豫文化視角下基于Pareto/TRIZ集成理論的多功能梳子創新設計*

王秀紅，梁帥鵬，韓心雨，許向前，李平平，韓光平

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

當前，全球新一輪科技革命孕育興起，正在深刻影響世界發展格局，深刻改變人類生產生活方式。加強科技產業界和社會各界的協同創新，促進各行各業與本土文化的開放合作，是科技發展為人類社會進步發揮更大作用的重要途徑。

當下商品的發展遵循： 功能趨向多樣化、體積趨向便攜化，技術趨向集成化、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，實現資源的節約與充分利用，亦是迎合精益生產與綠色發展的精髓。

生活用品的創新常源于日常生活，就功能而言，傳統梳子功能單一，且常伴隨著電吹風，卷發器等其他工具的同時使用； 就外觀而言，單調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下快速的生活節奏、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]是基于多目標優化的一種遺傳算法，它是一種總體最優化的計算。具有智能式搜索、漸進式優化的特征，黑箱式的運算結構和并行式運算形式能夠進行全局最優解搜索，通用性比較強。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解。

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

Pareto 遺傳算法與TRIZ 理論的結合使兩者有效互補，前者的空間局限性搜索有效彌補了后者的個性丟失，后者的跳脫性搜索有效補償了前者的搜索空間狹小，是以兩者的結合更加完善了產品創新設計體系，更有助于產品設計。根據創新產品設計需求，構建多目標函數與約束條件，采用數學建模軟件MATLAB 編制主函數，然后用工具箱進行Pareto最優解 （集）[6]的計算，得到多目標關系曲線，結合專業人士的意見確定最終關鍵參數的數值。結合TRIZ 發明創造解決原理中的39 個工程參數和40 個沖突矩陣，把功能用工程參數進行描述，從而確定沖突解決原理，尋求通用解，最后結合具體問題找到具體的特定解，解決產品創新過程中的技術沖突問題。兩者的具體結合流程見圖1。

圖1 Pareto 遺傳算法和TRIZ 理論集成流程圖

2 多功能梳子概念設計

生活節奏的加快使人們親賴于產品的高效性，而人們在追求多功能一體化產品的同時亦熱衷于對文化魅力的追求[7]。中華文化對產品創新有很大的促進作用[8]，且越發與創新設計緊密結合。圖2 中的傳統梳子，其結構簡單、功能單一，已不能滿足快速的生活節奏。考慮到產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” “吹干頭發” 和“給頭發塑型” 等功能。故筆者結合 “梳頭發” “吹干頭發” 和 “給頭發塑型” 3 個功能對梳子進行重新結構設計。

圖2 傳統梳子的結構圖

2.1 TRIZ 矛盾矩陣提供設計思路

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

表1 部分矛盾矩陣表

矛盾1： 多功能梳子欲實現商業應用，必然考慮產品制造與產品質量，而產品制造直接影響著產品質量，產品質量又由產品結構的穩定性決定。所以欲改善的參數是32 號，可能惡化的參數是13 號。通過表1 可知，可參考的解決問題發明原理為11，13，1。經專家篩選確定使用矛盾解決原理為1 號發明原理： 分割。考慮到分割，得到將整體分割成部件。應用到本設計，有將各功能部件可以拆離與合并的思路。同時，產品亦便于維修。

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致其可靠性被動惡化。故選擇改善參數33 號與惡化參數27 號，通過表1 可知，可參考的解決問題發明原理為17，27，8，40。經過專家篩選確定使用矛盾解決原理為17 號維數變化與40 號復合材料。考慮維數變化，應用到本設計可將單控制開關制成多維度旋轉開關； 考慮復合材料，不同部位選擇合適的復合材料以迎合發熱器件耐熱性，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性及多用性得到優化，但功能的集成化必然導致設備復雜性惡化。故選擇改善參 數35 號與惡化參數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明原理為15，29，37，28，經過專家篩選確定使用矛盾解決原理為15 號發明原理： 動態化。考慮到動態化，得到各功能可以動態控制，即根據不同需求調換不同功能。應用到本設計，有將各功能分開控制的思路。

2.2 遺傳算法確定設計參數

選擇梳子的體積和風量作為主要討論的參數。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。風量的大小有很多影響因素，但對于確定的系統，風量的大小可近似看成風葉大小，這里以風葉旋轉一周形成的面積來代替風量大小，其半徑用R2表示。綜合以上分析可知，梳體橫截面半徑R1和風葉旋轉面半徑R2為設計變量。橫截面積的大小和風量的強弱為優化目標。用數學模型表示為

