可拓與TRIZ 融合輔助設計思維過程研究

陳美，檀潤華，曹國忠，林聰慧，劉剛

（1.河北工業大學，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 300401）

創新能力已經成為衡量一個國家和地區綜合實力的重要指標，提高自主創新能力，大力發展創新設計是我國創新戰略發展的核心[1-2]。設計思維作為以人為中心、基于問題解決理論的創新設計方法[3]，是當今設計學界與業界的熱點問題。目前設計思維的研究大多集中在宏觀理論框架層面，缺少對“設計思維”作為解決問題的方法來改善創新設計具體機制的關注，在實踐過程中存在主觀性過強、可操作性差等問題。為完善設計思維過程，本文從可拓與TRIZ 融合輔助的角度對設計思維過程展開研究，構建基于可拓與TRIZ 融合的設計思維過程模型。

1 設計思維過程研究

設計思維的出現最早可以追溯到1969 年諾貝爾獎獲得者赫伯特·西蒙在他的著作《人工科學》中提出的設計作為一種思維方式的概念[4]，后來在斯坦福大學設計學院（D.school）和IDEO 設計咨詢公司聯合推廣下，設計思維開始受到越來越多人和企業的關注，并取得巨大成功。

目前設計思維的研究主要集中在理論基礎研究和模型構建，在實踐應用上的研究較少。現有設計思維方法指導產品設計的研究主要包括兩個方向：

1）其中大部分研究將設計思維過程模型直接引入產品設計中，如McGinn 等[5]將設計思維方法引入社會輔助機器人的設計開發中，為機器人設計迭代提供了參考價值；譚浩等[6]將設計思維引入具有復雜性的智能產品交互設計過程中的情境分析中，基于“5W1H”方法構建了情境作用下的智能產品交互設計思維模型；余隋懷等[7]將設計思維模型應用到裝備改良制造業中，構建了基于設計思維方法的裝備制造業改良機制。

2）另一部分研究基于其他創新方法輔助設計思維引入產品設計中：Saidi 等[8]結合人因工程學方法將設計思維應用到醫療器械的設計中，構建醫療器械設計思維方法，以增強醫療器械可用性；張婉玉等[9]將設計思維模型與層次完形法相結合，應用到復雜的創新活動文化創意產品的設計中；尹碧菊等[10]結合設計策略進行設計進程和思維模式的內部關系研究，構建計算機輔助設計思維創新模型。

雖然這些研究為不同類別產品設計提供了相應的理論基礎和模型指導，但大多只是將設計思維過程與產品設計流程簡單疊加，存在模型使用方法單一、創新方案產生過于依賴個人經驗、主觀性較強、創新效率低等問題。因此，將探索設計思維作為解決問題的方法來改善產品創新設計的具體機制，仍需要展開深入研究。

從設計實踐的角度來看，設計思維提供了一個整合的框架，將創造性和分析性的推理模式結合在一起。雖然不同領域的組織機構和專家學者總結出來的設計思維過程的階段分類方法不同，但其設計過程特征存在趨同性[11]，如圖1 所示。

圖1 設計思維過程模型分析Fig.1 Analysis of design thinking process model

通過梳理可以發現，設計思維過程中一個廣泛共享的觀點為：幾乎所有的設計思維模型都圍繞“問題空間”和“解決問題空間”展開，并在發散思維和收斂思維之間不斷迭代循環。可以將設計思維過程總體分為三個階段：探索階段、創意生成階段和測試評估階段。第一階段探索階段，側重于數據收集，以確定用戶需求并定義問題；第二階段創意生成階段，該階段的重點是產生大量的創新解決方案；第三階段測試評估階段，通過原型化和測試評估，選取最佳的解決方案，試圖復制過程的非線性和迭代特性，以提高創新過程效率。

設計過程特征的趨同性，恰好為描述設計思維過程提供了理論基礎：這是一個以問題和解決方案為中心的驅動創新設計過程。基于此提出“獲取需求信息、定義分析問題、構思解決方案、制作方案原型、測試評估方案”五步驟設計思維過程模型，如圖2 所示。

