一类可持续性功能创新过程研究及软件开发

曹国忠，郭海霞，檀润华，刘宏勋

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2.河北省制造业创新方法工程技术研究中心，天津 300130）

0 引言

随着全球经济的高速发展，资源短缺、环境污染等问题日趋严重，已引起世界各国的广泛关注［1］。各国都在采取积极措施来保证资源的可持续利用和良好的生态环境［2］。可持续性问题的有效解决需要可持续性创新，这也是企业在市场竞争、消费需求、法令规定等因素共同驱动下的迫切需求。

世界上大多数可持续性问题的源头都可追溯到产品设计阶段，尤其是概念设计阶段［3］。基于可持续发展理念的设计方法分为三个层次，即绿色设计［4］或环境设计［5］、生态设计［6］、可持续性设计［7］。可持续性设计方法是为实现产品可持续性所采取的途径、步骤、手段等，已有大量的研究和应用，其输出为可持续性产品设计方案。可持续性设计实现环境、经济、社会等协调的全面性解决策略，已有大量的研究和应用［7－8］。Brezet［8］按设计对生态效益的提升作用，将可持续性设计分为产品改进、产品再设计、功能创新、系统创新四级。功能创新是在需求拉动和技术推动导向下对产品的功能系统进行优化、更新和重组的过程，包括渐进型功能创新和激进型功能创新［9］。功能创新的目标是达到功能理想化［10－11］。功能创新与功能设计既有联系又有区别。功能设计位于产品设计的上游，是依据用户需求设计产品的功能组成及功能载体的过程［12］；功能创新是功能设计的前端，但已有的功能设计研究成果主要面向功能载体设计［12－13］。功能创新与技术创新同样存在差别，其设计对象分别是功能系统和技术载体［9］。可持续性创新研究需要前端预防的理念。通过功能创新实现可持续性创新是3级创新，相对现有的主要着重于产品改进或产品再设计的可持续性设计［4－7］，是一种高级别的可持续性创新［8］。

可持续性功能创新研究已取得初步成果［8，10－11］。Cao［14］从理论、方法、工具和应用四个层面对面向可持续性创新的功能设计过程进行研究，形成了支持可持续性创新的产品功能设计模型；Daniel［15］提出改进创新表，用于解决产品功能与环境影响之间的冲突；Liu［16］提出面向功能、原理、结构和材料的可持续性创新设计准则，建立了基于效应的可持续性功能求解模型。现有研究主要面向可持续性创新过程或功能载体设计，而对可持续性功能创新关键使能方法的研究尚未开展。

本文将研究可持续性设计需求的获取、功能组合与优化、功能失效判定与消除、功能求解等可持续性功能创新关键使能技术，建立可持续性功能创新过程模型并开发相应的软件系统，以期在可持续性创新方面进行一些有益的探索。

1 可持续性功能创新过程模型

可持续性功能创新是为实现经济、环境和社会的可持续发展，根据设计需求对产品的功能系统进行构建、优化、更新和重组的过程，以产生满足多种需求的、具有一定创新性和可持续性的功能原理解。可持续性功能创新过程模型如图1所示，包括功能需求获取、功能结构构建、功能进化与预测、功能结构可持续性分析与失效判定、功能求解、方案评价等过程。

（1）功能需求获取

设计需求是对待设计产品的总要求，是连接市场用户和产品开发过程的桥梁，全面、准确地获取并分析设计需求是进行产品设计的关键。设计需求可通过需求管理过程获得，包括需求提取、需求分析、需求确认，其输出是待开发产品的功能需求。需求提取主要从产品的自身因素和产品利益相关方如用户、竞争产品和政策法规等方面进行可持续性设计需求的提取。需求分析的重点是设计需求的分类、权衡与预测，以确定需求中的环境因素和性能因素，权衡技术、环境、经济与社会间的关系，对未来需求的变化进行有效预测。需求确认是将设计需求转化为规范表达的产品功能需求，并制定设计任务书的过程。

图2所示为功能需求获取过程。功能需求获取需要先区分产品和产品利益相关方；然后利用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）／简化生命周期评价（Streamlined Life Cycle Assessment，SLCA）和环境基准等方法进行可持续性分析，确定产品生命周期各阶段和产品各属性对环境影响的程度；权衡各需求并通过需求进化预测用户的潜在需求，确定设计目标与设计需求；最后应用QFDE将设计需求转化为功能需求。

（2）功能结构构建

效应是发明问题解决理论（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）中一种基于知识的功能求解方法［9］。扩展效应模型是扩展TRIZ中现有单输入／输出流两极效应模型形成的多输入／输出流多极效应模型，并在此基础上提出构建效应链的四种效应模式和三种效应链推理方法［17］。基于扩展效应的功能建模过程如图3所示［18］，主要包括总功能到外部行为映射、外部行为到子行为、总功能到功能元映射三部分。

（3）功能进化与预测

功能结构具有开放性、动态性等特征，需要不断地调整和协调内部诸要素以提高其理想化水平。功能进化受客观规律支配［10］。由于功能进化的非均衡性以及可持续性产品利益相关方的需求差异，功能系统中的功能会遵循不同的进化定律向不同方向进化。可持续性功能进化预测主要分析临界点的特征和影响因素，提出预测区间划分规则并确定潜在的进化方向。

