TRIZ與六西格瑪設計集成創新及問題定義階段融合應用研究

閆洪波　曹國忠　檀潤華　楊澤中

1.河北工業大學國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津，300130 2.內蒙古科技大學機械工程學院，包頭，014010

0　引言

六西格瑪理論包括六西格瑪改進（improve for six sigma，IFSS）和六西格瑪設計（design for six sigma，DFSS）。六西格瑪改進是對現有產品或流程的改進，消除缺陷以達到六西格瑪的質量要求［1］。而六西格瑪改進存在“五西格瑪墻”的瓶頸，六西格瑪設計就此產生，六西格瑪設計是對新產品或新流程的設計，使其在低成本下實現六西格瑪水平［2］。典型的 DFSS 流程分為 Define（定義）、Measure（測量）、Analyze（分析）、Design（設計）和Verify（驗證）5個階段，即DMADV流程。DFSS從設計源頭控制品質，按照合理的流程，準確把握和理解客戶需求，是達到六西格瑪質量的最佳選擇［3］。

TRIZ是基于知識的、面向設計者的發明創新問題系統化解決方法學，是系統化、體系化、圖形化、程式化的創新方法理論［4-5］。

在大量工程問題被解決的過程中，發現技術人員在解決實際工程問題時，無法正確選擇解決問題的路徑，無法準確快速地識別關鍵核心問題。技術創新路徑選擇錯誤導致解決問題失敗、成本過高、可實施性差；核心關鍵問題識別錯誤導致解決錯誤的問題，無法以低成本根除問題。為了破解上述技術創新面臨的兩大障礙，需繼續加強TRIZ與DFSS的融合創新研究。目前，人們對TRIZ和DFSS的融合創新研究少且淺，只是探討了兩者結合的可能性，以及簡單應用TRIZ解決DFSS中出現的沖突矛盾問題（即僅將TRIZ解決問題的工具應用在DFSS產生概念方案的階段中）。而實際過程中，企業也無法很好地運用2個理論進行產品設計，其原因就在于對創新路徑的確定和關鍵問題的識別存在缺陷。本文將TRIZ與DFSS進行框架融合，并重點在DFSS定義階段融合TRIZ分析問題的工具，對技術創新進行深入識別和分析，消除存在的缺陷，為后續進行技術創新提供一定的參考。

1　 TRIZ與DFSS融合的可行性

TRIZ與DFSS都是技術創新的方法理論和實施工具，通過以下3個方面論述兩者融合的可行性。

（1）TRIZ與DFSS優勢互補。表1列出了TRIZ與DFSS的優劣對比。由表1可知：TRIZ與DFSS分別側重于定性分析和定量分析，兩者融合將形成優勢互補，取長補短，有助于企業完成技術創新，解決工程問題。而在問題分析方面，DFSS側重于需求分析，即客戶“要什么”，提供產品設計的真正技術需求；TRIZ側重于關鍵問題分析，即設計人員需要“做什么”，提供解決問題的核心關鍵問題。兩者在分析問題階段形成強強聯合，能夠完成在問題分析階段客戶“要什么”和設計人員“做什么”這兩個基本問題，明確設計方向，為將來的設計奠定基礎。

表1　TRIZ與DFSS優劣比較Tab.1　Comparison of advantages and disadvantages between TRIZ and DFSS

（2）TRIZ與DFSS思想邏輯相似，有融合的可行性。圖1和圖2分別為TRIZ解決問題的形式以及六西格瑪分析問題的原理。由圖1和圖2可以看出，TRIZ與DFSS分析解決問題的思想邏輯是相似的，以各自特有的形式轉化問題，從不同角度解決問題，能夠更好地分析問題的本質，更快地解決問題［6］。

