基于AHP和TRIZ理想解的雪地救援擔(dān)架優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐驍琪，程永勝

(廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

擔(dān)架是自然災(zāi)害和突發(fā)事故中應(yīng)急救援必不可少的裝備，它可以幫助救援人員在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)或特殊環(huán)境快速轉(zhuǎn)移傷員，是從遇險(xiǎn)環(huán)境到醫(yī)療場(chǎng)所之間轉(zhuǎn)移傷員的重要工具。擔(dān)架根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)、功能、材料特征可以分為：升降擔(dān)架、走輪擔(dān)架、鏟式擔(dān)架、負(fù)壓充氣墊式固定擔(dān)架、真空擔(dān)架、多功能擔(dān)架、樓梯專業(yè)擔(dān)架、擔(dān)架推車及籃式擔(dān)等[1]。作為救援產(chǎn)品，擔(dān)架必須能滿足不同情境下、不同路況的救援需求，在運(yùn)輸過程中盡量減輕傷員的痛苦，防止傷員在移動(dòng)過程中受到二次傷害，并且方便救援人員進(jìn)行操作。本文擬基于發(fā)生在雪地環(huán)境中的災(zāi)害對(duì)走輪擔(dān)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 TRIZ理想解的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略

1.1 TRIZ理論

TRIZ理論是蘇聯(lián)專利調(diào)查員阿奇舒勒因工作需要在閱讀了海量專利之后，發(fā)現(xiàn)具有創(chuàng)意的專利都是在解決一些矛盾問題[2]，而這些矛盾的解決方法一再地被反復(fù)使用。他據(jù)此推論，大量存在的矛盾點(diǎn)是相同的，解決這些矛盾的原理也是客觀存在的。

TRIZ理論體系非常龐大，應(yīng)用面廣泛，它可以解決技術(shù)沖突問題[3-5]，產(chǎn)生新的創(chuàng)意方案[5-6]，規(guī)避或增強(qiáng)專利[7]，助力環(huán)保產(chǎn)業(yè)的研究[8]等。針對(duì)不同情境的問題，TRIZ提供了多種方法，如40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)問題參數(shù)及沖突矩陣、分離原理、物場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解、科學(xué)效應(yīng)與知識(shí)庫(kù)等[9]。

1.2 理想解

理想解(ideal final result)[10-11]是TRIZ理論的重要方法，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中有著舉足輕重的作用。一個(gè)產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)不斷更新和迭代的過程就是追求理想化的過程，因?yàn)楫a(chǎn)品或系統(tǒng)隨著使用深入和時(shí)間推移總會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這給了發(fā)明者、生產(chǎn)者不斷改進(jìn)的動(dòng)力。

在TRIZ理論中，阿奇舒勒將理想度定義為：系統(tǒng)中有益功能的總和與系統(tǒng)中負(fù)向功能總和的比率。理想度的基本公式為：/=∑UF/∑HF，其中/表示理想度，∑UF表示有益功能之和，∑HF表示負(fù)向功能之和[9]。

理想解認(rèn)為完全理想的物理狀態(tài)是不存在的，但是經(jīng)過不斷改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)接近理想的狀態(tài)。根據(jù)公式可以得知，無(wú)限地增大分子數(shù)值，即增大有益功能之和；無(wú)限地減少分母數(shù)值，即減小負(fù)向功能之和；或者同時(shí)增大有益功能和負(fù)向功能，但是有益功能增加的速率大于負(fù)向功能，都能增大理想度數(shù)值。在實(shí)際執(zhí)行過程中，去掉負(fù)向功能、增加有益功能，或者解決負(fù)向功能的問題沖突使其轉(zhuǎn)化為有益功能，都是提高理想度的有效途徑。理想解有四個(gè)特點(diǎn)，即消除原來系統(tǒng)的不足，未使原系統(tǒng)變得更復(fù)雜，保持系統(tǒng)原有的優(yōu)點(diǎn)，未引入新的不足。[9]當(dāng)確定了創(chuàng)新產(chǎn)品或系統(tǒng)以后，檢查其是否達(dá)到理想化的特點(diǎn)，若無(wú)則重新返回優(yōu)化，直到系統(tǒng)接近理想化特征為止。

1.3 基于AHP的功能分析

1.3.1 系統(tǒng)和功能

系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用、相互依靠和相互制約，[12]系統(tǒng)和子系統(tǒng)都具有一定的功能，它們共同組合并完成一定的目標(biāo)。

