基于功能进化理论的产品创新过程研究

冯雁霞　杨伯军

摘要 功能进化是系统理想化水平不断提升的过程，功能进化定律可指明功能进化的方向和路径，为弥补模糊前端设想产生的盲目性，将功能进化理论应用于产品开发的模糊前端阶段。以功能进化定律实施方式为基础抽取出12条产品改进策略;以产品改进策略预期达到效果为导向，构建了产品改进策略与设计目标间的映射关系，实现产品创新过程中功能进化定律的有效检索，进而产生创新设想，在此基础上构建了基于功能进化理论的产品创新过程模型。最后，应用半自动型双缸洗衣机的创新设计验证了该方法的有效性。

关 键 词 功能加化;功能进化定律;设计目标

中图分类号 TH122     文献标志码 A

Research on product innovation design process based on function evolution theory

FENG Yanxia1，2， YANG Bojun1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China;2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center，Tianjin 300401，China）

Abstract Function evolution is the process of improving the ideality. The function evolution law can indicate the direction and path of function evolution. In order to reducing the blindness of generating innovation ideas， the functional evolution theory will be applied in the fuzzy front end of product development. Based on the function evolution law implementation， 12 product improvement strategy were extracted ; and then，the mapping relationship between product improvement strategy and design goal is constructed based on the expected effect of product improvement strategy; and the effective retrieval of the law of functional evolution was ensured.Thus， the product innovation process model based on the theory of evolution was constructed. Finally， the innovative design of a semi-automatic double cylinder washing machine by applying the model verified its feasibility.

Key words function evolution; law of function evolution; design goal

0 引言

面对日新月异的科技进步、社会发展，产品创新已成为了企业保持生命力的重要途径，同时也是企业提升自身综合竞争力的关键因素之一[1]。产品创新包含模糊前端、新产品开发、商业化3个阶段[2]，模糊前端阶段是产品创新设计的关键阶段[3]，与项目的开发成本、开发时间、产品优势以及项目的成败直接相关，根据创新专家统计，每产生11个创新设想，最多有3个会得到开发，1.3个投产生产，最终只有1个获得成功[4]。因此如何降低模糊前端设想产生的不确定性程度，产生高质量的创新设想，仍然是需要研究解决的课题。

本文将功能进化理论应用于产品创新的模糊前端。以功能进化定律实施方式和预期达到效果为导向，构建产品改进策略与功能进化定律之间的优选关系及设计目标与产品改进策略间映射关系;从设计目标出发选择产品改进策略并确定产品改进目标;依据产品改进策略与功能进化定律间的优选关系选择有效的功能进化定律进行功能预测，产生创新设想;在此基础上，构建了基于功能进化理论的产品创新过程模型。

1 功能進化理论

功能进化是产品功能结构组成与组成关系沿不同的方向或路径发生演化以提高主功能的理想化水平或产生新功能的过程[5]。在整个产品生命周期内，功能伴随着需求和技术系统的发展处于不断进化的状态。产品技术系统功能进化过程不是随机的，有一定的规律指导[6]。Petrov[7]提出的4条功能进化定律，在此基础上，LI等[8]进一步扩展和完善提出11条功能进化定律，如表1所示，功能进化的终极目标是实现功能理想化，提高系统理想化水平。功能进化反应了技术系统、组成元件、系统与环境间相互作用关系的转变，利用这些作用关系转变可有效预测并指导创新设计方案的产生。

2 产品创新过程的功能预测

2.1 功能进化定律、产品改进策略与设计目标三者间关系

设计目标是设计部门根据设计战略要求组织各项设计活动预期取得的成果[9]，其是否达到有效满足，是系统问题是否解决的关键。功能进化定律的应用能够简化系统、大幅度提高系统的理想化程度，以功能进化定律的实施方式和预期达到效果为导向，构建产品改进策略与功能进化定律之间的优选关系和设计目标与产品改进策略间映射关系，实际应用时，可从设计目标出发，选用合适的功能进化定律，得到相应的创新方案，构建过程如图1所示，具体过程如下。