圖1　TRIZ解決問題的一般形式Fig.1　The general form of TRIZ solving problem

圖2　六西格瑪分析問題的一般原理Fig.2　The general principle of six sigma analyzing problem

（3）兩者融合是系統進化發展的必然趨勢和結果。TRIZ中的技術系統進化定律是核心理論之一。TRIZ與DFSS融合符合技術系統向提高理想化水平以及向復雜系統進化的定律。系統產生之初是以最簡單的形式出現，復雜度和理想度均低。當系統遇到瓶頸，便發展成更復雜的系統以突破瓶頸［7-8］。DFSS正是由六西格瑪改進發展而來。早期DFSS包含質量功能展開、新QC七工具等工具，而后加入了卡諾（KANO）分析、實驗設計等工具，理論體系趨于復雜，進而形成了現在較為完整和理想的DFSS體系。隨著DFSS的發展，對其使用效率、準確性和創新性也提出了更高的要求，因此DFSS與TRIZ的結合是系統發展進化的必然結果。

2　TRIZ與DFSS的集成研究

2.1　TRIZ與DFSS理論框架

TRIZ解決問題的基本流程框架見圖3。DFSS核心模式的DMADV流程框架見圖4。

由圖3可以看出，TRIZ解決問題的過程分為3個部分：①問題分析階段經過功能分析、因果分析、資源分析等對問題的根本原因和求解資源進行挖掘；②問題解決階段分別根據矛盾模型、物場模型、功能模型選擇發明原理、標準解或效應知識庫進行問題求解，形成概念方案；③概念驗證階段對方案進行評價篩選和實施［9］。

圖3　TRIZ流程框架Fig.3　TRIZ process framework

圖4　DMADV流程框架Fig.4　DMADV process framework

表2　DMADV各階段的六西格瑪和TRIZ工具Tab.2　Tools of DFSSand TRIZ in each phase of DMADV

圖5　 TRIZ與DMADV集成框架Fig.5　Integrated framework of TRIZ and DMADV

由圖4可以看出，DMADV流程中，定義階段主要任務是收集客戶需求、識別問題和確定設計方向，測量階段量化客戶需求并轉變為關鍵質量特性（critical to quality，CTQ），分析階段主要產生概念方案，設計階段是對概念方案進行詳細設計，最后驗證階段驗證設計方案的可行性。其基本流程仍可分為問題分析（定義、測量）、問題解決（分析、設計）和方案驗證（驗證）3個部分，與TRIZ流程框架大體相似。

2.2　TRIZ與DFSS的集成

在研究融合可行性和理論框架結構的基礎上，探討TRIZ與DFSS的集成。對比圖3和圖4可知，TRIZ與DFSS的流程框架均可分為問題分析、問題解決和驗證三大部分。在技術創新設計的不同階段，二者都有各自的工具，能夠相互融合。表2列出了在DFSS的DMADV各階段中用到的六西格瑪工具和可以集成的TRIZ工具，并據此得到TRIZ與DMADV集成框架，見圖5。

（1）定義階段。使用客戶之聲（voice of costumers，VOC）、卡諾分析、關鍵質量特性（CTQ）等DFSS工具識別并分析客戶需求，確定客戶“要什么”；使用功能分析、因果分析、資源分析等TRIZ工具，找到要解決的關鍵問題，確定技術人員“做什么”；將“要什么”和“做什么”相結合，確定設計的最終理想解（idea final result，IFR），即設計方向，這是整個設計流程的基礎與關鍵。

（2）測量階段。使用質量功能展開（quality function deployment，QFD）等DFSS工具，量化客戶需求并將CTQ轉變為具體設計指標；若測量數據存在困難，可以運用TRIZ中用于檢測與測量的第四類標準解來解決。測量階段將需求量化為六西格瑪性能指標，確定設計目標，作為最后驗證設計方案的標準之一。

（3）分析階段。主要運用TRIZ工具對問題進行解決，產生若干概念方案；對所有概念方案進行多方面評價，結合失效模式與影響分析（failure mode and effect analysis，FMEA），確定最佳概念方案。

（4）設計階段。根據概念方案進行產品詳細設計，形成具體方案。可運用實驗設計（design of experiments，DOE）、穩健性設計等DFSS工具，同時可借助TRIZ中的效應知識庫或進行專利分析，為方案的具體設計提供指導幫助。

（5）驗證階段。經過試生產和測試，判斷結果是否滿足客戶需求，是否解決關鍵問題，是否達到測量階段得出的設計目標。若滿足要求，即完成設計；否則回到分析階段，重新產生概念方案。該階段可以參考TRIZ中技術系統進化法則，驗證設計的準確性。

