□ 王 旭 □ 黃曼綺

電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子工程系 成都611731

1 設(shè)計(jì)背景

飲水機(jī)是人們生活中的必要用水設(shè)備，如何能夠確保其使用的安全性和便捷性，是設(shè)計(jì)人員必須考慮的要素，因此對(duì)智能飲水機(jī)進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。通過(guò)對(duì)多種飲水機(jī)的性能進(jìn)行調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，目前智能飲水機(jī)的功能已經(jīng)日趨完善，但是在使用便捷、消除安全隱患等設(shè)計(jì)方面，主要體現(xiàn)在防干燒系統(tǒng)和換水裝置的設(shè)置［1-2］。而防交叉感染、防誤操作燙傷等方面的問(wèn)題卻涉及很少。所以，必須對(duì)飲水機(jī)進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)，才能全面消除飲水機(jī)的各種不利因素。

對(duì)現(xiàn)有的飲水機(jī)設(shè)計(jì)方法而言，主要包括參照改進(jìn)法、頭腦風(fēng)暴法等。然而，參照改進(jìn)法［3］是在參考現(xiàn)有某種機(jī)型結(jié)構(gòu)和功能的前提下，僅僅對(duì)存在的局部問(wèn)題進(jìn)行修正，具有較大的局限性。而頭腦風(fēng)暴法［4］雖然能夠產(chǎn)生良好的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，但在實(shí)施過(guò)程中對(duì)團(tuán)隊(duì)氛圍、靈感及隨機(jī)性等條件要求較高，無(wú)法持續(xù)地產(chǎn)生較好的方案并加以改進(jìn)。所以，若要在人機(jī)工程設(shè)計(jì)中高效地開(kāi)發(fā)出優(yōu)化方案，解決設(shè)計(jì)中的技術(shù)矛盾，需要有合理的發(fā)明原理加以引導(dǎo)和提示。因此，基于技術(shù)矛盾的萃智理論（TRIZ）創(chuàng)新方法，面對(duì)不同工程問(wèn)題具有對(duì)應(yīng)的推薦發(fā)明原理，從這個(gè)方面來(lái)看，該方法和飲水機(jī)人機(jī)工程設(shè)計(jì)具有良好的匹配性。綜上所述，在基于人機(jī)工程學(xué)各要素的前提下，擬采用TRIZ發(fā)明理論，實(shí)現(xiàn)智能飲水機(jī)的人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 不利因素統(tǒng)計(jì)

智能飲水機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計(jì)，是指人在使用飲水機(jī)時(shí)，考慮到產(chǎn)品對(duì)人的能量消耗、疲勞，以及潛在傷害等因素的影響，采取一定的設(shè)計(jì)方案來(lái)消除不利因素的過(guò)程。因此，人機(jī)工程設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，是確定容易對(duì)人造成傷害或使用不便的不利因素。這一步驟的主要流程為：①信息搜集。對(duì)2015～2017年有關(guān)飲水機(jī)的專利和期刊文獻(xiàn)等資料進(jìn)行搜集和分析［5-7］，總結(jié)出容易產(chǎn)生不利因素的誘發(fā)原因。②對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整理和歸類。如在燈光昏暗或誤操作下，容易造成溢水事故，則將燈光昏暗和誤操作整理至誘發(fā)原因類，而溢水則添加至不利因素類。③結(jié)果獲取。建立完整的不利因素和誘發(fā)原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體情況見(jiàn)表1。

3 TRIZ的方案設(shè)計(jì)

TRIZ是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，在解決工程問(wèn)題時(shí)，揭示設(shè)計(jì)對(duì)象中的矛盾，并指導(dǎo)性地提出解決方案［8］。TRIZ處理工程問(wèn)題的目的并非折中地減輕矛盾影響，而是徹底消除矛盾，獲得問(wèn)題的理想解。在智能飲水機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)某個(gè)不利因素得到改善時(shí)，可能導(dǎo)致其它因素的惡化，即二者構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾。因此，TRIZ推薦了相應(yīng)的發(fā)明原理，來(lái)有效解決技術(shù)矛盾，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 技術(shù)矛盾矩陣的建立

技術(shù)矛盾矩陣，是基于表1所示的不利因素，建立改善因素、惡化因素，以及有效發(fā)明原理之間的關(guān)系。如當(dāng)溫度單一性問(wèn)題改善后，系統(tǒng)的質(zhì)量和復(fù)雜性會(huì)增加，即這兩個(gè)因素發(fā)生了惡化。為了解決這些沖突，同時(shí)達(dá)到改善的目的，采用TRIZ推薦的發(fā)明原理來(lái)引導(dǎo)合理方案的設(shè)計(jì)。矩陣構(gòu)建的步驟為：①建立改善和惡化因素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表1所示的不利因素改善后，對(duì)可能造成的惡化因素進(jìn)行分析和整理，建立二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；②將不利因素轉(zhuǎn)換成通用工程參數(shù)，如溫度單一的特征，對(duì)于茶、咖啡等不同飲料的最佳溫度匹配性不佳，即不具備良好的適應(yīng)性，可以等效為通用工程參數(shù)-適應(yīng)性；③將文獻(xiàn)中推薦的發(fā)明原理添加至對(duì)應(yīng)技術(shù)矛盾，完成技術(shù)矛盾矩陣的構(gòu)建，具體見(jiàn)表2，表2中的數(shù)字為TRIZ推薦解決技術(shù)矛盾的發(fā)明原理編號(hào)。

