王秀紅，梁帥鵬，韓心雨，許向前，李平平，韓光平

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

當(dāng)前，全球新一輪科技革命孕育興起，正在深刻影響世界發(fā)展格局，深刻改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式。加強(qiáng)科技產(chǎn)業(yè)界和社會各界的協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)各行各業(yè)與本土文化的開放合作，是科技發(fā)展為人類社會進(jìn)步發(fā)揮更大作用的重要途徑。

當(dāng)下商品的發(fā)展遵循： 功能趨向多樣化、體積趨向便攜化，技術(shù)趨向集成化、價值趨向綜合化，而文化則永不失色的核心。在具備超額功能的同時，實現(xiàn)資源的節(jié)約與充分利用，亦是迎合精益生產(chǎn)與綠色發(fā)展的精髓。

生活用品的創(chuàng)新常源于日常生活，就功能而言，傳統(tǒng)梳子功能單一，且常伴隨著電吹風(fēng)，卷發(fā)器等其他工具的同時使用； 就外觀而言，單調(diào)的外形及色彩令人感到視覺疲勞。因此，一款集梳、吹、卷功能于一體的具有展現(xiàn)地方特色文化的梳子，不但總體積縮小，原材料降低，而且能極大地迎合大眾當(dāng)下快速的生活節(jié)奏、豐富人們對地方文化的了解。

1 Pareto/TRIZ 集成理論

Pareto 遺傳算法[1-3]是基于多目標(biāo)優(yōu)化的一種遺傳算法，它是一種總體最優(yōu)化的計算。具有智能式搜索、漸進(jìn)式優(yōu)化的特征，黑箱式的運(yùn)算結(jié)構(gòu)和并行式運(yùn)算形式能夠進(jìn)行全局最優(yōu)解搜索，通用性比較強(qiáng)。但由于其對新空間的探索能力有限，所以桎梏了可能存在的空間之外的最優(yōu)解。

TRIZ 理論[4-5]是解決問題發(fā)明的理論，主要解決如何用科學(xué)的思想指導(dǎo)人們在發(fā)明創(chuàng)新過程中的所遇到的創(chuàng)新、技術(shù)、物理沖突，為解決創(chuàng)新過程中的矛盾提供了堅實的科學(xué)理論基礎(chǔ)和實踐可能性。但由于該套理論容易忽略主體及其個性，所以易導(dǎo)致丟失關(guān)鍵信息。

Pareto 遺傳算法與TRIZ 理論的結(jié)合使兩者有效互補(bǔ)，前者的空間局限性搜索有效彌補(bǔ)了后者的個性丟失，后者的跳脫性搜索有效補(bǔ)償了前者的搜索空間狹小，是以兩者的結(jié)合更加完善了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計體系，更有助于產(chǎn)品設(shè)計。根據(jù)創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計需求，構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)與約束條件，采用數(shù)學(xué)建模軟件MATLAB 編制主函數(shù)，然后用工具箱進(jìn)行Pareto最優(yōu)解 （集）[6]的計算，得到多目標(biāo)關(guān)系曲線，結(jié)合專業(yè)人士的意見確定最終關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值。結(jié)合TRIZ 發(fā)明創(chuàng)造解決原理中的39 個工程參數(shù)和40 個沖突矩陣，把功能用工程參數(shù)進(jìn)行描述，從而確定沖突解決原理，尋求通用解，最后結(jié)合具體問題找到具體的特定解，解決產(chǎn)品創(chuàng)新過程中的技術(shù)沖突問題。兩者的具體結(jié)合流程見圖1。

