基于產品組態(tài)圖的跟蹤創(chuàng)新方法研究

張勇為 顧新建 黃沈權

浙江大學，杭州，310027

0 引言

我國機械制造業(yè)技術創(chuàng)新整體水平不高，產品國際競爭力不強，高端產品領域缺乏自主知識產權的核心技術。面對當今快速變化的市場需求，我國機械制造業(yè)企業(yè)唯有重視產品的自主創(chuàng)新［1］，才能夠在競爭日益激烈的全球化市場中得以健康生存和可持續(xù)發(fā)展。跟蹤創(chuàng)新（消化吸收再創(chuàng)新）是后發(fā)企業(yè)實現(xiàn)技術進步的捷徑［2］，它與原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新共同構成自主創(chuàng)新的三大模式［3－4］。從我國機械制造業(yè)的產品現(xiàn)狀和技術創(chuàng)新發(fā)展水平看，具有技術平臺高、見效較快、成本較低等特點的跟蹤創(chuàng)新，在目前及今后的一個時期內，必將是多數(shù)國內機械制造業(yè)企業(yè)產品技術創(chuàng)新開發(fā)戰(zhàn)略的首選。

概念設計是產品設計過程中最具體現(xiàn)人類創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)，而且概念設計環(huán)節(jié)的缺陷和錯誤將在后續(xù)設計中無法彌補［5］。國內外已有學者對創(chuàng)新概念設計方法做了大量的研究，并取得了豐碩成果，譬如 產 品 創(chuàng) 新 開 發(fā) 模 板 理 論［6－7］、TRIZ 技術進化理論［8－9］等。前者最早由美國學者 Goldenberg和Mazursky提出，該理論將創(chuàng)新設計看作是一種系統(tǒng)化實現(xiàn)由產品的早期組態(tài)向隨后產品組態(tài)變化發(fā)展的過程，并從創(chuàng)造心理學角度概括總結了4個基本操作模板［7］，即屬性依賴模板、替換模板、轉移模板和組件控制模板。但是，使用產品創(chuàng)新開發(fā)模板理論，無法幫助設計人員克服心理慣性影響，保證獲得創(chuàng)新概念設計問題的最優(yōu)解。幫助設計人員打破“思維慣性”，明確產品和技術的進化發(fā)展趨勢，快速產生創(chuàng)新設想，則是TRIZ技術進化理論最重要的特點［2，10］。因此，有必要將產品創(chuàng)新開發(fā)模板理論和TRIZ技術進化理論結合起來進行研究，從而促進提升企業(yè)產品創(chuàng)新成功率和效率。

本文研究一種基于產品組態(tài)圖的跟蹤創(chuàng)新方法，促進實現(xiàn)產品創(chuàng)新開發(fā)模板理論和TRIZ技術進化理論在機械產品創(chuàng)新概念設計過程中的集成應用，以期能為我國機械制造業(yè)產品自主創(chuàng)新發(fā)展提供幫助。

1 產品組態(tài)圖概述

產品作為技術系統(tǒng)，處在進化狀態(tài)。產品組態(tài)圖（product configuration diagram，PCD）是產品組成結構系統(tǒng)的“快照”，能夠較為完整地反映產品（技術系統(tǒng)）的基本信息，如圖1所示。組件和功能是構成產品組態(tài)圖的基本要素。

圖1 自動調整臂組態(tài)圖

組件是產品的組成部分，以及對產品有直接影響的外部元素［11］。通常，一個產品由若干個不同層次、不同粒度的組件構成，既有內部組件，又有外部組件。功能是組件在產品系統(tǒng)中的作用，以及不同組件功能之間的相互作用和因果關系［12］。產品組態(tài)圖中的功能要素主要描述的是后者，常用的功能術語和詞匯包括“控制”、“驅動”和“支撐”等。集成小粒度組件可以產生大粒度組件；反之，大粒度組件又可以分解為若干個小粒度組件。組件通過實例化內部成員來實現(xiàn)功能，組件和組件實例之間存在“一對多”的映射關系，即一個組件可以實例化為不同的組件實例。

產品組態(tài)圖對促進企業(yè)發(fā)展產品跟蹤創(chuàng)新的意義主要在于：

（1）通過構建產品組態(tài)圖，可促進幫助設計人員捕獲產品原設計者的設計意圖，消化吸收其內在技術，快速發(fā)現(xiàn)和確定其存在的問題和不足。因此，對企業(yè)和個人的產品技術創(chuàng)新能力的提高、技術資源的積累顯然都具極為重要的意義。

