基于功能技术矩阵和模糊评价的产品模块化设计方法

徐跃楠

基于功能技术矩阵和模糊评价的产品模块化设计方法

徐跃楠

（西安科技大学 艺术学院，陕西 西安 710054）

目的：为解决多因素制约下的产品模块化设计问题，提高产品设计的系统性和效率性，提出一种基于功能技术矩阵和模糊综合评价的产品模块化设计方法。方法：建立在系统论和功能论的基础上，通过对产品系统进行功能划分，采用功能技术矩阵算法对建立的多准则模块划分模型求解，并运用多层次的模糊综合评价法寻找系统最优解，从而得到一套完整的产品模块化设计方法。结论：将功能技术矩阵和多层次的模糊综合评价应用于厕所节水器的设计案例中，可以增加用户需求分析准确性，扩大设计方案评价层次性，提高产品模块化设计的高效性和系统性。

产品设计；模块化；功能技术矩阵；模糊综合评价；节水器

科技革命是中国由制造大国走向“智”造强国的历史机遇。产品模块化是中国成为“智”造强国的关键，已广泛应用于各类产品开发及生产制造中[1-2]。模块化设计的基础是划分功能模块[3]。模块划分方法主要有基于功能、结构和面向产品生命周期的模块划分方法等[4]。李安虎等[5]提出基于功能聚类映射的应急救援器材箱模块化设计方法，实现功能模块的划分以及结构模块的创建。郏维强等[6]提出基于模糊关联的复杂产品模块设计，解决信息传递与转化的不确定性问题。王相兵等[7]提出基于客户需求驱动的柔性产品平台模块化设计方法，解决模块划分和设计周期问题。上述文章或多或少对产品模块化做了研究，但缺少从系统设计的角度思考。本文从系统的角度对产品模块进行功能技术分析，运用模糊评价寻求系统最优解，进而解决不同需求和功能下的产品模块化设计问题。

1 产品模块化设计方法

1.1 设计方法

产品模块化设计,是将产品进行功能分析并组合功能模块，构成具有特定模块的子系统。作为通用性模块的子系统与其他单元进行组合或互换，从而产生具有不同功能或性能的多样化产品[8]。模块化设计是绿色生态设计方法之一[9]。在产品设计中，面对多因素、多条件的制约问题，如何寻找功能模块组合最优解是该领域面临的核心问题。

基于功能技术矩阵和多层次的模糊综合评价的产品模块化设计方法，是通过系统综合、功能分析和模糊评价，逐步实现设计对象的具体化和实质化。首先，黑箱法寻找系统总功能的转换关系；然后，将总功能抽象为具体的分功能；其次，利用功能技术矩阵，通过定性或定量的方法，分析实现各功能技术途径的不同组合形式，寻求可行的设计方案[10]；最后，结合多层次模糊综合评价法，确定最佳设计方案。同时，在模块划分和组合过程中，要充分考虑三原则，即内部交互聚类与集群原则、外部交互独立原则和总体系统可靠性原则，有助于提高多原则模块划分及重组的准确性。

1.2 设计流程

模块设计通常分为三级，包括系统级、系列级和产品级。本文主要针对产品级这一层进行研究，基于功能技术矩阵和模糊评价的产品模块化设计方法流程图如图1所示，包括：用户需求分析、功能系统分析、功能技术矩阵分析和多层次的模糊综合评价。

图1 设计方法流程图

2 产品模块化设计系统

2.1 用户需求分析

用户需求分析是用户需求信息的获取与处理，是产品模块化设计的基础[7]。用户需求分析有利于产品设计决策，避免产品设计偏差[11]，增加产品设计可靠性。用户需求分析的流程为：通过市场分析及5W2H提问法寻找用户痛点，运用KJ法进行数据收集、分类和综合。归纳用户的需求集为：