圖1 Pareto 遺傳算法和TRIZ 理論集成流程圖

2 多功能梳子概念設(shè)計

生活節(jié)奏的加快使人們親賴于產(chǎn)品的高效性，而人們在追求多功能一體化產(chǎn)品的同時亦熱衷于對文化魅力的追求[7]。中華文化對產(chǎn)品創(chuàng)新有很大的促進(jìn)作用[8]，且越發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計緊密結(jié)合。圖2 中的傳統(tǒng)梳子，其結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，已不能滿足快速的生活節(jié)奏?？紤]到產(chǎn)品來自于生活的實際需求，而在使用梳子時一般還存在 “洗頭發(fā)” “吹干頭發(fā)” 和“給頭發(fā)塑型” 等功能。故筆者結(jié)合 “梳頭發(fā)” “吹干頭發(fā)” 和 “給頭發(fā)塑型” 3 個功能對梳子進(jìn)行重新結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖2 傳統(tǒng)梳子的結(jié)構(gòu)圖

2.1 TRIZ 矛盾矩陣提供設(shè)計思路

TRIZ 矛盾矩陣集成39 個工程參數(shù)與40 個發(fā)明原理。通過對原始問題的抽象、提煉，得到具體工程參數(shù)之間的矛盾，可描述為需要改善的參數(shù)與可能惡化的參數(shù)。然后根據(jù)矛盾矩陣查找相應(yīng)的發(fā)明原理，給問題的解決提供思路與方向。下面對本產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行矛盾分析，表1 為部分矛盾矩陣表。

表1 部分矛盾矩陣表

矛盾1： 多功能梳子欲實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，必然考慮產(chǎn)品制造與產(chǎn)品質(zhì)量，而產(chǎn)品制造直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量又由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定。所以欲改善的參數(shù)是32 號，可能惡化的參數(shù)是13 號。通過表1 可知，可參考的解決問題發(fā)明原理為11，13，1。經(jīng)專家篩選確定使用矛盾解決原理為1 號發(fā)明原理： 分割。考慮到分割，得到將整體分割成部件。應(yīng)用到本設(shè)計，有將各功能部件可以拆離與合并的思路。同時，產(chǎn)品亦便于維修。

矛盾2： 多功能梳子必須具有實操性，但在迎合實操性時可能會導(dǎo)致其可靠性被動惡化。故選擇改善參數(shù)33 號與惡化參數(shù)27 號，通過表1 可知，可參考的解決問題發(fā)明原理為17，27，8，40。經(jīng)過專家篩選確定使用矛盾解決原理為17 號維數(shù)變化與40 號復(fù)合材料?？紤]維數(shù)變化，應(yīng)用到本設(shè)計可將單控制開關(guān)制成多維度旋轉(zhuǎn)開關(guān)； 考慮復(fù)合材料，不同部位選擇合適的復(fù)合材料以迎合發(fā)熱器件耐熱性，手柄器件舒適性及外觀材料美觀性。

矛盾3： 添加新功能促使適應(yīng)性及多用性得到優(yōu)化，但功能的集成化必然導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜性惡化。故選擇改善參 數(shù)35 號與惡化參數(shù)36 號并查找矛盾矩陣表，通 過表1 可知，可參考的解決問題發(fā)明原理為15，29，37，28，經(jīng)過專家篩選確定使用矛盾解決原理為15 號發(fā)明原理： 動態(tài)化。考慮到動態(tài)化，得到各功能可以動態(tài)控制，即根據(jù)不同需求調(diào)換不同功能。應(yīng)用到本設(shè)計，有將各功能分開控制的思路。

2.2 遺傳算法確定設(shè)計參數(shù)

選擇梳子的體積和風(fēng)量作為主要討論的參數(shù)。由于不同用途的梳子長度不同，體積很難確定，因此考慮梳子的橫截面積來代替梳子的體積。

選擇梳體和梳把兩處最大的橫截面積，梳體處半徑由R1表示。風(fēng)量的大小有很多影響因素，但對于確定的系統(tǒng)，風(fēng)量的大小可近似看成風(fēng)葉大小，這里以風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)一周形成的面積來代替風(fēng)量大小，其半徑用R2表示。綜合以上分析可知，梳體橫截面半徑R1和風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)面半徑R2為設(shè)計變量。橫截面積的大小和風(fēng)量的強(qiáng)弱為優(yōu)化目標(biāo)。用數(shù)學(xué)模型表示為