图4所示为功能进化与预测过程。设计人员通过需求进化、技术进化与法律法规进化分析，建立功能进化动力模型，抽取可持续性功能进化定律；建立目标性选择矩阵，依据功能需求获取所确定的设计目标规划，选取功能进化定律；利用可持续性功能进化定律和功能进化预测方法，确定功能可能的进化趋势路径，并对现有功能结构进行改进。

（4）功能结构的可持续性分析与失效判定

图5所示为功能结构的可持续性分析与失效判定过程。专利知识挖掘特指针对专利的数据挖掘，是从大量专利里搜索出隐藏于其中的、有着特殊关联性的知识发现过程。依据所建立的可持续性设计准则抽取模型，利用专利检索软件和数据挖掘软件，从专利中抽取出面向产品生命周期的可持续性设计准则、面向产品设计目标的可持续性设计准则和面向产品创新策略的可持续性设计准则，共三大类、13小类、300余条可持续性设计准则。笔者利用可持续性设计准则对功能集中的流和效应知识库中的功能实现原理／结构进行可持续性分析，提出基于流的功能配置准则和基于原理／结构的功能配置准则，在此基础上形成功能结构可持续性分析方法；然后分析可持续性产品功能失效的产生机理和演化规律，归纳功能失效类型和功能失效传播模式；进而利用贝叶斯网络进行功能失效判定，确定功能结构中发生功能失效的位置和可能性；最后建立基于扩展效应的功能失效消除方法，消除功能系统中的失效，形成改进的功能结构。

（5）功能求解与冲突消除

功能求解是确定功能结构中每个功能元的原理解，并将所有功能元的原理解合成得到待设计产品原理解的过程［12］。基于扩展效应的功能求解过程如图6所示［18］，主要包括功能元到子结构的映射和子结构到原理结构的映射两部分。在功能元的求解过程中可能会出现三类冲突：技术性能之间的冲突、技术性能与可持续性性能之间的冲突，以及可持续性性能之间的冲突。后两类冲突需要将可持续性能向工程参数转化，转化过程中可能会出现产品的一项可持续性能无法与一项工程参数完全对应，这时就需要建立多参数的冲突解决。最终，上述冲突可利用TRIZ中的冲突解决方法消除。

（6）原理解评价

根据系统设计目标及可持续性目标的要求，建立相应的设计评价体系。对所产生的系统原理解，分别进行功能性评价和可持续性评价。

（7）最终设计方案的确定

评价后将符合要求的系统原理解选定为最终的设计方案，该方案是后续技术设计的基础。

2 计算机辅助可持续性功能创新软件开发

产品功能设计的计算机实现能够为设计者在功能设计中进行决策提供参考，是设计自动化的主要任务之一。计算机辅助可持续性功能创新软件系统通过功能建模、功能进化、功能求解、结构组合、可持续性设计准则评价等过程可以形成多个原理解，为面向功能的产品设计提供有力的技术支持和保障［13］。该软件采用基于组件的系统模型，利用蛛网模型和Fusion法中的“V”型开发过程进行原型系统设计，在Windows XP操作系统环境下，采用MS Visual C＋＋6.0软件开发平台和 MS Access 2000数据库进行软件系统开发，软件系统运行环境为Windows 7／Vista／XP／2000。图7和图8所示为软件的功能进化模块和可持续准则模块。

3 工程应用

薄膜太阳能电池已成为光伏市场发展的新趋势和新热点。碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池因其材料的高效、稳定、廉价，已经成为美国、德国、日本、意大利等国家研究开发的主要对象，已有公司批量投产。目前我国CdTe薄膜太阳能电池处于实验室基础研究阶段，尚未实现大规模的产业化，其核心设备主要依赖进口。CdTe薄膜太阳能电池加热台是太阳能电池生产线的重要环节，其功能是在衬底玻璃进入沉积室之前，在真空环境下将导电玻璃加热到沉积需要的衬底温度，是实现连续沉积CdTe、保证电池质量的关键装置。现应用上述可持续性功能创新过程模型和软件系统，对加热系统进行可持续性设计。

3.1 功能需求获取

电池加热台是太阳能电池生产线中重要的环节，对其需求特性的要求比较严格，主要为加热温度均匀稳定；效率高，自动化程度高；无污染，保证人身安全（CdTe有毒）；工艺简单，成本低；维护方便，寿命长等。依据功能需求获取过程模型确定加热系统可持续性的设计指标如下：经济指标包括提高加热系统工作效率、提高太阳能电池合格率、合理配置各类资源、降低生产成本和模块化程度高等；环境指标包括减少原材料、资源和能量的种类、使用和浪费，减少生产过程中废弃物的排放等；社会指标包括能够为人们提供安全舒适的环境和健康保证等。