圖2 設計思維過程研究模型Fig.2 Research model of design thinking process

2 可拓與TRIZ 輔助設計思維過程分析

2.1 可拓輔助問題定義分析

確定用戶需求并定義問題是設計思維中非常重要的一個環節，但在這一過程中缺少問題分析的標準化模型，導致一些碎片化或潛在性的信息不能被系統地表示出來，大多依賴設計者的偏好和喜好對用戶需求信息進行分析處理，在推測用戶真正動機和需求上存在很強的主觀性。可拓學為分析一般問題提供了形式化模型，通過拓展變換的規律揭示問題的根本原因[12]。因此，可利用可拓模型建立形式化問題定義分析模型，為設計思維問題定義階段提供客觀合理的系統化模型。可拓輔助問題定義分析的具體過程，如圖3 所示。

圖3 可拓模型輔助問題定義分析流程Fig.3 Extension model aided problem definition analysis process

2.2 可拓與TRIZ 融合輔助構思解決方案

設計思維是以解決問題為導向的創新設計方法，但在構思階段沒有成熟的工具方法指導，現有方法存在過于依賴個人經驗、可操作性低等問題，導致真正能熟練掌握、并靈活應用設計思維進行高效創新設計的人并不多。可拓學和TRIZ 理論都是以解決矛盾問題為核心的創新方法[13]，對經驗依賴性小，更加客觀合理、可操作性更強[14]，可用于豐富設計思維求解過程。可拓學和TRIZ 理論作為先進的創新設計方法，在創新問題求解方面都有各自相對成熟的理論和方法體系，在創新設計的應用過程中存在各自的優勢和局限性。可拓學利用基元模型形式化、標準化描述問題，能為設計者提供完整的思考路徑與模式，但其工具方法在問題求解上有一定難度；TRIZ 理論主要是解決設計中如何做的問題，問題求解工具比較具體、容易操作，但在問題的定義和分析上存在一定的困難。因此將可拓學和TRIZ 理論的問題求解方法放在一個創新問題求解工具集合中，構建可拓與TRIZ 融合輔助設計思維的問題求解模型，具體問題求解過程，如圖4 所示。

圖4 可拓與TRIZ 融合輔助問題求解模型Fig.4 Extenics and TRIZ fusion aided problem solving model

針對問題集的問題，對求解思路進行選擇：若問題比較復雜或需要更多創新解決方案時，選擇變換求解思路進行問題求解；一般性或較為簡單的問題，選擇拓展思路進行求解。

若選擇變換求解，需對問題進行進一步判斷：當問題中含有兩個及以上目標iG，在同一條件L下表現出不同的要求，則判斷為技術矛盾問題，利用基元模型對工程參數進行表達，然后通過查詢矛盾矩陣選擇對應的發明原理，最后利用發明原理和可拓變換等價變換規則，對問題進行求解；若問題中只含有一個目標G，且在當前條件L下存在矛盾，即同一目標在同一條件下具有相反的要求，則判斷為物理矛盾問題，利用基元模型對工程參數進行表達，然后選擇對應分離原理，最后利用可拓變換對問題進行求解；當問題中含有一個目標G，但當前條件L對目標G的實現存在過剩、不足或缺失的問題，即可判斷其為物質場問題，則先用基元模型對物質場系統進行形式化描述，然后從76 個標準解中選擇對應標準解，通過標準解的基元模型對問題進行求解。