（2）分析待改進產品及現(xiàn)有可選產品的組態(tài)圖，有助于利用TRIZ技術進化理論快速產生創(chuàng)新設想，指導高效完成從待改進產品組態(tài)圖到跟蹤創(chuàng)新后產品組態(tài)圖的快速變換，并最終產生跟蹤產品待選的創(chuàng)新概念設計方案。

2 基于組態(tài)圖的跟蹤創(chuàng)新過程

如圖2所示，基于產品組態(tài)圖的跟蹤創(chuàng)新過程主要包括兩個階段：①產品組態(tài)圖的構建，包括待改進產品及其所有可選產品。常見的方法是通過解析產品組成結構系統(tǒng)中各部件的物理結構和工作行為狀態(tài)，從功能、結構等角度發(fā)現(xiàn)和識別其包含的所有組件及組件間的功能鏈接關系，繪制產品組態(tài)圖。②基于組態(tài)圖的創(chuàng)新設計。首先對比分析待改進產品及其所有可選產品的組態(tài)圖，明確產品不足之處及可以改進的組件（實例），然后運用技術進化路線快速產生創(chuàng)新設想，以指導待改進產品組態(tài)圖實施變換操作，從而發(fā)展出新的產品組態(tài)圖，并最終落實為跟蹤創(chuàng)新后產品待選的概念設計方案。

圖2 基于產品組態(tài)圖的跟蹤創(chuàng)新過程

3 產品組態(tài)圖的構建過程

獲取產品組成結構系統(tǒng)（物理結構）的描述信息是構建產品組態(tài)圖的前提和基礎工作。主要有兩種途徑：①通過收集市場現(xiàn)實產品信息，采用類似逆向工程的分析方法獲得；②從世界大量專利中獲得。目前，世界各國專利庫中的專利每年以百萬數(shù)量級在遞增，90%～95%的人類技術創(chuàng)新成果可以在專利文獻中查到，專利文獻對技術創(chuàng)新成果做了全面詳細的描述，可達到該領域內一般人員可借鑒的程度［13］。因此，專利信息是構建產品組態(tài)圖所需信息最主要的、也是取之不竭的資源源泉。

如圖3所示，從產品組成結構系統(tǒng)出發(fā)，構建產品組態(tài)圖需要經歷三個步驟：系統(tǒng)元素識別、系統(tǒng)元素組件化和基于已獲取組件建立組態(tài)圖。

圖3 建立產品組態(tài)圖的過程模型

（1）系統(tǒng)元素識別。這里的系統(tǒng)元素指的是組成產品組成結構系統(tǒng)的基本單元，包括系統(tǒng)功能元和系統(tǒng)結構元。結構是功能的載體，功能最終要映射到結構、由結構來實現(xiàn)［11］。系統(tǒng)元素的粒度由分解的角度和深度決定，例如表1；同時，系統(tǒng)元素的粒度又決定組件的粒度。根據公理設計理論［14］，提取和界定系統(tǒng)元素應盡量滿足獨立最有效、耦合度最小和高內聚性等原則。通過系統(tǒng)化分析待改進產品及其所有可選產品的組成結構系統(tǒng)，識別和確定最優(yōu)粒度系統(tǒng)元素，可以建立系統(tǒng)元素庫。

對于表1中所給出的“粒度1”，根據TRIZ技術進化理論中的技術系統(tǒng)完整性定律［15］來提取和定義系統(tǒng)元素是一種較為有效的方式。即按照工作原理把總功能（FR0）分為執(zhí)行功能單元（FR1）、能量產生功能單元（FR2）、能量傳遞功能單元（FR3）和控制功能單元（FR4），在此基礎上，再繼續(xù)分解為一系列獨立的子功能集，其拓撲結構如圖4所示。執(zhí)行功能單元完成產品的主要功能，其工作原理的改變意味著產品發(fā)生了重大進化，也是判斷產品升級換代的重要依據，其他單元完成產品的輔助功能。

表1 幾種系統(tǒng)元素粒度的簡要說明

圖4 產品功能分解拓撲結構圖［15］

（2）系統(tǒng)元素組件化。它是一個將系統(tǒng)元素聚類并采用一定模型來形式化和結構化表述每類系統(tǒng)元素的過程。每一類系統(tǒng)元素可以概括抽象為一個組件，若干組件又可以聚合成一個新的組件，形成組件庫，組件具有層次性特征。不同組件的表述模型往往也是不同的。由于確定組件受制造環(huán)境、技術發(fā)展水平、市場需求以及個人或群體能力等因素影響，所以不同時期不同企業(yè)對同一類產品建立的組件庫是不盡相同的。

