基于E/HOQ/TRIZ的人機產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究

張芳蘭， 史慧君， 陳國強

(燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

基于E/HOQ/TRIZ的人機產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究

張芳蘭， 史慧君， 陳國強

(燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

為了快速準確地進行設(shè)計階段的人機產(chǎn)品創(chuàng)新，開發(fā)了E/HOQ/TRIZ集成模型并描述了具體步驟，提出了基于人體工程學(xué)(E)的人機用戶需求三維分類的需求獲取方式；通過質(zhì)量屋(HOQ)確立人機設(shè)計關(guān)鍵問題與關(guān)鍵人機設(shè)計區(qū)域；利用發(fā)明問題解決理論(TRIZ)分析人機設(shè)計關(guān)鍵問題中的沖突類型，借助TRIZ發(fā)明原理消除沖突。E/HOQ/TRIZ集成模型有效彌補了單一設(shè)計理論與方法的局限性，并發(fā)揮三種理論與方法的優(yōu)勢，實現(xiàn)人機產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。通過人機洗浴設(shè)施創(chuàng)新設(shè)計，論證了所提出E/HOQ/TRIZ集成模型與方法的可行性。

人機工程學(xué)；質(zhì)量屋；發(fā)明問題解決理論；集成模型；創(chuàng)新設(shè)計

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

在工業(yè)設(shè)計中，產(chǎn)品創(chuàng)新方法的合理開發(fā)與應(yīng)用，可以改變傳統(tǒng)主觀經(jīng)驗型設(shè)計模式，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新過程，提升產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。針對設(shè)計環(huán)節(jié)創(chuàng)新問題的解決，TRIZ理論作為一種有效的創(chuàng)新工具，已由單一理論應(yīng)用轉(zhuǎn)化為該理論與其他設(shè)計方法的互補集成應(yīng)用。例如，Shirwaiker和 Okudan[1]認為 TRIZ與公理化設(shè)計(axiomatic design，AD)的結(jié)合是互補的。AD可以為設(shè)計過程建立完整且實用的框架，獨立性公理和信息公理對設(shè)計方案的選擇與優(yōu)化提供了合理的判斷準則；TRIZ將技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)律作為產(chǎn)品進化的模式，并應(yīng)用相應(yīng)的工具消除設(shè)計中的矛盾，促使創(chuàng)新過程模式化。羅志成[2]提出了TRIZ與質(zhì)量功能配置(quality function deployment，QFD)、AD集成模型，將其成功應(yīng)用到LED路燈設(shè)計之中。邵云飛等[3]將 TRIZ與 6σ管理流程、QFD相結(jié)合，構(gòu)建了 6σ/QFD/TRIZ集成的總體框架及流程，并應(yīng)用于手機部件的創(chuàng)新設(shè)計中。Mann[4]提出了TRIZ與約束理論(theory of constrains，TOC)集成的產(chǎn)品概念設(shè)計方法，運用TOC中的當(dāng)前實現(xiàn)樹和沖突解決圖表，定位創(chuàng)新問題，并借助TRIZ發(fā)明工具提出創(chuàng)新方案。黃偉等[5]通過專利分析法與TRIZ結(jié)合為基礎(chǔ)，提出了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計流程。李陽[6]利用 TOC找出問題，TRIZ解決問題，用實例推理(case based reasoning，CBR)將特殊解轉(zhuǎn)化為具體解，提出了一種綠色設(shè)計模型。馬懷宇和孟明辰[7]將 QFD、功能分析(functional analysis，F(xiàn)A)與TRIZ結(jié)合，提出了從功能需求分析到方案產(chǎn)生的具體流程與問題處理方法。張沙沙[8]針對塔式起重機人機設(shè)計中技術(shù)難題和設(shè)計缺陷，將 TRIZ與人機工程學(xué)(ergonomics，E)相結(jié)合，創(chuàng)建技術(shù)沖突模型、物理沖突模型及物-場模型，應(yīng)用到起重機人機設(shè)計之中。劉鳳山等[9]將TRIZ理論引入到人機工學(xué)實驗設(shè)計過程中，有效解決生產(chǎn)制造系統(tǒng)中作業(yè)人員的生理疲勞與工作效率的沖突。

在 TRIZ理論與其他設(shè)計方法的集成中，主要表現(xiàn)在主流設(shè)計理論與AD、QFD、TOC三大方法的集成。AD使得設(shè)計流程清晰化，可以幫助設(shè)計師通過方案評價選擇最優(yōu)化方案；QFD可以指導(dǎo)設(shè)計師通過用戶需求獲取與分析，設(shè)計出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)；TOC使得設(shè)計過程中的沖突問題明晰化，幫助設(shè)計人員更清晰地確定需要解決的沖突問題。同時，部分研究者將專利研究及仿生學(xué)、CBR、FA、綠色設(shè)計、E等創(chuàng)新方法與TRIZ融合，建立了設(shè)計模型，并經(jīng)過驗證證明了其可行性。

