基于TRIZ與實例推理原理的產品綠色創新設計方法

劉志峰 高 洋 胡 迪 張敬東

合肥工業大學，合肥，230009

0 引言

近年來，產品創新設計方法及理論的研究得到了充分的發展，尤其是發明問題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ）和其他產品設計方法的集成，成為了很多學者研究的重點。在產品設計沖突消解研究方面，何川等［1］將TRIZ理論應用于產品概念設計階段的沖突消解，解決了產品創新設計方案的生成問題；劉曉敏等［2］將 TRIZ與約束理論（theory of constraints，TOC）相結合，利用所構造的產品當前實現樹、沖突解決圖表和TRIZ矛盾沖突矩陣解決產品設計沖突問題。在基于知識的產品創新設計研究方面，姜亮等［3］將本體概念和語義網技術與TRIZ相結合，提出了基于本體的技術創新設計方法，實現了知識重用和知識共享在產品創新設計中的應用；為了實現客戶知識在產品創新設計中的應用，楊育等［4］提出了基于TRIZ的客戶協同產品創新設計方法，并建立了面向知識利用的協同產品創新框架，能夠實現從客戶知識→產品工程參數→產品創新原理解的映射。在產品的快速創新設計研究方面，張付英等［5］將TRIZ進化理論集成到產品創新解的產生環節，能夠預測未來技術的可能結構狀態，指導設計者沿著正確的方向產生創新解，實現產品快速創新設計；高常青等［6］基于TRIZ中的問題解決工具及分解重構原理，建立了支持原理、結構集成化創新設計的實例表達機制及其編碼規則，提出了支持產品原理、結構創新的統一設計流程，能夠支持產品結構的快速創新設計。在產品創新設計系統開發方面，王冀強等［7］將TRIZ工具作為構建實例庫的規則，并據此開發了基于TRIZ與實例的計算機輔助創新系統；楊伯軍等［8］根據標準解方法在產品創新設計中的應用過程和已有標準解的方法流程，開發了基于標準解方法的計算機輔助創新軟件；鎮璐等［9］開發了基于TRIZ理論創新知識查詢平臺，實現了面向產品創新設計的知識查詢；黃兆飛等［10］從功能、結構和作用原理三個方面研究了專利信息的獲取方法和規范描述，構建了專利知識庫查詢系統，用于支持產品創新設計。

上述研究取得了一系列的研究成果，但是在產品綠色創新設計的研究上還較為匱乏，尤其是在利用TRIZ方法與實例知識來實現產品綠色創新設計的研究方面。本文將實例推理方法和TRIZ相結合，提出了基于TRIZ與實例推理原理的產品綠色創新設計方法，并在該方法指導下開發了產品綠色創新設計支持工具，用于產品的綠色創新設計。

1 基于實例推理與發明問題解決理論的產品綠色創新設計

1.1 基于實例的推理

根據調查，產品設計活動中大約有75%左右的設計是基于實例的產品設計［11］。基于實例推理方法（case－based reasoning，CBR）將知識的表達與實例庫建立相結合，以過去實例屬性為特征來實現產品的設計，所以CBR方法成為近年來人工智能領域的一個研究熱點［5］。基于實例推理的過程如圖1所示，主要分為4個步驟，即檢索、重用、修正和保存。CBR的優點主要有：①能夠迅速檢索相關成功案例并解決新的問題，縮短產品開發時間；②具有學習能力，通過學習將新的案例存儲于數據庫中，便于下次案例的檢索和使用。但是將CBR方法應用于產品綠色創新設計中存在一些不足：①當案例庫中沒有相似案例時，不能給出問題的解決方案；②目前的CBR技術多針對某類產品和特定領域的應用而展開，不涉及所有的技術領域［5］；③CBR是基于以前成功案例來解決問題的，創新水平不高，不能系統地指導設計人員進行創新設計；④缺乏有效的實例表達機制。

圖1 基于實例的推理過程

1.2 發明問題解決理論

以 Altshuller［12－13］為首的研究人員在分析世界各國250萬件專利的基礎上，提出了發明問題解決理論，即TRIZ，它是一種創新性解決問題的理論。在TRIZ理論中，設計過程遇到的問題是用沖突來描述的，設計人員在設計過程中首先要保證或提高產品的某些內部性能，但這種提高往往導致產品其他內部性能的下降，即設計中往往存在沖突［7］，TRIZ解決沖突的流程如圖2所示。TRIZ的優點體現在它為創新設計過程中矛盾問題的解決提供了新思路，能夠系統地進行創新設計，而且最重要的是TRIZ涉及各種技術領域的創新。但是其缺點是：①從零開始創新，解決問題的時間較長；②沒有自我學習能力，不能積累成功的案例；③設計人員需要具有豐富的設計經驗和知識，以及具備能夠使用TRIZ解決實際問題的能力。

