产品平台是一组相似产品在一定水平上共享的由功能、技术和结构组成的产品架构，以及表达功能、技术和结构信息的知识架构。基于产品平台进行产品族开发既能有效降低开发成本，又能在一定程度上灵活满足顾客对新产品的需求，这种产品开发策略已在一些行业和企业得到了应用^[1]。

作为衍生产品开发的基础，产品平台在一定时期内必须是稳定的，以保证产品平台形成的批量经济性和效率。但是随着人们对产品需求的变化和增长，产品的功能和结构将发生变化，长期不变的平台就会成为引入新技术、提高产品竞争力的障碍，因此需要适时进行平台升级和重构，对平台的元素和结构及时作出适应性改变^[2]。Meyer和Mugge^[3]提出产品平台必须进行管理，并基于惠普的经验指出，如果平台不被更新，则它的衍生产品将会过时，不能适应顾客对产品功能和价值的要求；Kalid和Waguih^[4]认为通过产品平台进化升级实现平台多元化是使产品满足客户期望和提高竞争力的根本途径。Navarrete和Guzmán^[5]提出降低产品平台复杂性是平台进化的一个重要方向，是产品性能提高的基础。王浩伦^[6]提出了通过解决模块基因操作引发的冲突来实现平台演进的模块基因操作方法，但该方法没有从平台出现的问题出发，对需求变化不能产生有针对性的响应，其基因操作方法不够具体，对平台进化的方向不明确，并且只使用了冲突解决理论这一种工具，较为单一，该方法也没有深入到平台特性细节层面；郭立超^[7]以内部要素变化和内外部影响因素两个层面，提出平台升级经历平台扩展、平台跳跃和平台完善三个阶段。Wang等^[8]基于产品平台生命周期的概念，构建了产品平台创新和演化的理论架构，对平台设计所涉及的理论、操作方法和使能技术进行讨论，提出了使用多理论组合完成平台创新和进化的方案。目前主要是从创新管理和战略管理的角度对产品平台的进化过程和创新对平台进化的驱动作用进行了研究，提出了产品平台进化的原理和原则。但这些研究对产品平台进化规律的描述过于宏观，缺乏具体的平台进化设计方法，不能切实指导技术人员实施平台进化。据此，本文以平台模块和模块特性的调整优化为手段，形成具有可实施性和可操作性的平台进化方法以实现产品平台进化。

产品平台及其产品族演化具有生物族群进化的特征，因此将产品平台元素和架构的发展演化过程称为产品平台进化，其表现为以平台元素变化为主的升级和以平台架构变化为主的重构。实现产品平台进化的设计就称为产品平台进化设计。

类似于生物进化，产品平台进化存在以下特点：

1) 功能理想化。基于产品平台进行衍生产品开发，产品平台对于产品功能的实现具有重要作用。平台进化可以使衍生产品的功能理想化，使产品可以更好地实施功能^[9]。

2) 需求进步性。产品平台进化并非全部指标共同进步，进化中也可能存在退化。进化要满足用户不断增长的多样化需求和响应产品技术的进步。

3) 局部模块化。类似于产品平台设计，产品平台进化以模块为单位，把平台中不满足用户需求的因素归结到某一个或几个模块上，把模块作为进化的对象，以模块进化为手段实现平台进化。

根据产品平台进化的表现，把平台进化分为2类：升级进化和重构进化。升级进化是以模块的特征参数为操作对象，实现模块的进化；重构进化是以模块为操作对象，实现平台的变型重构。2种方式进化程度不同，升级进化低于重构进化。

平台进化的动力主要在于两方面：需求拉动和技术推动。平台设计的过程中，对用户需求的敏感性促进了平台的进化。需求发生变化以后，由于平台元素对需求的敏感性，必然会导致平台元素或架构发生变化；当相关产品的功能实现原理或技术发生变化时，作为产品开发的基础，平台也必须随之进化。

