基于属性预测的产品概念设计

作者：曾乐 李彦 刘小莹 武超

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 概念设计是产品开发过程中最具创造性的阶段，也是最困难和复杂的阶段，在该阶段要充分利用一切已有资源对产品进行创新设计来缩短整个产品的开发周期，提高产品质量，降低生产成本，增加产品创新价值。 根据文献(1]对产品创新设计的分类研究，如果现有产品已在市场上有很好的信誉，不改变现有产品的主要功能，着重开发和改进产品的次要功能，这类创新设计属于面向产品的创新，所采取的策略是挖掘产品本身信息和功能跟随形式。其理论基础是认为产品的结构成为过去市场选择或者过去消费者喜好的"回音"的物质表现，基于市场的信息己经编码到了产品中。因此，通过分析产品本身就可以预测市场趋势，从而开发出消费者满意的新产品。文中尝试运用这种挖掘产品本身信息的方法来进行产品创新设计，使产品更贴近消费者的需求。 首先对产品属性预测方法及其相关概念进行了定义，并将反向鱼骨图与属性预测方法相结合，建立了概念设计过程模型，最后以洗衣机的创新设计为例验证了概念设计过程模型的有效性和实用性。 1 属性预测方法 Jacob Goldenberg等人提出的创造性模板法是以工程技术发展规律为基础的创新方法，该方法揭示了产品背后的深层次规律，使人们能够理解产品以往变化的一般机制，并预见紧接着的下一个变化。在该方法的基础上，利用属性预测方法进行产品创新设计。属性预测方法是在明确产品特征的基础上建立属性预测矩阵，寻找无关联的属性，在它们之间建立依赖关系，从而获得新的想法。 1.1 属性预测法中的相关定义 属性预测方法涉及到的基本概念定义如下: 定义1:变量，独立部分或者子系统(静态的物体)。变量是一个重要的概念。变量分为内部变量和外部变量，内部变量是指处于制造厂商完全控制下的变量，制造厂商决定它的值和特征;外部变量是紧邻产品周围环境并和产品有直接联系的变量，但不处于制造厂商的控制之下。 定义2:特征，组件或属性均可称为一个特征。 定义3:链接，用于描述了两个特征之间的关系。链接仅存在于同一个空间中的特征之间，即组件仅可以链接到其它的组件，属性也仅可以链接到其它的属性，同时还要满足链接的两个特征有直接影响，它们均为一个功能的分配。 定义4:产品组态，产品的所有特征和链接的完全集合。产品组态明确后，意味着它的边界已经固定。 属性预测在属性空间进行操作，属性空间包括产品的变量或者它能够变化的组件，这里仅考虑含有实际信息的属性，抽象的概念或推论在开发阶段考虑。 1.2 属性预测方法的应用 多数情况下新产品开发是在原产品基本功能的基础上开发新的功能。研究表明，既包含了一些新事物，又具有消费者熟悉的产品属性的新产品，更受消费者欢迎。因为新产品中仅仅改变了很少的几个属性或组件，这样一来，它没有破坏消费者已有的知识结构，更容易使消费者接受。 属性预测方法利用产品本身的消费者熟悉的产品特征要素构造预测矩阵，在对矩阵分析的基础上建立属性之间新的依赖关系，最后构成新的组态。该方法从消费者的角度出发，通过最小限度的市场信息来获得极具竞争力的新产品。 2 基于属性预测的产品概念设计模型 为了进一步扩大已在市场上取得良好信誉的目标产品的市场份额，需要在不改变主要功能的前提下，对目标产品的次要功能进行创新开发。针对这一具体需求，提出了基于属性预测的产品概念设计模型，如图1所示。 2.1 目标产品的功能分解 一般来说，产品的总功能很难由一个独立的零件来完成，而是由许多零部件共同完成的。因此，需要将目标产品的总功能按照功能实现的逻辑关系进行逐层分解。首先，确定实现总功能需要哪几个分功能;这些分功能哪些是基本功能，哪些是辅助功能;某个分功能又是由哪几个子功能实现。这样层层分解，最后形成如图2所示的功能分解树。功能分解的程度是根据目标产品的具体情况而定，若实现部件层次的创新，则功能分解不必太细，若实现组件层次的创新，则功能需要分解到子功能或功能元。 2.2 产品特征的获取 通过功能分解建立了目标产品的各个功能模块(功能元)，利用反向鱼骨图实现从功能域的功能模块向产品特征域的转换，如图3所示。反向鱼骨图是一种产品设计过程中规划其零部件再用、回收时拆卸顺序的工具，借助于该工具实现了产品特征的获取。