（3）基于已獲取組件建立組態(tài)圖。反過來，在已建立的組件庫的支持下，對待改進產品及其所有可選產品的組成結構系統(tǒng)作進一步分析，從組件庫中提取它們包含的各內部組件和相關的各外部組件，并進行實例化；從功能原理庫中匹配和獲取恰當?shù)墓δ鼙硎鰜泶_定和建立關聯(lián)組件實例之間的功能鏈接，從而獲得它們各自的產品組態(tài)圖。

上述涉及的元素庫、組件庫、組件實例庫、功能原理和產品組態(tài)圖庫，一經建立可重用，可根據需要進行動態(tài)更新。通過利用元素庫、組件庫和產品組態(tài)圖庫來建立產品組態(tài)圖，將有助于保證產品組態(tài)圖真實表述組成產品結構系統(tǒng)，以及支持協(xié)同共建產品組態(tài)圖。

4 基于組態(tài)圖的創(chuàng)新設計過程

基于產品組態(tài)圖的創(chuàng)新設計是一個重復迭代、深入發(fā)展的過程，如圖5所示，主要包含三個步驟。

圖5 基于組態(tài)圖進行創(chuàng)新設計的過程模型

首先，對比分析待改進產品及其各可選產品的組態(tài)圖之間的變化，初步確定跟蹤創(chuàng)新的關鍵組件，通過搜索該類產品及各關鍵組件具有進化潛力的技術進化路線，發(fā)現(xiàn)潛力狀態(tài)和遺漏狀態(tài)，從而快速產生創(chuàng)新設想；然后，進一步分析和綜合這些創(chuàng)新設想，并在其導向下完成對待改進產品組態(tài)圖作恰當?shù)淖儞Q操作，從而產生新的產品組態(tài)圖，并落實為跟蹤創(chuàng)新后產品的概念設計方案；最后，根據企業(yè)內部已有的資源儲備情況，以及外部可獲得資源情況，并結合客戶和市場需求，對已獲得的跟蹤創(chuàng)新后的產品概念設計方案進行可行性評判。

4.1 組態(tài)圖變換操作

根據產品創(chuàng)新開發(fā)模板理論，創(chuàng)新設計實質上就是實現(xiàn)產品由早期組態(tài)圖向隨后組態(tài)圖的系統(tǒng)變化的過程，即推動產品組成結構系統(tǒng)（技術系統(tǒng)）演化。因此，產品隨后組態(tài)圖可以看作是在早期組態(tài)圖上實施一系列變換操作而得到的。

如圖6所示，這些組態(tài)圖變換操作可以概括為如下幾種［7］：包含和排除、鏈接和解開、分裂和結合。

（1）包含和排除。包含操作行為是向產品組態(tài)圖中引入一個外部組件；排除操作行為是引出一個被解開的組件，使該組件由內部組件轉變成外部組件。

（2）鏈接和解開。鏈接操作行為是鏈接兩個非鏈接的組件；反之，則為解開操作行為。

（3）分裂和結合。分裂操作行為是從鏈接中移走一個內部組件，但鏈接的功能被保留，從而創(chuàng)造出一個過渡的組態(tài)，可以通過引入一個替代的組件（實例）來執(zhí)行其功能；結合操作行為是從產品組態(tài)圖中加入一個新的組件到一個分裂的鏈接。

圖6 組態(tài)圖變換操作

4.2 進化路線分析

技術進化模式/路線是TRIZ技術進化理論的基礎和核心［9］，反映了產品進化技術過程中系統(tǒng)的元件之間或系統(tǒng)和環(huán)境之間重要的、穩(wěn)定的、可重復的交互作用，可應用于產品進化技術預測，指導創(chuàng)新概念設計。脫離特定環(huán)境和拋開各種限制條件以理想化定義問題的最終解，技術進化路線指明了理想解的發(fā)展趨勢，從而幫助設計人員確定創(chuàng)新設計方向，所提供的各發(fā)展趨勢上的具體進化狀態(tài)特征序列，又可以支持快速產生創(chuàng)新設想甚至是更為具體概念設計方案，因此可顯著提升產品跟蹤創(chuàng)新的效率和成功率。

如圖7所示，每條進化路線有若干個進化狀態(tài)，通過搜索待改進產品及各組件有進化潛力的進化路線，定位它們在這些相關進化路線上所處的進化狀態(tài)，查找和發(fā)現(xiàn)潛力狀態(tài)和遺漏狀態(tài)，從而快速產生待改進產品的若干個創(chuàng)新設想，有效指導產品組態(tài)圖變換操作，可極大提高跟蹤創(chuàng)新設計的效率。技術進化模式僅僅指出了產品進化的大致方向，并不涉及具體細節(jié)。目前已發(fā)展了20種進化模式和350條進化路線［9］。