2.2 功能系统分析

功能系统分析结合了系统论和功能论，即从系统的整体性、统一性和动态性去研究设计对象的功能全貌。为便于系统可视化，首先，确定系统总功能；其次，对系统总功能进行分解，直至分解到功能元[12]。

2.2.1 黑箱法（分析总功能）

黑箱指仅知输入量和输出量而不知其内部结构的表达设计任务的一种模式，黑箱明确规定了设计任务的基本功能要求和主要约束条件。暂时忽略辅助功能和非必要功能，突出抽象形式的基础功能和必要功能，从而抓住事物的本质。黑箱法如图2所示。

图2 黑箱法

2.2.2 功能整理（总功能划分分功能）

功能整理是以系统论思想为依据，按照功能之间的逻辑关系进行整理。根据功能的重要性程度，以区分必要功能和非必要功能，从而构建功能链条。根据目的和手段的关系，以区分功能的上下关系，从而形成功能系统图，如图3所示。

图3 功能系统图

2.3 功能技术矩阵分析

功能技术矩阵是功能论中分析问题的主要工具。在产品设计中，功能技术矩阵是围绕设计对象的功能序列，通过定性或定量化的方法，分析实现各功能的技术途径的不同组合形式，从而找出可行的设计方案。

2.3.1 功能序列重要性系数评定

功能序列重要性系数评定是根据设计对象总体功能的分功能在设计系统中作用的不同，通过确定功能重要性系数，分析各功能在系统整体中的重要性程度的方法。根据用户需求和各功能地位的差异，将采用0.4评分法进行对比。非常重要为4分，较重要为3分，同等重要为2分，不太重要为1分，很不重要为0分，与自己相比为1分。评分法如表1所示。

表1 0.4评分法

2.3.2 构建功能技术矩阵及技术途径综合分析

已知设计对象的逻辑功能体系后，根据功能序列重要性评定结果，构建功能技术矩阵，如表2所示。为扩大设计途径的范围，增强设计方案的创造性，发掘设计组合的潜力性，需要找寻现有的技术途径，需要考察设计途经的可行性，需要关注最新的科研成果和手段。

表2 功能技术矩阵

注：J为实现G功能的技术途径。

2.3.3 技术途径综合分析

技术途径综合分析是针对技术、经济、成本及审美等方面的优异指标进行分析研究，比较各组合的差异，寻找实用价值高、技术经济优异，且符合审美及心理的设计方案。评分项目根据需要制定，如适用性优异指标系数、创造性优异指标系数、能耗性优异指标系数、成本优异性系数及环保优异性系数等。可通过表1中的0.4评分法进行技术途径优异性评定。

2.3.4 技术相容性分析

技术相容性分析是解决各技术途径组合是否兼容和适应问题，是确定组合方案可行性的重要方法。利用相邻矩阵的作法，构成×阶矩阵，进行技术途径相容性分析，如表3所示。根据技术途径组合条件是否可行进行判定，可行为1，不可行为0。依次进行J1、J2、J3……等技术途径判定，最终可求得若干个可行组合方案。

表3 技术相容性矩阵

式中：l为第个可行方案；为可行方案的个数。

2.4 多层次的模糊综合评价

为求出满足各评价指标的最佳设计方案，采用多层次的模糊综合评价，对保留下来的技术、经济指标综合值最大的个可行组合方案进行多层次的模糊综合评价。为实现多因素、多目标评价，模糊层次分析法结合了层次分析法和模糊综合评价法。首先，层次分析法确定评价指标的权重；然后，模糊综合评价得出评价结果[13]。

2.4.1 设计评价指标模型

为区分组合方案各评价因素的不同层次，将评价因素分为目标层、准则层和方案层[14]，如图4所示。目标层为关键识别元素，准则层为设计专家提供的识别准则，方案层为子评价元素。

