基于可拓设计方法的多功能产品创造法

吴培旭，刘建群

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006)

基于可拓设计方法的多功能产品创造法

吴培旭，刘建群

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006)

基于可拓设计方法，通过对已有新产品三创造法进行综合、提炼，从而提出一种适用于多功能产品设计构思的创造法，并结合“多功能烘干器”案例分析，验证了该创造法的可行性和有效性.多功能产品创造法的提出，是对可拓设计论新产品三创造法的继承和丰富，为多功能产品的开发设计提供了一套有章可循的设计步骤，有效地解决了设计过程中的矛盾问题，从而缩短了产品的设计周期.

可拓设计方法； 多功能产品创造法； 多功能烘干器； 实义物元重组

可拓设计方法是基于可拓理论和可拓方法的一种新的设计方法，能有效地解决设计过程中的矛盾问题，以获得最优设计方案.

可拓设计方法有别于其他设计法，最大的区别体现于它是一种形式化和定性与定量相结合的设计方法.它所建立的模型是可拓模型，避免了数学建模中常常舍去问题的一些实际内容的缺点，也避免了目前已有设计方法中形式化和定量化不足的缺陷.它是对现代设计理论与方法的补充、完善和进一步发展[1].

对可拓设计的研究，始于可拓学应用研究初期，当时主要是涉足于新产品的构思领域[2]，研究了新产品构思的三创造法，并初步应用于产品设计[3].

目前，可拓设计方法已在多个学科领域得到运用，有效地解决了设计过程中遇到的矛盾问题[4].1998年，浙江工业大学的赵燕伟教授运用可拓学理论与方法对机械产品的概念设计功能、原理、布局、形状、结构等上游设计知识进行形式化描述，提出一种基于多级菱形思维模型的复杂产品定性与定量相结合的设计方法，为概念设计的辩证思维形式化和智能化提供了一条新的途径，取得了有关的成果[5-7].青岛大学杨国为教授于2002年开始利用可拓学的理论和方法研究产品创新设计，取得多项成果[8-10].哈尔滨工业大学建筑学院邹广天教授自2004年起研究可拓学与建筑设计的结合问题，探讨将可拓设计方法应用于景观设计，开展了可拓建筑设计的系统研究；而近几年，其团队程霏、刘晓光等人更是进一步研究了建筑设计创新与可拓思维模式，发展和丰富了可拓建筑设计理论系统[11-13].2013年，山东大学的学者丁凤华在研究自动视觉检测系统时也运用了可拓设计的相关方法，实现了自动视觉检测方案的重构和优劣排序，从而解决顾客定制化需求与设计效率、产品的通用性与设计成本之间的矛盾问题[14].

可拓设计方法包括用可拓方法进行产品概念设计和处理设计过程中的矛盾问题两个部分.结合可拓设计方法，本文研究了一套适用于多功能产品设计的方法，并以“多功能烘干器”为例，介绍了该方法在一般多功能产品设计过程中的运用.

1 多功能产品创造法

1.1 多功能产品创造法的提出

可拓设计三创造法的提出，开创了可拓学与产品设计领域的结合，也使得基于可拓创新方法的新产品设计有章可循，有效地解决了新产品设计过程中的矛盾问题.然而，在进行新产品构思时，有时因为产品的复杂性，我们很难去界定具体采用哪一种创造法可以显得更加合适，例如，在对“多功能产品”的构思时，对创造法的选择就显得比较棘手，它既是属于组合现有产品的情形，又是涉及到新功能的开发或对原产品缺点的改善问题.针对这种问题，本文针对“多功能产品”，提出了一种有效可行的创造法，即多功能产品创造法.

1.2 多功能创造法的设计步骤

1.2.1 主要的设计步骤

(1) 将可进行功能拓展的产品用基元表示，并进行拓展分析.

从待改善产品功能出发，将其用基元表示出来；再进行拓展分析，把该基元拓展出多个基元，即多种拓展产品，从而获得新产品多种潜在的功能.

(2) 确定新产品特征.

确定的，故在确定了功能特征之后，要确定产生它们的性质特征；事物的性质特征又是由实义特征确定的，因此还要确定产生这些性质特征的实义特征[15].

(3) 确定特征量值，获得实义物元，并确定各拓展产品物元.