秦红斌等^[10]建立了基于层次分析法-加权灰色关联度方法的平台综合评价决策模型；崔海龙等^[11]提出了基于证据理论的产品平台方案定量评价方法。这些方法从不同的角度对产品平台进行评价，但需要复杂的数学计算，实际使用非常困难。因为产品平台是由对需求变化不敏感的零部件或模块组成^[9]，要满足需求的增长或者出现新的共性需求，就必须对平台的某些模块作出改变，这时就需要对平台实施进化，以保证产品的竞争力。另外，当产品族中主要衍生产品进入成熟期也预示着需要对平台实施进化。

正是由于基因的存在，使得生物在代际间得以遗传和进化。类似地，产品也有更新换代，产品在更新换代过程中，优良特性得以继承，并不断加入新的优良特性，基于此，有学者提出了“产品基因”的概念^[12]，表征产品设计过程中用来继承和传递产品知识的标准化的产品信息^[13]。Chen等^[14]利用基因工程进行产品的创新设计，提出了虚拟染色体的概念，建立了产品染色体编码和存储的数据库技术^[14]。作为衍生产品的基础，产品平台同样也存在类似的平台信息，这种信息在平台进化中也具有重要作用。由此提出了产品平台基因的概念，参照生物基因模式，对出现在产品平台生命周期不同环节、具有不同内容的产品平台信息进行建模，并加以标准化，可用来在平台设计与进化过程中继承和传递产品平台知识，这种平台信息即为产品平台基因(product platform gene，PPG)。根据产品平台信息的分类，把平台基因分为3类：功能基因(functional gene，FG)、实体元基因(entity gene，EG)、特征基因(characteristic gene，CG)。产品平台基因就可以表示为：PPG={FG，EG，CG}，其中，FG={FG₁，FG₂，…，FG_n}，EG={EG₁，EG₂，…，EG_n}，CG={CG₁，CG₂，…，CG_n}。

因为产品平台的各种信息依托于组成产品平台的模块，而基因是DNA上具有遗传效应的片段。类似于基因与DNA的关系，把模块视为DNA，基因就是依托于模块的各种信息。产品平台DNA和基因的关系如图 1所示。

图 1 平台DNA与基因的关系 Fig.1 Relationship between platform DNA and gene

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产品平台优良基因决定了进化的方向和尺度。获取优良基因首先要根据质量功能展开(quality function deploy，QFD)方法，由需求变化确定产品平台的功能变化。因为单个功能可以由多种结构提供，所以功能与结构之间是一种“一对多”的映射关系。需求的变化最终体现在产品功能的变化上，因此，优良基因的获取是结合“功能—行为—结构”模型，由变化的功能出发，映射到不同结构，再把结构分解出实体元基因和特征基因。这种获取方式如图 2所示。

图 2 产品平台三种基因映射关系图 Fig.2 Mapping relationship between three kinds of genes for product platform

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有时某种结构分解出的实体元基因和特征基因不够优良，此时实体元基因继续在结构可靠、耗材节约的产品中从执行元件、传动元件和定位元件中提取；特征基因则继续在材料、加工方式等特性先进的产品中获取，特征不是独立的，是受功能和结构影响的。

另外，TRIZ中的技术进化定律也有助于获取优良基因，技术系统进化针对产品，而平台并非一个完整产品。因此，可以选择合适的技术进化路线，对构建产品平台的那组产品进行技术进化^[15]，在产品的进化过程中可以得到产品平台某些模块或模块特性的进化结果，得到进化后的优良模块和优良特性，这代表了产品平台进化的方向，也是获取优良DNA和优良基因的重要来源。同时，这也可以帮助确定需要进化的模块。

3类基因获取以后，组成产品平台基因库，按照图 2的方式，以功能索引的方法从基因库中选择优良基因，为后续基因调优算子的使用提供条件。

“算子”原本是一个数学概念，是指一个函数空间到另一个函数空间上的映射。通常人们将算子理解为：人在解决问题时要利用各种操作来改变问题的起始状态，经过各种中间状态最后将逐步达到目标状态，从而解决问题。由此把基因调优算子定义为以平台进化为目的而对平台DNA和平台基因进行调整优化的有目的性的操作手段，并提出了重组、变异、替换、删除和增添等五种基因调优算子。

