基于TOC/CBR/TRIZ的產品設計方法研究

［摘 要］ 針對目前產品開發設計過程中技術沖突問題不易解決和資源浪費嚴重等現象，提出約束理論（TOC）來找出設計過程中的核心技術因素。引入案例推理技術（CBR）實現對以往設計經驗的重用，極大縮短產品設計周期，并結合發明問題解決理論（TRIZ）對首次出現的問題進行創新性解決。提出了一種融合TOC、CBR、TRIZ的產品設計方法，利用網絡爬蟲等手段整合現有產品存在的問題，基于相似度計算，找出解決目標設計最合理有效的方法，并將新問題解決方法導入實例庫，為其他產品設計提供參考。空氣凈化器的設計研究表明，該設計方法能有效找出產品設計中的核心問題并且快速生成設計方案。

［關鍵詞］ 約束理論； 案例推理技術； 發明問題解決理論； 產品設計

［中圖分類號］ TB472" ［文獻標識碼］ A" "［文章編號］ 1003-4684（2024）06-0100-06

為滿足用戶的多樣化需求，在產品開發設計過程中往往會出現技術沖突問題不易解決，同時，還存在資源浪費等現象。為避免這些問題，降低產品開發成本及周期，探索一種符合當下設計實際的創新設計方法是必要的^[1]。

在產品創新設計過程中，會遇到很多問題，最突出的矛盾表現為外部環境因素與具體處理措施之間的矛盾，為解決產生的多種矛盾，保證開發進程的順利，許多學者運用前蘇聯的發明問題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ）來解決遇到的沖突矛盾問題。該方法包含多種創新和分離原理，能分析矛盾矩陣，通過矩陣的分析厘清產品開發的當前狀況，而后運用增加有用度原則幫助設計人員解決矛盾，從而保留產品的關鍵功能。但由于TRIZ缺乏有效手段來辨別工程設計中的技術問題和定義沖突信息，因此，很多學者將約束理論（theory of constraints，TOC）運用到設計過程中。該理論認為任何系統都存在至少一個關鍵因素制約著系統目標的實現，因而也常被作為產品設計過程中分析核心關鍵問題的有效方法。TOC的缺陷并不能實現技術創新從而解決相應矛盾，但卻可以通過TOC挖掘工程問題中的矛盾沖突并有效確定核心矛盾，而后在TRIZ加持下創新解決問題。

可以看到：TOC理論和TRIZ方法的應用雖可以有效地對矛盾問題創新解決，但在產品設計中的使用是基于理論框架和規則，很多情況下設計人員只關注到矛盾解決而忽略了整體設計流程，這使得解決創造性問題成為一個漫長、效率低下的過程。而案例推理（case-based reasoning，CBR）則可充分利用以往經驗來解決新問題，加快產品設計進程并實時更新相關經驗。CBR最大的特征便是可以獲得研究對象相似案例的相關知識，以此來判斷是否可以直接應用已有經驗，從而大大縮短產品設計周期，但很多學者只是單一地運用該方法，探討的也是產品設計過程的某個階段，未將設計過程作為一個整體進行全局把控，也沒有將矛盾發現解決和縮短設計周期并重。基于此，從產品設計整體流程的角度，提出一種能快速發現產品痛點并進行創新設計，以此縮短設計周期的集成理論方法。首先用TOC來鎖定要解決的核心問題，再結合CBR檢索是否存在相似案例，有相似案例則可套用其解決辦法或者借鑒其思路再進行修改，無相似案例則用TRIZ進行矛盾問題的創新性解決，充分利用各方法的優勢形成綜合性的產品創新設計新方法。

