基于可拓優(yōu)度評價的生態(tài)設(shè)計方法模型

柳和青　羅莉　陳哲

關(guān)鍵詞：生態(tài)設(shè)計 創(chuàng)新理論 可拓優(yōu)度評價 TRIZ 層次分析法

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）08-0128-04

引言

20世紀九十年代聯(lián)合國環(huán)境署對環(huán)境問題綜合性分析得出解決環(huán)境問題的根本應(yīng)當在產(chǎn)品本身，強調(diào)在產(chǎn)品誕生到淘汰的周期中尋求生態(tài)與社會經(jīng)濟之間的平衡關(guān)系，對環(huán)境問題的思考應(yīng)當映射到產(chǎn)品開發(fā)的整個過程[1]。由此，產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計得到關(guān)注，引起一波熱潮。早期產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計大部分是以夸張的手法對廢品再利用，以此讓人們關(guān)注環(huán)境問題。這類作品的具有強烈的震懾效果，造價昂貴難以批量化生產(chǎn)，繼而無法改變用戶行為，也不能起到保護環(huán)境、解決環(huán)境問題的作用。

產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計不應(yīng)該局限于表現(xiàn)形式與材料上，更需要融入環(huán)境因素的科學(xué)結(jié)構(gòu)化方法進行設(shè)計。2007年Garrette Clark提出產(chǎn)品的30%到80%的環(huán)境影響可以在設(shè)計概念階段確定，這表明在在產(chǎn)品概念設(shè)計早期融入生態(tài)指標，運用科學(xué)結(jié)構(gòu)化的方法模型更有助于設(shè)計出生態(tài)環(huán)保的產(chǎn)品，以應(yīng)日常生活使用。

一、產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計原則

1990年“生態(tài)設(shè)計”一詞首次出現(xiàn)在關(guān)于生態(tài)友好型產(chǎn)品開發(fā)的相關(guān)項目手冊中。這意味著設(shè)計師有意識地嘗試在產(chǎn)品周期的全過程考慮環(huán)境因素，運用逐步逼近的方法設(shè)計出生態(tài)良性產(chǎn)品，探索其與傳統(tǒng)設(shè)計不同的獨特原則。

產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計具有系統(tǒng)性。其本質(zhì)即是站在系統(tǒng)化的視角上，將整個產(chǎn)品看作一個功能整體，分析和把握產(chǎn)品各子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特征，以及彼此之間的相互聯(lián)系與影響，其最終目標是要求目標系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能[2]。基于產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計的系統(tǒng)性，作為子系統(tǒng)之一要與自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)之間實現(xiàn)動態(tài)平衡[1]。其次生態(tài)設(shè)計具有周期性。周期性針對產(chǎn)品壽命，要綜合考慮產(chǎn)品整個生命周期過程，提高產(chǎn)品重復(fù)利用率，延長產(chǎn)品壽命 [1]。不僅如此產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計還需要綜合性考慮產(chǎn)品制作成本、產(chǎn)品使用功能、材料環(huán)境影響、產(chǎn)品回收報廢等多元化要素。在設(shè)計過程中需要利益相關(guān)者參與，以宏觀多元化的視角考慮設(shè)計問題。

融合生態(tài)設(shè)計獨特的原則，產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)衍生出一種實用與生態(tài)設(shè)計的新型工具，即生命周期評價法，此類生態(tài)設(shè)計方法，需要參與者具有強大的理工科知識、配合科學(xué)實驗檢測、結(jié)合設(shè)計工程師的深厚工作經(jīng)驗，因而難以適用于日用小產(chǎn)品或批量化的生產(chǎn)工業(yè)鏈中。為突破這一應(yīng)用空缺，高效的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法模型顯得尤其重要。

二、設(shè)計原理與方法

用于創(chuàng)新設(shè)計的方法繁多，選用其中的TRIZ理論與可拓學(xué)為生態(tài)設(shè)計方法論基礎(chǔ)。TRIZ 理論是由前蘇聯(lián)的著名審核員蓋瑞遲·阿奇舒勒聯(lián)合專業(yè)研究團隊提出，該理論是基于團隊多年對數(shù)萬例世界頂尖專利的分析研究。該理論提出產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計中的矛盾，有效解決發(fā)明問題[3]。可拓學(xué)是一門跨領(lǐng)域，涉及范圍廣泛的學(xué)科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法，并用于分析和解決矛盾問題的學(xué)科[4]。

