產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)方式創(chuàng)新研習(xí)范文

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TRIZ與生態(tài)設(shè)計(jì)

TRIZ包含三個(gè)基本工具：系統(tǒng)矛盾分析、效應(yīng)知識(shí)庫(kù)和物質(zhì)—場(chǎng)分析。系統(tǒng)矛盾表現(xiàn)為改善一個(gè)系統(tǒng)特征卻惡化了另一個(gè)系統(tǒng)特征，系統(tǒng)矛盾分析用TRIZ矛盾矩陣的39個(gè)工程參數(shù)描述該矛盾，然后用40條發(fā)明原理解決并翻譯為原矛盾的現(xiàn)實(shí)解。效應(yīng)知識(shí)庫(kù)用物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域中的有關(guān)原理和規(guī)律解決創(chuàng)新問(wèn)題。物質(zhì)—場(chǎng)分析將功能分為兩種物質(zhì)和一種場(chǎng)，兩種物質(zhì)通過(guò)場(chǎng)相互作用形成產(chǎn)品功能。一般地，TRIZ解決問(wèn)題的過(guò)程：首先將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為TRIZ問(wèn)題，然后用TRIZ工具解獲得TRIZ解，最后將TRIZ解翻譯為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解。

如圖1所示。為指導(dǎo)企業(yè)開發(fā)環(huán)保產(chǎn)品和流程，世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)(Worldbusinesscouncilforsustainabledevelopment,WBCSD)提出了7個(gè)生態(tài)效率要素：①減少產(chǎn)品和服務(wù)的材料密集度(A)；②減少產(chǎn)品和服務(wù)的能源密集度(B)；③減少有毒物的擴(kuò)散(C)；④提高原料的可回收性(D)；⑤促使可再生資源的永續(xù)使用(E)；⑥提高產(chǎn)品的耐用性(F)；⑦增加商品的服務(wù)密集度(G)。

CHEN等總結(jié)了WBCSD7個(gè)生態(tài)效率要素和TRIZ39個(gè)工程參數(shù)之間的關(guān)系，建立了工程參數(shù)與生態(tài)效率要素關(guān)聯(lián)表，如表1所示。以上學(xué)者和研究人員從多個(gè)角度研究了TRIZ在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從已有方法和成果來(lái)看，還存在一些可改進(jìn)之處，譬如可充分利用歷史設(shè)計(jì)案例，分析失效專利以直接采用，進(jìn)行專利規(guī)避以避免法律風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)化創(chuàng)新方法以減少設(shè)計(jì)的盲目性等。

集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程

針對(duì)以上生態(tài)設(shè)計(jì)方法的不完善之處，有必要提出一個(gè)系統(tǒng)的、創(chuàng)新的生態(tài)設(shè)計(jì)方法。本文利用TRIZ技術(shù)工具能夠系統(tǒng)性、創(chuàng)新性地解決生態(tài)設(shè)計(jì)矛盾的優(yōu)勢(shì)，提出了集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程框架，如圖2所示。主要步驟：首先，獲取客戶需求，在專利庫(kù)和案例庫(kù)中搜索匹配歷史產(chǎn)品設(shè)計(jì)，若匹配成功則直接選為備選方案，若沒(méi)有類似設(shè)計(jì)則提取技術(shù)特性并轉(zhuǎn)化為生態(tài)設(shè)計(jì)工程特性，從關(guān)聯(lián)表找出相應(yīng)的工程參數(shù)；然后運(yùn)用矛盾矩陣、效應(yīng)知識(shí)庫(kù)或物質(zhì)—場(chǎng)分析方法進(jìn)行求解；最后，評(píng)價(jià)生成的多個(gè)備選方案，確定最優(yōu)解。

1檢索案例和失效專利

歷史產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)案例是企業(yè)重要的無(wú)形資產(chǎn)，蘊(yùn)含于失效專利中的創(chuàng)新觀點(diǎn)和實(shí)用價(jià)值并未喪失。注重知識(shí)的重用，利用歷史案例和失效專利直接進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)，可以大大提高設(shè)計(jì)效率，避免資源浪費(fèi)。歷史案例可以是企業(yè)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，也可以是手冊(cè)、專著和網(wǎng)絡(luò)信息等文獻(xiàn)資源中出現(xiàn)的案例。失效專利可從中國(guó)失效專利光盤數(shù)據(jù)庫(kù)或國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站獲取。對(duì)于國(guó)外專利，則需要通過(guò)世界專利索引檢索并檢查是否申請(qǐng)中國(guó)專利。從產(chǎn)品功能角度看，客戶的產(chǎn)品需求一般可以分為基本功能需求和附加功能需求，其中都可能含有一定的生態(tài)、綠色需求。直接獲取的客戶產(chǎn)品需求具有模糊性和不規(guī)范性，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理才能進(jìn)行檢索。處理的方法主要是關(guān)鍵詞分詞提取，如節(jié)能、靜音、安全等。檢索的方法有關(guān)鍵詞檢索、組合檢索，結(jié)果按相似度、相關(guān)性順序排列。

