产品设计开发-概念生成

产品设计开发——概念生成第1页/共76页TIPS概念生成的基本方法：5步法弄清问题外部搜索内部搜索系统搜索对结果和过程的反思22013/4/11第2页/共76页产品概念产品概念是对产品的技术、工作机理和形式的近似描述，能简要地说明该产品如何满足顾客需求。产品概念通常用草图、三维模型加以简要地文字描述表示。产品概念的质量在很大程度上决定了产品满足顾客需求并实现商业化的程度。好的产品概念在后续的环节中可能没有被完全实现，但是差的产品概念在后续环节无论多努力也无法获得成功。32013/4/11第3页/共76页概念生成前段过程42013/4/11第4页/共76页对结果和过程反思系统搜索分类树组合表基本方法：五步法52013/4/111、弄清问题：了解问题分解问题关注关键子问题2、外部搜索主导用户专家专利文献基准3、内部搜索个人集团第5页/共76页一、弄清问题弄清问题是指深入理解问题，必要时把问题分解成几个子问题。许多设计任务往往太过复杂从而不能将其简单的当成一个问题来解决，这时候就需要把这个任务分解成几个较简单的子问题。例如吸尘器的设计可以分解为吸嘴的设计、连管的设计、吸尘动力系统的设计以及料斗的设计。电视机榨汁机电冰箱？62013/4/11第6页/共76页问题分解把问题看成一个运行材料、能量和信息的“黑匣子”，细实线表示能量在系统中的传递和转化，粗实线表示材料在系统中的运动，虚线表示系统中的控制信息流和反馈信息流，黑匣子代表整体功能72013/4/11输入能量材料（钉子）信号（工具“延迟”）输出能量材料（钉入钉子）信号手提式钉枪第7页/共76页问题分解如果是吸尘器呢？82013/4/11输入能量材料（空气）信号（开启）输出能量材料（吸入脏物）信号（电机运转）吸尘器第8页/共76页问题分解2、把黑匣子分解成若干个子功能，详细描述产品中的哪些元素对实现整体功能起作用，子功能可以再分解为更简单的子功能。92013/4/11钉钉子用平移动能来钉钉子把能量转化成平移动能储存或使用外部能量能量分离钉子储备钉子钉子触发工具发生延迟工具第9页/共76页问题分解吸尘器的问题分解102013/4/11吸尘利用负压将灰尘吸入把能量转化成动能储存或使用外部能量能量形成负压抽离内部空气空气抽离内部空气启动机器信号第10页/共76页讨论这种功能图的分解方式适用于所有的产品吗？子功能的分解是否有固定的模式？怎样快速的、恰当的形成功能图？有没有其他的方法可以有效的分解问题？112013/4/11第11页/共76页讨论一般来说，功能分解最适合于技术性产品，也可用于简单的非技术产品。子功能的分解方式不是固定的，有时材料流、能量流和信息流的流向难以确定，这时只要列出产品的子功能的简要清单即可，例如手机这种材料流和能量流简单但是信息流极为复杂的产品，按照材料、能量和信息这三类进行分解就不合适。122013/4/11第12页/共76页根据用户使用顺序分解问题这种方法把用户使用产品的整个过程分解成若干个步骤，把每一个步骤作为子问题来解决。该方法对于那些功能非常简单同时需要更多的用户参与时较为有效。对于吸尘器来说：接上电源打开开关——吸尘——更换地点——清理吸入灰尘脏物；又如电动剃须刀的设计：我们可以将它分解为几个步骤：打开开关——剃须——清洗。当然这样只是把整个过程分成几个大概的步骤，每个步骤需要继续细分下去成为更多的子问题。132013/4/11第13页/共76页根据关键客户需求分解问题把用户的需求作为分解问题的依据。例如鼠标：舒适的手感，准确的点击以及迅速的反应。当然，我们也可以尝试对吸尘器按照客户需求进行分解——轻松的、安静的、高效的、方便的清理地面，但是这样分解似乎无法全面的概括产品的所有概念，相较于根据产品使用顺序的分解问题这个方法还有所欠缺，仅仅是从产品的使用表现来定义产品概念。因此这种方法对于强调形态而不是技术和机理的产品较为有效。142013/4/11第14页/共76页讨论对于手机、个人电脑等这类信息终端产品，我们应该如何把它分解成多个子问题？