本發(fā)明涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體為一種基于功能冗余分析的產(chǎn)品功能組合設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前功能單一的產(chǎn)品越發(fā)不能滿足顧客的需求，而對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行組合，將多個(gè)產(chǎn)品的功能集成在一個(gè)單品上，則是解決該問(wèn)題的一種行之有效的方法，通過(guò)整合現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，創(chuàng)建出新的滿足多功能需求的產(chǎn)品。

產(chǎn)品功能組合設(shè)計(jì)指將使用領(lǐng)域相同或不同，功能類似或各異的多種現(xiàn)有產(chǎn)品作為組合對(duì)象，通過(guò)解析其功能結(jié)構(gòu)并根據(jù)它們之間的共用性，將其部分或全部的功能賦于一種新的結(jié)構(gòu)，從而求解出多功能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方法能夠解決顧客對(duì)多功能產(chǎn)品的需求，顯著減少設(shè)計(jì)工作、提高設(shè)計(jì)效率、降低成本和開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等，使企業(yè)能夠在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出新的產(chǎn)品，滿足顧客需求，占領(lǐng)市場(chǎng)獲取利潤(rùn)，對(duì)于中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，是一種行之有效的方法。

目前對(duì)產(chǎn)品功能組合設(shè)計(jì)方法的研究分為以下三類：第一類是基于產(chǎn)品可重構(gòu)性的設(shè)計(jì)理論，通過(guò)對(duì)兩個(gè)或多個(gè)單一功能的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)生成多功能產(chǎn)品方案，側(cè)重于解決產(chǎn)品的可重構(gòu)性問(wèn)題，盡可能讓母產(chǎn)品的元件能夠重利用，未對(duì)母產(chǎn)品的功能進(jìn)行選擇性組合，且未研究產(chǎn)品功能載體的充分利用問(wèn)題。第二類是利用模糊聚類法、TRIZ理論、公理化設(shè)計(jì)、功能分析系統(tǒng)技術(shù)法和矩陣法中的一種或多種結(jié)合作為設(shè)計(jì)輔助方法，用以解決功能組合設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的功能矛盾問(wèn)題，對(duì)于如何發(fā)現(xiàn)功能矛盾和處理結(jié)構(gòu)相斥沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。第三類是采用多模式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立多模式模塊，利用模塊中部分結(jié)構(gòu)在不同模式下的結(jié)構(gòu)共享，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多模式切換工作，未提及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)，共享的結(jié)構(gòu)同一時(shí)間只能在一種模式下起作用。

現(xiàn)有的方法還存在一些問(wèn)題：（1）功能和載體的冗余去除，（2）功能擴(kuò)展及載體分配，（3）功能載體的變型設(shè)計(jì)，（4）一套完整的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決上述方法中的問(wèn)題，在此提供了一種基于功能冗余分析的產(chǎn)品功能組合設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)全面地闡明任務(wù)書，利用必須達(dá)到和期望兩種程度方式提出產(chǎn)品的功能要求同時(shí)編寫在要求表中；

步驟2：通過(guò)功能要求在現(xiàn)有的產(chǎn)品中尋找適合的作為功能組合對(duì)象的母產(chǎn)品；

步驟3：將母產(chǎn)品拆解為功能載體，并從功能載體抽象出詳細(xì)的功能元；

步驟4：創(chuàng)建母產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)；

步驟5：產(chǎn)品間功能冗余分析與處理；

步驟6：產(chǎn)品間載體冗余分析與處理；

步驟7：基于設(shè)計(jì)任務(wù)要求表中的期望要求和功能載體的充分利用，通過(guò)借用原有功能載體或增加少量新載體，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行擴(kuò)展；

步驟8：建立功能載體矩陣來(lái)進(jìn)行功能和載體的配置，在功能載體矩陣FCM（Function Carrier Matrix）中：“1”表示該載體參與功能元的實(shí)現(xiàn)；“0”表示該載體與功能元的實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)；