3.2 功能结构构建

依据工艺需要确定加热台的总功能是在真空环境里连续地增加玻璃温度，并且能够实现保温，如图9所示。将总功能分解为移动气体（形成真空）、加热固体（玻璃）、移动固体（玻璃）和保持温度。应用计算机辅助可持续性功能创新软件中的效应实例模块，结合系统资源分析可确定实现各分功能的效应链（如图10），进而获得相应的各功能元。将各功能的关系组合形成加热台功能结构，如图11所示。

3.3 功能进化与预测

加热系统的后续过程为CdTe沉积，因此加热与沉积接口位置存在CdTe污染物质流；另外，在加热过程中都伴随着能量的耗散与损失。为了实现沉积系统的高效运行，必须以系统、整体的观点研究整个系统，研究系统的物质流、能量流与信息流的相互作用关系，并通过三流之间的协同作用构建整个系统的协同。从功能创新的角度，需结合功能进化定律选择进行合理化的进化方向定位。依据功能进化的目标性选择矩阵，系统达到全局理想化可选用的功能进化定律有功能精简化定律、功能集成化定律、功能动态化定律、功能可控化定律，以及功能改进协调化定律等，以增强系统的功能效益，提高系统各部分的系统性、完整性和适应性的目的，实现时间、空间和功能上的有序，以及低能耗、高效率、低物耗、低污染、高效益、高和谐性的系统演化。依据功能进化定律，对现有的功能结构进行改进，并进行模块划分，改进后的加热台功能结构如图12所示。

3.4 功能结构的可持续性分析与失效判定

依据可持续性设计准则评价选用效应集，选择合理利用创新资源、有效满足系统性能要求、对人及环境危害小的实现原理，以保证功能结构的可持续性。例如，通过可持续性分析确定需要对真空泵抽出的“废气”进行二次回收利用，利用真空资源进行改进设计，选用环保材料石墨，满足加热效率的同时又满足可持续设计的要求等。功能失效判定主要是发现功能结构中不合理的功能输入／输出流、不当的功能操作次序、功能产生的有害作用，以及系统的能耗指标和控制复杂性等，并在协调性上进行改进，保证整个沉积系统的高效益和高协调性。例如，“形成真空”功能要求腔室必须始终是封闭的；但是“移动玻璃”功能则要求不断地进入腔室，这样腔室又必须是开放的。由于腔室已经存在，只需要把腔室分割出两个小腔室，利用小腔室在不同时间与真空腔和大气环境相通来保持真空。这与实现结构有关，可以在功能求解过程中实现。

3.5 功能求解与冲突消除

应用计算机辅助功能设计软件系统中的效应实例模块，通过浏览功能树视图，搜索实现功能结构中功能元的子结构。将各子结构按照功能结构及结构组合规则进行连接，形成加热台原理结构，如图13所示［19－20］。加热台共设置6个加热腔，各加热腔分别采用独立的加热元件实现，并分别布置有热电偶测温和控温；加热元件采用石墨板，对称地布置在衬底玻璃上下两侧；隔热屏采用聚乳酸可生物降解发泡材料，采用截面半圆型对接式，下隔热屏固定在下腔体的托架上，上隔热屏固定在下隔热屏上；输送装置包括主动辊和从动辊，主动辊伸出真空腔由直联式电机驱动；上下真空腔外侧布置有水冷管道，能够使腔体外部温度降低到适宜温度；真空腔前后各布置一个真空过渡腔室，每个真空过渡腔室设置前后两个活动门，分别由凸轮机构驱动，两个凸轮机构布置在同一根驱动轴上，靠凸轮轮廓形状及凸轮在轴上布置的角度控制前后门开启关闭的时间。笔者基于加热台原理结构进行了加热台生产线设计，如图14所示，并通过模块化设计优化系统结构和尺寸，同时简化操作降低劳动难度和强度；通过生产线外观设计改善工作的单一性，增加愉悦因素，降低疲劳度，提高工作环境质量。

3.6 原理解评价

与现有结构相比，图13中的加热台原理结构能够实现连续式加热，凸轮结构能够保证实现真空的可靠性高。产品可持续性明显：①装配简单，真空腔和加热腔都采用对接式结构，方便内部结构的装配。②能源利用效率高，板式石墨既具有高的热效率，又能保证加热均匀，圆柱型隔热屏的热效率高。③输送装置采用输送辊，与衬底接触面积小。④隔热屏采用聚乳酸生物可降解材料，不污染环境。⑤真空腔外侧水冷却，保证操作者的操作安全；真空腔采用现有的船舶用碳钢管技术，该技术成熟且制造成本低。

3.7 最终设计方案的确定

经过综合评估，图13中的加热台设计方案可满足系统功能需求和可持续设计准则，能够作为最终的可持续性功能设计方案进行后续设计。

4 结束语

本文基于前端预防的理念，将产品功能创新与可持续设计集成，建立系统化可持续性功能创新过程模型，并开发出计算机辅助可持续性功能创新软件系统，为产品可持续性功能创新设计提供了一种新方法和支持工具。CdTe薄膜太阳能电池生产线加热系统创新设计实例表明，该方法能够有效地支持可持续性功能创新，有利于产品多层次创新设计。产品可持续性功能创新过程需要大量专利数据的支持和检验，在分析方法、知识表示等方面尚需进一步深入研究。

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