功能分类用户需求分类152013/4/11第15页/共76页关注关键子问题在完成问题分解之后，开发团队要挑选出关键子问题，关键子问题是整个项目的核心环节，它能带来更多的商业利益，是该产品成功的关键问题。以吸尘器设计为例：“吸尘时的功率和噪音”、“操作时人的姿势”、“移动吸尘器”、“清理灰尘杂物”这几个子问题可以成为吸尘器开发团队的关键子问题，而如“吸尘器开关”这个子问题则可以延后关注。162013/4/11第16页/共76页二、外部搜索外部搜索的目的是找到针对整个问题以及分解出的子问题的现有解决方案。外部搜索本质上是资料搜集的过程，通过使用扩大与集中的战略优化时间和资源：首先扩大搜索范围，广泛搜索可能涉及的问题的相关资料；然后重点搜索，对有希望改进的方向进行深入探索，过度使用任一方法都会导致效率降低。172013/4/11第17页/共76页二、外部搜索领先用户调查专家咨询专利检索文献检索182013/4/11第18页/共76页领先用户调查领先用户是那些比主流用户提前数月或数年就使用新产品的用户，他们往往通过对新产品进行创新来满足实际需求，这导致领先用户找到解决方案来更好地满足自己的需求。这种情况在高科技产品的用户群中较为常见，如医药和科学领域。领先客户可以为团队带来很多新的思路，可以在开发初期为团队提供最新的想法和趋势。192013/4/11第19页/共76页专家咨询专家包括生产相关产品的企业专业人员、专业顾问、大学教授和供应商的技术代表。专家不仅可以直接提供解决方案，也可以帮助开发团队转向更有效的思路，寻找更好的解决方案，并且有能力指出开发阶段存在的不足但是向专家咨询往往会存在一些障碍，如收费问题，竞争对手等问题。202013/4/11第20页/共76页专利检索专利是一种获得技术资料的详细图纸及产品说明的现成丰富来源。了解哪些概念已经被保护是十分有必要的，以免造成侵权问题。通过购买数据库可以搜索到与任务相关的专利资料，并且可以从这些专利中获得一些启发。212013/4/11第21页/共76页文献检索文献检索是现有解决方案的最好途径之一，公开的文献包括期刊、会议资料、杂志、政府报告，市场、消费者与产品的信息，以及新产品的公告。电子搜索往往是公开文献搜索中最有效的方式，虽然互联网上的信息未必十分准确，但互联网通常是电子搜索的第一步。不同类型的文献有各自不同的优势：期刊较为正式和权威，但是图片信息少，更新缓慢，杂志是某领域的第一手资料信息，具有很强的实时性。222013/4/11第22页/共76页三、内部搜索内部搜索是指利用个人、团队的知识和创造力来产生解决方案。内部搜索是新产品开发过程中最具开放性和创造型的过程可以有个人单独进行，也可以由团队一起进行。232013/4/11第23页/共76页个人与团队最理想的情况是：团队中的个人独立工作一段时间后，团队成员一起对个人提出的概念进行讨论与完善现实状况下，对于工作压力大，强度高的团队来说，团队开会时保证概念提出的唯一方式。242013/4/11第24页/共76页提高内部搜索效率推迟决策

产品概念能否成功的关键是在评价大量的产品概念时推迟几天或几周再决策。在概念生成的的过程中不要批评任何概念。产生大量想法

想法越多，解决办法就越多，一个想法会激发产生其他的想法。252013/4/11第25页/共76页提高内部搜索效率欢迎似乎不可能的想法

一些想法最初看似不可行，但是经过调整和修正就变得可行了。不可能的想法会冲击并拓展思维的边界。使用图形和物理工具

