1.FC-CRS的结构设计

根据8～18岁用户身高在128.5～172.7cm范围内变化的特征，在未添加“检测身高”功能的基础上，初步设置机身高度为100cm，正向观察机箱宽度为60cm，侧向宽度为80cm。根据设计目标的要求，对设备的整体布局首先做出规划，如图7.10所示。

以功能、功能所对应的性能指标及性能期望值的相对变化量为单元进行分析，根据表5.3选择部件的应用方式，分别确定各功能模块可应用的部件。

图7.10　FC-CRS的整体布局与传出路径图

图7.11　FC-CRS的传入介质路径

（1）“传出有价介质”单元

“传出有价介质”单元由“功能F′a1—传出有价介质”“性能指标—可靠性、工作速率、包容性”及相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别为0、0、+0.5。在行业内，有价介质的传输机构一般包括3种类型：传动轮与浮动轴承配合，皮带轮与浮动轴承配合，皮带与皮带摩擦传动。根据性能期望值的变化量，相对于主流产品采用部件移植的方式，考虑到皮带与皮带摩擦传动的方式设计成本相对较高，为提高系统的价值，在平直传输轨道中应用传动轮与浮动轴承配合的方式，在拐弯处采用皮带与轴承配合的传动方式。传出介质的路径如图7.10中箭头所示方向。传出有价介质的面额包括1元、5元、10元、50元，控制器根据用户输入的取款金额进行配钞，启动小面额钞箱工作，介质从小面额钞箱传出，沿着传输路径经过介质的检测模块，最终将介质输出。

（2）“传入有价介质”单元

“传入有价介质”单元由“F′a2—传入有价介质”“性能指标—可靠性、工作速率、包容性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别为0、0、+0.5。传入有价介质的路径与传出路径有共用部件，通过换向机构实现传入与传出两种工作状态的变换。由于传入有价介质中允许包括100面额的纸币，因此传入有价介质的路径相对传出有价介质的路径较长，如图7.11中箭头所示路径。用户通过输入存款指令，并将介质放置于入钞口，介质依次被分离、检测、传输。根据介质检测的结果，分别将介质存入相应面额的储存钞箱，包括100元、50元、10元、5元、1元这5种面额的有价介质钞箱。

（3）“检测有价介质”单元

“检测有价介质”单元由“F′a3—检测有价介质”“性能指标—可靠性、稳定性、包容性”及其相应的“性能期望值”组成，且性能期望值的变化量分别为0、0、+0.1。检测有价介质包括检测介质的面额、真伪、有无缺损或者拼接等，通过采用“部件移植”的方式，应用接触式图像感应装置（Contact Image Sensor，CIS）检测介质的面额、真伪，应用厚度识别技术检测介质有无缺损或者附着胶带等。由于被检测的有价介质面额包括100元、50元、10元、5元、1元这5种类型，介质的厚度稍有差别，因此对厚度识别部件的精度要求较高，最终构成介质的检测模块，如图7.12所示。

图7.12　有价介质检测模块

（4）“读取账户信息”单元

“读取账户信息”单元由“功能F′a4—读取账户信息”“性能指标——可靠性、工作速率、易操作性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别为0、0、+0.1。在原主流CRS中，采用对磁卡或芯片卡进行信息读取的接触式读卡方式，为提高“读取账户信息”的“易操作性”，也考虑到8～18岁用户易出现“忘拔卡”的状况，因此采用“部件替代”的方式，应用非接触式IC卡的读卡部件替代接触式的读卡部件。应用射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）[187]，又称无线射频识别，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，读写器在有限范围内即可对卡片信息进行读取，因此，在读取卡的过程中，不必插拔卡。此外，非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，因此更加便于用户使用。

非接触IC卡的读写过程示意图如图7.13所示。用户在使用非接触IC卡进行操作时，只需将卡片贴在指定区域内，读卡器通过发射无线电讯号读写用户数据，数据通过计算机处理，最终由控制器控制显示屏显示出用户信息，并提供键入密码的操作界面。此外，根据用户输入的存款或取款操作指令及金额，控制器根据输入的操作指令控制读卡器对用户的身份识别结果在一定时间内有效，即无须重复刷卡，也避免了由于用户“忘拔卡”所引起的问题，大幅度提高读卡操作的可操作性。

