基于進化潛力分析的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計

鮑 宏,胡 迪,張 城,柯慶鏑

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué) 綠色設(shè)計與制造工程研究所，安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著產(chǎn)品制造業(yè)市場競爭的日益加劇以及工業(yè)發(fā)展中環(huán)境污染壓力的增大，提升產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新性和環(huán)境友好性已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的迫切需求。創(chuàng)新驅(qū)動及綠色制造兩大領(lǐng)域被列入《中國制造2025》中，已經(jīng)成為國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要。產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計旨在利用發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)等方法在創(chuàng)新方面的優(yōu)勢，將創(chuàng)新方法融入綠色設(shè)計方法及流程中，面向設(shè)計早期階段為綠色設(shè)計技術(shù)難題提供創(chuàng)新解決方案，提高設(shè)計效率及產(chǎn)品的綠色技術(shù)核心競爭力，是實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動模式下綠色設(shè)計的有效途徑。

國內(nèi)外學(xué)者將綠色設(shè)計思想與技術(shù)創(chuàng)新方法相結(jié)合，開展了多視角的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計方法研究與應(yīng)用。Justel等[1]從TRIZ進化理論和沖突解決原理的角度給出了產(chǎn)品可拆卸設(shè)計方法;Cheng等[2-3]通過概念設(shè)計階段的綠色性能分析，基于TRIZ創(chuàng)新法則及進化模式解決新產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計創(chuàng)新問題，并用案例推理方法滿足功能性能及加速設(shè)計過程，最后采用簡化的生命周期模型判斷方案的環(huán)境性能改善情況;Athakorn等[4]將技術(shù)趨勢分析、生命周期設(shè)計及TRIZ理論相結(jié)合，基于ISO/TR14062標(biāo)準(zhǔn)建立綠色概念設(shè)計與評價的決策支持框架;趙燕偉等[5]針對產(chǎn)品需求動態(tài)性引起的產(chǎn)品低碳設(shè)計實例分類中存在的跳躍性問題，提出一種基于多維關(guān)聯(lián)函數(shù)的產(chǎn)品低碳設(shè)計實例分類方法;陳娟等[6]從機電產(chǎn)品碳足跡分布出發(fā)，基于層次分析法和創(chuàng)造性模板法提出一種基于碳足跡分布的機電產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計方法;劉征等[7]針對產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計過程中的創(chuàng)新問題，提出一種集成TRIZ的產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計方法。

現(xiàn)有的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)已經(jīng)取得了一定進展，但目前相關(guān)研究成果較少考慮低碳產(chǎn)品演化需求，沒有識別與量化低碳設(shè)計進化潛力空間，不能明確需求驅(qū)動設(shè)計進化意圖，難以在設(shè)計早期階段規(guī)劃低碳產(chǎn)品進化方向。本文提出基于進化潛力分析的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計過程框架，構(gòu)建了功能—結(jié)構(gòu)—特征的碳排放遞歸解算模型，并對低碳設(shè)計特征的映射提取進行表達。分析低碳產(chǎn)品演化需求的多主體特性，采用環(huán)境化質(zhì)量功能配置和粗糙集理論將需求映射到低碳設(shè)計特征，通過進化潛力值計算識別關(guān)鍵低碳進化設(shè)計特征，并將其與TRIZ創(chuàng)新法則、進化路線及設(shè)計知識相關(guān)聯(lián)，從而支持產(chǎn)品低碳設(shè)計的進化方向和策略。

1 產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計過程

產(chǎn)品的低碳創(chuàng)新設(shè)計是一種從低碳環(huán)保理念出發(fā)，更強調(diào)積極性、主動性和動態(tài)性的設(shè)計，它要求設(shè)計者在創(chuàng)新設(shè)計的構(gòu)思階段將低碳理念運用到其中，使新開發(fā)的產(chǎn)品既達到人類的可持續(xù)發(fā)展效益，又充分體現(xiàn)節(jié)能、減耗、節(jié)材等低碳思想。該方法通過將低碳排放性能與產(chǎn)品進化創(chuàng)新需求有效關(guān)聯(lián)與集成，應(yīng)用產(chǎn)品進化的TRIZ創(chuàng)新方法，為產(chǎn)品低碳設(shè)計提供了更廣的設(shè)計空間，從而突破了現(xiàn)有低碳設(shè)計方法的技術(shù)瓶頸。