關(guān)鍵詞在文本中的重要程度以權(quán)重表示，按照TF-IDF公式計(jì)算式中，wik為詞tk在文本矢量Di中的權(quán)重，fik為詞tk在文本矢量Di中的詞頻，N為文本矢量空間中文本的總數(shù)，Nk為文本矢量空間中出現(xiàn)詞tk的文本數(shù)，M為文本矢量空間中所有有效詞項(xiàng)(去除中文停用詞)的總數(shù)，wik∈。若設(shè)領(lǐng)域本體對(duì)象間的相關(guān)度(由領(lǐng)域?qū)＜医o定)即關(guān)系權(quán)值為wrk∈，則檢索結(jié)果與檢索詞的相關(guān)度為

2構(gòu)建矛盾矩陣

在沒(méi)有歷史案例和失效專利可利用的情況下，需要設(shè)計(jì)新的生態(tài)產(chǎn)品。首先，利用TRIZ的技術(shù)進(jìn)化規(guī)律進(jìn)行趨勢(shì)分析，大致推斷產(chǎn)品未來(lái)的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化方向，為生態(tài)設(shè)計(jì)提供思路。進(jìn)化潛力雷達(dá)圖是分析進(jìn)化趨勢(shì)的有用工具，如圖3所示。

雷達(dá)中心是進(jìn)化原點(diǎn)，最外圍是進(jìn)化極限，在每個(gè)進(jìn)化路徑上標(biāo)出技術(shù)現(xiàn)狀，連接起來(lái)圍成的灰色區(qū)域即為當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)范圍，其余區(qū)域?yàn)檫M(jìn)化潛力范圍。產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)立足現(xiàn)有技術(shù)，向進(jìn)化潛力范圍逐步擴(kuò)展，率先推出采用新技術(shù)的產(chǎn)品以占領(lǐng)市場(chǎng)或獲取高額利潤(rùn)。然后通過(guò)質(zhì)量功能配置、生態(tài)質(zhì)量功能配置(QFDforenvironment,QFDE)將客戶需求映射為工程技術(shù)特性和生態(tài)設(shè)計(jì)工程特性并按照WBCSD的7個(gè)生態(tài)效率要素進(jìn)行歸類。當(dāng)需要考慮的生態(tài)效率參數(shù)較多時(shí)，利用層次分析法(判斷矩陣的要素由WBCSD7個(gè)生態(tài)要素組成)獲得生態(tài)效率參數(shù)。為了簡(jiǎn)化矛盾矩陣以便于求解，同時(shí)為集中技術(shù)力量改善產(chǎn)品生態(tài)特性，按照以下算法獲得最需要改善的生態(tài)效率參數(shù)。

設(shè)每個(gè)生態(tài)效率要素中的生態(tài)設(shè)計(jì)工程特性個(gè)數(shù)為wi(i=1,2,…,7)，層次分析法的輸出值為ui，則取ri≥1所對(duì)應(yīng)的生態(tài)效率參數(shù)作為需要改善的由此參照表1確定TRIZ工程參數(shù)，構(gòu)建TRIZ矛盾矩陣，然后使用TRIZ提供的方法進(jìn)行求解。

3運(yùn)用TRIZ工具求解

TRIZ提供了三種技術(shù)工具：矛盾矩陣、效應(yīng)知識(shí)庫(kù)和物質(zhì)—場(chǎng)分析。若從上述分析可以獲得矛盾矩陣，則使用矛盾矩陣的發(fā)明原理求解，否則采用效應(yīng)知識(shí)庫(kù)和物質(zhì)—場(chǎng)分析求解。輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)大量生態(tài)產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例，已按照案例中使用的TRIZ工具仔細(xì)分類。因此，不論使用何種工具，都可以給出相應(yīng)的使用該工具求解的實(shí)例，詳細(xì)解釋抽象的發(fā)明原理和使用指導(dǎo)，激發(fā)設(shè)計(jì)人員靈感。

求解矛盾矩陣時(shí)，若存在多對(duì)矛盾，首先由矛盾矩陣找到各對(duì)矛盾相應(yīng)的發(fā)明原理，然后找出其中出現(xiàn)頻率相對(duì)較高的發(fā)明原理，使用這些發(fā)明原理求解的成功率和效率會(huì)比較高。同時(shí)，求解得到的設(shè)計(jì)方案可能會(huì)使某些必需功能弱化，為此還需要進(jìn)行功能檢驗(yàn)，只有滿足基本功能需求的方案才能列入備選方案。若不能滿足，則還需要重新求解，將基本功能工程參數(shù)作為求解前提，直到得到滿意解。此外，還需要檢索專利庫(kù)，將已申請(qǐng)專利的備選方案排除，進(jìn)行專利規(guī)避。

4生態(tài)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)

