關(guān)于GQFD-TRIZ集成方法在警用無人機設(shè)計中的應用研究

石元伍，鄭孝成

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關(guān)于GQFD-TRIZ集成方法在警用無人機設(shè)計中的應用研究

石元伍，鄭孝成

(湖北工業(yè)大學工業(yè)設(shè)計學院，湖北 武漢 430068)

針對警用無人機執(zhí)行任務的能力需求，提出了基于灰關(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能展開(GQFD)和發(fā)明問題解決理論(TRIZ)相結(jié)合的警用無人機創(chuàng)新設(shè)計集成方法，即通過GQFD將警用無人機的任務需求轉(zhuǎn)化為具體使用的性能需求以及對應的關(guān)鍵技術(shù)及其重要度，從而由關(guān)鍵技術(shù)重要度明確改進的設(shè)計目標；應用TRIZ理論分析設(shè)計目標中的關(guān)鍵問題沖突類型，利用標準工程參數(shù)和發(fā)明原理消解對應的沖突得到具體設(shè)計實施方案。實踐表明，該集成方法可以在調(diào)研缺少信息、小樣本分析情況下減少設(shè)計中人為因素干擾，彌補單一創(chuàng)新設(shè)計理論的不足，具有可以快速準確找到設(shè)計方向并得出可行設(shè)計方案的突出優(yōu)點。通過城市管理環(huán)境中警用無人機的創(chuàng)新設(shè)計方案實施，論證了GQFD-TRIZ集成方法的可行性。

創(chuàng)新設(shè)計；警用無人機；集成方法模型；TRIZ理論；灰色關(guān)聯(lián)法

隨著無人機相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，目前市場上無人機產(chǎn)品具有成本低、易操縱、安全穩(wěn)定等特點，使其在民用領(lǐng)域迅速普及，如在無人機搭載不同設(shè)備載荷后可以執(zhí)行農(nóng)業(yè)、檢災、電力、林業(yè)、氣象、測繪、城市規(guī)劃等領(lǐng)域的復雜任務[1]。然而在國內(nèi)，無人機在軍事、警用、消防等多個領(lǐng)域的應用國內(nèi)與國外存在差距，尤其是國內(nèi)用于城市管理環(huán)境中警用無人機還處在起步階段，因此研究聚焦城市管理環(huán)境下警用多用途無人機的創(chuàng)新設(shè)計具有現(xiàn)實意義。城市管理環(huán)境中，警察的日常處理任務主要包括：預防、制止危險犯罪活動，維護社會治安秩序，維護交通安全和秩序；組織、實施、監(jiān)督消防工作等。因此需要正確、合理的設(shè)計方法指導設(shè)計人員準確得到用戶需求，并將需求轉(zhuǎn)化到警用無人機產(chǎn)品開發(fā)上，把握產(chǎn)品改進方向，得到優(yōu)良的設(shè)計方案。

針對上述需求，為貫穿全流程的創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)，將TRIZ技術(shù)創(chuàng)新方法理論與其他設(shè)計方法的集成應用是發(fā)展的必然趨勢和結(jié)果。例如，劉曉敏等[2]將TRIZ與公理設(shè)計(axiomatic design，AD)集成，構(gòu)建了產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)對應的設(shè)計矩陣，基于AD理論判斷矩陣是否耦合為創(chuàng)新方案的產(chǎn)生提供了選擇依據(jù)。張鵬等[3]將設(shè)計過程復雜性理論(design-centric complexity，DCC)和TRIZ集成，將TRIZ功能分解集合與DDC對應集建立聯(lián)系，最終得到以涵蓋重復功能集、組合集和輔助組合功能集作為復雜系統(tǒng)功能分解的結(jié)果。閆洪波等[4]等選取六西格瑪設(shè)計(design for six sigma，DFSS)的質(zhì)量控制流程與TRIZ工具集成，提出了在問題定義階段融合路線和實施步驟，得到了TRIZ與DFSS融合后可實施的創(chuàng)新方法。白仲航等[5]應用價值工程(value engineering， VE)和TRIZ求解工具相結(jié)合，將VE中的頭腦風暴法、功能價值分析法與TRIZ方法結(jié)合，有效解決了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中的相關(guān)問題。張彩麗等[6]針對TRIZ對問題分析確定的不足的特點，將質(zhì)量功能展開(quality function deployment，QFD)結(jié)合，得到一種由QFD過程中多種設(shè)計問題的確定與結(jié)合TRIZ的創(chuàng)新求解方法，解決了“做什么”和“怎么做”的問題。謝健民[7]將質(zhì)量屋(house of quality，HOQ)的QFD的核心工具與TRIZ相結(jié)合，為產(chǎn)品開發(fā)模糊前端階段需求、技術(shù)特性以及技術(shù)沖突的決策研究提供了支撐。