TRIZ理論具有很強的可操作性，分析方法自下而上;可拓學(xué)自上而下更具有一般性、客觀性。兩者可以相互補充作為一種新的設(shè)計方法理論。劉征等提出一種基于發(fā)明問題解決理論融合規(guī)則推理和案例推理的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法，并通設(shè)計案例驗證該方法的有效性[5]。受此啟發(fā)，本文將結(jié)合可拓學(xué)基元模型與優(yōu)度評價輔助TRIZ功能分析，研究結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法模型，并進行生態(tài)設(shè)計測評。

三、產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法模型

基于可拓學(xué)優(yōu)度評價的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法模型是在傳統(tǒng)的設(shè)計流程中融入生態(tài)設(shè)計原則，使設(shè)計的全過程中考慮環(huán)境因素。在模型中借助可拓學(xué)基元理論與TRIZ功能分析對產(chǎn)品進行系統(tǒng)化分析，綜合生態(tài)設(shè)計原理提出設(shè)計方案，運用可拓學(xué)優(yōu)度評價對方案進行測評，判斷方案的環(huán)境友好度。主要設(shè)計方法模型流程圖如圖1所示。該設(shè)計方法模型，結(jié)合可拓學(xué)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上融入環(huán)境因素，相比于傳統(tǒng)的理論創(chuàng)新方法更具有系統(tǒng)性與結(jié)構(gòu)性。

四、設(shè)計方法實踐—以削皮器為例

工業(yè)革命時代機械化生產(chǎn)投入應(yīng)用，大量產(chǎn)品涌入市場形成飽和，出現(xiàn)產(chǎn)品飛速迭代、經(jīng)濟危機、環(huán)境污染等一系列難題。這一難題至今仍然需要解決，在可以大批量投入生產(chǎn)的同時盡可能減輕環(huán)境壓力，設(shè)計出符合大眾需求、社會需求的產(chǎn)品。本文將提出的設(shè)計方法模型應(yīng)用于日常可大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品——削皮器，在傳統(tǒng)設(shè)計流程中融合生態(tài)設(shè)計原則，借助創(chuàng)新設(shè)計理論對其進行分析與方案測評，確定其可批量性、生態(tài)性與商業(yè)價值性。

（一）產(chǎn)品定位

國內(nèi)最大的互聯(lián)網(wǎng)購物平臺“淘寶”對削皮產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析可知（如圖2所示）， 對于削皮器類產(chǎn)品，市場需求大、用戶基數(shù)大、價格低廉且多數(shù)為大批量機械化生產(chǎn)。從日常認知出發(fā)，產(chǎn)品適用人群為大部分女性（少部分男性暫不考慮），產(chǎn)品功能主要是對外皮需要處理的瓜果蔬菜進行削皮、切絲、切片等。

對現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，附加生態(tài)設(shè)計原則，提出對削皮器的新定位。要保持原有的功能系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上符合用戶行為，避免不必要傷害。兼顧商業(yè)價值性，減少對環(huán)境的影響，此外要符合生態(tài)標準，延長產(chǎn)品生命周期，提高重復(fù)利用率。

（二）用戶分析

削皮器類產(chǎn)品的目標用戶群體主要為十八歲以上女性，在廚房、餐廳等場所使用。女性用戶在選取廚房用具時，首要標準是產(chǎn)品的實用性與價格，其次是外觀與色彩，最后是材質(zhì)與使用壽命。對于小型產(chǎn)品，價格因素占據(jù)百分之七十的占比。

