張芳蘭 ，楊明朗，劉衛(wèi)東

（1. 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031；2. 燕山大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，秦皇島 066004）

0 引言

在日益激烈的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)生存與發(fā)展的核心力量。設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)以科學(xué)且有效的創(chuàng)新方法為指導(dǎo)，從方法論本質(zhì)上與設(shè)計(jì)過程實(shí)踐中提升產(chǎn)品創(chuàng)新的效率和質(zhì)量，從而快速響應(yīng)滿足多樣化、時(shí)代化的用戶需求。質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是一種用戶驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新方法，正確實(shí)施QFD可使設(shè)計(jì)更改減少30%～50%，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短30%～50%，產(chǎn)品開發(fā)啟動(dòng)費(fèi)用減少20%～60%[1～3]。該方法可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新問題的準(zhǔn)確識(shí)別與定位。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch, TRIZ）理論作為一種包含科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)工具的創(chuàng)新方法，其與公理化設(shè)計(jì)[4]、QFD[5～7]、約束理論[8]、專利研究及仿生學(xué)[9]、模糊理論[10]的結(jié)合成為目前學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

本文研究將TRIZ理論與QFD質(zhì)量屋集成，力求創(chuàng)建面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的集成模型與具體方法步驟。最終通過集成灶的創(chuàng)新設(shè)計(jì)論證了該集成模型與方法的可行性。

1 QFD/TRIZ集成模型構(gòu)建

QFD方法是以用戶需求為源頭切入，采用質(zhì)量屋矩陣圖表，將用戶需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的工程特性。借助質(zhì)量屋可以有效挖掘關(guān)鍵創(chuàng)新問題與關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域。然而針對(duì)具體創(chuàng)新問題的解決，該方法并無提供相關(guān)創(chuàng)新工具與思路。

TRIZ理論在解決設(shè)計(jì)問題時(shí)采用無折中的設(shè)計(jì)思想，通過科學(xué)發(fā)明原理、沖突矩陣、分離原理，并結(jié)合沖突分析，提供了具體的創(chuàng)新思路與方法，可以消除設(shè)計(jì)中的沖突問題并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。但是該理論體系并無涉及如何識(shí)別與定位創(chuàng)新問題。因此，將TRIZ理論與QFD質(zhì)量屋結(jié)合，創(chuàng)建了面向產(chǎn)品創(chuàng)新的QFD/TRIZ集成模型，如圖1所示。

圖1 QFD/TRIZ集成模型

QFD/TRIZ集成模型的具體實(shí)施步驟為：

步驟1：構(gòu)建簡(jiǎn)化的QFD質(zhì)量屋，確立創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題與關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域。

首先構(gòu)建簡(jiǎn)化的QFD質(zhì)量屋。通過問卷調(diào)研、專家訪談及相關(guān)文獻(xiàn)資料三種數(shù)據(jù)信息來源確立完整且準(zhǔn)確的用戶需求，并采用1,2,3,4,5比例標(biāo)度依次表示需求極不重要性，不重要，一般，重要，極為重要五個(gè)等級(jí)，進(jìn)行用戶需求的重要性評(píng)價(jià)。依據(jù)0，1，3，5比例標(biāo)度構(gòu)建用戶需求與設(shè)計(jì)特性相關(guān)矩陣，并根據(jù)公式（1）計(jì)算各項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性分值：

其中，Ci為用戶需求的重要性，Pij為用戶需求與設(shè)計(jì)特性之間的相關(guān)程度，Sj為產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性整體得分。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性分?jǐn)?shù)高低對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先度排序。