图4 设计评价指标模型

2.4.2 构建判断矩阵及确定权重

采用1～9标度法使得判断矩阵定量化，如表4所示。邀请设计专家对设计方案评价指标进行两两比对，从而构建判断矩阵。

表4 1～9标度法

根据以上对比所得标度值建立模糊判断矩阵为：

式中：a为指标与相比的重要性程度。

采用几何平均法求解各评价指标权重值，表示为[15]：

（1）计算模糊判断矩阵每行数值的乘积

（3）归一化处理后得到相对权重W

2.4.3 模糊综合评价法

层次分析确定权重后，选择最佳设计方案进行模糊综合评价的满意度调查。设评价集＝{满意, 一般, 不满意}，回收有效数据建立模糊评价矩阵，计算设计方案的评价向量，即：

由以上满意度评价结果，可得出设计方案综合满意度情况并输出结果。

3 设计实例

3.1 案例选取与需求分析

2019年4月15日，国家发展改革委、水利部联合印发关于《国家节水行动方案》的通知[16]，明确提出：“水是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源，是生态环境的控制性要素。”

在我国居民的日常生活中，冲厕日用水量在30 L以上，约占总用水量的30%[17]。厕所节水器不仅具有良好的节水效果，而且能够有效地预防细菌感染。但我国目前使用的节水器形式、功能和原理较为单一。就现状而言，拥有一款节能与节水相结合的节水器十分必要。

通过市场分析及用户调研，收集用户需求并用KJ法归纳为：良好的节水性、节能减排的政策性以及高敏感性和可靠性。因此约束设计结果的需求集为：

＝{节水性,节能性,高敏感性,可靠性}

3.2 节水器功能系统分析

系统黑箱法抽象出厕所节水器的总功能，如图5所示。对输入（其他能源、水资源和控制信号）及输出（电能、水资源和反馈信号）的分析，确定厕所节水器的总功能为：节水和节能。

图5 厕所节水器黑箱法

通过功能整理，将总功能划分为供电模块、蓄电模块和控制模块。按照上位功能和下位功能关系，进一步整理三级功能模块。厕所节水器的功能系统图如图6所示。

3.3 功能技术矩阵分析

首先，在构思厕所节水器的设计方案时，各功能领域和模块有主有次。需要进行功能模块重要性排序，确定功能模块的重要性系数，以便后期技术途径拓展及加权。采用0.4评分法进行厕所节水器的功能序列重要性系数评定，如表5所示。得出：在设计方案中，最重要的是供电模块，其次是蓄电模块和控制模块。

然后，已知厕所节水器的逻辑功能体系和功能序列重要性系数后，构建其功能技术矩阵，如表6所示。引入最新技术手段和先进科研成果，扩大方案的设计潜力。同时，考察各技术途径的经济指标，把价值低、技术陈旧的途径剔除，节省计算精力。

图6 厕所节水器的功能系统图

表5 厕所节水器的功能序列重要性系数评定

表6 厕所节水器的功能技术矩阵

其次，根据方案需求制定节能性、适用性、智能性和技术性优异性指标系数评定，进行技术途径综合分析。利用0.4评分法进行评定，如表7～10所示。

表7 G1节能性优异指标系数评定

最后，按表3所示，将技术优异指标系数得分较高的途径进行技术相容性矩阵分析，相容为1，不相容为0。求得厕所节水器的可行组合方案如下：

（1）水轮发电，锂离子电池，红外检测，定时注水；

（2）水轮发电，锂离子电池，语音控制，定时注水；

（3）太阳能发电，锂离子电池，红外检测，定时注水；

（4）太阳能发电，锂离子电池，语音控制，定时注水。

表8 G2适用性优异指标系数评定

表9 G3适用性及智能性优异指标系数评定

表10 G4适用性及技术性优异指标系数评定

3.4 模糊层次分析

在厕所节水器设计中，需要考虑多因素的层次性特点。按照层次化方式去处理设计对象的评价问题，可以实现权重的合理分配。首先，通过德尔斐法收集专家意见，建立设计方案整体评价指标模型，如图7所示。