根据对产品功能的不同要求，确定功能特征的量值vf，然后确定蕴含它的性质特征的量值vg，又根据这些量值确定实义特征对应的量值vr，由此可以得到新产品的特征元集蕴含集：

(4) 确定各实义物元的物元关系及其各拓展产品的重组关系.

多功能产品各个功能的形成实质上是由以上所确定的各种实义物元进行筛选、重组确定的.重组的原则由各拓展产品间的重组关系类型决定，而重组关系又是由相应的实义物元关系决定，故先对各实义物元关系进行确定.实义物元关系包括相似关系、互斥关系和不相关关系，定义如下：

定义1 若两实义物元主要的共轭部性质相同，则称它们的物元关系为相似关系.

定义2 若两实义物元主要的共轭部性质无法同时存在，即实现一方功能必将导致另一方功能失效，则称它们的物元关系为互斥关系.

定义3 若两实义物元主要的共轭部性质不同，但不存在互斥关系，则称它们的物元关系为不相关关系.

确定实义物元关系后，可相应地确定出各拓展产品的重组关系.同样地，重组关系也有3种,相似关系、不相关关系和互斥关系，定义如下：

定义4 若两拓展产品的实义物元具有相似关系，则该两种产品的重组关系是相似关系.

定义5 若两拓展产品的实义物元具有互斥关系，则该两种产品的重组关系是互斥关系.

定义6 若两拓展产品的实义物元具有不相关关系，则该两种产品的重组关系是不相关关系.

依次确定各拓展产品的每个实义物元，便可获得它们两两之间对应的重组关系.一个实义物元关系确定一个重组关系，因此可对重组关系的数目进行统计.为了方便，可制成重组关系统计表，如表1所示.

表1 拓展产品重组关系统计表1)

1)i=1,2,…,n(n为拓展产品的个数).

(5) 功能重组，初步确定功能方案.

根据拓展产品的重组关系确定新产品的功能方案.功能方案的实质是对拓展产品各实义物元的筛选、重组.重组时，应优先将相似关系数多的拓展产品进行重组，尽量避开对存在互斥关系的产品进行重组，对于存在不相关关系的部分，必要时，可通过变换不相关性物元，使其满足产品需求.

(6) 变换.

若方案中存有不相关关系的物元，应对其作相关变换.变换的基本形式包括置换、分解、增删和扩缩.

(7) 确定待创造产品的主要共轭部.

(8) 优度评价.

优度评价法是可拓学中评价一个对象，包括事物、策略、方法等的优劣的基本方法，其基本步骤包括确定衡量指标和权系数、建立关联函数和计算关联度、优度[1].对于关联函数的构造，根据研究对象关于某特征的取值类型而定，可构造成初等关联函数或离散型关联函数[16].通过对待创造产品的构思方案进行优度评价，便可确定比较合理的方案[17-19].

1.2.2 设计步骤的流程图

上述设计步骤流程图如图1所示.

图1 多功能产品创造法步骤流程图

2 多功能烘干器案例分析

2.1 产品构思方案的提出

电吹风是一种常用的家用电器产品，相信大家对它再熟悉不过了.该产品虽是用来吹干头发的，但实际生活中其用途却不止于此.或许你曾用它去吹过你的鞋子、袜子、衣服，甚至你刚浴足后潮湿的双脚.可见，这么一款小装置实际上还隐含着多种其他用途.然而，电吹风毕竟是专门为了吹干头发而设计，其设计理念是根据人们吹头发的使用姿势以及吹头发所要求的适宜温度、风力等因素出发考虑的.因此当我们将其应用于其他方面时，难免会显得不够适宜.因此，可以考虑将电吹风进行适当改进，使其成为一种集多种功能的烘干设备，对具体烘干工作具有更强的针对性、更好的时效性和更简便的操作方式.

那么，如何快速生成出这么一款多功能产品的构思方案呢？下面，运用上文介绍的“多功能产品创造法”，将很快做到.

2.2 利用多功能产品创造法解决案例

(1) 首先，将待改善产品电吹风M1的功能用事元表示出来，并利用发散树方法,根据其支配对象的不同，将其进行拓展分析：

故待改进产品的功能特征集为：

(2) 确定实现上述功能特征元的性质特征元集和实义特征元集：

(3) 根据发散分析方法和可扩分析方法，对上述实义特征元进行拓展和组合，不同的实义特征元的组合将对应不同的产品：

(制热时间,vr2)┫{(制热速度,快)，(制热速度,慢)}，

再根据特征元的可组合性，组合成可以实现不同功能特征元的实义特征元集：

(4) 由实义特征确定实义物元，并确定拓展产品物元.