步驟9：進(jìn)行概念模型求解，具體為：

步驟9.1：建立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM（Design Structure Matrix），將載體作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM中的行列元素中，將兩個(gè)行列元素對(duì)應(yīng)的DSM模型單元格劃分為四個(gè)子單元，每個(gè)子單元分別表示空間、能量、物料、信號(hào)之間的聯(lián)系；

步驟9.2：分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM中的數(shù)據(jù)并求解模型：

1）功能載體的空間位置安排

通過(guò)DSM中的空間聯(lián)系數(shù)據(jù)，可以分析得到所有載體之間存在的位置關(guān)系，從而形成新產(chǎn)品初步的概念模型；

2）載體之間的連接

通過(guò)DSM中能量、物料和信號(hào)聯(lián)系的數(shù)據(jù)，可以分析得到載體之間的連接，以滿足矩陣中的聯(lián)系，同時(shí)還能得到相應(yīng)的工藝要求；

通過(guò)反復(fù)的檢驗(yàn)功能載體的空間位置安排和載體之間的連接，將新產(chǎn)品初步的概念模型不斷地優(yōu)化改進(jìn)，直到生成最終滿意的概念模型。

進(jìn)一步的，步驟3中，功能元采用“動(dòng)詞+名詞”的表達(dá)方式，動(dòng)詞和名詞則使用功能基中標(biāo)準(zhǔn)詞匯。

進(jìn)一步的，步驟4具體為：

步驟4.1：建立功能白箱，用實(shí)線表示能量流，用虛線表示物料流，用點(diǎn)畫線表示信號(hào)流；

步驟4.2：基于能量、物料、信號(hào)三大主流對(duì)母產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，同時(shí)將主流具體化細(xì)分，并歸納出對(duì)流進(jìn)行操作的功能元，得到功能分解樹，其優(yōu)勢(shì)在于生成的功能樹能夠表現(xiàn)出功能與流的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟4.3：從功能樹出發(fā)，考慮從輸入到輸出中功能對(duì)流的各種操作，按照流的流動(dòng)順序和功能之間的邏輯關(guān)系來(lái)排列功能元，建立功能鏈；

步驟4.4：將多個(gè)功能鏈中相同的功能元和流合在一起生成功能結(jié)構(gòu)；

進(jìn)一步的，步驟5具體為：

步驟5.1：建立產(chǎn)品之間的功能冗余矩陣FRM（Functional Redundancy Matrix），計(jì)算功能元之間冗余度，用FR代表，其大小用（0~1）定量標(biāo)識(shí)，F(xiàn)R=1表示完全冗余狀態(tài)，F(xiàn)R=0表示無(wú)冗余狀態(tài)，F(xiàn)R=0~1表示部分冗余狀態(tài)。

步驟5.2：不同母產(chǎn)品功能元之間的冗余度值情況分析及處理方法：

1）當(dāng)FR=1時(shí)，產(chǎn)品功能元完全冗余；處理方法：刪除冗余功能元，多個(gè)相同的功能元只需留下一個(gè)。

2）當(dāng)FR=0時(shí)，產(chǎn)品功能元無(wú)冗余；處理方法：功能元均保留，無(wú)需其他操作。

3）當(dāng)0<FR<1時(shí)，產(chǎn)品功能元部分冗余；處理方法：考慮將幾個(gè)處于部分冗余狀態(tài)的功能元組合成一個(gè)新功能元，既滿足功能要求又減少功能元的數(shù)目，同時(shí)相應(yīng)的載體也將發(fā)生改變，若功能元不能組合則按照2）中的方法處理。

進(jìn)一步的，步驟6具體為：

步驟6.1：建立載體冗余矩陣CRM(Carrier Redundancy Matrix)，載體之間的冗余度用CR代表，其大小用（-1、0、1）定量表示，CR=1表示完全冗余狀態(tài)，CR=0表示無(wú)關(guān)狀態(tài)，CR=-1表示相斥狀態(tài)；