3.2 設(shè)計(jì)方案確定

構(gòu)建技術(shù)矛盾矩陣后，根據(jù)每項(xiàng)改善因素的發(fā)明原理，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析與確定。以燒水功能單一為例，由于改善該因素后會(huì)增加程序編譯，生產(chǎn)率下降，所以TRIZ推薦了發(fā)明原理編號(hào)為2（抽取）、1（分割）、16（未達(dá)到或過(guò)度的作用）三種發(fā)明原理［9］。對(duì)發(fā)明原理2（抽?。┒裕渲笇?dǎo)原則為從對(duì)象中選取重要屬性，根據(jù)這一原則，可以根據(jù)幾種最常用的飲料來(lái)定義飲水機(jī)的多級(jí)溫度，如奶粉為45℃、咖啡為65℃、茶葉為80℃、開(kāi)水為100℃。發(fā)明原理1（分割），即可以將燒水系統(tǒng)獨(dú)立于飲水機(jī)之外，也就是在多級(jí)溫控外置燒水系統(tǒng)。發(fā)明原理16（未達(dá)到或過(guò)度的作用），即多級(jí)溫度設(shè)計(jì)中，在滿足功能的前提下，盡量減少元件。綜上所述，采用發(fā)明原理1（分割）設(shè)計(jì)獨(dú)立的多級(jí)溫控外置燒水系統(tǒng)，用戶操作時(shí)要經(jīng)過(guò)放水-燒水-用水三個(gè)環(huán)節(jié)，增加了使用的復(fù)雜性，因此不選擇這一方案。筆者采用發(fā)明原理2和16進(jìn)行設(shè)計(jì)，即選擇STM32單片機(jī)，直接與水溫檢測(cè)模塊連接，在元件最少的情況下，實(shí)現(xiàn)多級(jí)溫度控制，多級(jí)溫控設(shè)計(jì)如圖1所示。

同理，對(duì)其余改善因素分別進(jìn)行發(fā)明原理分析和比較，選擇合適的發(fā)明原理，并根據(jù)其指導(dǎo)原則得出最優(yōu)的方案設(shè)計(jì)，部分改善因素主要設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3。

對(duì)各因素的實(shí)施方案確定后，將其整合成完整的飲水機(jī)STM32單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)主電路如圖3所示。

4 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及后續(xù)優(yōu)化措施

采用TRIZ完成智能飲水機(jī)人機(jī)工程設(shè)計(jì)后，需要對(duì)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的方法為專家權(quán)重法［10］，具體的操作流程為：①將表3所示的各改善因素的效果定義為非常好、好、較好、一般、差及非常差六個(gè)檔次，并從0～1分別界定對(duì)應(yīng)程度因數(shù)，見(jiàn)表4；②按照對(duì)人影響的大小設(shè)定表3中各改善因素的權(quán)重；③20名行業(yè)調(diào)研專家，分別對(duì)各改善因素的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行因數(shù)評(píng)判并提出后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)措施；④對(duì)每個(gè)改善因素取程度因數(shù)平均值，并計(jì)算設(shè)計(jì)方案的整體加權(quán)平均值作為設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

加權(quán)平均值y計(jì)算表達(dá)式［11］為：

表1 不利因素及誘發(fā)原因?qū)φ毡恚ú糠郑?/p>

表2 技術(shù)矛盾矩陣（部分）

▲圖1 多級(jí)溫控設(shè)計(jì)

▲圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中：xn為第n個(gè)改善因素的平均程度因數(shù)；fn為第n個(gè)因素的權(quán)重；n為改善因素的個(gè)數(shù)，即n=1，2，3，4，5。

專家給定的各改善因素平均程度因數(shù)、權(quán)重及改進(jìn)建議見(jiàn)表5。

將表5中的數(shù)值代入式（1），計(jì)算出加權(quán)平均值為0.769 5。對(duì)比表4的數(shù)據(jù)可知，該智能飲水機(jī)人機(jī)工程設(shè)計(jì)效果是很好的，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。說(shuō)明TRIZ可以有效解決飲水機(jī)中各種問(wèn)題的技術(shù)矛盾，引導(dǎo)設(shè)計(jì)出良好的設(shè)計(jì)方案。最后，根據(jù)專家建議可以繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效果的目的。

表3 部分改善因素主要設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)目前飲水機(jī)使用中的不利因素進(jìn)行整理，采用TRIZ推薦的發(fā)明原理，有效解決因改善這些不利因素時(shí)同時(shí)出現(xiàn)惡化因素的技術(shù)矛盾，實(shí)現(xiàn)了智能飲水機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計(jì)。同時(shí)，采取專家權(quán)重法評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)效果，獲得了較高的加權(quán)平均值，進(jìn)一步驗(yàn)證了TRIZ有利于指導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)智能飲水機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。下一步將按照專家的改進(jìn)建議，對(duì)智能飲水機(jī)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到更佳的設(shè)計(jì)效果。

表4 設(shè)計(jì)效果程度因數(shù)

表5 平均程度因數(shù)、權(quán)重及改進(jìn)建議

▲圖3 系統(tǒng)主電路