20世紀(jì)初，價(jià)值工程理論首次關(guān)注了功能這一概念。功能是產(chǎn)品能夠給予人們的某種“屬性”，例如冰箱是使用來“保鮮”食物的，電風(fēng)扇是給人“降溫”的。在TRIZ理論中，按照功能的效果與期望之間的差異可分為有益功能和負(fù)面功能：有益功能是指功能載體對(duì)功能對(duì)象的作用按照期望的方向，改變功能對(duì)象的參數(shù)；負(fù)面功能包括有害功能、不足功能以及過度功能。有害功能是指對(duì)載體產(chǎn)生了有害的作用，不足功能是指產(chǎn)生的作用實(shí)際功能小于期望值，過度功能是指產(chǎn)生的實(shí)際功能高于期望值，過度功能雖然未帶來有害效果，但也不完全符合期望。[13]

1.3.2 基于AHP的系統(tǒng)構(gòu)建和功能分析

產(chǎn)品不斷創(chuàng)新和迭代的動(dòng)力來源于用戶需求的增長(zhǎng)，產(chǎn)品的各項(xiàng)功能滿足用戶需求是一個(gè)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。因此在產(chǎn)品開發(fā)初期，圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新的目標(biāo)，搜集相關(guān)的用戶需求點(diǎn)至關(guān)重要?？赏ㄟ^界定功能載體是否按照期望值改變功能對(duì)象的參數(shù)來區(qū)分有益功能和負(fù)向功能，但是期望值來源于用戶的需求，僅憑借設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法反映用戶真實(shí)需求。如帶有支架的手機(jī)殼，它為有看視頻或閱讀需要的人帶來了便利，但同時(shí)又增加了手機(jī)的重量和體積，那么它屬于有益功能還是負(fù)面功能，有時(shí)候取決于用戶需求。當(dāng)用戶對(duì)支架的需求為接近于零時(shí)，它屬于過度功能。本文嘗試用基于層次分析法的用戶需求調(diào)研來解決這一問題。

層次分析法(AHP, analytic hierarchy process)[14]是系統(tǒng)化、數(shù)學(xué)化和模型化的決策方法，它將決策問題用有序的層次結(jié)構(gòu)表示，按照分解、比較、判斷、總和的系統(tǒng)思維方式，對(duì)備選方案進(jìn)行優(yōu)劣排序和評(píng)價(jià)。[15]層次分析法的使用流程，如圖1所示。

圖1 層次分析流程圖Fig.1 Flow chart of hierarchical analysis

表1 功能分析Tab.1 Functional analysis

1.4 基于AHP和TRIZ理想解的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

在TRIZ理論中，典型的過程一般分為三個(gè)步驟：?jiǎn)栴}識(shí)別，問題解決，概念驗(yàn)證。[9]本文基于AHP和TRIZ理想解的設(shè)計(jì)流程，詳見圖2。由圖2可知，第一階段：根據(jù)課題搜集用戶的需求指標(biāo)，建立需求指標(biāo)分析矩陣，采集相關(guān)用戶對(duì)于需求指標(biāo)的期望程度值，用層次分析法分析得出各用戶期望值權(quán)重，用戶需求指標(biāo)轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的技術(shù)指標(biāo)，同樣對(duì)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)值進(jìn)行量化，然后根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行功能分析。第二階段：分析矛盾沖突類型，選擇相對(duì)應(yīng)的解決方法或原理，找到TRIZ中相對(duì)應(yīng)的解決策略，形成概念方案。第三階段：根據(jù)理想解的特征，判斷創(chuàng)新方案是否可行，若否，返回第二階段，重新選擇解決策略[16-17]。

圖2 基于AHP和TRIZ理想解的設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design flow based on AHP and TRIZ ideal final results

2 雪地救援擔(dān)架創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 雪地?fù)?dān)架設(shè)計(jì)調(diào)研

擔(dān)架是災(zāi)難救援中必不可少的救援必需用具，雪地救援擔(dān)架是針對(duì)在雪地中發(fā)生的災(zāi)難如雪崩、雪地運(yùn)動(dòng)受傷等情況下，普通的擔(dān)架無(wú)法快速行進(jìn)而進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。救援類產(chǎn)品的使用性能是最重要的技術(shù)指標(biāo)。本文通過訪談和問卷調(diào)查，向?qū)I(yè)救援人員以及部分用戶進(jìn)行調(diào)研，獲取32項(xiàng)需求，排除相似性的需求，再根據(jù)親和圖法分層建立各層用戶需求，如圖3所示。系統(tǒng)最終目標(biāo)為雪地救援擔(dān)架A，第二層子系統(tǒng)分別為功能性B1、安全性B2、穩(wěn)定性B3和操作性B4，第三層子系統(tǒng)是各項(xiàng)具體的用戶需求。

圖3 雪地救援擔(dān)架層次分析Fig.3 Hierarchical analysis of snow rescue stretchers

表2 目標(biāo)層判斷矩陣Tab.2 Target layer judgment matrix

表3 功能性準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重Tab.3 Functional criteria judgment matrix and weight