若選擇拓展求解，可以選擇技術進化定律、科學效應庫、拓展分析或共軛分析等方法進行求解，具體選擇哪種工具需要到時候根據具體問題來選擇。

最后將獲取的所有問題解決方案置入方案集中。

2.3 理想優度評價方法輔助方案測試評估

測試評估是設計思維過程中的最后一步，需要對設計過程產出的多個解決方案進行評價排序，確定最終的解決方案，并將不合理的方案舍棄或重新設計求解。現有的設計思維評價方法通常采用問卷調查法對設計原型進行反饋收集，更多依賴于原型制作的好壞以及用戶在當時情境下的感受，而缺少對方案本身的關注，更沒有基于方案本身的評價標準。可拓和TRIZ在問題求解后都有各自的方案評價準則，TRIZ 用理想度法則來評價求解方案，而可拓利用優度評價方法來評價求解方案[15]。因此，首先利用理論理想度法則選取評價衡量指標，并利用AHP 層次分析法輔助評價指標權系數的確定，消除人為干預，然后利用優度評價方法進行關聯度和優度計算，通過數據將抽象化的評價指標進行量化，構建理想優度評價方法，使設計思維評價更加客觀合理。評價實施過程如圖 5所示。

圖5 理想優度評價過程Fig.5 Ideal goodness evaluation process

1）根據TRIZ 理想化方向，確定衡量指標。根據TRIZ 提高理想化水平（低成本、高功能、高可靠性、無污染）的方向，從基本功能實現（功能可靠性）、生產制造成本（包括人力、財力、物力、時間等）、對周邊環境造成影響（包括安全性、空間占用以及是否存在環境污染等）等角度，選取適合產品設計復雜度的衡量指標，衡量指標控制在3～5 個為宜。

建立衡量指標集：

2）確定權系數。采用AHP 層次分析法中的1-9比率標度法，即使用1、3、5、7、9 來表示兩元素之間的重要程度：同等重要、稍微重要、明顯重要、非常重要、極端重要。若因素A 比B 重要，標記為，否則標記為1/i，構建判別矩陣，最后采用AHP 的和積法求得權系數為：

4）優度計算，對方案優度進行排序。對象Zj關于各衡量指標SI1，SI2，…，SIn的規范關聯度為：

3 可拓與TRIZ 融合輔助設計思維過程模型構建

以設計思維過程研究中提出的五步驟為基本框架，綜合可拓與TRIZ 融合輔助設計思維過程研究機制，構建可拓與TRIZ 融合輔助的設計思維過程模型。具體操作流程如圖6 所示。

圖6 可拓和TRIZ 融合輔助設計思維過程模型Fig.6 Extenics and TRIZ fusion aided design thinking process model

1）獲取用戶需求。首先通過定量分析方法（問卷調查、二手資料收集）和定性分析方法（訪談、同理心觀察）獲取用戶需求信息，然后對獲取的用戶需求信息進行簡單的篩選，去除冗余、重復、不完整的需求信息，并將其作為初始問題進行研究分析。

2）定義分析問題。先提取初始問題，并對初始目標和條件分別進行蘊含和發散分析，得到界定問題可拓模型，根據實際問題的條件和目標實現要求建立相容度函數，并對其進行判斷，從而確定問題集。

3）構思解決方案。根據問題先選擇求解思路，需要更多創新問題求解方案時，選擇變換求解思路；較為簡單的問題可選擇拓展求解思路。然后判斷問題類型，選擇相應求解工具進行求解，以獲取解決方案，并將其置入方案集。

4）制作方案原型。首先對方案集中解決方案進行初步評價篩選，對于不符合要求的解決方案，進行重新定義分析或設計求解；對于符合要求的解決方案，采用計算機輔助建模制作方案原型。

5）測試評估方案。利用理想優度評價方法對解決方案進行評價排序，確定最終較優的解決方案，形成解決方案集。

4 實例驗證

應用可拓與TRIZ 融合輔助的設計思維過程模型對購物車現有問題進行求解，基于解決方案對智能購物車進行創新設計。

4.1 設計實踐

4.1.1 獲取用戶需求

通過對用戶進行問卷調查得到用戶對智能購物車的期待集中在“更便捷的購物方式”和“更好的購物體驗”，占比分別高達64.3%和66.2%。

綜合問卷調查數據和在購物過程中/使用購物過程中的觀察，發現用戶在超市購物使用購物車的過程中主要存在找不到商品、排隊時間長、商品信息標示不清和散裝商品需要額外稱重等問題，如圖7 所示。