以日常生活中的案例為主，一般通過高價采購的商品出現(xiàn)各種問題，客戶會通過售后或維修等方式進行修正，盡力使產(chǎn)品能夠在壽命有效期內(nèi)發(fā)揮最大的能動性;相反如果是一件低廉的小商品，客戶不會為了“小”事而特意修理，會選擇購買新的替代品。身邊經(jīng)常會有這樣的現(xiàn)象，這類下意識行為也使得這些批量化生產(chǎn)的廉價商品快速迭代，增加環(huán)境壓力。由此，通過用戶分析與產(chǎn)品分析，借以改變削皮刀的行為方式與結(jié)構(gòu)，迫使人們意識到“小”產(chǎn)品對環(huán)境改良也具有“大”意義。在選擇產(chǎn)品時，除比較這產(chǎn)品的價格、功能質(zhì)量外，也需要被動考慮環(huán)境因素與產(chǎn)品生命周期[6]。

（三）產(chǎn)品分析

借助TRIZ理論與可拓學(xué)基元模型對產(chǎn)品進行系統(tǒng)化解構(gòu)，明晰產(chǎn)品痛點、產(chǎn)品環(huán)境問題與使用方式，為后續(xù)方案設(shè)計提供方向。運用TRIZ功能層次分析對產(chǎn)品進行解構(gòu)：削皮器為一個產(chǎn)品系統(tǒng)，其超系統(tǒng)為人手，目標對象為需要削皮的瓜果蔬菜。其子系統(tǒng)為刀片與器身，特征結(jié)構(gòu)為刀片接口、把手。結(jié)合功能層次建立基元模型。

基元是用形式化的方式展現(xiàn)事物相關(guān)參數(shù)的模型，包括物元、事元和關(guān)系元，基元一般由對象O，特征C和量值V三元組組成，可以用一維或多維的形式表現(xiàn)事物的各個參數(shù)，其一般表達式為：

M=（O，C，V） （1）

由此結(jié)合層次分析建立基元模型，其系統(tǒng)為：

M₁=[削皮器，功能，削皮動力，手動重量，輕材質(zhì)，塑料]

超系統(tǒng)：

M₂=[人手，手指數(shù)，5狀態(tài)，正常]

目標：

M₃=[瓜果蔬菜，形狀，不規(guī)則球體，重量，不等]

子系統(tǒng)：

M₁₁=[刀片，形狀，長方形材質(zhì)，不銹鋼屬性，鋒利]

M₁₂=[器身，長度，≥掌長寬度，≤掌寬形狀，長柄狀]

結(jié)構(gòu)特征：

M₁₂₁=[刀片接口，形狀，圓柱形數(shù)量，2個狀態(tài)，可傳動]

M₁₂₂=[把手層，形狀，圓柱體功能，增大摩擦]

建立功能事元與關(guān)系元：

A₁=[握持，支配對象，M₁施動對象，M₂方式，橫握效果，一般]

A₂=[削皮，支配對象，M₁接受對象，M3方式，滑動效果，略差]

A₃=[支撐，支配對象，M₁₁接受對象，M₁₂₁方式，拼接效果，略差]

R₁=[內(nèi)嵌關(guān)系，前項，M₁₂₁后項，M₁₂聯(lián)系方式，形狀配合]

從多元因素對產(chǎn)品進行分析。對產(chǎn)品事元的分析了解其主要材質(zhì)為塑料，成本低、可批量加工生產(chǎn)。該產(chǎn)品作為日常消耗品，需求巨大，產(chǎn)量多，在面對國內(nèi)“限塑令”的號召下，其材質(zhì)選擇需要考究。在設(shè)計方案中，應(yīng)當考慮產(chǎn)品材料對環(huán)境的友好性以及后續(xù)回收的程度。

基元模型對產(chǎn)品組件的分析，在事元與關(guān)系元中可以了解削皮刀傳統(tǒng)握持方式固定，效果一般;削皮行為方式幾乎固定為刀動手持，容易在移動過程中出現(xiàn)誤傷等情況，效果略差;刀口與刀身支撐功能略差，刀口連接效果略差，意味產(chǎn)品關(guān)鍵功能組件易損壞，沒有回收與利用價值。綜上可以清晰了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能弱，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命短被淘汰;產(chǎn)品使用行為單一，容易對用戶造成非必要傷害。由此，該產(chǎn)品可以從產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)與行為方式上進行改良設(shè)計。通過基元模型對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析配合功能模型圖，將產(chǎn)品系統(tǒng)與超系統(tǒng)之間的利害關(guān)系直觀地進行展示，如圖3所示。