产品改进策略是设计者针对现有产品存在的系统问题，依据设计意图等提出的战略方法或手段，指导、明确产品改进方向;设计意图可间接表明功能进化的趋势，所以产品改进策略与功能进化定律之间存在着一定的联系。以文献[5]中功能进化定律的实施方式及过程步骤来提取产品改进策略，构建产品改进策略与功能进化定律间关系。以其中“功能集成化定律”为例说明产品改进策略与功能进化定律之间的优选关系和设计目标与产品改进策略间映射关系。

1）功能集成化定律：通过已有功能或新功能开发使有用功能得到增强，而有害功能被削减或抵消。

实施方式：集成相同或相似的功能，集成不同种类的功能，集成相反的功能，产生具有不同特征的相似功能，产生竞争或多样化的功能。

可能产生效果：功能多样化、简化系统、提高系统性能。

2）依据设计意图等提出的产品改进的方法或手段為导向，确定功能集成化定律之产品改进策略和可能实现的效果如下。

产品改进策略：集成相同、相似或相反功能，改变资源利用方式。

可能实现效果：简化系统、提高系统性能。

3）按照这样的方式，得到从其他功能进化定律抽象出来的产品改进策略，对其进行总结汇总，得到产品改进策略与功能进化定律之间的优选关系，如表2所示。应用产品改进策略可达到不同的设计目标，如简化系统、降低成本、消除冲突、提高性能等。为了有效的应用产品改进策略使之快速达到设计目标，将产品改进策略根据设计目标归类成5个子集，形成设计目标对应的产品改进策略选用策略，如表3所示。

2.2 产品创新的功能预测过程

功能结构表达了功能实现过程中物料、能量、信息资源转换过程，基于此，较容易发现系统中资源利用或转换过程中不期望的结果。根据设计目标，利用功能进化定律指导设计者对功能结构中的功能元做相应改进，并利用新原理或新资源对功能进行重新求解，往往能够产生创新设想，提高系统的理想化程度。在产品概念设计过程中，基于功能进化定律的功能预测过程如图2所示，具体步骤如下：

1）选择目标系统，建立系统功能结构。

2）明确设计目标，根据设计目标与产品改进策略间的选用改进策略，依据产品改进策略实施目标或操作对象，结合步骤1到的功能结构图，确定产品改进目标。

3）依据产品改进策略与功能进化定律间优选关系选定功能进化定律，确定可能的进化方向，预测功能潜力状态。其中一条功能进化定律的使用可能会导致系统其他结构做相应改变，即最终系统改进的目标除了包含步骤2确定的改进目标，还有其他功能结构。

3 基于功能进化理论的产品创新过程

基于功能进化理论的产品创新过程模型如图3所示，具体过程如下：

1）选定基础产品。选定已有产品作为产品开发的原型产品即明确需要改进的技术系统。

2）明确设计目标。明确基础产品后，设计者根据需求确定产品设计目标。

3）系统功能分析，建立系统功能结构。功能结构表达了功能实现过程中物料、能量、信息资源转换过程，是实施产品改进的基础。

4）确定产品改进目标。根据设计目标选用产品改进策略子集，依据产品改进策略实施目标或操作对象，结合（3）得到的功能结构图，确定产品改进目标。

5）功能预测。依据产品改进策略与功能进化定律之间的对应关系，选用1条或多条功能进化定律确定功能可能的进化方向，预测具有功能的潜力状态，这些潜力状态即创新设想。

6）判断设想方案是否满足设计目标，若满足，则转至下1步;若不满足，则判断是否存在未采用的功能进化定律，若存在则转至第5步，若不存在转至第4步重新确定产品改进目标。