平台DNA重组是指对平台的模块进行重构，通过对平台模块的重新组合实现产品平台的进化。使用这种方式，可以不改变产品平台的外部功能，只对其内部结构进行重新整理，改变不同模块的位置，调整平台结构，在这种调整和改变中寻找使平台进化的机会，使产品平台得以进化而对需求变化和技术进步始终具有较强的响应能力。例如可重构机器人，通过对模块进行组合，能够简单快速地装配成适合不同任务的几何构形，适应性强，而且具有很好的柔性，这充分证明模块重组可以产生进化机会。

产品平台基因重组与生物学基因重组的概念不同。产品平台基因重组是指对产品平台各模块上的基因进行重新组合。功能基因、实体元基因和特征基因的重新组合就是将功能元素、实体元素和特征特性在整个产品平台范围内进行优选分配，把3类元素分配至合适的位置上，使平台在功能实现、实体结构和模块特性方面得到进化，如图 3所示。另外，平台基因的这种重组也可能使平台的某些整体特性得到改善。

图 3 产品平台基因重组示意图 Fig.3 Schematic diagram of gene recombination for product platform

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有学者提出“形态转换设计”的概念，就是为使产品执行新功能或产生新特性，自身形态发生改变的一种产品设计方法。DNA变异就是对模块进行相应形态转换，使其形态发生变异，以适应新功能、新特性。这些变异包括以下几个方面：

1) 组合/分离：使单一功能的元件变成2个或多个离散化的元件，其中至少有一个拥有它自己独特的转换模块的状态所定义的功能；反之亦然，具有不同的或相似的主要功能的2个或更多的元件可以组合以形成一个新的元件。

2) 显示/隐藏：显示或隐藏一个新的表面来改变功能。这个原理是改变模块表面从而改变模块的主要功能。这种改变可以带来模块元件间的交互和/或模块本身的整体形式的改变。

3) 扩展/简缩：主要是沿一个轴在平面或在三维空间中改变一个模块的物理尺寸，使增加/减少其占用的体积。

另外，对模块某一特性的整体性改变也视作DNA变异，如模块整体材料的改变。

生物学基因变异是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。产品平台基因变异有2个含义：一是指将平台基因中实体元基因和特征基因在模块内进行交叉互换，将模块上代表某些特性的基因放在真正适合的位置上，如图 4所示。例如阶梯轴，由于在不同位置负载不同，轴在不同位置的尺寸也不同，在保证强度的前提下应节约材料。在可能的条件下，功能基因也可以进行交叉互换，使该模块可以更可靠、更优良地执行相应功能。二是指对模块上的3种基因针对需求变化和技术发展作出相应的改变，这种改变是进步性的，如图 5所示。基因的这种变异更多地针对实体元基因和特征基因，如尺寸参数的变化就可以视为基因变异。

w 图 4 产品平台基因变异示意图(1) Fig.4 Schematic diagram of gene variation(1) for product platform

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图 5 产品平台基因变异示意图(2) Fig.5 Schematic diagram of gene variation(2) for product platform

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平台DNA替换是指用新的模块代替原有模块。模块整体的替换对成本和可操作性的要求较高，但这种方法要比对模块进行适应性修改操作方便，产生的平台进化效果也更显著。这种替换是对模块做一些适当的改变后再进行替换。

平台基因替换就是指用1个或几个新的基因代替模块上的某个或某些原有基因，以改善模块特性，如图 6所示。这种替换是整体性的、一对一的替换，如某模块的材料由铝合金替换成铸铁，以提高其强度。基因替换与基因变异不同，变异是向着问题解决的方向变化，并不一定是彻底性的改变。