图7.13　非接触IC卡的读写过程示意图

（5）“分离有价介质”单元

“分离有价介质”单元由“功能F′a5—分离有价介质”“性能指标——可靠性、包容性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别为0、0.5。主流CRS应用的技术为摩擦力分离介质的原理，此外，分离介质的技术还包括真空吸附技术，经实验表明，采用“部件移植”的方式，应用摩擦力分离介质的技术部件，通过调整相啮合的传输轮组间的相对安装角度，即可实现分离多种面额有价介质的功能。分离有价介质模块包括齿轮传动部件、拾钞轮轴、拾钞轮、分钞轮轴、分钞轮、反转轮、弹簧、支撑部件及连接件等。分离介质模块如图7.14所示。

（6）“储存有价介质”单元

“储存有价介质”单元由“功能F′a6—储存有价介质”“性能指标—可靠性、容量、便携性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别是0、0、+0.1。在满足容量要求的情况下，采用“部件替代”的方式，改变介质存储的方式。一方面可实现介质的循环存储，用户存进的介质能够被再次取出，有利于更方便得为用户提供服务；另一方面，在容量相同的条件下，减小了介质存储部件所占的体积。

图7.14　分离介质模块

（7）“提供能量”单元

“提供能量”单元由“功能F′b1—提供能量”“性能指标—可靠性、节能性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别是0、+0.1。沿着FC-CRS传入有价介质的轨道分析，分离有价介质模块由1部电机带动；检测有价介质模块与相邻的平直传输部件共用1部电机；垂直传输部件由1部电机工作带动；100元面额介质的传动部件和堆叠部件分别由1部电机带动，即需要2部电机；向4个小面额介质存储部件传输介质的平直轨道、垂直轨道、两个方向的平直轨道内的传输部件分别需要1部电机，共4部；4个小面额介质存储部件由于涉及两个旋转轴，因此分别需要2部电机。沿传出有价介质的路径分析，堆叠有价介质部件需要1部电机。经统计，总计需要19部电机。相比于主流CRS，电机的数量并没有减少，但由于传输路径的缩短，工作时间的减少，所消耗能量有所降低，因此在某种程度上节省了能量。

（8）“接收用户指令”单元

“接收用户指令”单元由“F′b2—接收用户指令”“性能指标—可靠性、灵敏度、防窥性”及其相应的“性能期望值”组成，性能期望值的变化量分别是0、+0.1、0。由于新用户群体的身高变化范围大，考虑到新市场破坏性创新产品具有体积小、结构简单、易操作等特征，机身高度设计为100cm，主流CRS中所应用的机械式按钮面板与键盘占据空间较大，且灵敏度较低。为了满足8～18岁用户的使用需求，采用“部件替代”的方式，应用电容式触摸显示屏替代原机械式的按钮面板和键盘，且触摸屏的尺寸设计为7寸，既能够提高“接受用户指令”功能执行操作的灵敏度，也减小了屏幕尺寸，如图7.15所示。

图7.15　接收用户指令模块的替换

（9）“出具凭证”单元

图7.16　打印凭条模块

“出具凭证”单元是由“F′b3—出具凭证”“性能指标—可靠性”及其相应“性能期望值”组成，性能期望值的变化量为0。通过“部件移植”的部件配置方式，应用热敏打印技术部件实现对凭条的打印，打印凭条模块包括送纸机构、热敏打印机头、切刀等零部件。打印凭条模块如图7.16所示。

（10）“发出提示语音”单元(www.daowen.com)

“发出提示语音”单元由“F′b4—发出提示语音”“性能指标—可靠性”及其相应“性能期望值”组成，性能期望值的变化量为0。通过“部件移植”的方式，应用语音提示器实现此功能。

（11）“保护机身”单元

“保护机身”单元由“功能F′b5—保护机身”“性能指标—可靠性、防护性”及其相应“性能期望值”组成，性能期望值的变化量为0、0.1。主流CRS主要安装于银行网点旁等较为开放的环境中，而FC-CRS主要安置于中小学教学楼、科技楼等的大厅内，相对安全系数较高，因此在对机身的防护设计中减少资源消耗，缩减成本。

2.FC-CRS的系统优化

由对FC-CRS各主要组成模块的部件配置过程可知，“出具凭证”与“发出提示语音”单元为未改变系统，估算成本分别约为2000元、500元人民币，因此成本之和约计为2500元。由于设计目标对硬件结构组成部分的总成本限制为18 000元人民币，则遴选子系统的成本之和约束为15 500元人民币。罗列各遴选子系统名称及相应模块的估算成本，由于传入有价介质与传出有价介质功能存在共用部件，且对应相同的性能期望值，因此将其合并为一个子系统进行分析，结果如表7.7所示。

表7.7　FC-CRS遴选系统的成本估算

表7.7中结果显示，遴选子系统的估算成本之和超出成本预算450元人民币。根据表7.6中所示的各功能的角色及其相对应的性能期望值，依据式（5.2）分别计算各遴选子系统的价值，结果如表7.8中所示。