為提高顧客滿意度，提升產(chǎn)品競爭力，QFD工具可以幫助設(shè)計師把握用戶需求，通過HOQ分解工具對概念設(shè)計階段需求識別并確定功能結(jié)構(gòu)，再利用TRIZ尋求適當?shù)淖饔迷淼龋_定出基本設(shè)計途徑，得出求解方案的創(chuàng)新設(shè)計方法。由于QFD所用的基本工具是HOQ，傳統(tǒng)的HOQ采用離散型標度對顧客需求及相應的設(shè)計要求進行打分。得到的權(quán)重值的精度很低，同時傳統(tǒng)HOQ的結(jié)構(gòu)限制了多屬性評價方法的應用[8]。QFD系統(tǒng)的內(nèi)在模糊性，不能有效地處理早期產(chǎn)品設(shè)計階段的定性和模糊信息[9]。迄今為止，針對QFD系統(tǒng)中有關(guān)不確定性系統(tǒng)的研究方法主要有，模糊數(shù)學(fuzzy mathematics)、層次分析(analytic network process， ANP)、卡諾模型(KANO model)等方法[10-13]對顧客需求進行分析和處理。

面對“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)研究問題，引入灰色系統(tǒng)理論利用灰關(guān)聯(lián)分析實現(xiàn)“少數(shù)數(shù)據(jù)建?！盵14]。前期調(diào)研對用戶需求和工程技術(shù)參數(shù)進行獨立的評估打分，將評估結(jié)果整理，以各項工程特性作為比較數(shù)列，各項顧客需求作為參考數(shù)列，建立灰色系統(tǒng)。利用灰色關(guān)聯(lián)度確定顧客需求與工程特性的關(guān)聯(lián)矩陣，灰色優(yōu)勢分析確定工程特性權(quán)重?；诨谊P(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能展開(GreyQFD)方法，在傳統(tǒng)QFD確定用戶需求基礎(chǔ)上，通過對灰關(guān)聯(lián)度和權(quán)值計算帶入HOQ分析進一步排除人為因素影響[15]，最大程度得到準確的需求重要度及技術(shù)特性重要度信息。并且在設(shè)計階段合理地運用TRIZ方法有效解決無人機需求之間的復雜性矛盾，縮短設(shè)計與創(chuàng)新的時間，得到一款新型警用無人機概念創(chuàng)新設(shè)計方案，以滿足用戶和市場的需求。

1 GQFD及TRIZ集成創(chuàng)新方法

將灰關(guān)聯(lián)分析理論、QFD與TRIZ理論結(jié)合的集成模型具體實施步驟為：

首先由前期用戶需求調(diào)研分析得到目標產(chǎn)品主要的用戶需求及工程技術(shù)特征，進一步對其進行打分評估，整理評估結(jié)果，以各項工程特性作為比較數(shù)列，各項顧客需求作為參考數(shù)列，建立灰色系統(tǒng)。根據(jù)鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析模型的基本思想，提出了一類廣義灰色關(guān)聯(lián)分析模型[16]。