然而，在工業(yè)設(shè)計流程中，依靠傳統(tǒng)主觀經(jīng)驗型設(shè)計模式已無法確保高用戶滿意度。用戶需求是創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵源頭信息，若采取普通用戶自然語言描述個體需求，勢必會帶有主觀性、模糊性、隨意性、不完整性，且重復(fù)性較強，會對用戶需求的準確性定義產(chǎn)生偏差。E理論將用戶需求分為人機交互、人機情感、人機效能 3個維度，可以據(jù)此對實際設(shè)計問題的用戶需求進行具體描述，確保需求的準確性與完備性。研究顯示，良好的人機產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計在舒適度、環(huán)保度、審美度、高效度等方面有效提高用戶滿意度[10-15]。但是，單一的 E理論很難將用戶需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品工程特性，且不能提出針對創(chuàng)新問題的具體解決方法與思路。

因此，針對地震后災(zāi)民的洗浴問題，本文將基于 E理論的人機用戶需求三維分類方法，與HOQ、TRIZ相結(jié)合，創(chuàng)建適用于工業(yè)設(shè)計的人機產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計集成模型與具體方法步驟。最終，通過一款人機洗浴設(shè)施創(chuàng)新設(shè)計，論證該集成模型與方法的可行性。

1 E/HOQ/TRIZ集成創(chuàng)新模型開發(fā)

將E理論、HOQ與TRIZ理論三者結(jié)合，構(gòu)建面向人機產(chǎn)品創(chuàng)新的 E/HOQ/TRIZ集成創(chuàng)新模型，如圖1所示。

E/HOQ/TRIZ集成模型的具體實施步驟為：

步驟1. 人機用戶需求具體描述獲取。工業(yè)設(shè)計師依據(jù)人機用戶需求三維分類，針對實際設(shè)計問題對用戶需求進行具體描述，并利用 1、2、3、4、5比例標度依次表示用戶需求的重要性程度：極不重要、不重要、一般、重要、極為重要5個等級。

步驟2. 構(gòu)建 HOQ，確立人機設(shè)計關(guān)鍵問題與關(guān)鍵人機設(shè)計區(qū)域。在構(gòu)建用戶需求與人機設(shè)計特性相關(guān)矩陣中，采用0、1、3、5比例標度判定用戶需求與人機設(shè)計特性間的相互關(guān)系，依次表示不相關(guān)、弱相關(guān)、中相關(guān)和強相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)式(1)計算各項人機產(chǎn)品設(shè)計特性分值

其中，Ci為用戶需求的重要性；Pij為用戶需求與人機設(shè)計特性之間的相關(guān)程度；Sj為產(chǎn)品人機設(shè)計特性整體得分。依據(jù)產(chǎn)品人機設(shè)計特性的整體得分對優(yōu)先度進行排序。

位于HOQ屋頂?shù)娜藱C設(shè)計特性自相關(guān)矩陣，若提高或改善某一人機設(shè)計特性，從而導(dǎo)致另一人機設(shè)計特性提高與改善，即可判斷兩個人機設(shè)計特性存在正相關(guān)關(guān)系，用“+”表示。反之，若導(dǎo)致另一人機設(shè)計特性下降，可判斷其間存在負相關(guān)關(guān)系，用“-”表示。依據(jù)負相關(guān)特性，確立設(shè)計特性之間的沖突問題，從而確立人機設(shè)計關(guān)鍵問題。

步驟 3. 人機設(shè)計關(guān)鍵問題的沖突分析與消除，利用TRIZ理論提供的發(fā)明原理，實現(xiàn)方案創(chuàng)新。面對人機設(shè)計關(guān)鍵問題，利用39個工程技術(shù)參數(shù)，找到在HOQ屋頂?shù)呢撓嚓P(guān)特征對應(yīng)的工程技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)從人機設(shè)計關(guān)鍵問題向TRIZ一般問題的轉(zhuǎn)化。然后確定沖突類型，技術(shù)沖突采用沖突矩陣中建議的發(fā)明原理消除，物理沖突采用分離原理中建議的發(fā)明原理解決。根據(jù)轉(zhuǎn)化的TRIZ問題，選擇相應(yīng)的發(fā)明原理，找到解決問題的創(chuàng)新方法，并結(jié)合關(guān)鍵人機設(shè)計區(qū)域最終實現(xiàn)方案創(chuàng)新。