式中： V 為梳子橫截面積，F(xiàn) 為風(fēng)機(jī)橫截面積，R1，R2分別為梳體和風(fēng)機(jī)的半徑。

結(jié)合人因工程學(xué)相關(guān)知識，得知持握工具的直徑一般為30～40 mm，因此梳體橫截面的半徑R1應(yīng)該設(shè)計為15～20 mm，風(fēng)葉橫截面積半徑R2應(yīng)該大于R1。考慮到產(chǎn)品的美觀度，設(shè)計R2最大為R1的2 倍，并在運(yùn)算結(jié)果范圍中選取，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB 中進(jìn)行編程求解得到一組無差別的帕累托 （Pareto）前沿解集，見圖3。結(jié)合一些相關(guān)專業(yè)人士的意見，從中確定關(guān)鍵參數(shù)R1=17 mm，R2=27 mm。

圖3 Pareto 前沿解集

2.3 豫文化提升特色價值

現(xiàn)代設(shè)計中，是否具有獨(dú)特的文化內(nèi)涵成為鑒定一款產(chǎn)品優(yōu)秀與否的重要標(biāo)準(zhǔn)[9]。但文化與產(chǎn)品的融合必須找到合適的契合點(diǎn)[10]，將產(chǎn)品與文化的結(jié)合分為3 個方面： 觀賞性、功能性和互動體驗性，然后采取相應(yīng)的包裝、材料、工藝等手段填充完善。本多功能梳子采取河南開封地方文化對行契合，首先明確開封的文化特征： 開封市是八朝古都，歷史底蘊(yùn)深厚，有節(jié)慶文化資源、飲食文化資源、民俗文化資源、歷史文化資源[11]。結(jié)合上述觀點(diǎn)，給出如下設(shè)計思路： 觀賞性，新式梳子應(yīng)具備美感，在不妨礙正常功能的同時充分體現(xiàn)開封的地方文化； 功能性，在滿足既定功能的基礎(chǔ)上盡可能便攜； 互動體驗性，在實現(xiàn)功能目標(biāo)的同時要有一定的趣味性。

3 結(jié)構(gòu)模型方案生成

該梳子采用阻燃材料，模型設(shè)計可拆分為3 節(jié)： 手柄節(jié)、風(fēng)扇節(jié)、梳子節(jié)，且每節(jié)均采用螺紋旋接的方式進(jìn)行組裝，拆卸方便。

3.1 梳子結(jié)構(gòu)模型

手柄節(jié)包括開關(guān)、可拆卸充電便捷電池、手柄外殼。圖4 中可拆卸充電便捷電池放進(jìn)手柄節(jié)模型外殼內(nèi)，形成圖5 所示樣品，而圖6 手柄節(jié)模型下視圖中設(shè)有一個按鈕，控制加熱與吹風(fēng)功能，整個手柄節(jié)模型通過自帶的外螺紋與風(fēng)扇節(jié)的內(nèi)螺紋進(jìn)行螺旋組裝。

圖4 可拆卸充電便捷電池

圖5 手柄節(jié)模型

風(fēng)扇節(jié)包括扇葉、馬達(dá)、外殼。圖7 為電吹風(fēng)的風(fēng)扇和馬達(dá)，可以組裝進(jìn)外殼，模型見圖8，通過自帶的兩個內(nèi)螺紋可連接手柄節(jié)與梳子節(jié)。