按照層次分析法的要求對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性檢驗(yàn)結(jié)果如表2，CR值均小于0.1，一致性檢驗(yàn)通過，說明所獲得數(shù)據(jù)的有效性。最后將各單獨(dú)的用戶需求指標(biāo)權(quán)重乘以上一層需求指標(biāo)的權(quán)重，得到各項(xiàng)用戶需求指標(biāo)的綜合權(quán)重，并排序，然后根據(jù)傳統(tǒng)擔(dān)架的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等將各項(xiàng)用戶需求指標(biāo)根據(jù)技術(shù)實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成技術(shù)指標(biāo)，如表4所示。接著邀請(qǐng)專業(yè)的擔(dān)架生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)人員對(duì)各技術(shù)指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性與期望值進(jìn)行比對(duì)，依照理想解的規(guī)則對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行劃分。

表4 用戶需求綜合權(quán)重及相對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Comprehensive weight of user demand and corresponding technical indexes

2.2 功能分析

據(jù)上述調(diào)研結(jié)果的排序，B12、B45、B46雖然沒有帶來有害作用，但是用戶期望值均低于0.01，說明用戶對(duì)這些功能沒有需求，它的實(shí)際功能遠(yuǎn)高于期望值，屬于過度功能，對(duì)這幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行裁減。另外，技術(shù)指標(biāo)B23和B41屬于用戶期望值較高的指標(biāo)，然而其中一個(gè)指標(biāo)對(duì)另外一個(gè)指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生有害作用，B23使用硬度高的骨架材料可能導(dǎo)致產(chǎn)品重量變大，不符合B41質(zhì)量輕的用戶需求。技術(shù)指標(biāo)B33和B43、B45也存在一個(gè)指標(biāo)對(duì)另一個(gè)指標(biāo)具有損害作用的情況，B43可縮放或折疊結(jié)構(gòu)、可升降的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松動(dòng)。用戶期望值指標(biāo)B42移動(dòng)速度快需要優(yōu)化，因普通擔(dān)架在雪地中無(wú)法快速行進(jìn)，原因是傳統(tǒng)滾輪式的擔(dān)架在雪地上無(wú)法行走，而人力擔(dān)架在雪地上行走緩慢，所以該技術(shù)指標(biāo)實(shí)際值與用戶的期望相差甚遠(yuǎn)，屬于不足功能需要優(yōu)化。

2.3 矛盾分析與問題解決

根據(jù)TRIZ理論，已知的兩個(gè)技術(shù)參數(shù)，當(dāng)某一技術(shù)參數(shù)中的特性會(huì)引起另一技術(shù)參數(shù)惡化，矛盾就產(chǎn)生了，因此選用沖突矩陣與發(fā)明原理來解決問題[8]。首先將具有沖突的技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題：即39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，B41技術(shù)參數(shù)為2號(hào)通用參數(shù)“靜止物體的重量”，B23技術(shù)參數(shù)為13“對(duì)象的穩(wěn)定性”；B33技術(shù)參數(shù)為13“對(duì)象的穩(wěn)定”，B43、B45均為33“操作流程的方便性”。依次建立沖突矩陣，并查詢相相對(duì)應(yīng)發(fā)明原理，如表5所示，選擇合適的發(fā)明原理作為解決方案，第一對(duì)沖突選擇以具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的復(fù)合材料鈦合金作為解決方案，第二對(duì)沖突改變金屬材料的物理特性，增加摩擦力，以減小收縮、折疊或升降結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性。

表5 沖突矩陣Tab.5 Conflict matrix

當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)的“參數(shù)屬性”不明顯的情況下，采用上述矛盾矩陣不能發(fā)揮作用，因?yàn)橛袝r(shí)候矛盾是不可見的，但它又不會(huì)消失，對(duì)于結(jié)構(gòu)屬性明顯的問題可以采用物―場(chǎng)分析法[9]。針對(duì)上文功能分析所指出的，用戶需求指標(biāo)B42可移動(dòng)速度快，存在實(shí)際速度遠(yuǎn)不符合實(shí)際情況的問題，但是沒有明顯的參數(shù)屬性，因此采用物―場(chǎng)分析法。首先建立物―場(chǎng)模型：具有靜質(zhì)量的物質(zhì)有擔(dān)架、人或者雪地摩托等(一切可以通過施力移動(dòng)擔(dān)架的物質(zhì))，分別用S1、S2表示，其中S1為受力體，S2為施力體，兩物質(zhì)中間產(chǎn)生的為機(jī)械場(chǎng)，用F1表示，為施力體向受力體施加的拉力，他們之間的互相作用存在效力不足的情況，如問題物―場(chǎng)模型，如圖4所示。根據(jù)TRIZ原理76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解解法，由于擔(dān)架的滾輪架在雪地上行走會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，從而抵消了施力體對(duì)其施加的拉力，導(dǎo)致移動(dòng)速度過慢，針對(duì)這種效應(yīng)不足的情況采用S2.1.1標(biāo)準(zhǔn)解：引入物質(zhì)向串聯(lián)復(fù)合物―場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換，見圖5所示。引入物質(zhì)雪橇板，在擔(dān)架上加入雪橇板適應(yīng)雪地行走，減小摩擦力，讓擔(dān)架能在雪地上快速行走。