1 理論概述

1.1 TRIZ發明問題解決理論

發明問題解決理論（theory of invention problem solving.TRIZ）是由前蘇聯的阿奇蘇勒（Altshuller）創立的。Altshuller主要分析了大量的發明專利，數量為150萬件，并提取出了不同的矛盾參數，共39個，其構建了相關的知識庫，包括了各種創新和分離原理，分別為40和4條，能夠用于分析矛盾矩陣，并探討產品的開發情況，包括物理和技術矛盾等。許多學者運用TRIZ理論對產品進行分析設計，如沈陽等^[2]采用公理設計理論和TRIZ完成物流倉庫設計矩陣的構建及耦合檢驗，提出一種集成創新設計模型。桓源等^[3]采用TRIZ理論對蘋果采摘機的結構進行了創新設計，同時用Matlab對其工作空間進行分析及運動仿真。周東亞等^[4]描述了榨汁機功能組件問題并探索問題發生的根本原因，得到矛盾矩陣，通過TRIZ方法的應用得出問題的最終理想解。王南軼等^[5]通過Kano模型分析不同年齡階段的用戶照明需求，在此基礎上運用TRIZ分析臺燈設計要素間的矛盾沖突并提出解決原理，設計出最優方案。TRIZ中有一條是增加有用度原則，它是由所有有利于系統部分之和除以所有有害于系統之和，理想的系統不存在有害部分，所以工程師的目的則是有利部分最大化，有害部分最小化。一般人為了解決矛盾都會在有害部分和有利部分之間找一個折衷的辦法。而增加有用度原則就是讓工程師去除或者解決矛盾，最終保留的都是對產品有用的功能（圖1）。

根據制約因素理論，在客觀現實系統中一般存在一些重要的環節，會直接影響到目標實現，所以，這些環節發揮著至關重要的作用。從產品設計立場分析，探討了當前現實樹和沖突解決表的相關情況，分析具體應用效果。在運用TRIZ理論進行設計分析時，也會使用TOC進行理論加持，保證分析的合理客觀性。如Stratton R等^[6]討論了TRIZ和TOC的權衡矛盾對創新設計的意義。王海平^[7]對汽車廠機器人自動化噴涂生產線的作業時間進行了分析，找到了制約生產效率的瓶頸因素，優化了生產線。王偉偉等^[8]采用定性定量分析家具設計特性，將約束理論融合其中指導設計要素求解，最終實現要素與產品設計方案的創新。張建輝等^[9]將約束理論運用于復雜產品生產流程的探索分析中，提出一種生產管理優化方法。

當前現實樹針對整個系統中可能存在的眾多問題，解釋各個問題之間的因果關系，其目的是找到核心問題。其結構如圖2所示，U0是有害功能最高層，以此為起始一層一層分析，終端主要作為一種根本因素，直接關系到有害功能的形成。

沖突解決表的建立首先要對當前現實樹的每個終端進行分析，此處不考慮非技術的影響。通過引入CRD技術，可以從技術層面上分析不同層間的因果關系，確定其中的內在矛盾。如圖所示（圖3）A是待實現的最終目標；B和C是實現A的與技術性因素相關的基本要求即必要不充分條件；同時，為了滿足基本要求B和C，必須分別具備前提D和E，但是D和E又互相矛盾。

案例推理技術（case-based reasoning，CBR）是借助以往成功的設計經驗來解決新問題，大大縮短產品設計周期，其最大特征是獲取與目標設計相似案例有關知識。在產品設計過程中出現新問題時，首先考慮從案例庫檢索相似案例解決方法，綜合比較后在以往解決經驗基礎上調整處理新問題。該方法的運用可大大節省設計時間，LI LEO等^[10]利用案例推理與感性工學為研究框架，并用KANO驗證輸出設計功能，得出較為理想的結果具有一定的參考意義。Ching-Hung Lee等^[11]通過整合面向記憶的CBR和非面向記憶的TRIZ，提出了新的以知識為中心的創新服務設計模型。Pei Zhang等^[12]主要建立在CBR和TRIZ基礎上，制定了相應的設計方案，具體為三級改編，結合實例分析了這種方案的情況，判斷其是否可行。任工昌等^[13]在綠色設計理論的基礎上融合 CBR 案例推理技術，建立了基于CBR的綠色產品創新設計過程模型，并以汽車前翼子板為例驗證該模型的可行性。CBR解決問題的關鍵技術有實例庫的建立、檢索、調用和修改。

產品相似度計算主要包含宏觀和微觀兩個層面，宏觀是站在用戶角度考慮產品功能，而微觀則是站在產品設計人員角度考慮產品結構。本文綜合兩種因素，結合用戶對以往產品的使用反饋對新產品結構功能進行再設計。在實際中，不同用戶對于產品的屬性側重點也不同，所以要先確定不同屬性在相似度評判中的比重，再計算各個屬性的相似度。最后綜合各個屬性的相似度和他們分別占的權重值來計算總體相似度。為了檢索的準確性和便捷性，將實例庫中的每個屬性賦予參數化特征，對于最終量化的結果則運用特征向量來表示。對實例用產品，主要考慮其屬性向量E（名稱等），并將其作為一種表示方式。