步驟1. 計算得到灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣。

設(shè)X=(x(1), x(2),···,x())(1,2,···,)為用戶需求參考序列，Y=(y(1),y(2),···,y())(1,2,···,)為鍵技術(shù)性能的比較序列。并對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行零化處理0=x()–x(1)，(1,2,···,)。0= y()–y(1)，(1,2,···,)。

其中，

(1)

(2)

X與Y的灰色絕對關(guān)聯(lián)度ε為

X與Y的灰色絕對關(guān)聯(lián)度r為

X與Y的灰色綜合關(guān)聯(lián)度ρ為

計算可得灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣

若X>X1，計算用戶需求的重要度權(quán)值為

若X≥X1，計算用戶需求的重要度權(quán)值為

其中，為重要程度，通常取值為=0.5。

步驟3. 將得到的關(guān)鍵技術(shù)性能重要度及灰關(guān)聯(lián)矩陣填入HOQ，根據(jù)傳統(tǒng)HOQ方法分析出警用無人機關(guān)鍵技術(shù)性能及重要度排序，并根據(jù)建立的HOQ屋頂?shù)募夹g(shù)特征自相關(guān)矩陣，判斷出技術(shù)特性之間存在負相關(guān)的特征，依據(jù)負相關(guān)特征確立接下來使用TRIZ解決的關(guān)鍵問題。

步驟4. 使用TRIZ理論解決沖突，對HOQ中存在的負相關(guān)技術(shù)特征進行識別分析，設(shè)想出方案將矛盾明晰化。將設(shè)計的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ中使用39個通用工程參數(shù)描述的問題矛盾，將得到的沖突矛盾歸納為技術(shù)矛盾或物理矛盾。技術(shù)矛盾借助矛盾矩陣尋找對應的40條發(fā)明原理解決，物理矛盾使用分離原則找到解決此類矛盾對應的具體發(fā)明原理[18]。由于最終得到的發(fā)明原理較多，根據(jù)HOQ中分析得到的技術(shù)性能重要度確定設(shè)計的關(guān)鍵領(lǐng)域，并結(jié)合得到的全部發(fā)明原理篩選出最有效用的原理，運用到最終的方案中得到創(chuàng)新設(shè)計方案。GQFD及TRIZ集成模型如圖1所示。

2 結(jié)合GQFD和TRIZ的警用無人機概念創(chuàng)新設(shè)計

為準確提取警用無人機使用需求，且考慮到用戶需求的多樣性和模糊性，通過相關(guān)文獻、市場調(diào)查同類型產(chǎn)品，以及對城市一線警察及專業(yè)設(shè)計人員進行問卷調(diào)查獲取用戶之聲，分析警用無人機在城市使用場景中的主要用戶需求[19]。經(jīng)過匯總，提煉城市警用無人機的主要用戶需求歸納為：空中巡邏1、通訊指揮2、跟蹤打擊3、消防救援4、綜合保障5、偵察6。關(guān)鍵技術(shù)性能要求歸納為：長續(xù)航1、機動靈活2、多用途載荷3、信息采集4、堅固穩(wěn)定5、攜帶輕便6。

得到主要的警用無人機需求和關(guān)鍵技術(shù)性能，然后請相關(guān)20名專業(yè)設(shè)計人員對城市警用無人機的用戶需求X和關(guān)鍵技術(shù)性能Y分別進行打分。將打分結(jié)果進行匯總，得到需求及技術(shù)評估表(表1)。打分標準采用1~9分對各項標準重要度進行打分，9分為最重要，1分為最不重要。根據(jù)公式可以計算出警用無人機需求X和關(guān)鍵技術(shù)性能Y的灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣。

步驟1. 將警用無人機用戶需求設(shè)為參考序列為1，2，3，4，5，6，鍵技術(shù)性能作為比較序列為1，2，3，4，5，6。通過式(1)~式(4)計算得到最終灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣，即