图 6 产品平台基因替换示意图 Fig.6 Schematic diagram of gene replacement for product platform

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平台DNA删除是指直接将出现问题的模块删除。模块的整体删除是一种比较激进的手段，也是一种进化层次较深的手段。如何选择删除的模块也要遵循一些原则，这些原则总结如下：

1) 如果有些功能已经不被需要，那么该功能的载体(即执行该功能的模块)就可以删除。

2) 如果某模块所执行的功能可以被其他模块提供，那么该模块可以删除。

3) 如果功能作用的对象去掉了，那么执行该功能的模块也可以删除^[16]。

4) 如果某模块的功能实现原理已经不符合目前技术条件和环境要求，新的原理或技术已经出现，那么该模块可以删除。

平台基因删除是指：当模块的某些特性不再需要时，包含这些特性的基因可以删除(如图 7所示)。基因删除更多针对功能基因和实体元基因。

图 7 产品平台基因删除示意图 Fig.7 Schematic diagram of gene deletion for product platform

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无论是基因删除还是DNA删除，结果都是使平台结构简化、成本降低、集成化程度提高，从而使产品平台得到进化。

平台DNA增添就是在平台中增加模块。平台模块本来就是一组相似产品的通用模块，平台中再增加模块就提高了通用模块的数量。这种情况发生在某类产品的某些特性或性能成为了市场共性需求时，提供这些特性和性能的模块就可以添加到产品平台中。通用程度是衡量产品平台优劣的一项重要指标，也是产品平台进化的一个重要方向，提高通用性、降低内部多样化可以有效降低生产制造成本。

平台基因增添是指：将优良基因植入模块中，与原有基因拼接，把该基因所包含的优良特性赋予该模块(如图 8所示)，可以提高模块的性能，从而实现平台进化。模块上新的特性或性能的加入也可以为上文中DNA删除或基因删除提供可能和条件。

图 8 产品平台基因增添示意图 Fig.8 Schematic diagram of gene addition for product platform

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基于基因调优算子的产品平台进化流程如图 9所示。

图 9 基于基因调优算子的产品平台进化流程 Fig.9 The product platform evolutionary process based on genetic optimizing operators

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其中：

1) 未来需求预测可以保证平台进化后对未来需求变化的稳健性，并且有利于开发新产品和拓展新市场，提前培育企业竞争力。发掘与平台进化相关的潜在需求的方法有2种：

① 通过TRIZ中需求进化定律^[15]对未来需求进行预测，主要内容及其关系如图 10所示。

图 10 TRIZ中的需求进化定律 Fig.10 Law of demand evolution in TRIZ

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② 基于情景分析的需求预测是一种以情景为核心的系统化预测分析，该方法将用户包含在系统设计中，从用户出发详细地给出人机交互过程中的全部角色，提前构建各种不同情景，主要是假定不同身份的使用者(职业、年龄、受教育程度、信仰等不同)，不同的使用环境(地理环境、社会环境、政治环境等)，不同的生活场景和不同的动作事件等。将用户与产品置于其中进行交互，通过不同的用户体验激发设计者对不同需求的预测，借此得到产品平台进化的方向。

2) 进化方式的选择是该流程中的一个主要环节。使用根原因分析方法，对平台问题展开分析，确定问题是出现在模块层面还是模块特性层面。根原因分析的过程^[17]如下：

① 从出现的问题表象出发，找出引发该问题的直接原因。

② 把这些原因作为结果，寻找产生这些结果的上一层原因。

按照步骤① 和② 进行分析，直至找到根原因出现的层面。

3) 对产品平台模块(平台DNA)和模块特性(平台基因)进行上述五种调优算子操作后，如果平台没有因此出现发明问题，则直接或通过细微调整可得进化方案。当然，调优算子操作可能会使平台出现新的问题，如：变异、增添、替换操作后，变化的或新加入的DNA和基因与原有DNA和基因的协调存在问题；删除操作后，平台上因为缺少该模块所引起的后续问题；等等。如果出现类似发明问题，可以使用TRIZ中冲突解决理论、76个标准解和裁剪等创新工具来解决。可以用基于物质-场分析、QFD和公理设计的冲突确定方法来确定产品平台上出现的冲突^[15]。