位于簡(jiǎn)化的質(zhì)量屋屋頂?shù)淖韵嚓P(guān)矩陣描述了各項(xiàng)設(shè)計(jì)特性之間的相互關(guān)系。若提高或改進(jìn)某一設(shè)計(jì)特性，導(dǎo)致另一設(shè)計(jì)特性提高或改進(jìn)，可判斷此設(shè)計(jì)特性之間存在正相關(guān)，用“+”表示。反之，導(dǎo)致另一設(shè)計(jì)特性下降或惡化，可判斷此設(shè)計(jì)特性之間存在負(fù)相關(guān)，用“-”表示。通過負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性識(shí)別，確立設(shè)計(jì)特性間的沖突問題，從而確立關(guān)鍵創(chuàng)新問題。最終參照設(shè)計(jì)特性優(yōu)先度與負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵定位。

步驟2：創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的沖突分析與消除，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生。

利用TRIZ發(fā)明原理、沖突矩陣、分離原理消除設(shè)計(jì)沖突的過程可描述為：首先分析待解決的創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題，運(yùn)用39個(gè)通用工程參數(shù)，構(gòu)建與負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題；其次通過沖突分析，確定該TRIZ問題是技術(shù)沖突還是物理沖突。技術(shù)沖突利用沖突矩陣所推薦的發(fā)明原理消除；物理沖突則利用分離原理所推薦的發(fā)明原理解決。根據(jù)實(shí)際的創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題，選擇相適應(yīng)的發(fā)明原理找到解決問題的具體創(chuàng)新方法，從而消除沖突，提出創(chuàng)新概念，并結(jié)合關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域與具體創(chuàng)新方法，借助手繪草圖與計(jì)算機(jī)輔助圖形設(shè)計(jì)，產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

2 集成灶創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例

現(xiàn)依據(jù)所提出的QFD/TRIZ集成模型與方法步驟，對(duì)傳統(tǒng)吸頂式煙機(jī)與灶具進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，具體過程如下所述：

步驟1：構(gòu)建簡(jiǎn)化的煙機(jī)灶具質(zhì)量屋，確立創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題與關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域。

首先構(gòu)建煙機(jī)灶具質(zhì)量屋如圖2所示。依據(jù)質(zhì)量屋屋頂處的設(shè)計(jì)特性自相關(guān)矩陣，可以獲得3對(duì)負(fù)相關(guān)特性，如表1所示。依據(jù)這3對(duì)負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性，確立煙機(jī)灶具3個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新問題，即沖突問題，包括：1）消除“煙機(jī)與灶臺(tái)的距離”與“煙機(jī)與用戶頭部的距離”之間的沖突。2）消除“功能空間配置”與“結(jié)構(gòu)”之間的沖突。3）消除“功能系統(tǒng)”與“外觀尺度”之間的沖突。另外，通過質(zhì)量屋中用戶需求與設(shè)計(jì)特性關(guān)系矩陣，獲得設(shè)計(jì)特性優(yōu)先度排序，確立功能系統(tǒng)、功能空間配置、煙機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)、灶頭結(jié)構(gòu)、外觀尺度、控制面板位置為6個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域。

表1 負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性及與其對(duì)應(yīng)的TRIZ通用工程參數(shù)

步驟2：創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的沖突分析與消除，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)生。

依據(jù)3個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題及負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性，分別構(gòu)建其與TRIZ通用工程參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。實(shí)際創(chuàng)新設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題中的沖突特性可用負(fù)相關(guān)設(shè)計(jì)特性對(duì)應(yīng)的通用工程參數(shù)替代，從而實(shí)現(xiàn)將創(chuàng)新關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ的一般問題。