7）构建产品原理解。依据第5得到的创新设想对第3步所建立的功能结构进行创新，并进行功能元求解，按照功能结构中功能关系以及结构联接方式组合，形成产品原理解。

8）依据选定的产品原理解进行后续的详细设计。

4 实例验证

洗衣机是利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电气，已经被广泛用在各家各户中。通过半自动型双缸洗衣机的创新设计可以验证基于功能进化理论的产品创新过程模型的实用性。

4.1 明确基础产品，确定设计目标

目前双缸洗衣机是较成熟的产品，现有某型号双缸洗衣机的结构示意图如图4所示。随着可持续发展的不断深化，对于产品的工作效率、工作稳定性、结构轻量化和节约能源方面提出了更高的要求，而如今国内市场上销售的双桶洗衣机是由1个洗涤桶和1个脱水桶组成，洗涤、脱水分别进行，洗净度高，耗电量小，但洗涤时，洗涤漂洗时要进行多次换水，且进水、排水都得靠手动完成，脱水时，还要将衣物等取出平整放入脱水桶，否则出现失衡状态，产生剧烈振动和噪音，缩短洗衣机寿命。针对以上问题，确定设计目标为：整个洗涤-脱水过程中降低人的参与度，简化操作工序，减少耗时。

4.2 建立系统功能结构

洗衣机的主要功能是分离，即将污渍、灰尘等与衣物分开，功能结构的建立过程如下所示。

第1步：确定洗衣机的总功能和输入、输出流，如图5所示，洗衣机的总功能为清洁衣物，输入流有控制信号，脏衣物和电能，输出流为干净衣服，脏水和动能。

第2步：将洗衣机的总功能分解成子功能，建立功能树，如图6。

第3步：建立每个输入流功能链。

第4步：组合功能链，得到洗衣机的功能结构，如图7所示。

4.3 基于功能进化定律的创新设计

1）确定产品改进目标

设计目标是：整个洗涤-脱水过程中降低人的参与度，简化操作工序，减少耗时。转化为标准语言即“简化系统，提高系统的可操作性”，从表3可得相应的产品改进策略有“B、D、F、G、H、L、K”，其中产品改进策略B、H、K、L主要针对系统中存在不合理结构的问题类型，据此未得到可优化的功能结构;产品改进策略F、G针对系统中相同、相似、相反的功能进行功能集成和组合等，从洗衣机功能结构图图7可知，输入电能1与输入电能2、转换电能1与转换电能2、释放电能1与释放电能2、分离水和分离脏污这些功能元间存在相似性，所以将上述功能元确定为系统改进目标。

2）选择功能进化定律，进行功能预测

依据表2可知产品改进策略F和G对应的功能进化定律有4、5、6、7、9，结合上述得到的功能改进目标选用可用功能进化定律：功能集成化、功能动态化、功能精简化，提出改进方案。

功能集成化  在系统中“输入电能1”和“输入电能2”、“转换电能1”和“转换电能2”、“释放电能1”和“释放电能2”“分离脏污”和“分离水”这4对功能具有相似性，所以可以将这4对功能各自进行集合，用同一个功能载体来实现功能。

功能动态化  在系统将“输入电能1”和“输入电能2”、“转换电能1”和“转换电能2”、“释放电能1”和“释放电能2”、“分离脏污”和“分离水”这4对功能集成后，洗涤和脱水将在1个缸内完成，此时需要1个功能，使得“分离脏污”与“分离水”這个2个功能实现互不干涉。

功能精简化  通过功能集成化和功能动态化改进后，系统中“输入排水信号”和“输入脱水信号”这2个功能是不需要的，可以将这2个功能裁剪掉。改进后功能结构如图8所示。

3）功能元求解，构建产品原理解

对于改进后的功能元，通过功能-结构映射确定功能的功能载体，完成功能元的原理求解。

“控制，检测污染度、水位等”功能元原理解：引入微电脑控制，即用单片机来控制，在相应位置设置传感器，通过采集相应数据来控制驱动电能部件进行工作。例如水位开关的运作，通过洗衣桶内水位所产生压力来控制触电开关的通断，水位开关与程控器配合，根据洗衣程序与洗衣桶内水位的高低，控制洗涤电动机的通断，实现进水、洗涤、脱水以及排水过程。