4) 判断方案是否可实施，即方案评价。可实施需满足2点要求：一是进化方案与用户需求对比，是否切实满足用户需求；二是产品平台进化前后对比，除满足用户需求外，进化后是否给平台带来其他优良特性，是否存在某些重要平台指标的下降，如果存在后者，进化方案不可实施。

以河北某企业生产的冲压机械手为例，首先构建该企业冲压机械手产品平台，然后根据需求变化，对平台实施进化。冲压机械手产品三维图如图 11所示。

图 11 冲压机械手3D模型图 Fig.11 3D model diagram of stamping manipulator

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采用基于结构敏感性的产品平台设计方法^[18]建立冲压机械手平台，对机械手底座(T1)、移动臂(T2)、支撑臂(T3) 和加强筋(T7) 实现了通用化。动力装置(T4) 和控制箱(T5) 为通用模块。抓取装置(T6) 为个性化模块，根据所要抓取的工件结构、重量和表面平整度的不同，选择不同的抓取方式(主要是磁吸式和气吸式)和抓手结构。为了节约设计成本，平台模块间接口和约束关系与机械手产品相同。

据市场调研和用户反馈，该企业所生产的冲压机械手存在部件可靠性低、耗材较大、成本高和外形不美观等问题。这些问题是共性问题，只有在平台层面上，以解决这些问题为目的实施产品平台进化，才可以实现整体性的解决。

对于机械手部件可靠性低、耗材较大、成本高等问题，作根原因分析，结果是：1) 移动臂模块T2的主体臂是由型材拼接，并且尺寸过剩。2) 支撑臂模块T3存在尺寸过剩。3) 加强筋模块T7是由螺栓连接构成，可靠性不足。4) 底座外壳不够美观。其中，1)、2)、4) 属于平台基因层面，3) 属于平台DNA层面，分别选择重组、变异、增添、替换和删除五个算子中的某一个或某几个，得到至少1种进化方案，最后选择合适的方案，对平台实施进化。

移动臂主体如图 12所示。

图 12 移动臂主体 Fig.12 Main body of mobile arm

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首先对移动臂进行基因分解，如图 13所示。

EG2型材：PS-8040；CG3：长为860 mm，宽为80 mm，高为40 mm 图 13 移动臂基因分解 Fig.13 Decomposition of mobile arm gene

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由上述问题1) 出发，逐一分析移动臂三类基因，并辅之ANSYS计算。移动臂存在问题的基因主要有EG₁(托板)、EG₂(型材1)、CG₂(螺栓拼接)和CG₃(长宽高)等，根据平台基因的5种调优算子，对上述4个问题基因进行调优。

基因EG₁(托板)主要起加固强化作用，经过ANSYS计算，可以将其删除。

对EG₁(托板)进行基因删除操作后，EG₂(型材1) 单独提供移动臂负载功能，经过ANSYS计算并经现场试验，型材1存在功能过剩，这里可以使用基因替换，在型材库挑选合适的铝合金型材来替换型材1。

托板和型材1是用螺栓拼接在一起的，这种配合关系可靠性差，并且不符合产品发展潮流。必须对CG₂(螺栓拼接)进行基因删除，可以用一个更合适的型材来同时替换托板和型材1。

移动臂的长宽高尺寸经过计算是可以适当减小的，所以可以对CG₃(长宽高)进行基因替换，更换尺寸略小的型材，以节约材料、降低成本。

经上述分析，在铝合金型材库中挑选一种宽为60 mm，高为40 mm的型材，如图 14所示。

图 14 进化后的移动臂型材 Fig.14 The mobile arm profile after evolution

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经过ANSYS计算，进化后的移动臂在承担与原移动臂相同的工件负载时，所受最大应力小于铝合金安全应力，如图 15所示。所以，该结构可以替换，满足用户需求。并且，经测算，该结构质量(2.6 kg)与原移动臂质量(3.7 kg)相比，减轻1.1 kg，间接节约成本20%。