針對設(shè)計早期階段難以明確產(chǎn)品低碳進化方向和策略的難題，有必要提出一個系統(tǒng)化、集成化的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計方法。本文將產(chǎn)品碳排放解算、進化潛力分析與TRIZ創(chuàng)新工具相集成，提出基于進化潛力分析的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計過程框架，如圖1所示。主要步驟如下：首先，建立功能—結(jié)構(gòu)—特征的產(chǎn)品設(shè)計方案碳排放遞歸解算模型；然后獲取演化需求并分析產(chǎn)品低碳設(shè)計進化潛力空間，提取低碳進化設(shè)計特征；最后，將低碳進化設(shè)計特征與TRIZ創(chuàng)新法則、進化路線及設(shè)計知識等創(chuàng)新工具相關(guān)聯(lián)，給出產(chǎn)品低碳設(shè)計的進化方向和策略。

2 產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計方法

2.1 產(chǎn)品碳排放遞歸解算模型

產(chǎn)品碳排放解算是面向產(chǎn)品全生命周期，將碳排放計算與概念設(shè)計映射方法結(jié)合，對產(chǎn)品碳排放進行功能層、結(jié)構(gòu)層和設(shè)計特征層映射與量化分析。概念設(shè)計采用功能分析建立產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)，并將其映射為實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)單元及其零部件，碳排放解算將原材料和能源獲取、加工、裝配、運輸、使用、報廢處理等階段的碳排放映射到產(chǎn)品/結(jié)構(gòu)單元上，進一步得到材料選擇、低能耗、資源節(jié)約和循環(huán)利用等低碳設(shè)計特征。產(chǎn)品生命周期碳排放采用生命周期評價方法進行量化，在清單數(shù)據(jù)分析[8]的基礎(chǔ)上，計算工藝、能源、資源消耗、廢料回收等活動的碳排放量值，由結(jié)構(gòu)單元碳排放遞歸分配，表示為

GHG=W·R·F=

(1)

式中：Wi為產(chǎn)品碳排放在第i個結(jié)構(gòu)單元的分配系數(shù)，分配系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用文獻[9]中提出的生命周期階段分配因子;r(i,j)為第i個結(jié)構(gòu)單元與第j個碳排放因子之間的各生命周期階段碳排放活動關(guān)聯(lián)函數(shù);?j為某一碳排放活動對應(yīng)的碳排放因子，單位為單位活動水平下的二氧化碳當(dāng)量。

原材料、裝配、運輸階段的碳排放分配系數(shù)采用結(jié)構(gòu)單元重量與產(chǎn)品總重的比值表示，使用階段碳排放分配系數(shù)需要分析產(chǎn)品系統(tǒng)能量的儲存、轉(zhuǎn)化和消耗環(huán)節(jié)，在各結(jié)構(gòu)單元的能量消耗組成及其能量流建模的基礎(chǔ)上，由能量需求分析獲取碳排放分配系數(shù)。結(jié)構(gòu)單元碳排放的計算公式為基于低碳設(shè)計特征和碳排放因子的活動碳排放函數(shù)。結(jié)構(gòu)單元碳排放活動關(guān)聯(lián)函數(shù)并不一定都與設(shè)計過程關(guān)聯(lián)，需要對其進行分析與提取，得到設(shè)計階段可以控制的低碳設(shè)計特征。各結(jié)構(gòu)單元的同類低碳設(shè)計特征可聚合為產(chǎn)品低碳設(shè)計特征，根據(jù)對碳排放的貢獻程度，產(chǎn)品低碳設(shè)計特征也可進一步映射分解為具體結(jié)構(gòu)單元的關(guān)鍵設(shè)計特征。碳排放活動關(guān)聯(lián)函數(shù)與低碳設(shè)計特征L之間存在多對多的映射關(guān)系，通過矩陣聚合可表示為

(l1,l2,…,lk)=FL·R=

(2)

式中：k表示關(guān)聯(lián)函數(shù)映射的低碳設(shè)計特征的個數(shù),FL為低碳設(shè)計特征映射矩陣。

2.2 多主體需求驅(qū)動進化潛力分析

隨著消費者環(huán)境意識的提高以及各個國家對產(chǎn)品碳標(biāo)識要求的不斷提升，產(chǎn)品低碳設(shè)計一方面要求滿足消費者不斷變化的低碳產(chǎn)品需求，另一方面要借助需求驅(qū)動設(shè)計映射的工具量化產(chǎn)品低碳進化潛力空間，以支持產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計。低碳產(chǎn)品需求主要有三種類型：一種是因以企業(yè)為主體的內(nèi)部綜合需求發(fā)生變化(例如原有產(chǎn)品已沒有市場，新技術(shù)、新材料的應(yīng)用等引起產(chǎn)品多樣化需求發(fā)生變化)而對產(chǎn)品低碳性能進行改進與提升；另兩種分別是因客戶和第三方機構(gòu)為主體提出產(chǎn)品低碳性能提升需求而對產(chǎn)品進行局部改進或整體重新設(shè)計，例如行業(yè)協(xié)會等第三方機構(gòu)最新發(fā)布的某項碳標(biāo)識或節(jié)能法規(guī)中對產(chǎn)品某項低碳設(shè)計特征提出了更高的技術(shù)需求。低碳產(chǎn)品演化需求根據(jù)集合理論描述為