圖2 TRIZ求解的一般過程

1.3 基于CBR與TRIZ的產品綠色創新設計

基于CBR與TRIZ的產品綠色創新設計，是在CBR方法的基礎上，結合TRIZ理論，利用兩者的優點彌補相互的不足（兩種方法的比較見表1［14］）從而實現產品的綠色創新設計。基于CBR與TRIZ的產品綠色創新設計流程如圖3所示，其具體步驟如下：

表1 CBR與TRIZ的比較

（1）相似案例的檢索。根據待改進的綠色性能查找案例庫中的相似案例，套用案例的解決辦法，或者借鑒案例的思路對其進行修改以形成產品綠色創新設計的解決方案。

（2）設計問題向TRIZ工程參數轉化。當案例庫中沒有相似案例時，需要TRIZ工具的指導來進行系統的創新設計。分析設計問題，確定沖突并明確要改進和惡化的設計屬性，然后利用關聯表將其轉化成沖突矩陣相應的工程參數。

（3）利用沖突矩陣進行創新設計。針對上步得到的工程參數，利用TRIZ沖突矩陣中相應的發明原理消解沖突，形成創新設計方案。

（4）方案的可行性分析。當有多個創新設計方案滿足沖突消解的要求時，需要從創新設計方案的經濟性、技術性、拆卸性和回收性上對創新設計方案進行評價，來確定最優的創新方案。

圖3 基于CBR與TRIZ的綠色產品創新設計流程

2 面向綠色產品創新設計的實例推理技術

2.1 產品設計知識

產品設計知識是人類在產品設計過程中總結的經驗和規律。任何產品設計都是利用一定的知識和經驗、從定性到定量，綜合運用各種知識的過程［15］。因此實現設計知識的有效利用，能夠支持產品快速設計，縮短產品開發時間，提高產品創新設計水平。產品設計實例知識的表達是基于實例推理的產品設計方法中的關鍵部分之一，但是當前產品實例知識表達不能很好地滿足產品功能、行為等語義信息描述，不能有效地支持產品設計。

2.2 基于本體的綠色產品設計實例表達

本體論（ontology）是一種概念化的說明，是對客觀存在的概念及其關系的一種描述［16］。本體定義了共享的詞匯，提供了概念的分類和關系，有力地支持了知識的表達。另外本體能夠從形式化上描述知識，能夠實現產品設計知識跨學科和跨領域的應用和共享［17］。因此基于本體的實例設計知識表示方法可以彌補CBR方法在實例表達機制上的欠缺，有效地支持綠色產品創新設計實例的表示。文獻［16］給出了本體的定義。

定義1 本體是某一領域D的概念化描述，它可以用一個四元組Ont＝（D，Con，Att，Ass）表示。其中，D 為本體應用的領域集；Con為領域D中的概念實體的有限集；Att為概念實體屬性的有限集；Ass是概念實體之間的關聯函數。

產品綠色設計屬性的改進一般通過產品系統、部件或零件的綠色性能的改進而實現，而系統、部件綠色性能的改進最終也歸結于零件綠色性能的改進，因此可以用基本元和復合元來描述產品綠色創新設計實例的組成，圖4給出了綠色產品設計實例本體結構。

定義2 基本元（basic unit）。基本元是描述實例的最小基本單元，不可再分，用BU來表示。

定義3 復合元（complex unit）。復合元由若干個基本元組成，可以再分，用CU來表示，其中CU＝（BU1，BU2，…，BUn）

定義4 復合元本體的描述。復合元是由若干個基本元組成的復合體，其描述如下：

其中，CU＿D 為綠色產品設計實例的復合元域；CU＿Con為綠色產品設計實例復合元的概念實體，具體組成見表2；CU＿Att為綠色產品設計實例復合元的概念實體屬性，具體組成見表2；CU＿Ass為綠色產品設計實例復合元的概念實體關聯，具體組成見圖4。

