烘干消毒对核心功能不存在必须的支撑作用，属于附加功能；而漂洗过程与核心功能一起完成整个清洗过程，属于支撑功能。核心功能采用超声清洁原理，主要利用空化作用清除油污，介质为液体，因此在洗涤过程中需要将餐具浸泡在液体中；为了防止液体中太多大块杂质影响清洗效果，需要在洗涤前去除大块污渍，其原理可考虑机械运动去除物质；浸泡洗涤后水面会漂浮一些油污，排水过程中可能附着在餐具上，需要通过漂洗去除剩余的油污，所以漂洗过程不适合将餐具浸泡在液体中，其原理也可选用机械运动去除物质；除此之外，理论上超声清洗技术可直接将油脂性污染物分解、乳化，但为了减少清洗时间，可添加普通清洁剂，且不需要洗涤前溶于水，而且对其结构设计的要求也大大降低。部分辅助功能映射过程如图5所示。通过核心功能对辅助功能的约束，大大减少了最终的结构方案数，且保证了分功能的有用性。

图5 洗碗机部分辅助功能映射过程

3.3 洗碗机方案生成

确定好洗碗机分功能的结构方案后，列出分功能与结构方案名的形态分布矩阵，如表2所示，对其排列组合，并从创新性、可行性、实用性等方面初筛出部分组合方案，最后再从成本、市场状态等其他角度对候选方案进行综合评价，选出最佳组合方案，对其完善后作为洗碗机的最终概念设计方案。最终洗碗机的概念方案如下：洗碗机为箱体式结构，采用多孔喷射对餐具进行去污和漂洗，采用超声振动清洗技术洗涤餐具，大块污渍通过食物垃圾处理器处理；清洗结束后通过冷凝烘干技术和高温进行干燥和消毒。

表2 洗碗机形态分布矩阵

4 总结

为提高创新设计的效率，本文以减小FBS模型中方案组合复杂度作为切入点，将产品功能分为核心功能、支撑功能和附加功能，探讨了三种功能之间的关系，并在此基础上提出了基于核心功能约束的概念设计方法。该方法以FBS模型为基础，根据产品功能的分类，将FBS映射设计过程划分为核心功能设计与辅助功能设计，并结合各个功能之间的相互关系，在不增加外界约束的条件下在流程内部建立设计约束；同时在生成方案的过程中引入型态分布矩阵，便于形成组合方案。该方法可从两方面缩小基于形态分布矩阵的设计组合方案的复杂度：①直接减少核心功能的结构方案数；②核心功能原理解作为辅助功能设计的设计约束，能在保证辅助功能结构质量的情况下限制其数量。最后通过洗碗机的概念设计验证了该方法的可行性及有效性。