步驟6.2：不同母產(chǎn)品功能載體之間的冗余度值情況分析及處理方法：

1）當(dāng)CR=1時(shí)，產(chǎn)品功能載體完全冗余；處理方法：刪除冗余載體，多個(gè)相同的功能載體只需留下一個(gè)。

2）當(dāng)CR=0時(shí)，產(chǎn)品功能載體無(wú)冗余；處理方法：保留載體，無(wú)需其他操作。

3）當(dāng)CR=-1時(shí)，產(chǎn)品功能載體相斥；處理方法：出現(xiàn)載體不同，承載的功能元相同的情況時(shí)，依據(jù)功能冗余處理法中的刪除相同的功能元，同時(shí)相應(yīng)載體也隨之刪除；出現(xiàn)載體相同，承載的功能元不同的情況時(shí)，對(duì)載體進(jìn)行變型，設(shè)法將多個(gè)功能元整合到一個(gè)載體中去，實(shí)現(xiàn)載體的充分利用。

通常情況下，載體之間的關(guān)系伴隨著以上幾種情況的聯(lián)合發(fā)生，需要綜合進(jìn)行處理。

步驟6.3：載體變型方法：1）尺寸比例變型法；2）位置移動(dòng)變型法；3）形態(tài)外觀變型法；4）載體組合變型法。

通過(guò)采用上述設(shè)計(jì)方案,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1.解析各功能載體（已知母產(chǎn)品），從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)抽象出用功能基模型表達(dá)的功能元；2.基于能量流、物料流和信號(hào)流創(chuàng)建母產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)；3.構(gòu)建產(chǎn)品功能冗余矩陣和載體冗余矩陣，去除冗余的功能元和原理結(jié)構(gòu)載體，并對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展；4.構(gòu)建功能載體矩陣，尋求功能相應(yīng)的原理結(jié)構(gòu)載體；5.建立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，分析原理結(jié)構(gòu)載體之間的耦合關(guān)系，通過(guò)重用、變型、去除、增加等運(yùn)算，獲得概念設(shè)計(jì)方案。

附圖說(shuō)明

圖1是母產(chǎn)品解析過(guò)程圖；

圖2是基于三種流的功能分解樹圖；

圖3是功能冗余矩陣FRM圖；

圖4是載體冗余矩陣CRM圖；

圖5是功能載體矩陣FCM圖；

圖6是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明的基于功能冗余分析的產(chǎn)品功能組合設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)全面地闡明任務(wù)書，利用必須達(dá)到和期望兩種程度方式提出產(chǎn)品的功能要求同時(shí)編寫在要求表中，如表1所示。

表1 產(chǎn)品功能要求表

步驟2：通過(guò)功能要求在現(xiàn)有的產(chǎn)品中尋找適合的作為功能組合對(duì)象的母產(chǎn)品。

步驟3：將母產(chǎn)品拆解為功能載體，并從功能載體抽象出詳細(xì)的功能元，功能元采用“動(dòng)詞+名詞”的表達(dá)方式，動(dòng)詞和名詞則使用功能基中標(biāo)準(zhǔn)詞匯。

如圖1所示母產(chǎn)品從產(chǎn)品層經(jīng)載體層到功能層的解析過(guò)程。

定義1 功能載體：實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能或子功能的物理結(jié)構(gòu)。

步驟4：創(chuàng)建母產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，具體為：

步驟4.1：建立功能白箱，用實(shí)線表示能量流，用虛線表示物料流，用點(diǎn)畫線表示信號(hào)流。

步驟4.2：基于能量、物料、信號(hào)三種流對(duì)母產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，同時(shí)將主流具體化細(xì)分，并歸納出對(duì)流進(jìn)行操作的功能元，得到功能分解樹，如圖2所示。

步驟4.3：從功能樹出發(fā)，考慮從輸入到輸出中功能對(duì)流的各種操作，按照流的流動(dòng)順序和功能之間的邏輯關(guān)系來(lái)排列功能元，建立功能鏈。

步驟4.4：將多個(gè)功能鏈中相同的功能元和流合在一起生成功能結(jié)構(gòu)。

步驟5：母產(chǎn)品間冗余分析與處理，具體為：

步驟5.1：建立母產(chǎn)品間的功能冗余矩陣FRM（Functional Redundancy Matrix），計(jì)算行列元素之間冗余度，用FR代表，其大小用（0~1）定量標(biāo)識(shí)，F(xiàn)R=1表示完全冗余狀態(tài)，F(xiàn)R=0表示無(wú)冗余狀態(tài)，F(xiàn)R=0~1表示部分冗余狀態(tài)，如圖3所示。