（四）方案分析

行為設(shè)計。基于出現(xiàn)的問題提出設(shè)計方案。削皮刀為日常生活用品，結(jié)合用戶的反饋，可知使用削皮刀時，濕潤的手難以握持住物體，以至于經(jīng)常會在使用過程中傷害到用戶。針對這一問題，本文改變傳統(tǒng)的握持方式。將刀口固定于平臺之上，避免器身移動;將刀動手持的行為方式，改變?yōu)槭殖治矬w被動削皮，避免了刀的移動可能帶來的危險。保持原有系統(tǒng)功能，提高用戶體驗感。

結(jié)構(gòu)設(shè)計。楊教授提出產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計是將“從搖籃到墳?zāi)埂鞭D(zhuǎn)為“從搖籃到搖籃”[7]。在結(jié)構(gòu)中重用特定組件，賦予產(chǎn)品有機會恢復(fù)重復(fù)裝配的質(zhì)量，同時也要從承載特性、裝配、拆卸及后續(xù)回收的復(fù)雜性角度，對不同連接方式進行比較評估。設(shè)計方案中將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計為可拆卸替換款式，不同款式的刀口可滿足不同削皮、切片、削條等功能需求。方案中改變傳統(tǒng)刀口與器身的連接方式，同樣設(shè)計的可替換式刀片可以循環(huán)利用、重復(fù)購買，即可恢復(fù)最佳的產(chǎn)品質(zhì)量。

材料選擇。在國家大力支持下，中國南玻集團股份有限公司研發(fā)單銀Low-E玻璃，取得重大成功。自此綠色玻璃作為環(huán)保材料備受歡迎，也促進了國內(nèi)綠色玻璃行業(yè)的發(fā)展。玻璃材質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，自身不會產(chǎn)生任何污染，安全性極高。就以2017年為例，2017年中國廢玻璃共回收近9 0 0萬噸，回收率高達47%，在材料選擇上，較于塑料，玻璃材料更具有生態(tài)環(huán)保的前景。由此在材料上選用玻璃，配合食品級304不銹鋼以及可食用橡膠。其主要設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

（五）評價分析

針對關(guān)鍵性問題提出設(shè)計方案，并明晰評價標準，將提出的設(shè)計方案與其他方案進行優(yōu)度評價，以此來測評設(shè)計方案是否具有生態(tài)友好性。該評價基本過程如下所示。

①確定衡量指標。產(chǎn)品的好壞或優(yōu)劣具有相對性，是跟一個標準衡量指標進行比對。評價一個對象的優(yōu)劣必須反映出利弊的程度及它們可能的變化情況[8]。在改進設(shè)計產(chǎn)品生態(tài)安全的算法中，采用的標準可以是定量的，也可以是定性的。結(jié)合生態(tài)設(shè)計原則提出三類生態(tài)標準：

1. 利用再生材料進行產(chǎn)品設(shè)計的生態(tài)標準——材料的安全性C1、環(huán)保性C3 （可降解、使用周期長短）

2. 通過回收組件和部件進行產(chǎn)品設(shè)計的生態(tài)標準——產(chǎn)品系統(tǒng)模塊化

3. 產(chǎn)品拆解工藝的生態(tài)標準——可拆卸性C₂

在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際生態(tài)環(huán)境的需求，兼顧商業(yè)價值標準C₄。由此，擬選擇產(chǎn)品設(shè)計方案中的安全性C₁、環(huán)保性C₃、可拆卸性C2和商業(yè)價值性C₄為四個參數(shù)作為衡量指標。

②確定權(quán)系數(shù)。評價一個對象Oj（j=1，2，...，m）優(yōu)劣的衡量指標SI有輕重之分，以權(quán)系數(shù)來表示衡量指標的重要性[9]。在計算權(quán)系數(shù)a時，選用層次分析和積法。用1-9比率標度法來確定各衡量指標之間的相互比率，并數(shù)據(jù)比例進行整理，如表1所示。