GRevo=GRe∪GRc∪GRt。

(3)

式中：GRevo為低碳產(chǎn)品演化需求集；GRe為以企業(yè)為主體的需求集合；GRc為以客戶為主體的需求集合；GRc為以第三方機構(gòu)為主體的需求集合。

由于各主體對需求的描述方式不同，要將各主體需求參與到低碳產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，需要對需求進行統(tǒng)一詳細(xì)的技術(shù)性描述，并對不規(guī)范的需求項進行合并、分解等處理，提取針對提高產(chǎn)品低碳性能的設(shè)計特征。根據(jù)需求與設(shè)計特征之間的不同對應(yīng)關(guān)系，采用環(huán)境化質(zhì)量功能配置(Quality Function Deployment for Environment, QFDE)方法[10]，將產(chǎn)品需求映射為材料選擇、低能耗、資源節(jié)約和回收利用等方面的產(chǎn)品低碳設(shè)計特征、重要度和進化目標(biāo)值。

(4)

構(gòu)建客戶需求—低碳設(shè)計特征關(guān)聯(lián)矩陣，矩陣元素采用粗糙數(shù)表示，評估值亦采用1～9標(biāo)度表示，數(shù)字越大，說明關(guān)聯(lián)程度越大，反之越小。限定在某進化周期跨度tk內(nèi)的結(jié)構(gòu)單元重要度

i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。

(5)

根據(jù)進化方向的不同，低碳設(shè)計特征可分為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)兩種類型，正相關(guān)指標(biāo)的量值越高越趨近于進化極限，反之亦然?？紤]某一低碳設(shè)計特征上現(xiàn)有狀態(tài)與其進化目標(biāo)值之間的差距以及該特征的需求重要度，進化目標(biāo)值由該類產(chǎn)品具體指標(biāo)的國內(nèi)外法律法規(guī)要求和國際先進水平綜合確定，其進化潛力值

(6)

通過匯總合并各需求主體映射的低碳設(shè)計特征進化潛力值，將產(chǎn)品低碳設(shè)計進化潛力分布情況反饋給相應(yīng)的需求主體，從而使低碳設(shè)計過程與需求演化路線保持相對一致。反饋給各需求主體的低碳設(shè)計進化潛力值

(7)

2.3 低碳進化設(shè)計特征的創(chuàng)新關(guān)聯(lián)與映射

Altshuller等[12]將TRIZ中的技術(shù)系統(tǒng)進化規(guī)律劃分為進化法則和進化路線兩個層次，提出了8種經(jīng)典進化法則及進化路線[13]，認(rèn)為其在應(yīng)用領(lǐng)域上具有傳遞性。產(chǎn)品低碳設(shè)計同樣遵循技術(shù)系統(tǒng)進化規(guī)律，將材料的低碳性、結(jié)構(gòu)的低碳性、能耗及資源消耗等低碳設(shè)計特征與TRIZ技術(shù)進化法則進行映射關(guān)聯(lián)，如表1所示。

將潛力分析提取的低碳進化設(shè)計特征與技術(shù)進化法則進行映射，結(jié)合具體產(chǎn)品專利及知識庫搜索與匹配，通過結(jié)構(gòu)替換、結(jié)構(gòu)重組、知識域進化或技術(shù)顛覆性改變等策略，將TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化法則對應(yīng)的進化路線具體化，為產(chǎn)品低碳設(shè)計進化方向提供策略支持。產(chǎn)品低碳設(shè)計進化法則與進化路線的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3 應(yīng)用案例

以某企業(yè)洗碗機產(chǎn)品及其部件為實例，具體闡述應(yīng)用進化潛力分析進行產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計。通過對企業(yè)某款洗碗機產(chǎn)品設(shè)計及工藝信息進行調(diào)研，建立其三維裝配模型，如圖2所示。

開展企業(yè)生命周期數(shù)據(jù)清單調(diào)研，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單元劃分及材料清單數(shù)據(jù)如表3所示。采用GABI4.0生命周期評估軟件計算生命周期碳排放，產(chǎn)品碳排放量值為3 612.20 kg CO2-e，如圖3所示。在碳排放較高的材料獲取和使用階段，結(jié)構(gòu)單元的碳排放貢獻比率以動力系統(tǒng)和洗滌系統(tǒng)最多，該階段的貢獻比率合計約為75%，可作為后續(xù)低碳設(shè)計特征映射提取的重點。