文字和口头语言难以描述物体，充分运用图形来描述物体，利用如泡沫、粘土、纸板等三维工具有助于理解形式与空间的关系。262013/4/11第26页/共76页概念生成启发概念生成的方式方法有很多种，有经验的团队和个人通常很快就会产生一些好的概念，他们往往已经拥有一套技巧来刺激思想。不同的产品类型适用于不同的启发方法，对于同一种产品使用不同的启发方法会得到不同的概念。272013/4/11第27页/共76页创造法则对应法则组合法则移植法则综合法则换元法则逆反法则282013/4/11第28页/共76页智力激励头脑风暴法综摄法“635”法“KJ”法“NM”法卡片法292013/4/11第29页/共76页类比法直接类比法间接类比法幻想类比法因果类比法仿生类比法综摄类比法302013/4/11第30页/共76页类比法有什么其它工具可以解决相关问题？在自然界和生物界是否有类似的问题？在不相关的领域中是否有些工具具有所需的功能？312013/4/11第31页/共76页联想法接近联想对比联想相似联想自由联想强制联想322013/4/11第32页/共76页移植法技术手段移植原理移植技术功能移植332013/4/11第33页/共76页设问法“5W2H”检核目录法342013/4/11第34页/共76页TRIZ理论TheoryoftheSolutionofInventiveProblems发明问题解决理论1946年，阿奇舒勒（G.S.Altshuller）开始发明问题解决理论的研究工作，他在专利局工作期间总是考虑这样一个问题：当人们进行发明创造、解决技术难题时，是否有可循序的科学方法和法则，从而能迅速地实现新的发明创造或解决技术难题呢？阿奇舒勒发现任何领域的产品改进，技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。352013/4/11第35页/共76页创新级别创新级别创新程度所占比例第一级别技术系统的简单改进32第二级别包含一个解决技术冲突的创新45第三级别包含一个解决物理冲突的创新18第四级别包含突破性解决方法的新技术4第五级别新现象的发现1362013/4/11阿奇舒勒的团队在分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立起TRIZ理论体系第36页/共76页产品进化模式与进化定律产品进化四阶段：1、为系统选择零部件2、改善零部件3、系统动态化4、系统的自控制372013/4/11第37页/共76页产品进化最终理想解理想化：TRIZ中，理想化应用包含：理想系统、理想过程、理想资源、理想方法、理想机器和理想物质等理想机器：没有质量没有体积，但能完成工作理想方法：不耗费能量及时间，但通过自身调节能获得所需效应理想过程：只有过程的结果而无过程本身，突然就获得了结果理想物质：没有物质，功能得以实现382013/4/11第38页/共76页理想化分类局部理想化：是指对于选定的原理通过不同的实现方法使其理想化。由加强、降低、通用化、专用化四种模式实现全局理想化：是指对于同一功能，通过选择不同的原理使之理想化。通过功能禁止、系统禁止、原理改变等模式实现。通常首先考虑局部理想化，所有的尝试都失败之后才考虑全局理想化392013/4/11第39页/共76页理想化水平技术的理想化水平与有用功能之和成正比，与有害功能成反比：Li=∑Fu／∑FhLi—理想化水平∑Fu—有用功能之和∑Fh—有害功能之和增加理想化水平可通过以下四种方式实现：d(∑Fu)/dt＞d(∑Fh)/dt＞0，分子增速大于分母增速d(∑Fu)/dt＞0，d(∑Fh)/dt＜0，分子增加，分母减少d(∑Fu)/dt=0，d(∑Fh)/dt＜0，分子不变，分母减少d(∑Fu)/dt＞0，d(∑Fh)/dt=0，分母不变，分子增加402013/4/11第40页/共76页理想化水平为研究方便，理想化水平通常也表示为：Li=∑B/(∑E+∑H)Li——理想化水平B——效益E——代价，包括原材料成本、系统占用空间、所消耗能量及产生噪声H——技术理想化水平中的危害因素产品或系统的理想化水平与其效益之和成正比，与所有代价及所有危害之和成反比。不断增加理想化水平是产品创新的目标。412013/4/11第41页/共76页理想解在进化的某一阶段，不同产品进化的方向是不同的，如降低成本、增加功能、提高可靠性、减少污染等都是产品可能的进化方向。