圖1 E/HOQ/TRIZ集成模型

2 人機洗浴設(shè)施創(chuàng)新設(shè)計案例

據(jù)調(diào)研：一般在地震后對災(zāi)民安置時，災(zāi)民的洗浴問題相對困難。現(xiàn)依據(jù) E/HOQ/TRIZ集成模型與具體流程進行洗浴設(shè)施的人機創(chuàng)新設(shè)計。

步驟1. 人機洗浴設(shè)施用戶需求具體描述獲取。工業(yè)設(shè)計師依據(jù)人機用戶需求三維分類獲取洗浴設(shè)施的人機用戶需求描述，如表 1所示。再利用 1、2、3、4、5數(shù)值對用戶需求的重要性進行標度，采用 SPSS軟件計算 10項用戶需求均值，如表2所示。

步驟2. 構(gòu)建人機洗浴設(shè)施HOQ，在圖2中依據(jù)式(1)求解各項人機設(shè)計特性分值，確立加熱板尺寸布局、功能系統(tǒng)空間配置、結(jié)構(gòu)、盛水區(qū)域體積、模塊化程度及產(chǎn)品器件體積與數(shù)量為關(guān)鍵人機設(shè)計區(qū)域。

表1 用戶需求初級篩選

表2 用戶需求優(yōu)先度

依據(jù)圖2所示的HOQ屋頂自相關(guān)矩陣，可以獲得3對負相關(guān)設(shè)計特性，如表3所示。據(jù)此確立人機洗浴設(shè)施的 3組人機設(shè)計關(guān)鍵問題，即沖突問題：①消除“整體產(chǎn)品的質(zhì)量”與“盛水區(qū)域的體積”之間的沖突；②消除“結(jié)構(gòu)”與“功能系統(tǒng)空間配置”之間的沖突；③消除“產(chǎn)品器件體積大、數(shù)量繁雜”與“易運輸”之間的沖突。

步驟3. 人機設(shè)計關(guān)鍵問題的沖突分析與消除，以及最終創(chuàng)新方案的實現(xiàn)。依據(jù)3對人機洗浴設(shè)施負相關(guān)設(shè)計特性及3組人機設(shè)計關(guān)鍵問題，分別構(gòu)建出TRIZ中與其相對應(yīng)的通用工程參數(shù)，如表3所示。將人機設(shè)計關(guān)鍵問題中的沖突，應(yīng)用負相關(guān)設(shè)計特性對應(yīng)的通用工程參數(shù)替代，從而實現(xiàn)了將人機設(shè)計關(guān)鍵問題向TRIZ一般問題的轉(zhuǎn)化。

圖2 人機洗浴設(shè)施HOQ

表3 負相關(guān)設(shè)計特性及其對應(yīng)的TRIZ理論通用工程參數(shù)

針對第 1組關(guān)鍵問題，即“整體產(chǎn)品的質(zhì)量”與“盛水區(qū)域的體積”之間沖突的解決。若洗浴設(shè)施的盛水區(qū)域體積增大，可加大儲存量，有利于災(zāi)民洗浴，但會造成整體產(chǎn)品質(zhì)量過大，不便于運輸。因此，產(chǎn)品的整體質(zhì)量應(yīng)盡可能的小，以方便人機洗浴設(shè)施能夠快速便捷地送達災(zāi)區(qū)。故此沖突問題屬于技術(shù)沖突，可以利用如圖 3所示的TRIZ理論沖突矩陣及其所建議的發(fā)明原理消除。針對第2組關(guān)鍵問題，即消除“結(jié)構(gòu)”與“功能系統(tǒng)空間配置”之間的沖突，當(dāng)提升產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)可制造性時，導(dǎo)致功能系統(tǒng)空間配置的可操作性下降所以該沖突問題亦屬于技術(shù)沖突，消除沖突方式與第1組關(guān)鍵問題相同。第1、2組關(guān)鍵問題分別轉(zhuǎn)化為“2.靜止物體的重量”與“8.靜止物體的體積”、“32.可制造性”與“33.可操作性”之間的沖突。利用圖3所示的沖突矩陣，獲得TRIZ理論建議的發(fā)明原理編號。針對第 1組關(guān)鍵問題，在建議的 4個發(fā)明原理編號 No.35、No.10、No.19、No.14中，選擇“No.10預(yù)先作用原理：在真正需要某種作用之前，預(yù)先執(zhí)行該作用的全部或一部分，預(yù)先對物體(全部或部分)施加必要的改變”。由于地震發(fā)生之后，引發(fā)地震的地下能量致使地下的水汽沿著裂縫進入空氣，空氣中增加大量形成水滴的最好凝結(jié)核粉塵，在地震巨大沖擊波的作用下使震區(qū)上空大量凝結(jié)核與水汽充分結(jié)合，迫使大雨降臨。因此，提出預(yù)先將天空中降落下的雨水收集起來作為水源，加以凈化、加熱、保溫，以供洗浴之用。對于第 2組關(guān)鍵問題，從推薦的3個發(fā)明原理編號No.2、No.5、No.12中選擇“No.5合并：為了提高效率或改善功能，可將相同的物體或相似的操作進行組合”，提出將收集雨水區(qū)域與太陽能加熱區(qū)域系統(tǒng)加以合并，從而第1、2個組關(guān)鍵問題中的沖突得以消除。