表1 需求及技術(shù)特評估表

步驟2. 計算相應用戶需求的絕對權(quán)值排序為

從而可以得出：；然后根據(jù)式(7)，取=0.5，計算得到X的絕對權(quán)值：=(1.5，3.5，2.5，0.5，5.5，4.5)。

步驟3. 將絕對權(quán)值與灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣填入HOQ，根據(jù)傳統(tǒng)的HOQ方法可以得出城市警用無人機的關(guān)鍵技術(shù)性能Y重要度及排序，以及之間的負相關(guān)關(guān)系。

從圖2可以看出城市警用無人機關(guān)鍵技術(shù)性能重要度排名為：機動靈活、長續(xù)航、多用途載荷、堅固穩(wěn)定、攜帶輕便、信息采集。因此，在概念創(chuàng)新設(shè)計過程中需要重點解決使用無人機以下幾個問題：靈活機動滿足出警需要的問題；使用過程中需要長時間續(xù)航的問題；具有多功能的模塊執(zhí)行復雜任務的問題。當然還需考慮到無人機本身的結(jié)構(gòu)堅固飛行穩(wěn)定，且有良好的圖像等其他信息的采集能力的二級需求，其他功能如：與警用業(yè)務系統(tǒng)高度融和，通訊數(shù)據(jù)高度安全等因素也要被考慮。這是未來進一步研究警用無人機的創(chuàng)新設(shè)計的方向。

圖2 警用無人機產(chǎn)品GQFD量表(部分)

步驟4. GQFD分析方法的階段識別重要的工程需求，針對負相關(guān)技術(shù)特征識別矛盾應用TRIZ進行無人機的概念創(chuàng)新設(shè)計[20]。對無人機關(guān)鍵技術(shù)性能的主要工程需求識別，包括進行功能分解并確定矛盾沖突并分析確定矛盾類型為技術(shù)沖突還是物理沖突。技術(shù)沖突可以通過查詢矛盾沖突解決矩陣列表尋找對應發(fā)明原理解決[21]，物理沖突采用分離方法，找到相反的需求解決方案。把相反的需求通過時間分離原理、空間分離原理、條件分離原理、系統(tǒng)分離原理分開對應[22]，這4種分離原理解釋分別對應40條發(fā)明原理。

利用圖2基于灰關(guān)聯(lián)分析的HOQ結(jié)果，結(jié)合HOQ的屋頂?shù)玫降募夹g(shù)特征關(guān)聯(lián)矩陣，列出負相關(guān)功能有：警用無人機續(xù)航-機動靈活、多用途載荷-續(xù)航、機動靈活-多用途載荷、續(xù)航-便攜。面對上述的主要負相關(guān)功能，通過TRIZ理論解決矛盾沖突并將負相關(guān)功能進行分析識別，反映在39個工程參數(shù)中獲取矛盾[23]。