1.3.1 實例庫的建立 研究過程中，實例庫的建立參照Amodta等^[14]學者的方法。屬性向量有數值、范圍和模糊值三種取值類型，如果對象x、y，相似度用sim（x，y）表示，且sim（x，y）∈［0，1］。對應的相似度計算公式可表示為：

1）確定數值x、y

sim（x，y）=1-|x-y|α-β， x、y∈［α，β］（1）

式中：α、β為x，y的上限和下限。

2）數值與范圍

sim（α，[b1，b2]）=∫^b2b1sim（α，x）dx[]b2-b1（2）

3）數值與模糊值

sim（α，X）=∫βαX（x）sim（α，x）dx∫βαX（x）dx（3）

式中：α、β為模糊值X（x）取值的上限和下限。

各個實例可以用一個點來表示其在特征空間的映射對象，這樣處理不僅簡化了模型還提高了檢索效率。表示如下：

1）抽象出N個特征，以F來表示最終形成的N維特征向量，用下式表示：

F={f1，f2，…，fn}[JZ）][JY]（4）

式中：f1、f2、f3表示產品基本功能屬性，

2）目標對象以空間基F來反映特征空間；

3）以N維特征向量為載體，實現對每一個目標對象的映射，并用Wi表示其在各個維度的權重值；

4） 避免目標實例在空間基中表達缺失， 可以將每一個實例都量化為其權重向量W，表達式如下：

T·E=W·F（5）

式中：T，E表示目標對象在空間上的數值。

1.3.2 實例庫的檢索、調用和修改 本模型相似度計算方法如下：

D（Wi，Wj）=‖wi-wj‖22=∑Nk=1（wik-wjk）2（6）

式中：D表示實例在特征空間中投影的距離（距離越大相似度越低，否則相似度越高）；i、j屬于1～M，M表示實例空間實例的個數；N表示實例空間的維數，即實例屬性的個數。

2 模型建立

不存在一款產品是符合所有用戶的需求，設計師要做的是盡量滿足大部分但也不忽略小部分。再設計產品往往比較棘手，利用TOC對已有產品進行分析，并找出需要解決的核心技術問題。然后結合CBR進行推理，檢索案例庫中已有案例，找出異同點以獲得最優解決方案。但是CBR往往限制于特定的技術領域，有礙于創新，最后可在CBR案例推理的基礎上用TRIZ理論來創新性解決矛盾（圖4）。

以TOC等技術為基礎構建的產品設計方案流程如下：

1）分析需要設計的產品情況，以此為依據建立當前現狀樹（CRT），之后研究分析，獲取相應的不期望因素（UDES），不期望因素即CRT的每一個終端，由于每一個終端可能都是阻礙設計前進的因素，所以有必要對每個終端分析，找出其中的技術性原因，避免產品設計過程中避重就輕的問題。

2）將每個終端中屬于技術性的因素挑選出來，并構建矛盾解決圖（CRD），得出矛盾分析結果。

3）使用當前技術解決分析得出的矛盾，為了縮短產品設計周期，應用CBR獲取相關案例，根據獲取的一些成功案例對方案改進，反復檢驗得出相對較好的解決方案，最后對終選方案進行可行性分析，驗證方案可行之后即可保存到實例庫中，為其他產品設計提供參考。

4）如果案例庫沒有檢索到相似案例以及解決辦法，需要TRIZ來指導并進行創新性設計。增加候選設計方案，再回到上級選擇其他CRD進行分析，直到所有矛盾都能創新性解決。

5）不斷嘗試形成最終可行的設計方案，并將所有可行方案保存到庫里。

3 以空氣凈化器為例進行設計

當前很多家裝材料都伴隨著高濃度揮發性有機物。同時，研究發現一天中80％左右的時間在室內度過，這使室內空氣污染物長期處于高健康風險和接觸暴露的狀態。因此，空氣凈化器這一小家電的出現便受到大眾喜愛^[15]。但是，當前空氣凈化器的設計定位多數表現為固定于某一位置，無法實現對室內各個房間的空氣質量進行監測導致凈化面積有限，并且凈化器的功率大小及結構是否會造成二次污染，凈化器的使用方式、放置位置以及內部結構限制各方面矛盾由此凸顯出來。矛盾的權重直接影響到問題的解決效率。根據上述分析，不同設計方法對于產品設計周期的影響也會有差別，重點是如何快速找到核心矛盾并產出相應解決方案。