針對第 3組關(guān)鍵問題，即“產(chǎn)品器件、數(shù)量”與“模塊化程度”之間沖突的解決。若保持洗浴設(shè)施良好的功能性，需保證能圍合出一個封閉的空間，但導(dǎo)致產(chǎn)品體量大，零部件數(shù)量繁雜，使得產(chǎn)品模塊化程度下降，阻礙運輸。因此，產(chǎn)品零部件應(yīng)盡量少，體量盡量小。故該沖突屬于物理沖突，可利用TRIZ分離原理中的空間分離原理與整體與部分分離（轉(zhuǎn)換到子系統(tǒng)）原理所建議的發(fā)明原理實現(xiàn)沖突化解，相關(guān)發(fā)明原理編號為：No.1、No.2、No.3、No.17、No.13、No.14、No.7、No.30、No.4、No.24、No.26與No.40。依據(jù)實際問題，首先選擇“No.1分離原理”將整體設(shè)施的支撐件選取可伸縮的支撐棒，外部遮擋選取柔軟可伸縮的屏風(fēng)，將支撐棒安置在收納盒底部，對洗浴設(shè)施整體重新組裝，以方便運輸。再利用發(fā)明原理“No.40復(fù)合材料原理”內(nèi)部儲水區(qū)域采用 LDPE低密度聚乙烯，外部屏風(fēng)采用復(fù)合材料 PVC，柔軟處添加催化劑軟化處理，保證內(nèi)外部區(qū)域穩(wěn)固性的同時提升其可伸縮性。

圖3 解決沖突問題的局部沖突矩陣

綜上所述，通過預(yù)先收集雨水系統(tǒng)、合并加熱與收集系統(tǒng)、模塊化集成收集與采用復(fù)合材料手段，并結(jié)合 6項關(guān)鍵人機設(shè)計區(qū)域，利用計算機輔助設(shè)計，創(chuàng)建出人機洗浴設(shè)施的三維建模設(shè)計方案，如圖4所示。

圖4 人機洗浴設(shè)施創(chuàng)新設(shè)計方案

3 結(jié) 論

E/HOQ/TRIZ集成模型解決了設(shè)計階段如何準確獲取用戶需求的具體問題，以及針對具體問題采用何種創(chuàng)新思路與方法，實現(xiàn)具體創(chuàng)新。三者的結(jié)合可以有效彌補單一設(shè)計理論的局限性，發(fā)揮各自理論與方法的最大優(yōu)勢，從而消除人機設(shè)計問題的瓶頸。通過對人機洗浴設(shè)施的創(chuàng)新過程分析，論證了該集成模型與具體方法過程的可行性。對于工業(yè)設(shè)計中其他人機產(chǎn)品的創(chuàng)新與開發(fā)，該集成模型與方法同樣具有有效性。

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Research on the Innovation Method of Ergonomic Products Based on E/HOQ/TRIZ

To fast and accurate ergonomic product design at the design stage, the E/HOQ/TRIZ integration model is developed and the specific steps are described. The method of obtaining user needs based on the ergonomics (E) user needs three-dimensional classification was described. The key issues and the key design areas of ergonomic design were established by the house of quality (HOQ). The type of conflicts of the key issues were analyzed and resolved by the theory of inventive problem solving (TRIZ) for achieving ergonomic product innovation. E/HOQ/TRIZ integration model can effectively make up the limitations of the single design theory and method, and play the advantages of the three theories and methods, so as to realize the innovative design of human machine products. Finally, through innovative design of the ergonomic bath facilities, the feasibility of the proposed integrated model and approach was demonstrated.

ergonomics; house of quality; theory of inventive problem solving; integrated model; innovative design

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060759

A

2095-302X(2016)06-0759-06

2016-03-23；定稿日期：2016-05-29

河北省社會科學(xué)基金項目(HB15YS009)

張芳蘭(1980?)，女，陜西寶雞人，副教授，博士。主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計與評價、人機工程學(xué)等。E-mail：fanglanzhang@163.com