如果把所有产品作为一个整体，低成本、功能完备、高可靠性、无污染等是产品的理想状态。产品处于理想状态的解成为理想解，有一下四个特点消除了原系统的不足保持了原系统的优点没有使系统变得复杂没有引入新的缺陷422013/4/11第42页/共76页产品进化模式图432013/4/11第43页/共76页TRIZ理论体系结构TRIZ的核心是技术进化理论。技术系统一直处在进化之中，解决矛盾是其进化的推动力。其组成可以分为三类：TRIZ理论基础分析工具解决技术矛盾的矛盾矩阵物质——场分析发明问题解决算法（ARIZ）需求功能分析知识库工具40个创新原则解决物理矛盾的分隔原则76个标准解决方法442013/4/11第44页/共76页TRIZ理论基础阿奇舒勒给出了技术系统演变的八个模式：技术系统演变遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期；技术系统演变的趋势是提升理想状态；矛盾的导致是由于系统中子系统开发的不均匀性；首先是部件匹配，然后失配；技术系统首先向复杂化演进，然后通过集成向简单化发展；从宏观系统向微观系统转变，即向小型化和增加使用能量场演进；技术向增加动态性和可控性发展；向增加自动化，减少人工介入演变。452013/4/11Back第45页/共76页矛盾矩阵矛盾分析是TRIZ的核心，应用这种工具可使设计人员对任何给定的矛盾找出多个解，矛盾可分为三类：技术矛盾、物理矛盾、管理矛盾。TRIZ只研究前面两种矛盾。462013/4/11第46页/共76页技术矛盾技术矛盾是指系统一方面得到改进时，削弱了另一方面的期望。如实际使用中我们希望桥的承载能力越大越好，为了获得更大的承载力，就需要使用更多的建筑材料，但桥的自身重量太大会有可能超过桥的强度允许范围，降低了桥的安全性，这是，桥的强度和桥自身的重量就成了一个技术矛盾。通常有三种表现形式：一个子系统中引入一种有用性能后，导致另一个子系统产生一种有害性能，或增强了已存在的有害性能。一种有害性能导致另一个子系统有用性能的变化。有用性能的增强或有害性能的降低使另一个子系统的系统变得更加复杂。472013/4/11第47页/共76页物理矛盾在产品设计中，某一部分同时表现出的两种相反状态称为物理矛盾。物理矛盾的一个经典例子就是增加一个零件的强度时，往往会导致该零件质量或者尺寸的增加，而设计者并不希望出现这种情况，因此出现了物理矛盾，该矛盾的解决即增加零件的强度但是又不增加其质量或尺寸。物理矛盾的两种体现：一个子系统中有害性能降低的同时导致该子系统中有用性能的降低一个子系统中有用性能增强的同时导致该子系统中有害性能的增强482013/4/11第48页/共76页解决矛盾为了解决由参数变化引起的技术矛盾，阿奇舒勒从它研究的4万个专利解决方法中发现只有39个参数改进或劣化，每个问题可以描述为39个参数中任意两个参数间的冲突，他根据这些解决方法总结了40条创新原则用于解决这些矛盾。他把39个参数分别作为改善参数和劣化参数作为一张表的行和列，得到一个39*39的矛盾矩阵，并为行列交叉点形成的每个矛盾提供了最常用的创新原则。492013/4/11第49页/共76页40条原理1、分割把一个物体分成几个部分将物体分段组装提高物体的分割度7、嵌套构成把一物体嵌入另一物体，然后再嵌入另一物体中22、变害为益利用有害的因素，得到有益的结果将有害的要素相结合变为有益要素增大有害动作的幅度直至有害性消失502013/4/11第50页/共76页矛盾矩阵1运动物体的质量2静止物体的质量3运动物体的尺寸4静止物体的尺寸5运动物体的面积……22