3.1 基于TOC定義核心技術因素

利用八爪魚網絡爬蟲手段獲取各大電商平臺上關于空氣凈化器的評論，可以總結出目前市面上的空氣凈化器存在的一些問題以及用戶期望。70％的空氣凈化器都是大而笨重，且固定在某一位置，不能全方位凈化室內每一處空氣，反映較多的是關于凈化器濾芯更換的問題以及運作時發出的噪聲。

首先，定義目前空氣凈化器體驗感不佳的因素，將這些因素用CRT的形式表現出來，圖5是關于空氣凈化器的CRT圖，CRT中的每一個終端可被認為是存在破壞性功能的基本原因或產生矛盾的根源（UDES），因此，影響空氣凈化器體驗感的因素即為CRT中的每一個不期望值。

不排除非可控因素偶爾對非技術性因素的影響，此處就不對非技術性因素進行分析，將核心技術因素選擇出來構建矛盾分析圖（CRD），旨在找出影響空氣凈化器體驗感的根本原因，便于用CBR來找相似案例，用以往的解決方案解決新問題從而尋求關于新問題的最優設計方案。

圖5中：1表示有害功能最高層也是最不期望出現的問題；7、8、10、11、12、13、16、17都有可能是問題出現的根本原因。排除其中非技術因素的影響，對11、16、17構建CRD圖進行分析。

因素11是大多數空氣凈化器都不可移動，固定在某一位置。對其用CRD進行分析如圖6，得出矛盾1：既要讓空氣凈化器固定在某一位置，又要讓其動起來不在固定位置。

因素16是空氣凈化器的濾網設計為多層，用CRD分析得出矛盾2：既要用多層濾網，又要用單層濾網（圖7）。

因素17是由于凈化器內部轉速高，對其應用CRD進行分析得到矛盾3：既要增大轉速，又要減小轉速（圖8）。

3.2 基于CBR檢索相似案例

通過TOC分析出影響空氣凈化器體驗感不佳的原因，將當前現實樹中每個終端定義為一個屬性，分別為：材質、殺菌方式、濾網層數、位置分布、轉速，每個屬性下均有多個不同的屬性值。為得到各屬性中所要運用的屬性值，同時也為了保證產品契合用戶使用需求，采用網絡爬蟲技術提取用戶需求信息，提取方法參照文獻[16]中胡珊等學者的做法，根據提取的信息關鍵詞，設定初步目標方案為Q=（A，B，B，B，A），如表1所示。結合公式（6）的相似度計算公式，計算目標方案與實例庫中各實例的相似度并取最大值maxQ。由于本研究只是探究工程產品設計方法理論，目的是通過個案研究提出一種縮短產品設計周期并準確發現解決設計難題的方法，因此，此處實例庫的建立來源于項目組歷年設計的基于特征屬性的產品數據自建而成，通過項目組小范圍的測試研究為工程領域提供借鑒。

運用CBR案例推理技術，參考實例庫中相似度最大值的設計方案，檢索結果可得案例庫中只有解決濾網層數和轉速的案例，分析歸納出多層濾網和中高轉速對污染物去除率較高，反饋較好，可以采用。對于凈化器位置擺放的問題未得到合適結果，其屬性值設定需用TRIZ理論解決其中的問題。

3.3 發明問題解決理論

通過檢索實例庫中的數據并沒有發現有關于凈化器位置放置的案例研究，對于凈化器位置問題的矛盾研究應用TRIZ沖突矩陣解決，一些需要調整的工程參數主要是靜止物移動軌跡，還存在一些不斷惡化的參數，包括適應性等，通過TRIZ沖突矩陣得到的發明原理為NO.1、NO.2、NO.3、NO.15和NO.24，可以采用NO.15動態原則，對物體完成劃分，獲取相對移動的多個部分，空氣凈化器由監測器和操作主機構成，監測器分布在各個房間，將監測到的空氣質量問題傳送給主機，主機再分析凈化措施。通過TRIZ發明問題解決理論得到的空氣凈化器監測器效果圖如圖9所示，整體效果圖如圖10所示。

此款室內空氣凈化器適用于所有人群，一鍵式操作，機身采用柱形，保障產品運行過程中的安全性。爆炸圖能清晰反應產品內部各零件的位置關系，便于故障分析，如圖11所示為空氣凈化器爆炸圖，圖12為空氣凈化器操作方式展示，圖13為凈化甲醛展示。在完成方案設計后，將改進后的室內空氣凈化器各個屬性值保存到實例庫中，特別是沒有參考源的屬性值，從而為其他凈化器設計提供參考。

4 結論

通過網絡爬蟲技術抓取用戶最根本需求，再利用TOC找出核心技術因素，結合CBR檢索相似案例縮短設計進程，最后對于無參考源的問題則用TRIZ發明問題解決理論創新型解決問題。將最終所得的案例保存到實例庫中，為其他產品設計提供參考。通過這種設計方法可以很快確定設計方案，減少所需的設計時間。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ 王愛紅，毛昕，陳汗青.產品突破性創新內涵及其關鍵要素研究綜述[J].機械設計，2022，39（12）：125-132.

