基于E/HOQ/TRIZ的人機產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究

張芳蘭， 史慧君， 陳國強

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004)

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

基于E/HOQ/TRIZ的人機產(chǎn)品創(chuàng)新方法研究

張芳蘭， 史慧君， 陳國強

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004)

為了快速準確地進行設計階段的人機產(chǎn)品創(chuàng)新，開發(fā)了E/HOQ/TRIZ集成模型并描述了具體步驟，提出了基于人體工程學(E)的人機用戶需求三維分類的需求獲取方式；通過質量屋(HOQ)確立人機設計關鍵問題與關鍵人機設計區(qū)域；利用發(fā)明問題解決理論(TRIZ)分析人機設計關鍵問題中的沖突類型，借助TRIZ發(fā)明原理消除沖突。E/HOQ/TRIZ集成模型有效彌補了單一設計理論與方法的局限性，并發(fā)揮三種理論與方法的優(yōu)勢，實現(xiàn)人機產(chǎn)品創(chuàng)新設計。通過人機洗浴設施創(chuàng)新設計，論證了所提出E/HOQ/TRIZ集成模型與方法的可行性。

人機工程學；質量屋；發(fā)明問題解決理論；集成模型；創(chuàng)新設計

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

在工業(yè)設計中，產(chǎn)品創(chuàng)新方法的合理開發(fā)與應用，可以改變傳統(tǒng)主觀經(jīng)驗型設計模式，加速產(chǎn)品的創(chuàng)新過程，提升產(chǎn)品的設計質量。針對設計環(huán)節(jié)創(chuàng)新問題的解決，TRIZ理論作為一種有效的創(chuàng)新工具，已由單一理論應用轉化為該理論與其他設計方法的互補集成應用。例如，Shirwaiker和 Okudan[1]認為 TRIZ與公理化設計(axiomatic design，AD)的結合是互補的。AD可以為設計過程建立完整且實用的框架，獨立性公理和信息公理對設計方案的選擇與優(yōu)化提供了合理的判斷準則；TRIZ將技術系統(tǒng)的演化規(guī)律作為產(chǎn)品進化的模式，并應用相應的工具消除設計中的矛盾，促使創(chuàng)新過程模式化。羅志成[2]提出了TRIZ與質量功能配置(quality function deployment，QFD)、AD集成模型，將其成功應用到LED路燈設計之中。邵云飛等[3]將 TRIZ與 6σ管理流程、QFD相結合，構建了 6σ/QFD/TRIZ集成的總體框架及流程，并應用于手機部件的創(chuàng)新設計中。Mann[4]提出了TRIZ與約束理論(theory of constrains，TOC)集成的產(chǎn)品概念設計方法，運用TOC中的當前實現(xiàn)樹和沖突解決圖表，定位創(chuàng)新問題，并借助TRIZ發(fā)明工具提出創(chuàng)新方案。黃偉等[5]通過專利分析法與TRIZ結合為基礎，提出了產(chǎn)品結構創(chuàng)新與優(yōu)化設計流程。李陽[6]利用 TOC找出問題，TRIZ解決問題，用實例推理(case based reasoning，CBR)將特殊解轉化為具體解，提出了一種綠色設計模型。馬懷宇和孟明辰[7]將 QFD、功能分析(functional analysis，F(xiàn)A)與TRIZ結合，提出了從功能需求分析到方案產(chǎn)生的具體流程與問題處理方法。張沙沙[8]針對塔式起重機人機設計中技術難題和設計缺陷，將 TRIZ與人機工程學(ergonomics，E)相結合，創(chuàng)建技術沖突模型、物理沖突模型及物-場模型，應用到起重機人機設計之中。劉鳳山等[9]將TRIZ理論引入到人機工學實驗設計過程中，有效解決生產(chǎn)制造系統(tǒng)中作業(yè)人員的生理疲勞與工作效率的沖突。