① 上述7种拓展产品涉及到两种类型的制热电路，一种其制热温度为<30,40>℃且要求制热速度要快，宜采用电热丝作为制热元件；另一种制热温度为<50,60>℃，制热速度可以较慢，制热元件选用散热片较为合适.故可得实义物元：

M制热电路=

② 对于吹风电路，只有一种情形：

M吹风电路= [吹风电路，情形1，[风速，<3,10>m/s]].

③ 涉及到5种造型：

④ 涉及到3种出风口：

从而可拓展出如下产品物元：

(5) 分析各实义物元的物元关系，并确定各拓展产品重组关系.

对于制热电路的两种类型，虽不为同类型，但只要在电路系统中作增加变换，增设切换开关，即可实现两者相兼容，由物元关系的定义可得此两种物元的关系为不相关关系.由重组关系的定义可得，干发器、干手器、干脚器三者的重组关系为相似关系，后四者间的重组关系也为相似关系，但前三者与后四者间则为不相关关系.

同理，吹风电路各物元关系为相似关系，故其对应的重组关系也为相似关系.

外壳类型，很明显，手持式、盒式与座式三者之间两两无法同时兼容，故类型1、类型2与其他3种类型的物元关系均是互斥关系；而置脚台、套筒、晾杆均可以由增加变换实现同时存在，故类型3、4、5之间的物元关系是不相关关系；故干发器、干手器与其他五种产品的重组关系是互斥关系；干鞋器、干袜器和干手套器三者的重组关系是相似关系，同时它们与干脚器、干毛巾器的重组关系是不相关关系；

对于以上3种出风口类型，它们之间的物元关系均是互斥关系，故干脚器、干鞋器、干袜器、干手套器和干毛巾器它们之间的重组关系是相似关系，而它们与干发器和干手器的重组关系则是互斥关系.

由此，可列出各拓展产品的重组关系统计表(见表2).

表2 电吹风拓展产品的重组关系统计表

从表2可以得到，干鞋器、干袜器、干手套器3者均有4个相似关系的重组关系，故将此3产品功能组合为一体获得一新产品构思方案是不二选择；而这3种产品与干脚器、干毛巾器之间的重组关系虽存在不相关关系，但均可通过作相关变换，使之满足功能要求，故可以考虑它们与干脚器和干毛巾器的组合构思方案；至于干发器和干手器，由于与其他产品的重组关系均存在互斥关系，说明此两种产品若考虑与其他产品进行组合将付出较大成本且结果将不够合理，因此在此可排除它们与其他产品进行组合的构思.

(6) 初步确定新产品构思方案：

方案1：集烘干鞋子、袜子、手套功能的一种多功能烘干器，用基元表示：

O1= [烘干器，功能，烘干鞋子∧烘干袜子∧烘干手套].

方案2：集烘干脚、鞋子、袜子、手套功能的一种多功能烘干器，用基元表示：

O2=[烘干器，功能，烘干脚∧烘干鞋子∧烘干袜子∧烘干手套].

方案3：集烘干毛巾、鞋子、袜子、手套功能的一种多功能烘干器，用基元表示：

O3=[烘干器，功能，烘干毛巾∧烘干鞋子∧烘干袜子∧烘干手套].

(7) 对方案中不相关性重组关系的产品进行变换：

方案2：变换干脚器制热电路，即

M干脚器制热电路=

T1为对原有干脚器的制热电路做变换，使其可同时提供两种不同范围的温度和两种不同的制热时间.

方案3：变换干鞋器的造型，即

M干鞋器造型= [造型，类型，套筒∧座式]，

(8) 确定新产品构思方案的主要共轭部：

方案1：

M方案1=

方案2：

M方案2=

方案3：

M方案3=

(9) 评价.

① 确定衡量指标.对于设计一款多功能家用电器产品，需要考虑的方面主要有成本、性能、结构、外观等因素，因此确定衡量指标集如下：

② 确定权系数.对于上述所列各衡量指标对应的权系数分配如下：

③ 建立关联函数，计算关联度.根据参考专家意见和查阅实用型产品设计相关手册，将已确定的衡量指标划分为不同等级.