利用矛盾示意圖提出方案，從設(shè)計實際出發(fā)把問題中的矛盾凸顯，然后與對應的工程參數(shù)聯(lián)系，警用無人機矛盾示意圖如圖3所示。

圖3 警用無人機矛盾示意圖

4對負相關(guān)技術(shù)特征中根據(jù)技術(shù)性能重要度以及圖3矛盾示意圖中對應的TRIZ問題沖突，得出出最重要的問題是續(xù)航-機動靈活，在解決警用無人機續(xù)航時會增加電池容量，而重量增加又會影響無人機的機動靈活，將關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為“9速度”與“1運動物體重量”這組技術(shù)沖突。同樣警用無人機的機動靈活-多用途載荷之間增加多用途載荷會使無人機質(zhì)量變重影響其靈活機動屬于相同矛盾，查找矛盾矩陣得到推薦發(fā)明原理：No.2，No.8，No.13，No.38。其次多用途載荷-續(xù)航互為1組矛盾，增加多用途載荷會使警用無人機重量增加導致無人機續(xù)航時間縮短，此問題可以轉(zhuǎn)化為“15運動物體作用時間”與“1運動物體重量”的技術(shù)沖突，得到的發(fā)明原理有：No.19，No.5，No.34，No.31。警用無人機續(xù)航-便攜之間的矛盾是增加續(xù)航電池重量會增加與無人機質(zhì)量體積輕便易攜帶的要求存在相反的需求沖突，可判斷為物理沖突，根據(jù)TRIZ中物理沖突解決辦法使用“時間分離原理”將無人機飛行和攜帶轉(zhuǎn)移的過程分離實現(xiàn)沖突化解，其中推薦發(fā)明原理為：No.6，No.10，No.11，No.15，No.16，No.18，No.19，No.20，No.21，No.29，No.34，No.37[24]。根據(jù)得到的用戶需求權(quán)重以及技術(shù)性能重要度排序，對推薦發(fā)明原理進行整理分析，選取其中使用頻率最高以及最優(yōu)的發(fā)明原理：No.2，No.5，No.15，應用于警用無人機概念創(chuàng)新設(shè)計中具體見表2。

3 警用無人機概念創(chuàng)新設(shè)計介紹

根據(jù)TRIZ原理解釋應用及GQFD方法中的HOQ分析結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品特征得到警用無人機創(chuàng)新概念方案，如圖4所示。整體的警用無人機系統(tǒng)分為2部分：無人機機體及無人機起降平臺。創(chuàng)新加入警用無人機車載起降平臺，使無人機整體與起降平臺結(jié)合可以固定到警用車輛上，為快速出警使用無人機裝備提供便利。

表2 原理解釋應用

圖4 無人機的起降平臺

如表2得出主要3條原理相互影響，為解決續(xù)航和與機動靈活的主要矛盾，所示采用了No.2原理提出設(shè)計無人機平臺，將續(xù)航電池從無人機本身獨立出來，在無人機續(xù)航不足時只需提前返回平臺將備用電池更換即可，以此可以減輕無人機飛行負擔。在解決續(xù)航和便攜這對物理矛盾時根據(jù)No.15原理警用無人機在出警前往執(zhí)行任務地時可停放于無人機平臺內(nèi)部，而無人機平臺可類似與車頂行李箱固定與警車頂部，可以大大增加其機動性，改變以往使用警用無人機需要搬運及人工收放的繁瑣步驟，提高應對突發(fā)事件的出警效率。關(guān)于無人機降落平臺系統(tǒng)可以作為警用無人機中繼站，實現(xiàn)無人機的快速機動起降，且平臺自主的為無人機起降時提供智能引導，以確保其穩(wěn)定準確起飛和回收。圖5為無人機的起降平臺部分。

圖5 城市警用無人機輔助平臺細節(jié)示意圖

(1. 警燈；2. 可開合玻璃罩；3. 滑動導軌；4. 無人機定位識別模塊(4組)；5. 底部支架卡座(固定無人機)；6. 停機升降臺；7. 電池吸(取放電池)；8. 輔助電源系統(tǒng)模塊(存儲備用電源))

警用無人機部分針對多用途載荷和續(xù)航問題，采用No.5原理，將多用途功能設(shè)計成可以組合在無人機上的模塊，針對不同任務進行更換組合，如圖6所示在無人機下部設(shè)計快裝接口的槽13避免警用無人機功能集成過多導致復雜且耗電。此外考慮到警用無人機偵查的用戶需求，在無人機底部設(shè)計11，14兩組相機云臺以便獲得更全面的偵查視角，如圖6為警用無人機設(shè)計部分。