“分离”功能元原理解：采用套桶方式，将离心桶与盛水桶同轴套在一起，通过电机与减速离合器的离合转换实现洗涤与脱水工作。

通过上述改进后发现，由于洗涤物分布不均匀，高速离心脱水时，使得内、外桶产生剧烈的振动和晃动，针对此问题，采用一种弹性支撑结构来减振，即将盛水桶通过4根吊杆悬挂于箱体4个角上，并在离心桶上口装有平衡圈。弹性支撑结构包括阻尼筒、吊杆和吊杆挂头，阻尼筒内装有减振弹簧和阻尼胶碗。

利用上述原理得到一种新产品——全自动洗衣机，结构示意图如图9所示，其基本工作原理是：洗涤时，电机在程序的控制下，产生间歇正反转，通过减速离合器降低转速带动波轮间歇正反转，此时离心桶不转;脱水时，离合器带动离心桶高速旋转，进行脱水，此时波轮与离心桶是一起运转的。使用时只需在程序面板上设定程序，其可自行运行。

4.4 方案评价

改进后的全自动洗衣机与原有洗衣机相比，工作原理发生巨大改变，只需设定程序即可完成洗涤、漂洗、脱水等全过程，整个过程中大大减少了人的参与，降低了人的劳动强度;且设有平衡减振装置，有效避免因桶内的衣物分布不均匀而出现失衡状态，减少振动和噪音，具体评价如表4。

5 结论

1）以功能进化定律实施方式为导向提取出产品改进策略，又以其可达到的效果构建与设计目标间映射关系，在此基础上提出了一种用于产品创新的功能预测方法，进而提出基于功能进化的产品创新设计过程模型。

2）半自动洗衣机的创新设计实例表明，该方法可有效支持针对特定设计目标的创新设计过程，有利于提高产品的创新效率。

3）以功能进化定律实施方式为导向提取出产品改进策略，又以其可达到的效果构建与设计目标间映射关系，在此过程中存在有一定的主观性，因此在此基础上提出的产品创新功能预测方法仍有一定完善空间，且还需要更多的工程案例加以验证。

参考文献：

[1]    高旋. 基于TRIZ理论的石油企业技术创新能力评价及对策研究[D]. 大庆：东北石油大学，2012.

[2]    郭靖，檀润华，孙建广，等. 设计与资源驱动的产品 NDI 设想产生过程研究[J]. 工程设计学报，2015，22（4）：309-316.

[3]    平恩顺，檀润华，孙建广，等. 基于TRIZ的机械产品突破性创新设想产生过程研究[J]. 中国机械工程，2014，25（18）：2439-2445，2446.

[4]    余芳珍. 新产品开发模糊前端创意管理对创新绩效的影响研究[D]. 杭州：浙江大学，2006.

[5]    曹国忠，檀润华. 功能设计原理及应用[M]. 北京：高等教育出版社，2016：97-120.

[6]    SOUCHKOV V. The Trend of Functionality Evolution[C]//submitted to the ETRIA TRIZ Future 2013 Conference，Paris，2013.

[7]    PETROV V. The law of System Evolution [EB/OL]. TRIZ Journal[2002-03]. http：//www. triz-jouanal. com/archives/2002/03/b. index. htm.

[8]    LI Qinghai，CAO Guozhong，GUO Haixia，et al. Research on innovation process model based on function evolution[J]. Applied Mechanics and Materials，2010，20-23：1336-1341.

[9]    设计目标 https：//baike. so. com/doc/8803296-9127881. html.

[责任编辑 杨 屹]