对于成本指标，将其划分为经济性良好、经济性一般、经济性较差3个等级.关联函数如下：

对于性能指标，分为优性能，良好性能，一般性能，较差性能，关联函数如下：

对于结构指标，将其划分为结构优、结构良好、结构一般、结构较差4个等级.关联函数如下：

对于外观指标，将其划分为美观、良好、一般、较差4个等级.关联函数如下：

④ 综合优度计算.

方案1中所涉及到的产品功能数为3个，结构相对而言比较简单，因此在制造成本、外观设计方面比较有优势，经综合分析，取K1=1，K2=0,K3=1,K4=1.

计算优度：

0.1×1+0.4×0+0.3×1+0.2×1=0.6.

方案2涉及到4种产品功能，一定程度上讲，产品的性能要更加优越、丰富，但与方案一相比，由于增设了切换开关、置脚台、旋转支架等，在结构、成本上优势降低，经综合分析，取K1=0，K2=1,K3=0.5,K4=0.5.

计算其优度：

0.1×0+0.4×1+0.3×0.5+0.2×0.5=0.65.

方案3同样涉及到4种功能，性能较好，然而增设了切换开关、置脚台、晾杆后成本加大，结构复杂，特别是晾杆的增设会让整个产品结构显得比较庞大且不美观，经综合分析，取

K1=0，K2=1,K3=0,K4=-1.

计算其优度：

0.1×0+0.4×1+0.3×0+0.2×(-1)=0.2.

⑤ 选择最优方案.

根据上述优度评价结果显示，C(A2)的值最大，故可确定方案2为最优方案，即最终选择的设计方案是一种集烘脚、鞋子、袜子、手套的多功能烘干产品.

3 结语

多功能产品的设计往往比功能单一型产品的显得复杂，以致许多设计者在对这类产品的构思感到困难，也容易走弯路，导致设计的效率、质量不高，归根到底，在于不能找到一套有效可行的设计创造法.在可拓学应用研究初期，可拓工程就研究了新产品构思的三创造法，此三创造法的提出给产品设计领域注入了新的血液，帮助了一批设计者有效地解决了设计过程中的矛盾问题.本文基于可拓设计创造法，提出了一套适应于对多功能产品构思设计的创造法，即多功能产品创造法.该方法的实质是对原有创造法的提炼与丰富，使之形成一套专门使用于多功能产品的创造法，增强了原有创造法的针对性.提出了物元重组、相似性物元、不相关性物元、互斥物元、相似关系、不相关关系、互斥关系等概念.结合“开发多功能烘干器”一例，向读者具体演绎了“多功能产品创造法”的运用，同时，也证实了“多功能产品创造法”的可行性与有效性.

[1] 杨春燕, 蔡文. 可拓工程[M]. 北京:科学出版社,2007.

[2] 蔡文. 物元模型及其应用[M]. 北京:科学技术文献出版社,1994.

[3] 蔡文, 杨春燕,林伟初. 可拓工程方法[M]. 北京:科学出版社,1997.

[4] 王洪伟. 可拓学的进展及应用研究[J]. 广东工业大学学报,1998 ，15 (s1): 114-119 .

WangHW.Thedevelopmentofextenicsandthestudyonitsapplication[J].JournalofGuangdongUniversityofTechnology,1998，15 (s1): 114-119 .

[5] 赵燕伟, 杨春燕, 张国贤. 可拓方法在机械产品概念设计中的应用[J]. 台大工程学刊,2001(81): 11-20.

ZhaoYW,YangCY,ZhangGX.Applicationofextensionmethodsintheconceptualdesignofmechanicalproducts[J].EngineeringJournalofTaiwanUniversity,2001(81): 11-20.

[6] 杨春燕, 张拥军. 可拓策划[M]. 北京: 科学出版社,2002.

[7] 赵燕伟,王万良. 探索机械智能CAD系统的可拓决策方法[J]. 系统工程理论与实践,1998,18(2): 114-117.

ZhaoYW,WangWL.ResearchextensiondecisionofmechanicalintelligentCADsystem[J].SystemsEngineeringTheoryandPractice,1998,18(2): 114-117.

[8] 杨国为. 基于物元动态系统分析的智能化模型化概念设计[J]. 计算机工程与应用,2005,41(16): 109-113.

YangGW.Intelligentandmodelingconceptualdesignbasedontheanalysismatterelementdynamicsystem[J].ComputerEngineeringandApplication,2005,41(16): 109-113.