企業要解決創新問題，不僅需要TRIZ這一發明問題解決理論，知識的收集和整理也相當重要。解決的渠道主要有3個：企業的領域知識庫、技術人員的技術儲備及公開的知識庫（包括專利平臺、數字知識庫、互聯網知識庫等），這些知識的運用可穿插在產品設計的各個階段。TRIZ中的效應知識庫也屬于公開知識庫的一種，可運用在DMADV流程的分析階段和設計階段中。運用知識庫時，首先針對關鍵問題，確定技術主題，提取關鍵詞，然后進行專利或知識的檢索，將檢索信息導出，經過數據采集、篩選和規范化，分析和評估現有技術和解決方案，從中發現可利用的技術和知識，為概念方案的提出和方案的具體設計提供切實有效的幫助。

對于以上的融合框架路線，可根據實際情況選擇性地使用其中的步驟和思想，旨在盡可能提高解決問題的可能性和效率，從而得到最佳的設計方案。

3　 TRIZ與DFSS定義階段融合

3.1　定義階段的重要性

圖6所示為DMADV流程各階段之間的聯系。由圖6可以看出，定義階段產出的關鍵質量特性（CTQ）輸入到測量階段，量化成為設計目標，作為最后驗證階段的標準；定義階段產出的關鍵問題輸入到分析階段，針對關鍵問題進行創新解決，形成概念方案，并輸入到設計階段形成具體方案，最后到驗證階段結合設計目標進行方案驗證。

圖6　 DMADV各階段之間的聯系Fig.6　The links between stages of DMADV

定義階段是一切的出發點，是產品技術創新的源頭和根基，做好定義階段的工作對于整個流程來說至關重要。在定義階段分別要識別出關鍵質量特性（客戶需求）和關鍵問題，即客戶“要什么”和技術人員“做什么”的問題。只有準確把握客戶需求和關鍵問題，才能為技術創新確定正確的創新路徑。DFSS和TRIZ的工具分別側重于以上兩個基本問題，在定義階段能夠做到強強聯合。

3.2　融合路線

在定義階段確定產品類型，收集并分析市場和客戶需求，明確產品項目規模，發現問題并明確設計方向，制定產品計劃和方案［10］。圖7為TRIZ與DFSS在定義階段重點融合的流程圖。

圖7　定義階段融合路線Fig.7　Definition phase fusion course

在定義階段，DFSS的主要工作是收集和確定待開發產品的客戶需求，進行需求分析，確定客戶“要什么”。首先通過調查問卷、走訪等方式了解客戶之聲，收集市場及客戶的需求，然后運用卡諾模型進行需求分析，最后根據客戶需求分析的結果，確定產品的關鍵質量特性。

而客戶關鍵質量特性的實現，通常會存在阻礙，無法達到所希望的需求，這個需求的反面（即產品無法實現該需求功能）就是技術創新將會面臨的問題。該問題僅為表現出來的問題，TRIZ的主要工作是對發現的問題進行深入分析，找到需要解決的關鍵問題，確定設計人員“做什么”。應用TRIZ中的功能分析和因果分析，對技術系統和產生的問題進行分析，找到問題的關鍵所在，即解決問題的突破口；資源分析利于尋找解題資源，減少設計成本和難度。結合客戶關鍵質量特性及關鍵問題，確立技術創新的最終理想解，明確設計方向。

在產品技術創新的過程中，客戶的參與有著非常重要的作用。技術創新是從客戶需求出發尋找設計解的過程，只有準確把握客戶需求，給客戶帶來能夠滿足需求的技術創新產品，才能贏得客戶青睞，獲得市場認可［11］。

客戶需求分析中，卡諾模型是一個重要的工具，以分析客戶需求對客戶滿意的影響為基礎，體現了產品性能和客戶滿意之間的非線性關系［12］。在卡諾模型中，將需求分為5種屬性，分別為必備屬性、期望屬性、魅力屬性、無差異屬性和反向屬性，每種需求對應的需求具備程度與客戶滿意度的關系見圖8。