圖7 購物過程中存在問題Fig.7 Problems in shopping process

4.1.2 定義分析問題

通過獲取的用戶需求信息可以得到用戶對智能購物車的期待為“更快捷的購物方式”和“更好的購物體驗”，因此提取初始用戶需求目標0G，可用事元模型表達為：

很明顯當前條件不能滿足當前目標的實現，因此得到問題集：

4.1.3 構思解決方案

針對問題集中問題，按照問題優先級的順序，使用可拓與TRIZ 輔助問題求解模型對其依次進行求解。

1）構思“結賬時間長”問題的解決方案。該問題選擇拓展思路進行求解，判斷為物理矛盾問題，需要對應利用四大分離原理中的時間分離原理。通過查詢可知時間分離原理對應多條發明原理，對比分析后選擇No.10 預操作對購物車進行創新設計，利用基元模型分解和置換變換對該原理進行表達，表達式如下：

方案一：購物過程中購物車可掃描商品生成賬單，最后到收銀臺處人工結賬。

方案二：購物過程中購物車可掃描商品生成賬單，最后可到自助結賬機處結賬。

方案三：購物過程中購物車可掃描商品生成賬單，生成二維碼，最后手機在線支付。

2）構思“無法快速找到目標商品”問題的解決方案。利用拓展思路下的技術進化定律和科學效應庫對該問題進行求解。

在購物過程中找到目標商品的主要途徑有：用戶自己通過分區標識尋找、通過工作人員指引尋找。基于技術進化法則一“完備性法則”中“完備系統”和“減少人參加”的啟示，在購物車上添加導航功能，購物車上增加室內定位導航系統，超市需要建立一個商品信息數據庫，錄入商品信息及位置。用戶通過智能交互顯示屏語音或手動輸入目標商品，系統將顯示相關商品信息，用戶選定目標商品后，可根據頁面導航找到目標商品。然后通過查詢科學效應庫可以得到目前常用的導航技術有GPS 定位系統、RFID 的定位系統。因此得到解決方案如下：

方案一：購物車上添加GPS 衛星定位系統，用于商品位置導航。

方案二：購物車上添加RFID 的室內定位系統，用于商品位置導航。

3）構思“商品信息標示不準確”問題的解決方案：利用拓展思路下的技術進化定律對該問題進行求解。

遇到商品信息標識不清的問題，一般需要到收銀臺進行掃描，才能獲取商品信息。基于技術進化法則八“向超系統躍遷法則”，分析能夠完成商品信息查詢功能的超系統資源有：收銀臺的掃碼槍、掃碼平臺以及互聯網圖片識別技術。因此可得到解決方案如下：

方案一：在購物車上添加掃碼槍，用掃碼槍對準問題商品二維碼進行掃描獲取商品信息。

方案二：在購物車上添加掃碼平臺，將問題商品的二維碼對準掃描口進行掃描獲取商品信息。

方案三：購物車內置入視覺搜索技術，將問題商品放置在攝像頭前，系統圖片識別商品并顯示商品詳情信息。

4）構思“散裝商品需要額外稱重”問題的解決方案：選擇變換思路進行求解，判斷問題為物質場問題。

通過分析購物車與散裝商品間的關系，可以建立物質場模型，用關系元表示如下：

該問題是想實現購物車自稱重的目標，可減少商品放入、拿出、再放入購物車的重復行為，以及避免稱重排隊現象出現。基于散裝商品和購物車之間的重力作用關系，可以在購物車上完成稱重動作。可得到解決方案如下：

方案一：在購物車上添加電子秤，購買散裝商品時，可先將其放在購物車自帶電子秤上稱重，然后再放入購物車中。

方案二：在購物車筐底部添加重力感應裝置，借助圖片識別商品功能，在散裝商品放入購物車的過程中識別商品類別，顯示單價；在商品放入購物車后，重力感應裝置可感應商品重量，同時智能屏可計算出商品價格。

