集成AD和TRIZ的箱式電梯防疫功能創(chuàng)新設(shè)計

張 璞，王峻峰，高一聰，張雪健

（1.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；3.杭州西奧電梯有限公司，浙江 杭州 310000）

新產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)用戶不斷提出的新需求，高效、高質(zhì)量地形成具有創(chuàng)新性和可行性的產(chǎn)品設(shè)計方案是增強企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。

對于產(chǎn)品的概念創(chuàng)新設(shè)計，較早提出的“德國系統(tǒng)設(shè)計”理念被認為是最穩(wěn)健的設(shè)計理念之一，但其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛［1-3］。Pahl等通過分析上述設(shè)計理念的局限性，提出采用具體的方法和工具來支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計［4］；Gaziulusoy等認為設(shè)計方法對概念創(chuàng)新設(shè)計有非常重要的作用，其可為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。因此，須開發(fā)一套完整的設(shè)計方法，而不僅僅是關(guān)注設(shè)計過程中的某個環(huán)節(jié)［5］。Ko認為一個完整的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程通常包含問題分析和創(chuàng)意生成兩個階段［6］，并基于這2個階段將新產(chǎn)品開發(fā)工具分成兩大類：問題分析工具和創(chuàng)意生成工具。前者包括公理化設(shè)計（axiomatic design，AD）、質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）、失效模式影響分析（failure mode analysis，F(xiàn)MA）和全面質(zhì)量管理（total quality management，TQM）等［7-10］；后者包括頭腦風(fēng)暴法（brainstorming）、思維導(dǎo)圖（mindmapping）和發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）等［11-13］。

針對上述產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法，許多學(xué)者開展了大量研究。例如：張路軍研究了集成AD 與TRIZ 的設(shè)計方法，解決了液壓修井機的設(shè)計問題［14］；劉曉敏等研究了TRIZ 和功能類比的作用原理，提出基于TRIZ的類比源設(shè)計求解過程模型［15］；黃斌達等結(jié)合AD和TRIZ，基于機加夾具多級實例庫提出了機加夾具的設(shè)計方法［16］；李軍等結(jié)合QFD、TRIZ和AD三種方法，先利用QFD 構(gòu)建功能需求模型，再利用TRIZ和AD生成創(chuàng)新設(shè)計方案，形成了一套完整的設(shè)計方法［17］；胡旭潔等通過融合先進技術(shù)，開發(fā)了一個集成TRIZ的計算機輔助公理化設(shè)計系統(tǒng)［18］；張建輝等研究了影響設(shè)計人員創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生的因素，并以TRIZ為核心，融合多學(xué)科領(lǐng)域知識，提出了計算機輔助創(chuàng)新驅(qū)動的產(chǎn)品概念設(shè)計創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生過程模型［19］；Chou 基于對TRIZ、概念映射和模糊評價的研究，提出了一種產(chǎn)品創(chuàng)意形成方法［20］；ávila等結(jié)合以用戶為核心的設(shè)計方法和TRIZ，對老年人用的輪椅進行了設(shè)計［21］；Shirwaiker等利用制造行業(yè)的相關(guān)案例來驗證集成AD和TRIZ的設(shè)計方法的有效性及其對精益設(shè)計的貢獻［22-23］；Chechurin 等對TRIZ 在仿生設(shè)計、信息處理和服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況進行了分析［24］；Borgianni等討論了集成AD 和TRIZ 的設(shè)計方法的應(yīng)用領(lǐng)域，并提出構(gòu)建能夠解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計問題的新框架是未來的重點研究方向之一［25］。

隨著城市化進程的不斷加快，城市建設(shè)逐步向現(xiàn)代化、智能化發(fā)展。箱式電梯被廣泛用于寫字樓、商場和實驗樓等各類人流密集的場所，其已逐漸成為完成各類運載任務(wù)的重要設(shè)備。傳統(tǒng)箱式電梯主要用于人員和貨物的運輸，其除了利用機械裝置和電氣裝置來實現(xiàn)運行外，還需通過人機交互面板來完成開門、關(guān)門及樓層選擇等操作。