表2 復合元概念實體的組成

定義5 基本元的本體描述。根據本體的概念，用4元組來定義基本元的本體：

圖4 面向綠色設計的產品實例本體結構

其中，BU＿D 為綠色產品設計實例的基本元域；BU＿Con為綠色產品設計實例基本元的概念實體，主要由基本信息（BC＿Con）、綠色設計屬性（GDA＿Con）和技術沖突消解（TCR＿Con）三類概念構成，具體組成見表3；BU＿Att為綠色產品設計實例基本元的概念實體屬性，具體組成見表3；BU＿Ass為綠色產品設計實例基本元的概念實體關聯，具體組成見圖4。

表3 基本元概念實體的組成

2.3 實例的檢索

為了提高檢索效率，本文采用檢索機制和過濾機制兩種機制（圖5）相結合的方法來進行綠色產品設計實例的檢索。

圖5 綠色產品實例檢索模型

2.3.1 基于XML的實例檢索機制

本文采用XML技術表示本體，采用XMLQL查詢語言實現實例檢索。基于XML格式的表示方法具有很強的表達能力，易于閱讀，便于組織、管理、維護和搜索知識點，而且可以利用XML結構中的元素類型和屬性表示本體對象和屬性，利用XML的嵌套結構描述本體中的層次關系，從而實現領域本體在XML結構中的映射，形成領域本體知識的XML表示［18］。

采用XML－QL查詢語言實現實例檢索，該語言基本語法結構是 WHERE／CONSTRUCT，其中WHERE指明要檢索的對象、變量以及條件，而CONSTRUCT部分指明要檢索出的結果。

2.3.2 基于三角模糊數的過濾機制

通過檢索機制檢索到的實例雖然從綠色設計屬性和沖突消解方面滿足要求，然而這些實例可能在回收性、拆卸性、經濟性和技術性方面不能滿足用戶的要求，因此本文建立一個基于三角模糊數的過濾機制對檢索到的實例進行篩選，提高檢索的效率。回收性、拆卸性、經濟性和技術性的語言變量的三角隸屬函數如圖6所示，表4給出了三角模糊數及其與語言變量的對應關系。假設通過檢索機制得到的綠色設計實例集合為Mf。

圖6 語言變量的三角隸屬函數圖

表4 語言變量及對應的三角模糊數

（1）定義一個閾值δ，δ∈ ［0，1］。

（2）定義目標實例過濾指標集合Pf，Pf＝；定義待檢索實例過濾指標集合 Qf， Qf＝。

（3）確定目標實例與檢索實例的相似度SimPQ：

其中，L（）表示取三角模糊數左邊的數值，M（）表示取三角模糊數中間的數值，R（）表示取三角模糊數右邊的數值。D（~a，~b）為兩個三角模糊數間的距離，距離越小說明兩個三角模糊數越相似，如圖7所示。

圖7 三角模糊數的距離

（4）從實例集合Mf中過濾不滿足要求的實例，得到實例集Jf，Jf＝｛Mf｜SimPQ≥δ｝。

3 基于TRIZ的綠色設計沖突消解

如果案例庫中沒有找到相似案例，那么需要利用TRIZ來解決產品綠色設計過程中遇到的沖突，從而實現產品的綠色創新設計。基于TRIZ的綠色設計沖突消解，需要先將綠色設計屬性轉化成TRIZ沖突矩陣的工程參數（表5），然后根據工程參數利用TRIZ沖突矩陣表獲得發明原理。在綠色設計屬性向TRIZ工程參數的轉化中，文獻［19］把世界企業可持續發展委員會（world business council for sustainable development，WBCSD）提出的7個環境效率要素與TRIZ的工程參數相關聯，建立了環境效率要素與TRIZ工程參數的關聯表。在此基礎上，筆者建立了綠色設計屬性與TRIZ工程參數的關聯表（表6），可方便、快速地將綠色設計屬性轉化為TRIZ工程參數。考慮產品設計的實際情況，可能會出現無法確定TRIZ工程參數和遇到空矩陣（沒有發明原理）的情形，此時可以利用文獻［20－21］中的方法解決該問題。

表5 TRIZ沖突矩陣的39個工程參數

4 創新方案可行性評價

創新方案的可行性評價有兩個作用：第一，作為過濾指標的評價結果；第二，可能有多個創新方案可以實現設計沖突的消解，因此需要對創新方案進行可行性評價，選取最優的方案給予實施。綠色產品創新方案的可行性評價矩陣如表7所示，用Sco表示綠色產品創新方案的可行性評價結果：