4.1.4 制作方案原型

利用計算機輔助建模技術，對解決方案進行快速表達，將抽象方案進行簡單的形象化展示，以方便后續評估更好地進行。

1）“結賬時間長”問題解決方案原型，如圖 8所示。

圖8 原型示意圖Fig.8 Schematic diagram of prototype

2）“商品位置找不到”問題解決方案原型，如圖9 所示。

圖9 商品導航方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of product navigation

3）“商品信息不明確”問題解決方案原型，如圖10 所示。

圖10 商品識別方案三示意圖Fig.10 Schematic diagram of commodity identification scheme 3

4）“散裝商品需要額外稱重”問題解決方案原型，如圖11 所示。

圖11 散裝商品自稱重方案示意圖Fig.11 Schematic diagram of bulk commodity self-weighing scheme

4.1.5 測試評估方案

利用理想優度評價方法對問題一的三個解決方案進行評價，具體評價過程如下：

根據關聯度計算公式（3）—（4）計算求得三個方案關于衡量指標的規范關聯度為：

4）計算優度。利用優度計算公式計算優度，得到以下結果：

根據優度計算結果大小排序可知，方案三較優、其次是方案一、最后是方案二。

同理，利用理想優度對其他三個問題的解決方案進行評價，評價結果如表1 所示：

表1 方案評價結果Tab.1 Results of scheme evaluation

4.2 智能購物車設計說明

基于傳統購物車現有問題，綜合上述最優解決方案，對購物車進行智能化設計。智能購物車的效果圖如圖12 所示。

圖12 智能購物車設計效果圖Fig.12 Effect picture of intelligent shopping cart

基于“生活·智能·科技·便捷”的理念，該智能購物車主要有以下功能：智能購物（包括商品推薦導購、散裝商品智能稱重、實時顯示購物清單）、商品位置導航、商品信息查詢和手機在線支付等。

1）商品推薦導購。在正式開始購物前，基于商品信息數據庫，智能屏會優先為用戶提供特價商品和優惠活動信息，用戶可根據導購信息進行購買行為，也可以直接“跳過”，進行自主購物。

2）散裝商品智能稱重。購買散裝商品無需再額外進行稱重，將散裝商品放入購物車的過程中可通過攝像頭識別商品類別、顯示單價，隨后重力感應裝置可感應商品重量，同時智能屏可計算出商品價格信息。

3）實時顯示購物清單。在用戶購物過程中，智能顯示屏利用屏幕下方的攝像頭可實時監控購物車中的商品進出，并在顯示屏上實時顯示購物清單。

4）商品位置導航。通過語音或手動輸入所需購買的商品名稱，RFID 系統接收信息后將會反饋商品位置，并規劃導航路徑，指引用戶快速準確地獲取目標商品。

5）商品信息查詢。在選購商品過程中，如遇到商品價格標注不清等問題，用戶可通過智能顯示屏上方的攝像頭識別商品外觀，基于視覺搜索技術識別商品后，將反饋商品名稱、價格、生產日期等信息，同時推薦商品促銷活動規則等信息。

6）手機在線支付。當用戶購物結束后，確認購物清單上商品名稱、數量和價格等無誤后點擊顯示屏上的“支付”按鍵，屏幕生成付款二維碼，手機在線支付即可。

5 結語

本文針對設計思維實施過程中缺少問題分析的標準化模型，問題解決工具方法不成熟、可操作性差，評價過程人為主觀性過強等問題，將可拓與TRIZ 進行有效融合，建立了可拓輔助問題定義分析模型，為設計思維定義階段提供了標準化問題分析模型，建立了可拓與TRIZ 融合輔助問題求解模型，豐富了設計思維求解過程，提高了設計思維問題求解方法的可操作性，提出理想優度評價方案，使設計思維評價更加客觀合理，最終構建了可拓與TRIZ 融合輔助的設計思維過程模型。最后以智能購物車為例，對該模型的可用性和有效性進行了驗證。該模型可以有效減少設計過程中對設計人員經驗能力的依賴，幫助人們跳出日常思維的限制進行高效的產品創新設計。