物質-場情景分解法在工業設計中的應用研究

張俊磊， 曹國忠， 邢錫金

(1. 河北工業大學 建筑與藝術設計學院, 天津 300401; 2. 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心,天津 300130; 3. 河北工業大學 機械工程學院, 天津 300130)

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物質-場情景分解法在工業設計中的應用研究

張俊磊1，2， 曹國忠2，3， 邢錫金1，2

(1. 河北工業大學 建筑與藝術設計學院, 天津 300401; 2. 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心,天津 300130; 3. 河北工業大學 機械工程學院, 天津 300130)

市場經濟帶來的競爭性壓力促使企業不斷進行產品創新設計.為了提高產品創新設計的效率和成功率，系統化的產品創新設計方法顯得尤為重要.物質-場情景分解法，是以情景分解法為基礎分析產品全生命周期過程，結合TRIZ理論體系中的物質-場分析法將情景分解法中的問題轉化為功能模型，并應用標準解對問題進行求解，為產品創新設計提供一種系統化創新設計方法.最后以輪椅設計為例，驗證該方法的有效性和實用性.

物質-場； 情景分解； 標準解； 產品創新設計

市場經濟促使企業在競爭中不斷成長，創新成為企業成長的動力.傳統的產品創新設計方法，基本是憑借設計師個人的創新思維意識和設計經驗積累，缺乏行之有效的系統化理論和科學的指導方法，這就造成新產品的開發存在較大的偶然性和商業風險[1].本文通過對工業設計中情景分解法的研究和對TRIZ理論中相關知識的探索性應用[2-3]，提出一種基于物質-場情景分解法來分析產品全生命周期中的問題，形成產品創新設計的系統性創新方法.該方法以情景分解法為基礎，結合發明問題解決理論——TRIZ理論體系中的物質-場分析法將具體問題轉化為功能模型，進而應用標準解對問題進行求解.這種方法將為情景分解法提供有效的問題解決思路，彌補情景分解法在解決問題方面的缺陷，提高產品創新設計的效率和成功率.

1　物質-場分析法

物質-場模型是TRIZ理論體系中的問題分析工具，它借助于特定的符號來描述系統問題，用圖形工具將一個復雜系統描述為一個簡單的系統模型[4].物質-場模型構建的基礎是：通過對一系列系統問題的分析，發現幾乎所有系統都可以經過不斷細化分解，最后歸結為由2種物質和1種場組成.2種物質分別為S1與S2，S1為物質或者原料，S2為工具，場表示為F.物質-場模型，就是工具S2在場F的作用下，作用于物質S1，使其達到預期的效果[5-6].具體模型如圖1所示.

圖1　物質-場模型Fig.1　Substance-field model

對于一個理想的系統，要實現相應的功能，至少需要3種元素(2種物質和1種場)，并且將3種元素進行一定形式的組合，形成一定的邏輯關系.當系統缺乏相關元素，或者3個元素的組合沒有實現預想的功能甚至是產生了有害效應時，就需要引入額外的物質或者場來補充和完善當前系統，從而使系統達到理想效果[4，7].通過物質-場模型分析，將復雜系統問題轉變為簡單的元素之間的作用關系問題，進而采用76個標準解來解決問題，可以快速有效地形成問題的解決方案[8].

2　基于產品生命周期的情景分解法

2.1產品生命周期

產品生命周期是產品從設計開發、包裝運輸、生產銷售直到回收處理再資源化的整個過程，是對一款產品生命過程的描述.將產品置于一個完整的系統當中，來研究其帶來的影響[9-11].

2.2情景分解法

情景分解法，顧名思義就是將一個完整的情景分解成一系列相互連接的最簡化的步驟，然后單獨分析每個步驟，得出需要改進的步驟，并結合問題解決方法改進該步驟.情景分解法最大的好處就是可以理性、完整地分析一個場景，不會導致重要情節的遺漏[12-13].

2.3產品生命周期的情景分解

將一款產品按照生命周期順序分解形成n個情景節點：

1)對情景節點作進一步分析，對于一些沒有必要改進的項目就不再進行下一步的分解；對于需要改進的則繼續進行分解，直至分解到不可再分解，得到簡單的系統模型.