在 TRIZ理論與其他設計方法的集成中，主要表現(xiàn)在主流設計理論與AD、QFD、TOC三大方法的集成。AD使得設計流程清晰化，可以幫助設計師通過方案評價選擇最優(yōu)化方案；QFD可以指導設計師通過用戶需求獲取與分析，設計出產(chǎn)品的功能結構；TOC使得設計過程中的沖突問題明晰化，幫助設計人員更清晰地確定需要解決的沖突問題。同時，部分研究者將專利研究及仿生學、CBR、FA、綠色設計、E等創(chuàng)新方法與TRIZ融合，建立了設計模型，并經(jīng)過驗證證明了其可行性。

然而，在工業(yè)設計流程中，依靠傳統(tǒng)主觀經(jīng)驗型設計模式已無法確保高用戶滿意度。用戶需求是創(chuàng)新設計的關鍵源頭信息，若采取普通用戶自然語言描述個體需求，勢必會帶有主觀性、模糊性、隨意性、不完整性，且重復性較強，會對用戶需求的準確性定義產(chǎn)生偏差。E理論將用戶需求分為人機交互、人機情感、人機效能 3個維度，可以據(jù)此對實際設計問題的用戶需求進行具體描述，確保需求的準確性與完備性。研究顯示，良好的人機產(chǎn)品創(chuàng)新設計在舒適度、環(huán)保度、審美度、高效度等方面有效提高用戶滿意度[10-15]。但是，單一的 E理論很難將用戶需求轉換為產(chǎn)品工程特性，且不能提出針對創(chuàng)新問題的具體解決方法與思路。

因此，針對地震后災民的洗浴問題，本文將基于 E理論的人機用戶需求三維分類方法，與HOQ、TRIZ相結合，創(chuàng)建適用于工業(yè)設計的人機產(chǎn)品創(chuàng)新設計集成模型與具體方法步驟。最終，通過一款人機洗浴設施創(chuàng)新設計，論證該集成模型與方法的可行性。

1 E/HOQ/TRIZ集成創(chuàng)新模型開發(fā)

將E理論、HOQ與TRIZ理論三者結合，構建面向人機產(chǎn)品創(chuàng)新的 E/HOQ/TRIZ集成創(chuàng)新模型，如圖1所示。

E/HOQ/TRIZ集成模型的具體實施步驟為：

步驟1. 人機用戶需求具體描述獲取。工業(yè)設計師依據(jù)人機用戶需求三維分類，針對實際設計問題對用戶需求進行具體描述，并利用 1、2、3、4、5比例標度依次表示用戶需求的重要性程度：極不重要、不重要、一般、重要、極為重要5個等級。

步驟2. 構建 HOQ，確立人機設計關鍵問題與關鍵人機設計區(qū)域。在構建用戶需求與人機設計特性相關矩陣中，采用0、1、3、5比例標度判定用戶需求與人機設計特性間的相互關系，依次表示不相關、弱相關、中相關和強相關關系。

根據(jù)式(1)計算各項人機產(chǎn)品設計特性分值

其中，Ci為用戶需求的重要性；Pij為用戶需求與人機設計特性之間的相關程度；Sj為產(chǎn)品人機設計特性整體得分。依據(jù)產(chǎn)品人機設計特性的整體得分對優(yōu)先度進行排序。

位于HOQ屋頂?shù)娜藱C設計特性自相關矩陣，若提高或改善某一人機設計特性，從而導致另一人機設計特性提高與改善，即可判斷兩個人機設計特性存在正相關關系，用“+”表示。反之，若導致另一人機設計特性下降，可判斷其間存在負相關關系，用“-”表示。依據(jù)負相關特性，確立設計特性之間的沖突問題，從而確立人機設計關鍵問題。

步驟 3. 人機設計關鍵問題的沖突分析與消除，利用TRIZ理論提供的發(fā)明原理，實現(xiàn)方案創(chuàng)新。面對人機設計關鍵問題，利用39個工程技術參數(shù)，找到在HOQ屋頂?shù)呢撓嚓P特征對應的工程技術參數(shù)，實現(xiàn)從人機設計關鍵問題向TRIZ一般問題的轉化。然后確定沖突類型，技術沖突采用沖突矩陣中建議的發(fā)明原理消除，物理沖突采用分離原理中建議的發(fā)明原理解決。根據(jù)轉化的TRIZ問題，選擇相應的發(fā)明原理，找到解決問題的創(chuàng)新方法，并結合關鍵人機設計區(qū)域最終實現(xiàn)方案創(chuàng)新。