圖8　卡諾模型Fig.8　KANO model

表3　 需求v的KANO評價表Tab.3　KANO evaluation table of demand v

由卡諾模型確定的客戶需求屬性，確定關鍵質量特性。一般取期望需求為關鍵質量特性，這是客戶最希望得到的，即客戶需求的癢處，是體現競爭能力的需求。在滿足必備需求的前提下，處理好期望需求，滿足客戶最迫切的需求，對技術創新起到關鍵作用。

確定關鍵質量特性后，從中發現產品技術創新將面臨的問題。通過TRIZ功能分析、因果分析工具，對發現的表面問題進行深入分析和挖掘，找到關鍵問題所在；并通過資源分析，尋找解題資源，降低設計問題的難度和成本［13］。

3.3　實例分析

為了更好地說明TRIZ與DFSS在定義階段的融合，以“柴油型車輛供油系統”的設計作為案例進行說明。

（1）針對目標客戶（柴油車輛的使用人員）走訪調查訪談，獲取客戶對于柴油型車輛供油系統的需求。共獲得7種需求：①保證基本供油及柴油霧化功能；②能夠在較寬溫度范圍尤其是低溫環境下正常供油；③智能控制；④節省燃料；⑤壽命長；⑥維護成本低；⑦抗破壞能力強。以上收集的需求即為客戶之聲，分別稱為需求1、需求2、…、需求7。針對這些需求，設計KANO調查問卷，將結果填入KANO評價表，并通過以下公式分別計算客戶滿意度（Better）Si和不滿意度（Worse）Di［14］：

式中，A為魅力需求；O為期望需求；M為必備需求；I為無差異需求；i為需求序數。

并作出卡諾模型的四分位圖，從而確定該需求的屬性。以需求②“能夠在較寬溫度范圍尤其是低溫環境下正常供油”為例，共發放調查問卷500份，回收489份，回收率97.8%，統計數據見表3。根據式（1）和式（2）計算需求②的Better-Worse系數，得到S2=91%，D2=56%。其他需求同理，分別得到各需求的Better-Worse系數，繪制卡諾模型四分位圖，其中分界線為系數均值［15］，見圖9。確定需求②和需求④為期望屬性。由于需求②的Better系數遠高于需求④，最后選擇需求②，即設計的柴油車輛供油系統“能夠在較寬溫度范圍尤其是低溫環境下正常供油”作為關鍵質量特性，得到了客戶“要什么”。提取關鍵質量特性的反面并適當轉換表達，找到產品技術創新中將面臨的問題——供油系統無法在低溫環境下正常供油。由于項目實施地區為內蒙古，冬季氣溫很低，供油系統經常出現無法供油的情況而導致柴油發動機無法運轉，這事實上是高寒地區柴油車輛面臨的主要問題［16］。通過卡諾模型分析得出需求②的Better系數最大，同時反映了該主要問題，這是客戶最需要解決的問題。

（2）對“供油系統無法在低溫環境下正常供油”這個問題用TRIZ工具進行深入分析。先是功能分析，包括三步：組件分析、相互作用分析和建立功能模型。分析柴油型車輛供油系統，組件包括油箱、油管、柴油濾清器、輸油泵、進油歧管和噴油嘴［17］，作用對象是柴油，超系統組件包括冷空氣和蠟。建立相互作用分析表（表4），其中“+”代表兩個組件之間存在相互作用，“-”代表不存在相互作用。根據相互作用分析表建立功能模型，繪制功能模型圖（圖10）。由圖10可以看出，冷空氣對柴油進行冷卻，從而生成蠟，與柴油一起存在于整個供油

圖9　卡諾模型四分位圖Fig.9　KANO model interquartile

表4　相互作用分析表Tab.4　Interaction analysis table

圖10　功能模型圖Fig.10　Functional model

系統回路中，對組件產生堵塞的有害功能；同時冷空氣對整個系統產生冷卻功能，令產生的蠟無法融化，存在于整個系統回路，造成供油不暢。

（3）對問題“供油系統無法在低溫環境下正常供油”進行因果分析，繪制因果鏈圖（圖11），找出關鍵問題。由圖11可以看出，末端原因為柴油屬性和冷空氣環境溫度低導致柴油結蠟。而通過客戶走訪，雖然可通過更換抗凍柴油來達到柴油不結蠟的要求，但其成本昂貴且更換不便，無法從根本上解決問題。結合功能模型，最后確定關鍵問題為“環境溫度低導致柴油結蠟”。由此找到問題的入手點和突破點——隔絕或消除冷空氣帶來的低溫以防止柴油結蠟，即得到設計人員需要“做什么”，從而確定了產品技術創新的路徑。對供油系統進行資源歸類，分為系統內部資源和系統外部資源，并分析其資源可用性（表5）。利用這些可用資源能夠為問題提供解題資源。