如圖5所示平臺尾部設(shè)計有幫助無人機更換電池續(xù)航的輔助電源系統(tǒng)模塊8，內(nèi)部可以存放2塊備用電池，當警用無人機需要更換電池續(xù)航時可采用如圖7所示步驟實現(xiàn)電池更換，且換下電池可在平臺內(nèi)充電為下次無人機續(xù)航準備。無人機在平臺上自主穩(wěn)定起降關(guān)鍵技術(shù)是基于UWB定位技術(shù)原理。UWB無線定位系統(tǒng)使用超窄脈沖測量飛行時間技術(shù)，位置解算算法結(jié)合底層的精確測距和計時，可以實現(xiàn)精確的無人機飛行定位，滿足了結(jié)合起降平臺的警用無人機的自主的智能精準起降[25]。

圖6 警用無人機設(shè)計

(1. 槳葉保護；2. 槳葉；3. 頭部探照燈；4. 前后傳感器模塊；5. 無刷電機；6. GPS模塊；7. 機臂；8. 支腳指示燈；9. 減震支架；10. 底部傳感器；11. 攝像云臺1；12. 兩側(cè)傳感器模塊；13. 模塊裝備替換端口；14. 攝像云臺2；15. 電池倉；16. 底座支架)

(a) 步驟1(b) 步驟2(c) 步驟3(d) 步驟4

使用創(chuàng)新集成方法得出的警用無人機與市面現(xiàn)有的警用無人機產(chǎn)品如圖8所示進行對比，創(chuàng)新方案彌補了現(xiàn)有產(chǎn)品續(xù)航時間短、不便于快速使用、體積大不便攜、放置不便、以及自動化程度較低等問題，盡可能的考慮到了用戶需求。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于GQFD-TRIZ的產(chǎn)品集成創(chuàng)新設(shè)計過程模型，并將其應用到警用無人機產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新之中。首先使用GQFD構(gòu)建了基于灰關(guān)聯(lián)分析的用戶需求與功能需求的HOQ模型，然后借助TRIZ標準解法解決了功能需求的負相關(guān)矛盾沖突，由此得到滿足用戶需求的且較為理想的警用無人機與具有中繼功能的起降平臺組合的概念創(chuàng)新設(shè)計方案。

(a)(b)(c) (d)(e)(f)

((a) ?？低昒AV-MX6100A；(b)哈瓦戰(zhàn)斧H-16 Tomahawk；(c)北方天途M6FA安防無人機；(d)艾特-TA100反恐無人機；(e)一電警鷹-F600；(f)科比特-獵鷹P6)

這種集成GQFD和TRIZ設(shè)計模式能夠在一定程度上彌補單一設(shè)計理論的不足，對城市警用無人機的需求論證具有指導意義，最終方案也為警用無人機裝備研制提供了有益的探索。

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Application Research on GQFD-TRIZ Integration Method in Police UAV Design

SHI Yuan-wu, ZHENG Xiao-cheng

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

Aiming at the requirements on the ability of police drones to perform tasks, this paper proposes an innovative design method for police drones based on grey relational analysis of quality function development (GQFD) and theory of inventive problem solving (TRIZ). GQFD transforms the mission requirements of the police drone into the performance requirements of the police drone and the corresponding key technologies and their importance, thereby understanding the design goals by the importance of key technologies. The paper also applies TRIZ theory to analyze key problem conflict types in design goals, and uses standard engineering parameters and the invention principle which settles conflicts to obtain a specific design and implementation plan. In practice, the integrated method can reduce the human-factor interference in the design under the condition of lack of information and a small amount of sample analysis, and make up for the deficiency of a single innovative design theory, displaying the advantages of being able to quickly and accurately find the design direction and obtain a feasible design solution. The feasibility of the GQFD-TRIZ integration method was demonstrated through the implementation of the innovative design of the police drone in the urban management environment.

innovative design; police UAV; integrated method model; theory of inventive problem solving; grey relational method

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020296

A

2095-302X(2019)02-0296-07

2018-09-18；

2018-12-07

石元伍(1971-)，男，湖北武漢人，教授，碩士，碩士生導師。主要研究方向為老年化設(shè)計、智能制造等。E-mail：645688909@qq.com