圖7 風(fēng)扇和馬達(dá)模型

圖8 風(fēng)扇節(jié)模型

梳子節(jié)包括布滿通氣孔的梳梁、普通梳齒、卷發(fā)梳齒，發(fā)熱彈簧，梳子節(jié)頭，見第43 頁圖9 與圖10。具體工作流程： 開關(guān)斷開時，可以當(dāng)作普通梳子使用； 當(dāng)開關(guān)閉合后電吹風(fēng)吹出風(fēng)從左往右進(jìn)入套筒并經(jīng)過發(fā)熱彈簧產(chǎn)生熱風(fēng)，熱風(fēng)到達(dá)并撞擊最右端后反向進(jìn)入套筒外夾層，然后從通氣孔噴出。圖10 最右端梳子節(jié)頭內(nèi)還安置有溫控開關(guān)，當(dāng)溫度過高時，自動斷開回路，有效避免溫度過高給人體造成傷害。

圖9 梳子節(jié)模型

圖10 多功能梳子截面圖

3.2 效果分析

結(jié)構(gòu)上： 該多功能梳子通過螺紋旋接手柄節(jié)、電吹風(fēng)節(jié)、梳子節(jié)、梳子節(jié)頭，便于組裝、拆卸，有效降低了裝置的復(fù)雜性。該多功能梳子更換配件方便，整體可靠性有效提高，且可根據(jù)喜好更換不同樣式的手柄皮套，圖11 模型帶有清明上河圖樣式手柄皮套。多孔式梳梁結(jié)構(gòu)能顯著減輕梳子質(zhì)量。電吹風(fēng)入風(fēng)口設(shè)計在手柄底端開關(guān)處，可有效避免頭發(fā)卷入電吹風(fēng)造成不必要危險。

圖11 帶有清明上河圖樣式手柄皮套梳子模型

功能上： 該多功能梳子能夠集梳、吹、卷于一體，體積嬌小，便于攜帶。多孔式梳梁能在卷發(fā)時使熱風(fēng)與頭發(fā)充分接觸，提高卷發(fā)效率； 當(dāng)僅用吹風(fēng)功能時，可將梳子節(jié)的節(jié)頭螺旋拆下，此時吹風(fēng)將從梳子節(jié)頭口吹出，成為一個小型電吹風(fēng)，且能調(diào)節(jié)熱風(fēng)。

外觀上： 圖11 中清明上河圖皮套附著在手柄上，能極大增強(qiáng)觀賞性及提高文化傳播能力。還可更換不同文化樣式的皮套，具有很大的文化傳播價值與商業(yè)價值。

該多功能梳子由多個開關(guān)控制，具體電路控制布局見圖12。具體使用方法如下： 按壓總開關(guān)和至少一個加熱器件電路正常工作，同時可以通過旋轉(zhuǎn)總開關(guān)和啟動不同數(shù)量的加熱器件分別調(diào)節(jié)風(fēng)扇功率的大小和熱風(fēng)溫度的高低，最后還有溫度感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)溫度過高時，整個電路自動斷開。

圖12 多功能梳子內(nèi)部電路圖

3.3 參數(shù)補(bǔ)充

通過調(diào)查分析當(dāng)前市面上的梳子、卷發(fā)器、電吹風(fēng)等性能參數(shù)，提出了參數(shù)補(bǔ)充的建議，見表2。

表2 多功能梳子參數(shù)補(bǔ)充

4 結(jié)束語

將Pareto 遺傳算法和TRIZ 理論兩者結(jié)合能夠快速找到設(shè)計方向及大致思路，有效解決產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中常見的思維慣性問題，極大拓展了尋找問題及解決問題的求異性、開放性和效用性。本文在方法論的基礎(chǔ)上將二者集成，在確定尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，由矛盾矩陣展開設(shè)計思路，最后進(jìn)一步對必要參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。運(yùn)用該集成方法創(chuàng)新設(shè)計的多功能梳子緊扣時代大眾需求，集梳、吹、卷功能于一體，在商業(yè)性、實用性、文化性等方面均有很大價值。此外，該方法對同類型產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計有極大的參考價值。