2)明確設計目標和預期效果，依據可持續設計理念下的產品生命周期理論以及相關設計方法對分解得到的步驟進行辨別分類.大體上分為2類：第1類是重要的情景片段，對產品的改進設計起到重要作用；第2類就是一些有害及需要簡化的步驟，對這些步驟需進行一些改良設計[14].

按照情景分解法建立產品生命周期的情景分解圖，如圖2，其中Sx代表相應的情景節點.建立情景分解模型的步驟如下：

第1步：按照產品生命周期流程：材料選擇S1，設計制造S2，包裝S3，…，再生產Sn，將生命周期劃分為相應的情景片段，建立第1層的情景節點.

第2步：明確設計任務.通過對第1層情景片段的分析，去除一些沒有必要再去分析的情景片段；選擇與產品設計改進相關的情景節點Sx進行更加深入的分析，得到第2層情景片段Sx.1，Sx.2,…,Sx.l.

第3步：重復步驟2，直到將所需要的情景分解為最簡單的動作，找到相關問題所在.

圖2　情景分解模型Fig.2　Scenario decomposition model

3　物質-場理論在情景分解中的應用

3.1物質-場與工業設計融合研究

通過物質-場模型構建系統問題的簡化模型，應用TRIZ理論體系中的76個標準解來解決問題[15].結合設計領域的特點，為了使工業設計師能夠更有效地應用 TRIZ理論方法及工具，通過優化76 種標準解法(宏觀)形成適用于設計領域實踐的設計標準解法(微觀)，從微觀層面探討設計目標的實現可能，提高設計問題解決的效率，為設計方法的應用提供更好的參考[16-17].具體如表1所示.

表1　基于TRIZ標準解構建的設計領域標準解

3.2物質-場情景分解法的使用流程

物質-場情景分解法的使用流程如下：

第1步：選定設計對象，從宏觀層面分析存在的問題；

第2步：對產品進行全生命周期的設計資源分析，提取設計元素，進一步明確設計方向；

第3步：建立產品全生命周期的情景分解圖，根據確定的設計要素，進行相應的情景片段分解；

第4步：根據情景分解片段，發現問題，建立物質-場功能分析模型，探討各項微觀層面上的創新可能；

第5步：基于建立的物質-場功能分析模型，確定待深入改進的支撐功能模型，并查找標準解法，解決問題，改進產品設計.

4　案例分析

隨著中國老齡化的加劇，輪椅的消費數量逐漸增加.使用對象、地域和環境的復雜性，要求輪椅具有一些新的甚至是針對性的改進設計，以滿足使用者的不同需求[18-19].本文以輪椅設計為例，論證物質-場情景分解法在產品改進設計中的可行性.

4.1輪椅設計的問題分析

首先對輪椅設計的相關問題進行一個宏觀的分析，從整體層面認識設計對象，如表2所示.

表2　輪椅設計相關問題分析

4.2輪椅設計資源分析

從產品生命周期出發，對輪椅的設計資源、工程資源以及市場環境資源進行搜集整理，為輪椅的創新改進提供設計依據.表3是通過市場調查對輪椅設計資源的匯總.

表3　輪椅設計相關資源分析

通過對資源的歸納和分析，可以明確問題的方向.在輪椅生命周期的情景分解過程中，有針對性地對具體的情景片段進行深入分解，建立物質-場分析模型.

4.3產品全生命周期的情景分解圖

結合既定設計目標與資源分析結果，選擇生命周期中相應的情景片段，建立物質-場模型.這些片段主要集中在產品的設計與制造階段.

就輪椅的安全性能來講，其情景分析模型如圖3所示，具體建立過程如下：

1)首先根據輪椅全生命周期流程：材料選擇S1，設計制造S2，包裝S3，…，再生產Sn，設立情景節點，建立第1層情景分解圖.根據設計需求，找到產品設計制造的情景模擬片段.該片段中包括產品的很多性能參數，比如安全性能、工藝性能、人機舒適性能等.

2)根據情景分解模型，將情景片段—設計制造S2，作出進一步分解，分解出產品安全性能情景片段S2.1，建立第2層情景分解圖，其中安全性能又包括結構穩定安全S2.1.1，色彩安全S2.1.2，……，使用安全S2.1.m等方面.