按照以上方法和步驟獲取的生態(tài)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案可能會(huì)有多個(gè)，需要對(duì)它們進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中選取較優(yōu)的方案。簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)方法可以從成本、交貨期、質(zhì)量、服務(wù)和生態(tài)性等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，適用的數(shù)學(xué)方法有層次分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、模糊集法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。詳細(xì)的評(píng)價(jià)方法則涵蓋生命周期評(píng)價(jià)(Lifecycleassessment,LCA)或生態(tài)足跡(Ecologicalfootprint,EF)等指標(biāo)。

應(yīng)用案例

1構(gòu)建計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)、循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，不是一次性的工作。設(shè)計(jì)過(guò)程需要調(diào)動(dòng)企業(yè)不同領(lǐng)域的資源，包括人力、技術(shù)和信息資源，并且要不斷監(jiān)控和評(píng)價(jià)執(zhí)行過(guò)程，修改原來(lái)的分析和選擇。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)支持集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，提供大量信息和知識(shí)支撐，輔助設(shè)計(jì)人員工作，有效提高設(shè)計(jì)效率。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(1)知識(shí)檢索。產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與生態(tài)設(shè)計(jì)案例產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)據(jù)，如材料、尺寸、圖紙等；知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)、法律法規(guī)、TRIZ參數(shù)闡釋等知識(shí)；專利庫(kù)存儲(chǔ)從中國(guó)、美國(guó)、日本、歐洲等專利局網(wǎng)站上下載的專利數(shù)據(jù)。知識(shí)檢索從產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、專利庫(kù)中檢索產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生態(tài)設(shè)計(jì)案例、相關(guān)專利、TRIZ工程參數(shù)和發(fā)明原理等信息和知識(shí)，為生態(tài)設(shè)計(jì)提供知識(shí)支持。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。按產(chǎn)品類別將獲取的客戶需求整理存儲(chǔ)，用作客戶需求統(tǒng)計(jì)分析，讓設(shè)計(jì)人員更好地傾聽顧客的聲音。將CAD軟件繪制的概念設(shè)計(jì)草圖或手繪草圖掃描后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于保存和查詢，為后續(xù)的初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

(3)計(jì)算分析。該系統(tǒng)可輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行AHP計(jì)算(圖5)以獲取最需要改善的生態(tài)效率要素；進(jìn)行專利統(tǒng)計(jì)分析獲取技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)；進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)以選取最優(yōu)方案。

2實(shí)例

摩擦片差速器是一種高摩擦自鎖式差速器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)，常用于轎車和輕型貨車上，如大眾高爾夫轎車即采用這種差速器。當(dāng)一側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)或車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于轉(zhuǎn)速差和軸向力的作用，主、從動(dòng)摩擦片滑轉(zhuǎn)同時(shí)產(chǎn)生摩擦力矩。因此摩擦片需要良好的耐磨性和較少的質(zhì)量。

假設(shè)需要設(shè)計(jì)一種新的摩擦片，結(jié)合TRIZ技術(shù)進(jìn)化規(guī)律和專利、文獻(xiàn)進(jìn)行技術(shù)趨勢(shì)分析可以得出：接觸面材料的創(chuàng)新和發(fā)展是摩擦片發(fā)展的主要內(nèi)容，接觸面材料以前采用駝毛皮、皮革帶、木塊等，然后采用青銅、鋼等金屬，現(xiàn)在多采用以石棉為基礎(chǔ)的編織材料，未來(lái)將采用有機(jī)材料(如芳綸)、金屬陶瓷材料(由金屬基體、陶瓷和潤(rùn)滑劑組成的多元復(fù)合材料)。按照WBCSD的分類，良好的耐磨性即F，較小的質(zhì)量即A。對(duì)照表1，相應(yīng)的TRIZ工程參數(shù)分別為23、26和15。TRIZ矛盾矩陣如表2所示。從表2中得出，發(fā)明原理“03.局部質(zhì)量”出現(xiàn)次數(shù)最高，求解時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。如摩擦片采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接觸面的一層采用輕質(zhì)復(fù)合耐磨材料，另一層則只需要保持力學(xué)性能，如圖6所示。

結(jié)論

產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅要兼顧性能和創(chuàng)新，也要注重生態(tài)性。在產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中，矛盾是經(jīng)常出現(xiàn)的，設(shè)計(jì)過(guò)程即是解決矛盾的過(guò)程。(1)集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)地結(jié)合了案例、專利、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，改進(jìn)了設(shè)計(jì)過(guò)程并縮短了設(shè)計(jì)周期，有效提高了生態(tài)設(shè)計(jì)的效率和成功率。(2)本框架也存在一定的局限性，如模型框架較為粗略、輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單等，隨著對(duì)生態(tài)設(shè)計(jì)本質(zhì)和需求的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，將逐步加以修正和完善。

作者：劉征潘凱顧新建單位：浙江大學(xué)現(xiàn)代制造工程研究所