圖7 基于組態(tài)圖和技術進化路線搜索創(chuàng)新設想

如圖7所示，“增加可控性進化路線”是組件“自控裝置”的有進化潛力的技術進化路線之一，若在待改進產品中與之對應的組件實例是處于進化狀態(tài)“間接控制系統(tǒng)”，則基于該進化路線可獲得的創(chuàng)新之一就是用“反饋控制系統(tǒng)”替代“間接控制系統(tǒng)”，即可通過對當前產品組態(tài)圖的組件“自控裝置”進行分裂和結合來實現(xiàn)。

5 案例分析

自動調整臂（automatic slack adjuster，ASA）在國外已是成熟技術，載重車、客車及掛車等制造商近年來均已將其作為整車的標準配置。但在我國，自動調整臂技術尚還處于起步階段?，F(xiàn)以專利US4749063作為待改進產品，如圖8所示，對本文所提出的產品跟蹤創(chuàng)新方法進行可行性驗證。

圖8 自動調整臂（US4749063）原理圖

5.1 構建產品組態(tài)圖

首先，分析專利US4749063的產品系統(tǒng)結構，以及其各可選產品的系統(tǒng)結構，可以獲得“調整臂殼體”、“自控裝置”、“自控裝置的效應原理”、“制動氣室推桿行程”、“凸輪驅動軸角位移”、“制動蹄總成”、“制動鼓”等多個系統(tǒng)元素，從而構建自動調整臂的系統(tǒng)元素庫。然后，對自動調整臂的系統(tǒng)元素進行聚類、概括和抽象，可以獲得“調整臂殼體”、“自控裝置”、“制動氣室”、“凸輪驅動軸”、“制動蹄總成”等組件，從而構建自動調整臂的組件庫。最后，以自動調整臂的組件庫中的組件為基礎，分別繪制專利US4749063及其各可選產品的組態(tài)圖。如圖9所示，給出了專利US4749063及其兩種典型可選產品的組態(tài)圖（部分）。在實際實施中，該過程是一個反復迭代、逐步深入完善的過程。

5.2 創(chuàng)新概念設計

對比分析專利US4749063及其各可選產品的組態(tài)圖后發(fā)現(xiàn)：自動調整臂的系統(tǒng)結構歷時變化大多與組件“自控裝置”有關，而其他組件諸如“調整臂殼體”、“蝸輪”和“蝸桿”等則相對穩(wěn)定。表2列舉說明了幾個“自控裝置”的組件實例及結構化表述。

圖9 US4749063及其可選產品的組態(tài)圖（部分）

表2 部分“自控裝置”組件實例及結構化表述

應用TRIZ技術進化理論分析組件“自控裝置”的理想化趨勢，發(fā)現(xiàn)其滿足技術進化路線“增加可控性（無控制→直接控制→中介控制→增加反饋→智能反饋）”和“場（固體→彈性體→液體→氣體→電磁場→光場）”?！白钥匮b置1”、“自控裝置2”和“自控裝置3”在“增加可控性”進化路線上都處于“增加反饋”進化狀態(tài)；而在“場”進化路線上，這里主要從感知原理的角度考慮，“自控裝置1”處于“氣體”進化狀態(tài)，“自控裝置2”和“自控裝置3”則處于“彈性”進化狀態(tài)。因此，可以產生創(chuàng)新設想：將“自控裝置4”替代“自控裝置3”，發(fā)展專利US4749063的跟蹤產品概念設計方案。

其中，“自控裝置4”是組件“自控裝置”的實例，其技術水平應用技術進化路線可以表述為“增加可控性（智能反饋）”和“場（電磁場）”。在這一創(chuàng)新設想導向下，通過對US4749063自動調整臂組態(tài)圖進行一系列變換操作后，可以得到如圖10所示的跟蹤創(chuàng)新后的產品組態(tài)圖，以及產品概念設計的結果，該產品已申請專利保護（中國專利申請?zhí)枺篊N201010235569.8）。

圖10 跟蹤創(chuàng)新后的產品組態(tài)圖及工作原理圖

6 結束語

首先，在分析待改進產品及可選產品的系統(tǒng)結構基礎上，提取最優(yōu)粒度的系統(tǒng)元素定義組件，繪制各與之對應的產品組態(tài)圖；然后，對比分析產品組態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)和確定待改進產品可以改進的組件，從而大致定位跟蹤創(chuàng)新的突破口；最后，應用TRIZ技術進化理論，確定目標組件的潛力進化路線，以及在各條潛力進化路線上的潛力狀態(tài)或遺漏狀態(tài)，從而快速產生創(chuàng)新設想，以指導待改進產品組態(tài)圖的變換操作，發(fā)展出跟蹤創(chuàng)新后產品可能的組態(tài)圖，并落實為具體的概念設計方案，以及驗證概念設計方案的可行性。

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