3)接著列出結構穩定安全S2.1.1的情景片段，進行具體使用情景分析：輪椅使用者在操作輪椅時需要考慮路面的平整性，從而減少顛簸性.從這一需求出發，試著列出輪椅駛過不平整路面時的場景如下：初始狀態→推動→過路→震動→停止.

圖3　輪椅安全穩定性情景分解圖Fig.3　Wheelchair safety and stability analysis based on the scenario decomposition method

4.4構建輪椅的物質-場模型

輪椅整體結構有著較好的穩定作用，需要關注的是由于路面的不平整帶來的顛簸，因此要建立安全模型，需要有避震裝置，充分吸收路面不平所帶來的輪椅搖晃顛簸等震動.構建物質-場模型，進行分析，得出需要在原來的物質-場模型上引入第3種物質(例如減震裝置、減震坐墊等)來改進輪椅，消除有害影響.應用設計領域通用的標準解G1.1引入一個物質消除有害影響,如圖4所示.

圖4　輪椅安全減震模型Fig.4　Substance-field model for wheelchair safety & damping

進一步分析標準解，探討微觀層面上的問題解決方式，得到如下解決方案:

方法1：在上車架和下車架之間安裝減震彈簧，將連接結構改為柔性連接，可以有效起到減震效果，如圖5；在輪椅輪軸和車身之間安裝減震彈簧或者液壓減震裝置，減少震動，如圖6所示.

1—上車架；2—減震彈簧；3—下車架.圖5　輪椅車身減震模型1Fig.5　Wheelchair damping design model 1

1—車架；2—減震彈簧；3—車輪.圖6　輪椅車身減震模型2Fig.6　Wheelchair damping design model 2

方法2：改善輪椅坐墊和靠背的材質和結構設計，使用減震效果更好的材料，減小震動，增強使用者的舒適度.

方法3：方法1和方法2這兩者的結合使用.

4.5輪椅模型建模

對輪椅的全生命周期進行情景分解，對出現的問題建立物質-場模型進行分析，并應用標準解來解決發現的問題.在運用系統化的創新方法改進設計之后，為使解決方案具有直觀視覺效果，建立簡單模型效果，如圖5和圖6.

5　結束語

系統化的產品創新設計方法，對企業在市場中的生存尤為重要.本文提出的物質-場情景分解法，將產品設計中的情景分解法與TRIZ理論中的“物質-場”模型分析法相結合，把產品生命周期中出現的復雜的系統問題轉化為簡單的功能模型問題，進一步運用設計領域的標準解來解決問題，從而形成一種系統化的產品創新設計方法.這種方法為情景分解法提供有效的問題解決方法，彌補情景分解法在解決問題方面的缺陷，有效地擴充了產品創新設計的知識方法庫，提高了產品創新設計的效率和成功率.

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Application of substance-field & scenario decomposition method in industrial design

ZHANG Jun-lei1，2， CAO Guo-zhong2，3， XING Xi-jin1，2

(1. School of Architecture & Art Design， Hebei University of Technology， Tianjin 300401, China;2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center， Tianjin 300130, China;3. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130, China)

Market economy competitive pressure is a force to promote enterprises to ongoing product innovation design. In order to improve the efficiency and success rate of product innovation and design， systematic product innovation method is particularly important. Substance-field & scenario decomposition method was a comprehensive innovative design approach which analyed the product lifecycle based on scenario decomposition method， turned a problem into the functional model by combining the method of substance-field model of TRIZ theory system， and then appied the standard solutions for the problem solving. This method provided a systematic approach to product innovation design， which could improve the efficiency and success rate of product innovation and design. Finally the further design of the wheelchair was taken as an example to verify the effectiveness and practicality of the method．

substance-field; scenario decomposition; standard solution; product innovation design

2016-01-05.

本刊網址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國家自然科學基金資助項目(51275153,51475137).

張俊磊(1987—)，男，湖北棗陽人，碩士生，從事產品設計研究，E-mail:1031186264@qq.com.

通信聯系人：曹國忠(1974—)，男，河北唐山人，教授，博士，從事機械產品創新理論研究，E-mail:caoguozhong@hebut.edu.cn.http://orcid.org//0000-0001-6789-6989

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.003

TB 472

A

1006-754X(2016)04-0316-06