式中： V 為梳子橫截面積，F 為風機橫截面積，R1，R2分別為梳體和風機的半徑。

結合人因工程學相關知識，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應該設計為15～20 mm，風葉橫截面積半徑R2應該大于R1。考慮到產品的美觀度，設計R2最大為R1的2 倍，并在運算結果范圍中選取，其數學表達式為

根據建立的數學模型，在MATLAB 中進行編程求解得到一組無差別的帕累托 （Pareto）前沿解集，見圖3。結合一些相關專業人士的意見，從中確定關鍵參數R1=17 mm，R2=27 mm。

圖3 Pareto 前沿解集

2.3 豫文化提升特色價值

現代設計中，是否具有獨特的文化內涵成為鑒定一款產品優秀與否的重要標準[9]。但文化與產品的融合必須找到合適的契合點[10]，將產品與文化的結合分為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，歷史底蘊深厚，有節慶文化資源、飲食文化資源、民俗文化資源、歷史文化資源[11]。結合上述觀點，給出如下設計思路： 觀賞性，新式梳子應具備美感，在不妨礙正常功能的同時充分體現開封的地方文化； 功能性，在滿足既定功能的基礎上盡可能便攜； 互動體驗性，在實現功能目標的同時要有一定的趣味性。

3 結構模型方案生成

該梳子采用阻燃材料，模型設計可拆分為3 節： 手柄節、風扇節、梳子節，且每節均采用螺紋旋接的方式進行組裝，拆卸方便。

3.1 梳子結構模型

手柄節包括開關、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手柄節模型外殼內，形成圖5 所示樣品，而圖6 手柄節模型下視圖中設有一個按鈕，控制加熱與吹風功能，整個手柄節模型通過自帶的外螺紋與風扇節的內螺紋進行螺旋組裝。

圖4 可拆卸充電便捷電池

圖5 手柄節模型

風扇節包括扇葉、馬達、外殼。圖7 為電吹風的風扇和馬達，可以組裝進外殼，模型見圖8，通過自帶的兩個內螺紋可連接手柄節與梳子節。

圖7 風扇和馬達模型

圖8 風扇節模型

梳子節包括布滿通氣孔的梳梁、普通梳齒、卷發梳齒，發熱彈簧，梳子節頭，見第43 頁圖9 與圖10。具體工作流程： 開關斷開時，可以當作普通梳子使用； 當開關閉合后電吹風吹出風從左往右進入套筒并經過發熱彈簧產生熱風，熱風到達并撞擊最右端后反向進入套筒外夾層，然后從通氣孔噴出。圖10 最右端梳子節頭內還安置有溫控開關，當溫度過高時，自動斷開回路，有效避免溫度過高給人體造成傷害。

圖9 梳子節模型

圖10 多功能梳子截面圖

3.2 效果分析

結構上： 該多功能梳子通過螺紋旋接手柄節、電吹風節、梳子節、梳子節頭，便于組裝、拆卸，有效降低了裝置的復雜性。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。多孔式梳梁結構能顯著減輕梳子質量。電吹風入風口設計在手柄底端開關處，可有效避免頭發卷入電吹風造成不必要危險。

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時使熱風與頭發充分接觸，提高卷發效率； 當僅用吹風功能時，可將梳子節的節頭螺旋拆下，此時吹風將從梳子節頭口吹出，成為一個小型電吹風，且能調節熱風。

外觀上： 圖11 中清明上河圖皮套附著在手柄上，能極大增強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價值。

該多功能梳子由多個開關控制，具體電路控制布局見圖12。具體使用方法如下： 按壓總開關和至少一個加熱器件電路正常工作，同時可以通過旋轉總開關和啟動不同數量的加熱器件分別調節風扇功率的大小和熱風溫度的高低，最后還有溫度感應開關，當溫度過高時，整個電路自動斷開。

圖12 多功能梳子內部電路圖

3.3 參數補充

通過調查分析當前市面上的梳子、卷發器、電吹風等性能參數，提出了參數補充的建議，見表2。

表2 多功能梳子參數補充

4 結束語

將Pareto 遺傳算法和TRIZ 理論兩者結合能夠快速找到設計方向及大致思路，有效解決產品創新設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上將二者集成，在確定尺寸參數的基礎上，由矛盾矩陣展開設計思路，最后進一步對必要參數進行補充。運用該集成方法創新設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，該方法對同類型產品的創新設計有極大的參考價值。