式中，w1、w2、w3、w4分別為指標 C1、C2、C3、C4的權重；w1i、w2j、w3k、w4l分別為子指標C1i、C2j、C3k、C4l的權重；ScoC1i、ScoC2j、ScoC3k、ScoC4l分 別 為 子 指 標 C1i、C2j、C3k、C4l的評分。

表6 綠色設計屬性與TRIZ工程參數的關聯表

表7 產品綠色設計創新方案的可行性評價矩陣

采用打分法對各指標進行評估，各指標的評分范圍為1（差）～9（優）。指標權重由模糊層次分 析 法 （fuzzy analytic hierarchy process，FAHP）確定，其步驟可見參考文獻［22］。

5 實例研究

筆者以上述方法為基礎，利用可擴展標記XML語言，開發了產品綠色創新設計支持平臺（其基本框架組成如圖8所示），用于綠色產品的開發，以某型號洗碗機零部件為例闡述創新過程。

圖8 產品綠色創新設計支持平臺基本框架組成

洗碗機屬于EuP（eco－design requirements for energy－using products directive）指令監管的第十四類產品，因此對產品綠色性能有較高的要求。產品維修商和回收商對洗碗機底板的拆卸性提出了要求，洗碗機銷售商要求廣東某洗碗機制造企業改進其出口洗碗機底板的拆卸性能，使其能夠實現非工具拆卸，并且成本變動范圍要小。洗碗機的關鍵零部件（如水杯、洗滌泵和電熱管等）位于洗碗機底部，原洗碗機的底板與下前橫檔和側板用螺釘連接（圖9）。改進前的拆卸順序為左右側板→前提腳板→下前橫檔→下后橫檔→底板，而且洗碗機經長時間使用后螺釘容易銹死，因此不便于洗碗機的維護和維修以及廢棄后的拆卸回收處理。

圖9 底板零件的三維模型及其連接關系

首先運用產品綠色創新設計支持平臺的實例檢索模塊，通過借鑒以往成功案例的經驗對洗碗機進行改進。為了借鑒其他類別產品的設計知識，擴大實例檢索范圍，不限定產品類別、功能等參數，將材料設定為“鋼材”，將綠色設計原則設定為“拆卸設計”，設計屬性設定為“連接類型”。為了滿足成本和拆卸性能的要求，在過濾條件中，將拆卸性能和經濟性設定為“很好”，技術性能和回收性能設定為“良好”，然后進行實例檢索。從實例庫中搜索出的實例為電腦機箱側板，特征是將螺釘連接改為卡槽連接，實現了非工具手工拆卸，目前卡槽連接在很多產品中得到廣泛應用，技術十分成熟，因此本文借鑒該類型實例。

主機箱側板的卡槽不承受主機箱的重量，主要保證連接的可靠性，而洗碗機底板需要承受洗碗機以及餐具的重量，其強度要求較高，需要對原有實例進行修改后再用。利用TRIZ對原有實例進行修改，可將其對應為改善的工程參數No14“強度”，惡化的工程參數No11“應力或壓力”。調用基于TRIZ的沖突消解模塊對這一技術沖突進行問題求解，發現可采用發明原理3“局部特性”來進行求解，即將一物體或外在環境（動作）由相同成分組成的結構轉變成由不同成分組成的結構。由此產生的綠色創新方案即在底板的左邊和右邊增加卡槽，使其共同承擔洗碗機的重量，從而改善底板應力狀況。為了驗證改進后底板的可靠性，在Abaqus的環境下進行應力分析，卡槽受到的最大應力為286MPa，小于底板材料的抗拉強度500MPa，滿足強度要求。改進后，只需將洗碗機底板直接從洗碗機底部抽出就可完成拆卸操作。

利用表7對綠色創新設計方案進行評價，其評價結果見表8。根據各評價指標的最大值和最小值以及表4中的語言變量，建立語匯轉換標準，將評價結果轉換為評價語匯。最后根據綠色設計實例存儲結構將該設計案例存儲到數據庫中。

6 結語

（1）將TRIZ與實例推理方法有效地集成，提出了基于TRIZ與實例推理原理的產品綠色創新設計方法，能夠很好地實現產品綠色創新設計。

（2）以本體論為基礎，結合TRIZ工具，給出了綠色產品設計實例的描述模型和檢索模型，實現了綠色產品設計實例的檢索、重用和修正。

（3）建立了綠色設計屬性與TRIZ工程參數的關聯表，便于設計人員將綠色設計屬性轉化為TRIZ工程參數，縮短綠色創新設計的時間。

表8 綠色產品創新方案的可行性評價

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