從功能元描述D、功能元上的輸入流I、功能元上的輸出流O和功能元相應(yīng)的功能載體C四個(gè)方面進(jìn)行功能元之間的冗余度計(jì)算，

計(jì)算公式：，

是四個(gè)方面相應(yīng)的權(quán)重，。

定義2 功能冗余矩陣：不同母產(chǎn)品的功能元作為矩陣的行元素和列元素，用矩陣中的單元格來(lái)表示對(duì)應(yīng)的行列元素之間的聯(lián)系，通過(guò)分析行列元素的交互作用，發(fā)現(xiàn)不同母產(chǎn)品功能元之間存在的冗余。

步驟5.2：不同母產(chǎn)品功能元之間的冗余度值情況分析及處理方法：

1）當(dāng)FR=1時(shí)，產(chǎn)品功能元完全冗余；處理方法：刪除冗余功能元，多個(gè)相同的功能元只需留下一個(gè)。

2）當(dāng)FR=0時(shí)，產(chǎn)品功能元無(wú)冗余；處理方法：功能元均保留，無(wú)需其他操作。

3）當(dāng)0<FR<1時(shí)，產(chǎn)品功能元部分冗余；處理方法：設(shè)法將幾個(gè)處于部分冗余狀態(tài)的功能元組合成一個(gè)新功能元，既滿足功能要求又減少功能元的數(shù)目，同時(shí)相應(yīng)的載體也將發(fā)生改變，若功能元無(wú)法組合則按照2）中的方法處理。

步驟6：進(jìn)行載體冗余分析與處理，具體為：

步驟6.1：建立載體冗余矩陣CRM(Carrier Redundancy Matrix)，載體之間的冗余度用CR代表，其大小用（-1、0、1）定量表示，CR=1表示完全冗余狀態(tài)，CR=0表示無(wú)關(guān)狀態(tài)，CR=-1表示相斥狀態(tài)，如圖4所示。

母產(chǎn)品間的功能載體關(guān)系具有以下四種情況：

1）載體相同，承載的功能元相同，在矩陣中的對(duì)應(yīng)位置填“1”；

2）載體相同，承載的功能元不同，在矩陣中的對(duì)應(yīng)位置填“-1”；

3）載體不同，承載的功能元相同，在矩陣中的對(duì)應(yīng)位置填“-1”；

4）載體不同，承載的功能元不同，在矩陣中的對(duì)應(yīng)位置填“0”。

定義3 載體冗余矩陣：以不同母產(chǎn)品的功能載體作為矩陣的行元素和列元素，用矩陣中的單元格來(lái)表示對(duì)應(yīng)的行列元素之間的聯(lián)系，通過(guò)分析行列元素的交互作用，發(fā)現(xiàn)不同母產(chǎn)品載體之間存在的冗。

步驟6.2：不同母產(chǎn)品功能載體之間的冗余度值情況分析及處理方法：

1）當(dāng)CR=1時(shí)，產(chǎn)品功能載體完全冗余；處理方法：刪除冗余載體，多個(gè)相同的功能載體只需留下一個(gè)。

2）當(dāng)CR=0時(shí)，產(chǎn)品功能載體無(wú)冗余；處理方法：保留載體，無(wú)需其他操作。

3）當(dāng)CR=-1時(shí)，產(chǎn)品功能載體相斥；處理方法：出現(xiàn)載體不同，承載的功能元相同的情況時(shí)，依據(jù)功能冗余處理法中的刪除相同的功能元，同時(shí)相應(yīng)載體也隨之刪除；出現(xiàn)載體相同，承載的功能元不同的情況時(shí)，對(duì)載體進(jìn)行變型，將多個(gè)功能元整合在一個(gè)載體中去，實(shí)現(xiàn)載體的充分利用。