圖4 問題物―場(chǎng)模型Fig.4 Subjectmatter-field model

圖5 物―場(chǎng)模型解決方案Fig.5 Matter-field model solution

2.4 方案評(píng)價(jià)

利用理想解改進(jìn)以后的雪地救援擔(dān)架，采用雪橇板代替原來的滾輪行走使擔(dān)架在雪地移動(dòng)速度加快，用鈦合金作為骨架材質(zhì)以增加強(qiáng)度、減輕重量，擔(dān)架的可收縮和折疊結(jié)構(gòu)部件通過增加摩擦力加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的牢固性。對(duì)照理想解的四個(gè)特征對(duì)新方案進(jìn)行檢驗(yàn)，該方案解決了原系統(tǒng)中功能實(shí)際值與用戶期待值不相符的技術(shù)指標(biāo)，并且沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜或引入新的不足，同時(shí)保留了擔(dān)架原來的性能優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)理想度公式：/=∑UF/∑HF，得到理想度值更高，因此可以進(jìn)一步細(xì)化方案。

2.5 方案細(xì)化

根據(jù)上文對(duì)雪地救援擔(dān)架的用戶期望和實(shí)際功能的匹配調(diào)研，對(duì)不符合理想解的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)照發(fā)明原理和效應(yīng)庫(kù)，具體優(yōu)化方案如下：裁剪B12、B45、B46技術(shù)指標(biāo)；優(yōu)化B23和B41技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)40號(hào)發(fā)明原理，使用符合材料鈦合金；優(yōu)化B33和B43、B45技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)35號(hào)發(fā)明原理在金屬折疊結(jié)構(gòu)中采用磨砂工藝以增加摩擦力；B42技術(shù)指標(biāo)，采用S2.1.1標(biāo)準(zhǔn)解：引入物質(zhì)雪橇板，向串聯(lián)復(fù)合物―場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換；其余技術(shù)指標(biāo)B13、B14、B15采用現(xiàn)有的擔(dān)架把手、懸掛拖拽繩、擔(dān)架面和擔(dān)架可拆分結(jié)構(gòu)；B11、B22、B24采用現(xiàn)有擔(dān)架中的睡袋和安全繩結(jié)構(gòu)；B43、B44采用現(xiàn)有擔(dān)架的折疊和升降結(jié)構(gòu)；B45、B46根據(jù)現(xiàn)有擔(dān)架尺寸(長(zhǎng)*寬*高)為195 cm*56 cm*(60-82)cm；B22采用現(xiàn)有擔(dān)架面的減震層結(jié)構(gòu)。根據(jù)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果，方案細(xì)化模型，如圖6所示。

圖6 雪地救援擔(dān)架方案細(xì)化模型Fig.6 Scheme refinement model of snow rescue stretchers

3 結(jié)論

TRIZ相關(guān)理論認(rèn)為，解決創(chuàng)新問題的困難程度取決于對(duì)問題描述的標(biāo)準(zhǔn)化程度。因此引入層次分析法，搜集用戶需求的相關(guān)數(shù)據(jù)，把用戶需求量化，使得在系統(tǒng)功能分析時(shí)，對(duì)各項(xiàng)功能的分類有理可依，在概念設(shè)計(jì)初期問題識(shí)別的過程更客觀；同時(shí)，雪地救援擔(dān)架的設(shè)計(jì)過程其實(shí)也是對(duì)知識(shí)重用的過程，在設(shè)計(jì)過程中許多組件、構(gòu)建都重用、引用或參考了已有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果。因此，基于知識(shí)重用對(duì)救援擔(dān)架在極端狀況下擴(kuò)展設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)過程具有科學(xué)理論框架作為指導(dǎo)，是接下來研究的方向。經(jīng)過TRIZ理論對(duì)雪地救援擔(dān)架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其更能適應(yīng)在雪地這一特殊環(huán)境中的救援需求，同時(shí)該方法還可以擴(kuò)展運(yùn)用在更多具有多功能組合型的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中。