[9] 杨国为, 王先梅, 徐序彦. 面向计算机的产品设计的新模型与新原理(1)[J]. 计算机工程与应用,2003,39(32):7-10.

YangGW,WangXM,XuXY.Newmodelsandprinciplesoncomputer-orientedinnovativeandcreativedesignofproducts(Ⅰ)[J].ComputerEngineeringandApplication,2003,39(32): 7-10.

[10] 杨国为, 王先梅, 徐序彦. 面向计算机的产品设计的新模型与新原理(2)[J]. 计算机工程与应用,2003,39(33): 22-25.

YangGW,WangXM,XuXY.Newmodelsandprinciplesoncomputer-orientedinnovativeandcreativedesignofproducts(Ⅱ)[J].ComputerEngineeringandApplication,2003,39(33):22-25.

[11] 刘晓光, 邹广天. 景观设计与可拓学方法[J]. 建筑学报,2004(08): 9-11.

LiuXG,ZhouGT.Landscapedesignandmethodofextenics[J].JournalofArchitecture,2004(8): 9-11.

[12] 邹广天. 建筑设计创新与可拓思维模式[J]. 哈尔滨工业大学学报,2006,38(7): 1120-1123.

ZhouGT.Architectureinnovationdesignandextensionthinkingmodes[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2006,38(7):1120-1123.

[13] 邹广天,程霏. 教育体验型文物建筑保护的可拓设计方法[J]. 建筑学报,2007(5): 21-23.

ZhouGT,ChengF.Extensiondesignmethodofeducationexperienceofhistoricbuildingsprotection[J].JournalofArchitecture,2007(5): 21-23.

[14] 刘晓平,李书杰,泰晋. 基于可拓学的产品功能创新模型[J]. 工程图学学报,2007(4):12-16.

LiuXP,LiSJ,TaiJ.Productfuntioninnovationmodelbasedonextensiontheory[J].JournalofEngineeringGraphics,2007(4): 12-16.

[15] 夏侃. 大学生创业计划的可拓优度评价[J]. 科技管理研究,2007(10): 97-99.

Xia K. Extension superiority evaluation of university students′entrepreneurship program[J]. Science and Technology Management Research,2007(10): 97-99.

[16] 杨春燕, 蔡文. 可拓集中关联函数的研究进展[J]. 广东工业大学学报,2012，29(2)：: 7-14.

Yang C Y, Cai W. Recent research progress in dependent functions in extension sets[J]. Journal of Guangdong University of Technology,2012，29 (2) : 7-14.

[17] 董宇鸿. 可拓优度评价方法在创新项目选择中的应用[J]. 郑州航空工业管理学院学报,2003(03) : 40-42.

Dong Y H. Application of extension superiority evaluation method in the selection of innovation project[J]. Journal of Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,2003(03) : 40-42.

[18] 赵宁. 浅析知识集合的优控方法——优度评价法[J]. 现代情报,2009(6) : 21-24.

Zhao N. Analysis on the optimal control of knowledge set —priority degree evaluation method[J]. Modern Intelligence,2009(6) : 21-24.

[19] 杨春燕, 蔡文. 可拓工程研究[J]. 中国工程科学,2000,2(12): 90-96.

Yang C Y,Cai W. Study onextension engineering[J]. Engineering Science,2000，2(12): 90-96.

Solution to Creating Multi-function Product Based on Extension Design Methods

Wu Pei-xu， Liu Jian-qun

(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In this paper, it puts forward a new design method which is oriented to the multi-functional products based on the three existing extension design methods with synthesization and refinement. Furthermore, it proves that the method of designing multi-functional products is feasible and effective, illustrated by a case-multi-functional dryer. The method of designing multi-functional products is the development and enrichment of the three existing ones of extension engineering methods. It provides a set of systematic design steps for the development of designing multi-functional products and effectively solves the contradictory problems in the design process so as to shorten the design cycle.

methods of extension design； multi-functional product creation method； multi-functional dryer； content matter restructuring

2015- 02- 27

广东省教育厅研究生示范基地资助项目(2013JDXM29); 广东省教育部产学研结合资助项目(2013B090500125,2013B090500037)

吴培旭(1989-)男，硕士研究生，主要研究方向为工业机器人、CAD/CAM一体化.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.003

TB472

A

1007-7162(2015)03- 0010- 08