根據(jù)比例標度表1可以構(gòu)造判斷矩陣A為：

將判斷矩陣A′隔行相加得到向量O為：

將向量O進行歸一化向量O′，向量O′為所求結(jié)果權(quán)系數(shù)。其向量表達式為：

③建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算規(guī)范關(guān)聯(lián)度。取Vi為離散數(shù)據(jù)的集合，根據(jù)衡量指標的要求，建立關(guān)聯(lián)函數(shù)Li（x），設(shè)產(chǎn)品的安全性、可拆卸性、環(huán)保形和商業(yè)價值性的量級均為1-5級，建立簡單的離散型關(guān)聯(lián)函數(shù)為L_i：

將目前已經(jīng)存在的兩款削皮器與新設(shè)計的削皮器進行比對。第一款如圖5所示，安全性一般，可拆卸性略差，環(huán)保性良好，商業(yè)價值良好，因此取得Kc₁（O₁）=3、Kc₂（O₁）=2、Kc₃（O₁）=4、Kc₄（O₁）=4; 第二款，安全性良好，可拆卸行一般，環(huán)保型略差，商業(yè)價值略差，由此評定取得Kc1（O2）=4、Kc₂（O₂）=3、Kc₃（O₂）=2、Kc₄（O₂）=2;第三款為上文中提出的設(shè)計方案，安全性良好，可拆卸性良好，環(huán)保性良好，商業(yè)價值一般。由此取得Kc₁（O₃）=4、Kc₂（O₃）=4、Kc₃（O₃）=4、Kc₄（O₃）=3。

根據(jù)上述分析，三款削皮器關(guān)于衡量指標的關(guān)聯(lián)度分別為：

（六）綜合分析

將上述優(yōu)度評價過程中的計算數(shù)據(jù)進行整合，填入優(yōu)度評價表中，可以將數(shù)據(jù)以直觀的表現(xiàn)形式進行對比。相較于上述繁瑣的數(shù)學(xué)計算過程更能客觀地體現(xiàn)方案之間的優(yōu)缺點，是優(yōu)度評價方法中必不可少的一項環(huán)節(jié)。針對三個設(shè)計方案進行匯總，得到表2，削皮器優(yōu)度評價表。

從用戶分析中了解用戶目標、用戶行為;從產(chǎn)品分析系統(tǒng)明確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品矛盾，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵性問題;在方案分析中，明晰生態(tài)標準，對用戶行為、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品材料三部分進行分析，將設(shè)計全過程中融入生態(tài)理念與標準，確保最大程度的生態(tài)化;評價分析是通過可拓學(xué)優(yōu)度評價的方法對提出的方案從生態(tài)指標的角度出發(fā)進行測評，通過數(shù)學(xué)模型可以將評測方式更加系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、模型化;綜合分析總結(jié)運算總過程中的各類數(shù)據(jù)，把復(fù)雜的數(shù)據(jù)以形式化的方式呈現(xiàn)。本文提出的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法模型，在對產(chǎn)品進行生態(tài)設(shè)計方法上提供了相對客觀的形式，但在測評階段，仍然缺乏主觀的生態(tài)測評參數(shù)作為依據(jù)，因此該方法仍有改良空間。

結(jié)語

產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計不僅是對環(huán)境的一種設(shè)計，也是對經(jīng)濟和社會問題的一種設(shè)計。產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計不僅是對功能的設(shè)計，也需要平衡社會需求與商業(yè)價值。通過結(jié)合TRIZ理論與可拓學(xué)工具能夠為產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計所追求的系統(tǒng)平衡提供一種數(shù)據(jù)化方法模型。優(yōu)度評價方法需要使用者能夠客觀、真實地進行測評，過程中無法忽略個人主觀的評測，針對這部分仍具有改良的空間。本文提出的設(shè)計方法模型可以應(yīng)用于其他產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中，有助于設(shè)計師系統(tǒng)性分析產(chǎn)品，結(jié)合科學(xué)有效的方式進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計。