表7.8　遴选系统的价值

由表7.8中对各子系统价值的计算结果可知，“检测介质系统”“储存介质系统”“接收用户指令系统”“提供能量系统”与“保护机身系统”的价值较低，因此分别对这4个子系统进行分析，最终使设计成本降至设计约束内。经分析，“提供能量系统”与“保护机身系统”由于所设计的传输路径短、结构简单，无优化潜力，因此将研究目标转移至“检测有价介质”系统与“储存有价介质”系统。

（1）“检测有价介质”系统的二次破坏

根据表7.6可知，“检测有价介质”系统由“检测有价介质”功能对应“可靠性（P1）”“稳定性（P2）”“包容性（P3）”3项性能及其应用部件构成，同理，根据式（5.1）依次计算3项性能指标的综合期望值。

当“检测有价介质”功能对应的“可靠性”出现问题时，“传输有价介质”与“储存有价介质”则不能够正常执行，即此两项功能的“可靠性”将受到影响，因此，“检测有价介质”功能对应的“可靠性”的性能综合期望值为：

“检测有价介质”功能对应的“稳定性”的性能综合期望值为：

“检测有价介质”功能对应的“包容性”的性能综合期望值为：

由计算结果可知：WP2＜WP3＜WP1，因此优先考虑调整“P2—稳定性”的性能期望值，通过对部件的分析，在不影响“可靠性”及“包容性”的前提下，通过将介质的厚度识别零部件替换为价格较低的部件，将“稳定性”的性能期望值由0.4调整为0.3，降低成本约300元人民币。

（2）“储存有价介质”系统的二次破坏

根据表7.6可知，“储存介质系统”由“储存有价介质”功能对应“可靠性（P4）”“容量（P5）”“便携性（P6）”3项性能及其应用的部件构成。功能与性能间存在“一对多”的对应关系，需根据式（5.1）分别计算3项性能指标P4、P5、P6的综合期望值，从而判断优先需要被调整的性能指标。

由表7.6可知，所有功能都对“可靠性”提出了要求，但根据介质的传输路径，只有在传出有价介质时，“储存有价介质”的“可靠性”才会对“传出有价介质”功能的“可靠性”产生影响，因此“储存有价介质”系统中的“可靠性”的性能综合期望值WP4为：

由表7.6得知，要求“容量”的功能只有“储存有价介质”一项。因此，“储存有价介质”功能对应的“容量”的综合期望值WP5为：

由表7.6得知，要求“便携性”的功能不止有“储存有价介质”一项，还包括“保护机身”功能，但由于“储存有价介质”的“便携性”不会影响“保护机身”功能对应的“便携性”，因此，根据式（5.1）计算“储存有价介质”系统的“便携性”的综合期望值WP6为：

由于WP5＜WP6＜WP4，因此优先考虑调整“P5—容量”的性能期望值，但由于为了减少添加（取出）有价介质的工作量，先暂时不予以调整；然后分析“P6—便携性”，通过部件替代，将“储存有价介质”对应的“便携性”的性能期望值由0.6调整为0.5，将100元介质储存钞箱中的接钞板替换，将4个小面额钞箱的介质固定零部件替换为材料不同的部件，重量略有增加，但成本有所降低。在满足设计要求的情况下，共降低成本约计250元人民币。

综合“检测有价介质”与“储存有价介质”系统的系统优化结果，成本降低合计550元人民币，则此时遴选子系统成本之和为15 400人民币，成功降至成本约束条件的范围内。因此可确定相对于主流CRS进行新市场破坏性创新设计（FC-CRS）的设计方案，如图7.17所示。FC-CRS的斜左侧的三维透视图如图7.18所示，三维模型的外观示图如图7.19所示。

图7.17　FC-CRS的设计方案二维图

相对于传统CRS，此FC-CRS的设计方案包括以下特征变化：①传输路径短、体积小、重量轻、操作简单；②主导功能、次要功能及配备功能的角色产生了变化，功能集合发生改变；③增加了描述某些功能的性能特征、提高了某些功能角色被提高的功能所对应的性能期望值，降低了原主导功能对应的性能期望值。FC-CRS的设计方案并没有沉浸在对某些主流功能或性能的竞争中，而是通过提供一组异于主流产品特征组合改变了原竞争的功能与性能特征组合，为吸引8～18岁的新用户提供了一款结构简单、易操作的存取款设备，由此判断，这是一款新市场破坏性创新产品的设计方案。

图7.18　FC-CRS的斜左侧的三维透视图

图7.19　FC-CRS的三维模型外观示图