能量的浪费……39生产性1运动物体的质量15,8,29,3429,1738,346,1219,343,2435,372静止物体的质量10,1,29,3515,1819,281,1528,353运动物体的尺寸8,1529,3415,1747,9354,1428,294静止物体的尺寸28,2935,406,287,1426,305运动物体的面积2,417,294,1415,1815,1726,302,1026,34……33操作性2,1315,251,613,251,1213,171,1316,172,13191,1528……39生产性24,26,35,373,1527,284,1828,387,1420,2610,2631,345,1028,29第51页/共76页解决矛盾的过程一般问题一般解特定解特定问题522013/4/11应用40条原理具体化应用39个技术特征将问题一般化技术特性对比表所提供的原理往往不能直接使问题得到解决，而是提示了最有可能解决问题的探索方向。解决问题时必须根据所提供的原理以及要解决问题的特定条件，提出解决问题的具体方法第52页/共76页飞利浦灯泡改进背景绿色家电是家电产业的发展趋势之一，白炽灯存在耗电量大，耐久性低、使用寿命短等缺点，已经不符合家电潮流。飞利浦公司开发的小型荧光灯是白炽灯良好的替代品，具有省电、使用寿命长、易回收再利用和环保等优点。532013/4/11第53页/共76页问题描述荧光灯的发光原理是：荧光灯管里充满了水银蒸气，灯管内涂有荧光剂，水银蒸气受高压电激发使电子脱离出来，部分电子撞击荧光剂后发白。在长期使用的情况下，荧光灯往往亮度变弱。这是由于真空玻璃管吸收水银蒸气，造成管中的水银蒸气不断减少。这不仅削弱了荧光灯的亮度，而且缩短了荧光灯的寿命。由于对真空玻璃管的水银吸收率缺乏真实的统计数据，以及不准确的制造技术，传统的荧光灯往往会填充过量的水银蒸气，造成浪费。如果灯管破损，大量的水银蒸气释放出来会对环境和人体造成巨大的损害。但是如果降低水银蒸气量会增加电能的消耗，为保证亮度，需要增加能量以激发更多的电子。542013/4/11第54页/共76页分析问题系统存在的技术矛盾：为了保证荧光灯亮度的稳定性，就不得不增加水银蒸气的量，减少水银蒸气的量，有利于保护环境，但降低了荧光灯工作的可靠性量减少，增加了能量的消耗。系统存在的物理矛盾：对水银蒸气的量同时具有多和少的要求解决思路和关键步骤：可以使用TRIZ矛盾矩阵和原理分析。552013/4/11第55页/共76页分析问题使系统性能提高的技术特性是：物质的量作用于物体的坏的因素使系统性能降低的技术特性是：可靠性能量的浪费静止物体使用的能量562013/4/11得到三组技术矛盾：减少水银蒸气的量（物质的量），但荧光灯工作的可靠性降低（可靠性）减少水银蒸气的量（物质的量），但需要消耗更多的电能（能量的浪费）有利于保护环境（作用于物体的坏的因素），但荧光灯使用的能量增加了（静止物体使用的能量）第56页/共76页参考矛盾矩阵减少水银蒸气的量（物质的量），但荧光灯工作的可靠性降低（可靠性）。技术矛盾矩阵（物质的量/可靠性）得到第28条创新原理提示：机械系统的替代。减少水银蒸气的量（物质的量），但需要消耗更多的电能（能量的浪费）物质的量/能量的浪费得到第7条创新原理提示：嵌套。有利于保护环境（作用于物体的坏的因素），但荧光灯使用的能量增加了（静止物体使用的能量）。作用于物体的坏的因素/静止物体使用的能量得到第37条创新原理提示：热膨胀。572013/4/11第57页/共76页解决方案1、运用第7条嵌套解决方案：在真空管里面内嵌一个玻璃囊。2、运用第28条机械系统的替代解决方案：用高频的电磁场来打破这个玻璃囊。3、运用第37条热膨胀解决方案：利用金属线和玻璃囊的热膨胀系数不同释放水银蒸气。582013/4/11第58页/共76页结论经过计算满足性能要求的最小剂量的水银蒸气被密封在玻璃囊中。在玻璃囊的内壁上嵌着金属线圈。该玻璃囊被内嵌在真空管的一端。荧光灯被制造出来后，通过一个高频的电磁场来加热玻璃囊。由于玻璃囊和金属线圈的热膨胀系数不同，是金属线圈能够切断玻璃囊，释放出水银蒸气。同一般的荧光管制造技术相比，用这种新的制造技术，至少可以减少75%的水银含量，减少环境污染。