图7 厕所节水器设计方案整体评价指标模型

然后，邀请5位设计领域专家，采用表4的1～9标度法，建立判断矩阵并求得各评价权重，如表11所示。得出结论为：在评价厕所节水器设计方案时，既要重点考虑节能性，又要考虑便捷性和环境适应性。在方案层评价时，要重点考虑能源损耗、操作方便和环境受限问题。因此，确定方案1＝{水轮发电，锂离子电池，红外检测，定时注水}。

表11 设计方案指标各评价权重

3.5 设计方案演绎

综合以上步骤，设计了一种厕所用自俘水能供电节水系统及其智能测控方法，包括自发电模块、蓄电模块和控制模块。自发电模块包括水轮发电机和稳压模块；蓄电模块包括锂离子电池、与锂离子电池相接的电池保护电路和降压模块；控制模块包括控制器、红外检测模块和执行模块。该测控方法如下：获取红外检测模块的信号和锂离子电池的电压；判断锂离子电池的电压是否小于低电压阈值；锂离子电池的充电；判断是否有使用者使用厕所；电磁阀打开放水及锂离子电池的充电。本设计成本低，便于安装，能根据使用者使用厕所时间不同选择电磁阀关闭时间不同，实现厕所冲水时间的不同，节约水资源，且发电模块为充电锂离子电池，有效节约电能。系统原理如图8所示，智能测控流程如图9所示，效果图如图10所示。

图8 厕所节水系统原理图

图9 厕所节水系统智能测控流程图

3.6 模糊综合评价

运用模糊综合评价法对上述设计方案进行综合满意度评估。邀请50名工业设计系硕士研究生进行问卷满意度调查，回收有效问卷50份，得出设计方案满意度调查数据，如表12所示。

建立模糊评价矩阵为：

图10 厕所节水器效果图

表12 设计方案满意度调查数据

代入得到评价模型为：

同理得到：

设计方案评价结果：厕所节水器综合满意度为76.3%，节能性满意度为74.4%，便捷性满意度为79.2%，环境适应性满意度为78.9%。表示该设计方案兼顾节能性、便捷性和环境适应性。以水轮发电机为核心设计单元的厕所节水系统是对传统节水器的一种创新。采用自发电模块设计，合理地实现节水节能的高效低成本运营，具有重要的实用价值。

4 结语

本文针对产品模块化设计过程中如何合理的划分产品模块和推理产品设计方案流程问题，提出一种基于功能技术矩阵和模糊综合评价的产品模块化设计方法。通过用户需求分析、功能系统分析、功能技术矩阵分析和多层次的模糊综合评价，得到一套科学的设计方法并应用于厕所节水器的创新设计中。该理论分析方法具备系统、高效和跨学科的优点，为今后的设计提供新的方法论。

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Product Modular Design Based on Functional Technical Matrix and Fuzzy Evaluation

XU Yuenan

( Art College, Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054, China )

In order to solve the problem of product modular design under the restriction of multiple factors and improve the systematicness and efficiency of product design, a product modular design method based on functional technology matrix and fuzzy comprehensive evaluation is proposed. On the basis of the system theory and function theory, by dividing the function of the product system, the function technology matrix algorithm is used to solve the multi-criteria module partition model, and the multi-level fuzzy comprehensive evaluation method is adopted to find the optimal solution of the system, so as to obtain a complete product modular design method. The conclusion shows that the application of functional technology matrix and multi-level fuzzy comprehensive evaluation in the design of toilet water economizer can increase the accuracy of user demand analysis, expand the evaluation level of design scheme, and improve the efficiency and systematicness of product modular design.

product design；modular；functional technical matrix；fuzzy comprehensive evaluation；water economizer

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.010

1006-0316 (2021) 08-0065-09

2021-03-23

徐跃楠（1994－），女，河南安阳人，硕士研究生，主要研究方向为工业设计、产品设计，E-mail：1933516905@qq.com。