針對(duì)第1個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新問題，煙機(jī)與灶臺(tái)的距離需要盡可能短，以確保高的吸煙效能。同時(shí)，煙機(jī)高于用戶頭部的距離盡可能長(zhǎng)，以避免頭部的誤撞以及對(duì)操作視線的影響。因此，該沖突問題屬于物理沖突，可利用TRIZ分離原理中的空間分離所建議的發(fā)明原理實(shí)現(xiàn)沖突的化解，相關(guān)發(fā)明原理編號(hào)為：No.1，No.2，No.3，No.7，No.13，No.17，No.24，No.26，No.30。依據(jù)實(shí)際分問題，首先選擇發(fā)明原理No.13：反向，提出將處于灶臺(tái)之上的煙機(jī)上排風(fēng)結(jié)構(gòu)變?yōu)樘幱谠钆_(tái)之下的下排風(fēng)式。由于傳統(tǒng)灶臺(tái)下方設(shè)有櫥柜，再利用發(fā)明原理No.7：套裝，將煙機(jī)的下排風(fēng)結(jié)構(gòu)嵌套在櫥柜里。然后利用發(fā)明原理No.17：維數(shù)變化中使物體傾斜或改變的方向的方法，使分體式煙機(jī)的水平下吸式風(fēng)口變?yōu)橹刂眰?cè)吸式或環(huán)吸式。從而可解決 “煙機(jī)與灶臺(tái)的距離”與“煙機(jī)與用戶頭部的距離”之間的沖突。

圖2 煙機(jī)灶具質(zhì)量屋

針對(duì)第2個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新問題， 當(dāng)功能系統(tǒng)的可靠性提升時(shí)，會(huì)導(dǎo)致外觀尺度的長(zhǎng)度或?qū)挾鹊募哟?，使其體量增大。因此，該沖突問題屬于技術(shù)沖突，針對(duì)第3個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新問題，當(dāng)提升功能空間配置的可操作性時(shí)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的可制造性惡化。所以，該沖突問題亦屬于技術(shù)沖突。兩對(duì)關(guān)鍵沖突問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，即解決“27.可靠性”與“4.靜止物體的長(zhǎng)度”，“33.可操作性”與“32.可制造性”之間的沖突，利用TRIZ沖突矩陣（如圖3所示）及其所建議的發(fā)明原理消除。在推薦的發(fā)明原理編號(hào)No.15，No.28，No.29, No.11中選擇No.28：機(jī)械系統(tǒng)的替代，即用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光波、電磁波完成與物體的相互作用實(shí)現(xiàn)功能，提出利用臭氧紫外線或光波或電磁波增強(qiáng)消毒功能系統(tǒng)、微波與光波烹飪功能系統(tǒng)等。再推薦的發(fā)明原理編號(hào)No.2，No.5，No.12中選擇No.5：合并，提出將所有功能系統(tǒng)合并，即將煙機(jī)、灶具、櫥柜集成于一體。從而第2、3關(guān)鍵創(chuàng)新問題中的沖突依次得到消除。

圖3 解決沖突問題的局部沖突矩陣

綜上，獲得創(chuàng)新概念為重直側(cè)吸式或環(huán)吸式煙機(jī)吸風(fēng)口及下排風(fēng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)消毒功能系統(tǒng)、微波與光波烹飪功能系統(tǒng)，及將煙機(jī)、灶具、櫥柜集成于一體。另外，結(jié)合6個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域功能系統(tǒng)、功能空間配置、煙機(jī)吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)、灶頭結(jié)構(gòu)、外觀尺度、控制面板位置，借助手繪草圖與計(jì)算機(jī)輔助三維建模軟件Rhino 5.0產(chǎn)生4款集成環(huán)保灶創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，如圖4(a)～圖4(d)所示。

圖4 集成環(huán)保灶4款創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

3 結(jié)論

QFD質(zhì)量屋與TRIZ理論的集成解決了設(shè)計(jì)階段如何獲取產(chǎn)品創(chuàng)新的具體問題，以及針對(duì)具體問題采用何種具體思路與方法解決問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。二者的集成可以有效彌補(bǔ)兩種方法的局限，發(fā)揮各自方法的最大優(yōu)勢(shì)。通過廚房吸頂式煙機(jī)與灶具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)了4款集成環(huán)保灶設(shè)計(jì)方案，論證了所提出的QFD/TRIZ集成模型與步驟方法的可行性。

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