592013/4/11Back第59页/共76页物质——场分析物质——场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术，物质——场分析将功能分解为两种物质及一种场。产品功能的实现可以认为是物质间的相互作用使之朝着期望的方向演变。模型如图。物质S1可以是被控粒子、材料和物体或过程，物质S2是控制S1的工具或物体，F是用于S1与S2之间相互作用的能量，如机械能、液压能、电磁能等。能量F作用于工具S2，使S2变换为S1。602013/4/11S2S1F系统特性举例来说，专家为了改变土壤的温度和硬度，在土壤中撒入铁粉，并在场地四周插入磁棒，以控制土壤中的铁粉和磁棒间的磁场特性，来间接改变土壤的性质，这个例子中，土壤为S1，铁粉为S2，磁场能为F第60页/共76页物质——场分析步骤利用物质——场分析方法分析系统存在的问题，建立模型并提出解决对策的步骤：612013/4/11指定物体S1指定场建立物质——场初期模型提出解决问题的对策生成所希望的物质——场模型指定作用体S2第61页/共76页物质——场的76个标准解为了快速构造物质场模型并解决基于技术系统演化模式的标准问题，TRIZ提供了76个标准建模和解决方法，并将这些方法分为五类：建立或破坏物质场开发物质场从基础系统向高级系统或微观等级转变度量或检测技术系统内一切事物描述如何在技术系统中引入物质或场622013/4/11Back第62页/共76页发明问题解决算法（ARIZ）按照TRIZ对发明问题的五级分类，较为简单的一级到三级发明问题运用创新原理或者发明问题标准解法就可以解决，但是那些复杂的非标准发明问题，如四、五级问题，往往需要应用发明问题解决算法ARI做系统的分析和求解。该算法主要针对问题情况复杂、矛盾及相关部件不明确的技术系统，尤其强调问题矛盾与理想解的标准化，一方面技术系统向理想化的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在矛盾需要克服，该问题就变成一个创新问题。632013/4/11第63页/共76页TRIZ认为，一个问题解决的困难程度，取决于对该问题的描述或程式化方法，表述的越清晰，问题的解就越容易找到。依靠ARIZ算法，初始问题最根本的冲突被清晰的暴露出来，能否求解已很清楚，如果已有的知识可以用于解决该问题则有解，如果已有的知识不能解决该问题则无解，还需等待自然科学技术的进一步发展ARIZ算法包括六个模块：1、情境分析，构建问题模型2、基于物质—场分析法的问题模型分析3、定义最终理想解与物理矛盾4、物理矛盾解决5、如果矛盾不能解决，调整或者重新构建初始问题模型6、解决方案分析与评价642013/4/11第64页/共76页ARIZ构成652013/4/11第65页/共76页ARIZ算法步骤ARIZ首先将系统中存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要机能；其次定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为“问题模型”；然后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源；进一步定义系统的理想解，通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成要素应是相互对立的物理特性。如冷的同时发热，导电时绝缘，透明同时不透明等。定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾。物理矛盾要最大限度的利用系统内的资源及物理、化学、几何学、效果工学应用知识库，如果无法解决问题，则要返回最初的地方对问题再定义。662013/4/11第66页/共76页摩擦焊接ARIZ实例摩擦焊接是连接两块金属最简单的方法，将一块金属固定另一块金属旋转，当两块金属接触时，接触部分会产生很高的热量，金属开始融化，加以一定压力金属就能焊接在一起一家工厂要用摩擦焊焊接每节