通常情況下，載體之間的關(guān)系伴隨著以上幾種情況的聯(lián)合發(fā)生，需要綜合分析處理。

步驟6.3：載體變型方法：

1）尺寸比例變型法

通過(guò)對(duì)載體的尺寸比例進(jìn)行放大或者縮小，獲得相應(yīng)合適的結(jié)構(gòu)，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

2）位置移動(dòng)變型法

通過(guò)對(duì)載體位置進(jìn)行變動(dòng)，重新對(duì)空間進(jìn)行規(guī)劃分配，以消除與其他載體在空間上的相斥，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

3）形態(tài)外觀變型法

在保證功能不變的情況之下，載體的形態(tài)可以進(jìn)行不同的變化，例如不同形狀的燈泡，通過(guò)形態(tài)外觀變型法載體可以滿足在某些特殊情況的要求。

4）載體組合變型法

采用載體組合變型法，將多個(gè)載體有機(jī)地組合在一起，由此可以減少功能載體的總數(shù)，簡(jiǎn)化載體的加工和裝配工藝。

在工程設(shè)計(jì)中，有關(guān)載體的變型常常是伴隨著幾種變型方法的組合。

步驟7：基于設(shè)計(jì)任務(wù)要求表中的期望要求和功能載體的充分利用，通過(guò)借用原有功能載體或增加少量新載體，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行擴(kuò)展，力求在滿足部分期望要求的基礎(chǔ)上，盡可能的減少新載體的數(shù)量以及降低產(chǎn)品成本，從而實(shí)現(xiàn)增加較少的成本，但是功能卻大大增加的目的。

步驟8：建立功能載體矩陣來(lái)進(jìn)行功能和載體的配置，在功能載體矩陣FCM（Function Carrier Matrix）中：“1”表示該載體參與功能元的實(shí)現(xiàn)；“0”表示該載體與功能元的實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，如圖5所示。

定義4 功能載體矩陣：以組合設(shè)計(jì)需要的功能元和載體分別作為矩陣的列元素和行元素，用矩陣中的單元格來(lái)表示對(duì)應(yīng)的行列元素之間的聯(lián)系，通過(guò)行列元素之間的交互，分析得到功能元需要的載體，完成功能和載體配置。

步驟9：進(jìn)行概念模型求解，具體為：

步驟9.1：建立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM（Design Structure Matrix），將功能載體矩陣中的載體作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM中的行列元素中，將兩個(gè)行列元素對(duì)應(yīng)的DSM模型單元格劃分為四個(gè)子單元，每個(gè)子單元分別表示空間、能量、物料、信號(hào)之間的聯(lián)系。在每個(gè)子單元內(nèi)用（0和1）來(lái)描述載體之間聯(lián)系，用“1”表示存在聯(lián)系，用“0”表示無(wú)聯(lián)系，若行列元素之間在四類上都沒(méi)有聯(lián)系的無(wú)需表示，對(duì)角線上的單元沒(méi)有意義，用灰色表示，如圖6所示。

定義5 建立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣：由排列順序相同的行列元素組成的一個(gè)方陣，用矩陣的非對(duì)角線單元格來(lái)表示對(duì)應(yīng)的行列元素之間的聯(lián)系。

步驟9.2：分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM中的數(shù)據(jù)并求解模型：

1）功能載體的空間位置安排

通過(guò)DSM中的空間聯(lián)系數(shù)據(jù)，可以分析得到所有載體之間存在的位置關(guān)系，從而形成新產(chǎn)品初步的概念模型。

2）載體之間的連接

通過(guò)DSM中能量、物料和信號(hào)聯(lián)系的數(shù)據(jù)，可以分析得到載體之間依靠什么連接，如何連接才能滿足矩陣中的聯(lián)系，同時(shí)還能得到相應(yīng)的工藝要求。

通過(guò)反復(fù)的檢驗(yàn)功能載體的空間位置安排和載體之間的連接，將新產(chǎn)品初步的概念模型不斷地優(yōu)化改進(jìn)，直到生成最終滿意的概念模型。

本說(shuō)明書所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也僅僅于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。