反向鱼骨图的建立过程为:(1)在功能域中列出各个功能模块;(2)在脊骨的右侧按拆卸顺序标注各功能模块;(3)在脊骨的左侧标注相应右侧功能模块分解成的功能元件，它们是构成这一功能模块的组件、属性，即功能模块包含的特征。 2.3 建立预测矩阵 预测矩阵是预测产品未来发展趋势的一个工具，建立预测矩阵的目的是建立一个结构化的方式来分析产品包含的各个特征。预测矩阵的建立过程为:(1)产品的内部变量组成矩阵的列，列代表因变量;(2)产品的内部变量和外部变量组成矩阵的行，行代表自变量;(3)建立每一个因变量和自变量之间的连接，即标出所有单元的模式(0模式或1模式),0模式表示变量间无依赖关系，1模式表示变量间具有依赖关系;(4)分析矩阵的趋势(衰败或饱和)是否具有开发潜力。若矩阵元素全部或绝大多数都是0模式，则为衰败矩阵，则该产品在整个进化过程初期，有很大的潜力为市场提供新效用的产品。若矩阵元素绝大多数为1模式，则为饱和矩阵，表示许多变量是互相依赖的，那么该产品可以开发的潜能可能已经快耗尽。以某数控机床为例，建立其预测矩阵，如表1所示。 2.4 增加属性依赖关系建立新组态 在预测矩阵中，增加属性依赖关系，定义为一个单元格的值从0到1的转变。预测矩阵用一个结构化的方式在两个独立变量之间建立一个新的依赖关系，这是利用属性预测进行产品创新设计的关键步骤。两个变量之间增加一个依赖关系(改变成1模式)可能呈现出多种不同的形式，如图4所示。其中，图4a是属性依赖的典型图形描述，两个独立变量有一个非0的斜率(Y≠常数)，即从一个常数关系(变量之间没有依赖关系)变化到一个阶跃函数。可描述为分裂函数Y1=常数，Y1=Y(X)。产品结合各种市场特性增加依赖关系后，会带来一些独特的性质，使原本普通的产品产生新的特性，这些特性在大多数情况下符合产品自身进化发展的规律。最后，建立新产品组态，评估各个方案的可行性，选择最符合当前市场的方案。 3 实例分析 通过功能域到组态域的映射，得到了完整的产品特征。为了获得设计方案，需要对组态结构层进行操作，依靠预测矩阵在各种变量之间寻找依赖关系，使用矩阵分析产品。为了展示文中所提出的基于属性的概念设计过程，下面以洗衣机概念设计作为一个简单示例。 (1)明确目标产品。 普通洗衣机使用时间过长，内部会产生一种霉味，且滋生细菌，设计的目标产品应该具有杀菌除味的功能。 (2)功能模块分解为产品特征。 产品已有功能模块:容纳功能模块、动力模块、支承模块，各功能模块根据反向鱼骨图分解为特征。 (3)建立预测矩阵。 内部变量:内桶、外桶、电机、机身;外部变量:细菌、衣物、水、洗衣粉。建立预测矩阵(表2)，此矩阵非饱和，在产品本身的进化中还有很大发展潜力。 (4)增加属性依赖关系建立新产品组态。 方案一:如可以在内桶与细菌之间建立一个依赖关系，将对应单元由0转变为1。银离子目前已经成为国际上较为新型和理想的抗菌技术和材料，具有抗菌长效性好、高效广谱、安全环保，以及无色无味、无毒无害等独特优势，可以将采用纳米技术含有银离子的抗菌材料作为制造内桶的材料，建立产品组态，如图5所示。 方案二:建立水与机身的依赖关系。机内的气泵和臭氧发生器产生含有大量臭氧的压缩空气注人洗涤内桶，臭氧溶解于水后，成为强氧化剂，具有很强的洗涤消毒杀菌能力，在臭氧和气泡撞击的双重作用下，提高洗涤能力。气体过滤装置中的活性炭能把未溶解于水的臭氧吸收分解掉，保障人体健康。该洗衣机不用任何洗涤剂，洗涤杀菌效果好，省水节电，有利于环境保护。最后建立产品组态，如图6所示。 (5)评估与选择。 在上述可选方案中，利用抗菌材料释放银离子杀灭细菌达到抗菌、抑菌、除异味的效果，在现有的生产条件下最为可行。其优点是在现有生产线上易生产，不用增加新的装置就可以达到满意的效果。因此，可以选择抗菌复合材料作为达到目的的设计方案。 4 结语 基于属性预测方法的概念设计过程从现有产品挖掘信息，利用产品属性进行预测，引导工程设计人员有效地进行产品创新设计，提高创新产品的整体性能，对构思过程而言是一种新颖的方法。该方法为建立融合创造性思维、创新技法、设计理论、现代设计方法及信息技术的计算机辅助产品创新原型系统奠定了基础。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/1/2009)