圖1 E/HOQ/TRIZ集成模型

2 人機洗浴設施創(chuàng)新設計案例

據(jù)調研：一般在地震后對災民安置時，災民的洗浴問題相對困難?，F(xiàn)依據(jù) E/HOQ/TRIZ集成模型與具體流程進行洗浴設施的人機創(chuàng)新設計。

步驟1. 人機洗浴設施用戶需求具體描述獲取。工業(yè)設計師依據(jù)人機用戶需求三維分類獲取洗浴設施的人機用戶需求描述，如表 1所示。再利用 1、2、3、4、5數(shù)值對用戶需求的重要性進行標度，采用 SPSS軟件計算 10項用戶需求均值，如表2所示。

步驟2. 構建人機洗浴設施HOQ，在圖2中依據(jù)式(1)求解各項人機設計特性分值，確立加熱板尺寸布局、功能系統(tǒng)空間配置、結構、盛水區(qū)域體積、模塊化程度及產(chǎn)品器件體積與數(shù)量為關鍵人機設計區(qū)域。

表1 用戶需求初級篩選

表2 用戶需求優(yōu)先度

依據(jù)圖2所示的HOQ屋頂自相關矩陣，可以獲得3對負相關設計特性，如表3所示。據(jù)此確立人機洗浴設施的 3組人機設計關鍵問題，即沖突問題：①消除“整體產(chǎn)品的質量”與“盛水區(qū)域的體積”之間的沖突；②消除“結構”與“功能系統(tǒng)空間配置”之間的沖突；③消除“產(chǎn)品器件體積大、數(shù)量繁雜”與“易運輸”之間的沖突。

步驟3. 人機設計關鍵問題的沖突分析與消除，以及最終創(chuàng)新方案的實現(xiàn)。依據(jù)3對人機洗浴設施負相關設計特性及3組人機設計關鍵問題，分別構建出TRIZ中與其相對應的通用工程參數(shù)，如表3所示。將人機設計關鍵問題中的沖突，應用負相關設計特性對應的通用工程參數(shù)替代，從而實現(xiàn)了將人機設計關鍵問題向TRIZ一般問題的轉化。

圖2 人機洗浴設施HOQ

表3 負相關設計特性及其對應的TRIZ理論通用工程參數(shù)

針對第 1組關鍵問題，即“整體產(chǎn)品的質量”與“盛水區(qū)域的體積”之間沖突的解決。若洗浴設施的盛水區(qū)域體積增大，可加大儲存量，有利于災民洗浴，但會造成整體產(chǎn)品質量過大，不便于運輸。因此，產(chǎn)品的整體質量應盡可能的小，以方便人機洗浴設施能夠快速便捷地送達災區(qū)。故此沖突問題屬于技術沖突，可以利用如圖 3所示的TRIZ理論沖突矩陣及其所建議的發(fā)明原理消除。針對第2組關鍵問題，即消除“結構”與“功能系統(tǒng)空間配置”之間的沖突，當提升產(chǎn)品整體結構可制造性時，導致功能系統(tǒng)空間配置的可操作性下降所以該沖突問題亦屬于技術沖突，消除沖突方式與第1組關鍵問題相同。第1、2組關鍵問題分別轉化為“2.靜止物體的重量”與“8.靜止物體的體積”、“32.可制造性”與“33.可操作性”之間的沖突。利用圖3所示的沖突矩陣，獲得TRIZ理論建議的發(fā)明原理編號。針對第 1組關鍵問題，在建議的 4個發(fā)明原理編號 No.35、No.10、No.19、No.14中，選擇“No.10預先作用原理：在真正需要某種作用之前，預先執(zhí)行該作用的全部或一部分，預先對物體(全部或部分)施加必要的改變”。由于地震發(fā)生之后，引發(fā)地震的地下能量致使地下的水汽沿著裂縫進入空氣，空氣中增加大量形成水滴的最好凝結核粉塵，在地震巨大沖擊波的作用下使震區(qū)上空大量凝結核與水汽充分結合，迫使大雨降臨。因此，提出預先將天空中降落下的雨水收集起來作為水源，加以凈化、加熱、保溫，以供洗浴之用。對于第 2組關鍵問題，從推薦的3個發(fā)明原理編號No.2、No.5、No.12中選擇“No.5合并：為了提高效率或改善功能，可將相同的物體或相似的操作進行組合”，提出將收集雨水區(qū)域與太陽能加熱區(qū)域系統(tǒng)加以合并，從而第1、2個組關鍵問題中的沖突得以消除。