表3 洗碗機的結(jié)構(gòu)單元劃分及材料清單

通過產(chǎn)品的多主體需求采集，以3年為產(chǎn)品進化周期跨度，獲取的產(chǎn)品需求如表4所示。設(shè)DM表示決策主體，采用粗糙數(shù)構(gòu)建需求重要度矩陣，如表5所示。決策主體DM={DM1，DM2，DM3}對矩陣中元素c113的評估分值為{9，7，9}，轉(zhuǎn)化的粗糙數(shù)分值為{[8,9]，[7,8]，[8,9]}，則矩陣中元素c113=

([8,9]+[7,8]+[8,9])/3=[8,9]。同理可以計算其他元素粗糙數(shù)，根據(jù)式(4)歸一化確定各需求的重要度集W=[0.10,0.17,0.16,0.08,0.15,0.08,0.15,0.11]。根據(jù)產(chǎn)品碳排放解算結(jié)果，提取與動力系統(tǒng)和洗滌系統(tǒng)相關(guān)的低碳設(shè)計特征，如表6所示。

表5 洗碗機產(chǎn)品低碳演化需求重要度矩陣

構(gòu)建進化周期內(nèi)洗碗機產(chǎn)品的需求—低碳設(shè)計特征映射矩陣，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)粗糙數(shù)，低碳設(shè)計特征指標(biāo)的進化目標(biāo)由企業(yè)調(diào)研的國際上同類產(chǎn)品先進水平和歐盟ErP指令中的洗碗機生態(tài)設(shè)計要求確定，根據(jù)式(5)～式(7)計算確定低碳設(shè)計特征權(quán)重及進化潛力值，如表7所示。

由表7可知，TR1，TR2和TR7的進化潛力值較大，可將其作為低碳進化設(shè)計特征與低碳設(shè)計進化法則和進化路線相關(guān)聯(lián)，搜索得到“協(xié)調(diào)性法則”和“柔性進化法則”，企業(yè)研發(fā)部門和客戶主體是需求演化持續(xù)驅(qū)動低碳設(shè)計進化的重點;待機功耗與協(xié)調(diào)性法則相關(guān)聯(lián)，該法則對應(yīng)的進化路線為“非協(xié)調(diào)作用→部分的協(xié)調(diào)作用→協(xié)調(diào)作用→間歇作用”，搜索設(shè)計專利與知識庫得到“變頻電機技術(shù)”、“智能電控板”、“開關(guān)電源”等知識;電機泵清洗動力與柔性進化法則和協(xié)調(diào)性法則相關(guān)聯(lián)，搜索得到“輕量化噴霧臂”、“間歇式供水方式”、“雙速電動機”等知識，圖4所示為企業(yè)知識庫中噴霧臂的結(jié)構(gòu)進化設(shè)計方案;耗水量與能量傳遞法則相關(guān)聯(lián)，搜索得到“水優(yōu)化液壓系統(tǒng)”、“集成水杯”、“優(yōu)化管路系統(tǒng)”等知識。在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計中，設(shè)計人員可以以這些設(shè)計知識和需求演化情況為參考，綜合考慮成本、可靠性等其他設(shè)計約束，形成最終的進化設(shè)計方案。

4 結(jié)束語

本文將產(chǎn)品進化創(chuàng)新與低碳設(shè)計思想結(jié)合，實現(xiàn)低碳設(shè)計進化潛力分析與TRIZ創(chuàng)新方法的集成，給出了基于進化潛力分析的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計方法。將生命周期碳排放計算與概念設(shè)計映射方法相結(jié)合，構(gòu)建了功能—結(jié)構(gòu)—特征的碳排放遞歸解算模型,并采用矩陣變換法對低碳設(shè)計特征進行表達。分析了低碳產(chǎn)品演化需求多主體特性，采用QFDE和粗糙集進行需求映射，通過進化潛力值提取低碳進化設(shè)計特征。將提取的低碳進化設(shè)計特征與TRIZ創(chuàng)新法則、進化路線及設(shè)計知識相關(guān)聯(lián)，給出產(chǎn)品低碳設(shè)計進化方向和策略，從而支持產(chǎn)品的低碳設(shè)計。

為了更好地輔助設(shè)計方法用于新產(chǎn)品開發(fā)，基于企業(yè)云平臺的產(chǎn)品低碳創(chuàng)新設(shè)計知識推送工具研發(fā)是下一階段需要重點開展的工作。