圖11　因果鏈分析圖Fig.11　Causal chain analysis

表5　資源分析Tab.5　Resource analysis

（4）確定最終理想解IFR：柴油車輛供油系統不受環境溫度的影響始終可以正常供油。這是最理想的系統，是柴油車輛供油系統的設計方向。至此，定義階段結束。

針對關鍵問題進行TRIZ解決，建立矛盾模型和物場模型，應用發明原理、物場模型與標準解等工具，并參考效應知識庫和進行專利分析，設計出了一套新的柴油車輛供油系統概念方案，見圖12。

圖12　新供油系統原理圖Fig.12　The schematic of the new oil supply system

主油箱儲存高標號的0號柴油，副油箱儲存低標號柴油（如-35號柴油）。冬季啟動車輛時，使用副油箱內的低標號柴油啟動車輛。發動機正常運轉后，產生的熱量經預熱水管進入主油箱、油管和柴油濾清器中的熱交換器并對其加熱。車輛發動一段時間后，供油系統內部溫度上升，溫度傳感器檢測主油箱溫度是否達到預定值，若達到則斷開溫控開關，關閉預熱回路，并通過三通電磁閥由副油箱切換到主油箱，即由低標號柴油供油轉為0號柴油供油。此時，供油系統預熱完畢，整個系統內溫度能夠維持在較高的水平，系統正常運轉，從而實現冬季使用0號柴油進行供油。當主油箱內溫度下降到預定值以下，溫控開關閉合，繼續對主油箱及油管、柴濾等進行加熱，確保供油系統的溫度維持在正常水平。當車輛準備熄火時，為防止溫度降低導致0號柴油結蠟，手動控制三通電磁閥，切換至低標號柴油，使其流經整個系統回路后，方可熄火。此時整個供油回路充斥低標號柴油，確保下一次能夠正常啟動車輛。

根據定義階段的融合路線，正確確定了客戶的需求和產品設計的關鍵問題，為柴油車輛供油系統的設計提供了一定幫助。該融合以客戶需求為出發點，為產品創新設計指引了正確的方向道路，避免了不必要的設計彎路，節約了設計成本，提高了設計效率。

某礦業公司將新供油系統應用于柴油礦用車輛，改造前冬季必須使用價格較高的抗凍柴油，年平均燃油費約為1.22億元；改造后冬季可使用普通0號柴油，年平均燃油費約為1.01億元，可節約燃油成本約2100萬元。新的柴油車輛供油系統不受車型和地區限制，適用于各種柴油型車輛和工程設備，提高了發動機的熱效率和燃油經濟性，具有很好的社會效益和經濟效益。

4　結論與展望

在論證TRIZ與DFSS融合可行性的基礎上，進行了兩者工具的集成和流程融合框架的構建，并針對企業在關鍵問題定義識別的缺陷，重點在DFSS定義階段進行TRIZ融合研究。將融合形成的設計過程提取出來，總結出了較為完整的方法步驟，把融合理論轉化到方法層面，并通過實際案例加以說明。

TRIZ與DFSS的融合是理論適應實際的必然發展方向，兩者融合將有效幫助企業進行技術創新。形成的新理論方法可讓任何產品設計人員通過學習掌握，從而使設計人員準確、高質、低成本、高效率地進行產品技術創新設計，對企業提高核心競爭力有重要意義。

本研究重點放在了DMADV的定義階段，但TRIZ與DFSS的融合絕不局限于此，尤其是DMADV分析與設計階段，有待進一步深入研究。TRIZ與DFSS的融合也不僅限于DMADV流程。由于DFSS流程的多樣化，二者的融合將朝著多樣化、全面化和通用化方向發展。