針對第 3組關鍵問題，即“產(chǎn)品器件、數(shù)量”與“模塊化程度”之間沖突的解決。若保持洗浴設施良好的功能性，需保證能圍合出一個封閉的空間，但導致產(chǎn)品體量大，零部件數(shù)量繁雜，使得產(chǎn)品模塊化程度下降，阻礙運輸。因此，產(chǎn)品零部件應盡量少，體量盡量小。故該沖突屬于物理沖突，可利用TRIZ分離原理中的空間分離原理與整體與部分分離（轉換到子系統(tǒng)）原理所建議的發(fā)明原理實現(xiàn)沖突化解，相關發(fā)明原理編號為：No.1、No.2、No.3、No.17、No.13、No.14、No.7、No.30、No.4、No.24、No.26與No.40。依據(jù)實際問題，首先選擇“No.1分離原理”將整體設施的支撐件選取可伸縮的支撐棒，外部遮擋選取柔軟可伸縮的屏風，將支撐棒安置在收納盒底部，對洗浴設施整體重新組裝，以方便運輸。再利用發(fā)明原理“No.40復合材料原理”內部儲水區(qū)域采用 LDPE低密度聚乙烯，外部屏風采用復合材料 PVC，柔軟處添加催化劑軟化處理，保證內外部區(qū)域穩(wěn)固性的同時提升其可伸縮性。

圖3 解決沖突問題的局部沖突矩陣

綜上所述，通過預先收集雨水系統(tǒng)、合并加熱與收集系統(tǒng)、模塊化集成收集與采用復合材料手段，并結合 6項關鍵人機設計區(qū)域，利用計算機輔助設計，創(chuàng)建出人機洗浴設施的三維建模設計方案，如圖4所示。

圖4 人機洗浴設施創(chuàng)新設計方案

3 結 論

E/HOQ/TRIZ集成模型解決了設計階段如何準確獲取用戶需求的具體問題，以及針對具體問題采用何種創(chuàng)新思路與方法，實現(xiàn)具體創(chuàng)新。三者的結合可以有效彌補單一設計理論的局限性，發(fā)揮各自理論與方法的最大優(yōu)勢，從而消除人機設計問題的瓶頸。通過對人機洗浴設施的創(chuàng)新過程分析，論證了該集成模型與具體方法過程的可行性。對于工業(yè)設計中其他人機產(chǎn)品的創(chuàng)新與開發(fā)，該集成模型與方法同樣具有有效性。

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Research on the Innovation Method of Ergonomic Products Based on E/HOQ/TRIZ

To fast and accurate ergonomic product design at the design stage, the E/HOQ/TRIZ integration model is developed and the specific steps are described. The method of obtaining user needs based on the ergonomics (E) user needs three-dimensional classification was described. The key issues and the key design areas of ergonomic design were established by the house of quality (HOQ). The type of conflicts of the key issues were analyzed and resolved by the theory of inventive problem solving (TRIZ) for achieving ergonomic product innovation. E/HOQ/TRIZ integration model can effectively make up the limitations of the single design theory and method, and play the advantages of the three theories and methods, so as to realize the innovative design of human machine products. Finally, through innovative design of the ergonomic bath facilities, the feasibility of the proposed integrated model and approach was demonstrated.

ergonomics; house of quality; theory of inventive problem solving; integrated model; innovative design

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060759

A

2095-302X(2016)06-0759-06

2016-03-23；定稿日期：2016-05-29

河北省社會科學基金項目(HB15YS009)

張芳蘭(1980?)，女，陜西寶雞人，副教授，博士。主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設計與評價、人機工程學等。E-mail：fanglanzhang@163.com