2019 冠狀病毒病的傳染性強且傳播速度極快，病情爆發(fā)初期就導(dǎo)致大量感染者出現(xiàn)，其中人-人、人-物之間的接觸是最快的傳播途徑。因此，減少人-人、人-物接觸至關(guān)重要。在這種情況下，空氣流通不暢的傳統(tǒng)箱式電梯內(nèi)的接觸式交互方式存在巨大隱患：當(dāng)一名患者接觸了電梯的操作按鈕后，極有可能導(dǎo)致在其之后進入電梯的大批使用者感染病毒，增大了交叉感染的概率。在這種特殊時期，為了防止使用者直接接觸箱式電梯的操作按鈕，出現(xiàn)了多種使用各類介質(zhì)（牙簽、紙巾、一次性手套和塑料薄膜）來接觸操作按鈕的方式，以及使用酒精噴霧噴灑和打火機加熱等給操作按鈕消毒的方式，如圖1所示。各類操作方式的出現(xiàn)表明使用者對箱式電梯有“無接觸交互、消毒殺菌”的功能需求，如何基于現(xiàn)有箱式電梯開發(fā)出適應(yīng)當(dāng)前特殊環(huán)境的防疫功能模塊是亟須解決的問題。

圖1 疫情時期箱式電梯的特殊操作方式Fig. 1 Special operation methods of box elevator during epidemic

基于此，筆者對AD 和TRIZ 兩種創(chuàng)新設(shè)計方法的優(yōu)缺點進行分析，并結(jié)合已有的基于AD 和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計模型，面向不同的設(shè)計類型，提出了集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計方法。最后從疫情防控的需求出發(fā)，對箱式電梯的防疫功能模塊進行設(shè)計，以驗證所提出方法的可行性。

1 集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計方法

AD和TRIZ均是設(shè)計者為了使創(chuàng)新設(shè)計過程具有方向性和可操作性而提出的方法。作為已被廣泛應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計方法，其可行性和實用性均已得到驗證。例如：Ko［6］指出，AD 可減少設(shè)計者隨機搜索和迭代試錯的次數(shù)，常用于設(shè)計方向指導(dǎo)和功能需求分解；TRIZ最大的優(yōu)勢在于解決矛盾和技術(shù)問題，常用于設(shè)計問題識別和概念方案生成；Shirwaiker等［26］指出，AD 可根據(jù)公理要求指導(dǎo)可行設(shè)計方案的生成，TRIZ具有生成創(chuàng)新設(shè)計方案的能力。

相關(guān)研究表明，AD 是從設(shè)計問題的整體出發(fā)，對產(chǎn)品功能需求進行層層分解，有助于易于配置和滿足需求的功能模塊設(shè)計方案的生成；TRIZ注重具體功能的實現(xiàn)途徑，可生成有效的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。結(jié)合AD 和TRIZ 的優(yōu)勢，可為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供一種有效的思路。

目前，對于AD和TRIZ的集成應(yīng)用，大部分學(xué)者聚焦于利用TRIZ協(xié)助產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)映射和解決設(shè)計問題耦合等方面。參考文獻［27］，面向突破性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計和變參數(shù)設(shè)計三種設(shè)計類型，提出了集成AD 和TRIZ 的創(chuàng)新設(shè)計方法，其流程如圖2 所示。該方法先利用AD對產(chǎn)品功能需求進行分析，以確定設(shè)計類型；然后，針對不同的設(shè)計類型，使用TRIZ構(gòu)建功能需求與結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系，形成功能-結(jié)構(gòu)樹；最后，通過對初始設(shè)計方案進行耦合判斷，并利用TRIZ進行解耦，經(jīng)多次迭代求解后得到最終的設(shè)計方案。