图 15 移动臂进化后的静力分析 Fig.15 Static analysis of the moving arm after evolution

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支撑臂主体图如图 16所示。

图 16 支撑臂主体图 Fig.16 Main body of support arm

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由上述问题2) 出发，对这一实体元基因实施基因变异，可以考虑去除材料或者减小尺寸，从而降低耗材。选取2种对该实体元基因的操作方法：去孔和去槽，分别如图 17和图 18所示。

图 17 支撑臂主体去孔结构图 Fig.17 Pore structure diagram of the main body of support arm

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图 18 支撑臂主体去槽结构图 Fig.18 Groove structure diagram of the main body of support arm

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支撑臂承担移动臂和工件总重，由加强筋板提供支撑，经过ANSYS计算，这2种结构与原支撑臂承担相同负载时，所受最大应力小于铝合金安全应力，如图 19和图 20所示。与原有支撑臂相比，2种结构分别节约材料0.9 kg和1.1 kg，但是为了便于布线和固定导轨，选择图 17所示的去孔结构。

图 19 去孔结构静力分析 Fig.19 Static analysis of the pore structure

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图 20 去槽结构静力分析 Fig.20 Static analysis of the groove structure

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该企业现有冲压机械手产品中，加强筋结构主要是由不同的45钢型材或板材由螺栓连接而成，批量生产时效率差，成本高，可靠性不足。问题3) 针对的是一个整体模块，所以，考虑关于对平台DNA的5种调优算子：

① 选择DNA变异，改变加强筋模块的加工方式为铸造，这样可以通过量产提高效率，并提高可靠性。

② 选择DNA替换，在基因库里选取一种新的结构整体替代现有的加强筋。经过分析，选择图 21所示的加强筋结构。

图 21 进化后的加强筋结构 Fig.21 The structure of the stiffeners after evolution

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综合上述① 和②，用铸造的方式生产图 21所示结构，改变原来型材拼接的加工方式，与原有加强筋相比，提高了强度和可靠性。

随着人们需求层次的逐渐提高，产品外观已然成为产品竞争力的重要部分。通过对现有产品平台中底座外壳的分析可以得出，采用护板、连接板、侧板拼接这种结构生产困难，外形也不美观。在相关产品中提取相关结构的优良基因，选择圆弧形护板，进行实体元基因的替换，与原有基因拼接，得到底座壳体实体图 22所示。

图 22 进化后的底座壳体 Fig.22 The base shell after evolution

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面对新的需求，利用平台DNA和平台基因的5种调优算子中的替换、删除、变异对冲压机械手产品平台的移动臂、支撑臂、加强筋和底座外壳进行了调整优化。与进化前平台相比，节省材料10%左右，减轻了重量，可减少导轨磨损，提高使用寿命，也使运行平稳，振动降低，运动精度提高；另外，生产方式由拼接到铸造的转变也提高了可靠性和生产效率。

产品平台并非一个完整的产品，所以产品平台进化与产品进化存在很大不同。鉴于产品平台进化的特殊性，结合生物学基因的思想，对产品平台进化设计进行研究。考虑DNA和基因的关系，提出了在平台DNA和平台基因两个层面实施进化，并构建了基于重组、变异、增添、替换和删除等五种调优算子的产品平台进化模型，以平台模块和模块特性的调整优化为手段，形成了具有可实施性和可操作性的平台进化方法。最后以某企业冲压机械手为例，首先构建其产品平台，然后对该平台实施进化，从平台层面对机械手产品进行改进，降低了成本，提高了产品性能。产品平台基因以及将其用于平台进化的研究尚处于起步阶段，还不成熟，但是具有很好的研究前景和实践意义。增加更多的调优算子，并当新技术出现时，面对新技术的推动，产品平台如何更新进化是下一步研究的重点。