[2] 沈陽，袁斌，申屠功偉.基于AD與TRIZ的智能柔性物流倉庫創新設計[J].制造業自動化，2023，45（03）：63-69.

[3] 桓源，任工昌，孫建功，等.基于TRIZ理論蘋果采摘機器人的設計與分析[J].機械傳動，2023，47（05）：51-56.

[4] 周東亞，金燕，朱宏軒.基于TRIZ理論的榨汁機創新設計研究[J].包裝工程，2023，44（08）：402-411.

[5] 王南軼，傅雷，石暢，等.基于Kano模型與TRIZ理論的臺燈創新設計研究[J]. 機械設計， 2022，39（S2）：221-226.

[6] STRATTON R，" MANN D.Systematic innovation and the underlying principles behind TRIZ and TOC[J].Journal of Materials Processing Technology， 2003，139（1-3）： 120-126.

[7] 王海平.基于約束理論的機器人噴涂生產線工藝優化[J].電鍍與涂飾，2022，41（08）：546-552.

[8] 王偉偉，張陽，金秋宇，等.基于情境分析與FBS的家具創新設計方法研究[J].家具與室內裝飾，2022，29（01）：42-47.

[9] 張建輝，王素，張文旭，等.基于TRIZ和約束理論的復雜產品生產管理優化[J].機械設計與研究，2021，37（01）：170-176.

[10] LEO L ，劉鍵 ，譚穎玲.基于群智能與案例推理的民宿酒店服務設計探究[J].包裝工程，2022，43（04）：348-356.

[11] LEE C H， CHEN C H， LI F， et al. Customized and knowledge-centric service design model integrating case-based reasoning and TRIZ[J]. Expert Systems with Applications， 2020， 143： 113062.

[12] ZHANG P， ESSAID A， ZANNI-MERK C， et al. Experience capitalization to support decision making in inventive problem solving[J]. Computers in Industry， 2018，101： 25-40.

[13] 任工昌，唐雅莉.基于CBR的綠色產品創新設計過程模型[J].機械設計與制造，2019（07）：254-257.

[14] AMODT A，PLAZA E.casebased reasoning：foundational issues，methodological variations，and system approaches[J].AI communications，1994，7（01），39-59.

[15] 鄭祎峰，王世偉.基于RAHP和QFD的智能空氣凈化器設計研究[J].包裝工程，2022，43（18）：72-79.

[16] 胡珊，劉晶，王雨晴，等.基于用戶動態需求的產品迭代創新設計方法研究[J].現代制造工程，2020（12）：41-48.

TOC/CBR/TRIZ-Based Product Design Methods

HUANG Jinsong， PENG Xia， LI Min

（School of Industrial Design， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract： In response to the phenomenon that technical conflict problems are not easily solved and resources are wasted in the current product development and design process， the theory of inventive problem solving TRIZ is proposed to identify the core technical factors in the design process， and CBR is introduced to achieve the reuse of previous design experience and greatly reduce the product design cycle. The product design method integrates TOC， CBR and TRIZ by combining the theory of inventive problem solving TRIZ to find innovative solutions to problems that first appear. Using web crawlers and other means to integrate the problems of existing products， the most reasonable and effective method to solve the target design is identified based on similarity calculation， and the new problem- solving method is imported into a library of examples to provide reference for other product designs. The design study of an air purifier shows that this design method is effective in identifying the core problems in product design and generating design solutions quickly.

Keywords： theory of constraints; case-based reasoning; theory of inventive problem; product design

［責任編校： 閆 品］

［基金項目］ 教育部人文社會科學研究項目（20YJA760036）

［第一作者］ 黃勁松（1967-）， 男， 湖北武漢人， 湖北工業大學副教授， 研究方向為工業設計、產品設計表現。

［通信作者］ 彭 霞（1996-）， 女， 四川峨眉人， 湖北工業大學碩士研究生， 研究方向為工業設計、產品結構設計。