圖2 集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計流程Fig.2 Innovative design flow integrating AD and TRIZ

2 箱式電梯防疫功能模塊創(chuàng)新設(shè)計

箱式電梯作為使用范圍最廣的運載工具，在全球疫情爆發(fā)時期，其公共交互控制面板和密閉運載轎廂無法有效防控疫情。為了保護電梯使用者的安全，從隔離操作和消毒處理兩個方面出發(fā)，利用本文所提出的集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計方法對箱式電梯防疫功能模塊進行設(shè)計。通過分析可知，防疫功能需求對箱式電梯的基本功能結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理沒有影響，但須通過添加新的功能模塊來滿足這一功能需求，即屬于適應(yīng)性設(shè)計。由于新的功能需求僅與人-機交互方式和運載轎廂有關(guān)，在構(gòu)建箱式電梯的功能-結(jié)構(gòu)樹時，不考慮電梯的機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，只考慮操作和控制功能（FR1）及其映射的公共交互控制面板（DP1）以及運載功能（FR2）及其映射的轎廂和動力系統(tǒng)（DP2），新的功能需求在此功能-結(jié)構(gòu)樹上進行添加。

2.1 初始方案設(shè)計

基于箱式電梯的新功能需求，將電梯防疫功能及其映射的結(jié)構(gòu)作為最高層次的功能需求及結(jié)構(gòu)，即FR0 和DP0。第2 層次的功能需求在箱式電梯的原功能-結(jié)構(gòu)樹上進行添加，可描述為：

FR1：操作和控制功能；

FR2：運載功能；

FR3：病毒防控功能。

對應(yīng)的結(jié)構(gòu)可以描述為：

DP1：公共交互控制面板；

DP2：轎廂和動力系統(tǒng)；

DP3：隔離接觸和病毒消殺結(jié)構(gòu)。

其設(shè)計方程為：

其中：X 表示結(jié)構(gòu)對功能存在影響；O 表示結(jié)構(gòu)對功能無影響。

由上述設(shè)計矩陣可知，該設(shè)計為無耦合設(shè)計。

對于第2層次的功能需求FR2和FR3，還可以進一步分解為下一層次的功能需求及對應(yīng)結(jié)構(gòu)。

1）對功能需求FR2進行分解。

FR21：乘客裝載功能；

FR22：升降功能。

2）對功能需求FR3進行分解。

FR31：隔離接觸功能；

FR32：病毒消殺功能。

對應(yīng)的結(jié)構(gòu)可以描述為：

DP21：轎廂；

DP22：動力系統(tǒng)；

丸子遠遠就看見她要搭的那班公交車的末班車，已經(jīng)緩緩?fù)＿M了站臺。她不管不顧地狂奔起來，慌亂之中，丸子甩掉了一只鞋。

DP31：無公共接觸的操作和控制裝置；

DP32：紫外線消毒裝置。

至此，已將滿足疫情防控需求的箱式電梯的相關(guān)功能和結(jié)構(gòu)分解到可以具體實現(xiàn)的程度，不再作進一步分解。

其設(shè)計方程為：

由上述設(shè)計矩陣可知，該設(shè)計為耦合設(shè)計，須進行解耦。使用TRIZ對其進行解耦并解決矛盾，同時分析其是否還有其他可能存在的沖突。

2.2 設(shè)計矛盾分析

由上述設(shè)計矩陣可知，初始設(shè)計方案主要包含2個矛盾。

矛盾1：FR1 與DP31 之間的矛盾?，F(xiàn)有箱式電梯在交互操作時均采用接觸式按鈕。但在疫情期間，用接觸式按鈕操作時存在交叉感染的風(fēng)險，應(yīng)避免人員之間的間接接觸，即公共交互控制面板的操作和控制功能與為避免人員間接接觸的無公共接觸操作和控制裝置之間存在矛盾。

矛盾2：FR21與DP32之間的矛盾。由國家衛(wèi)生健康委員會的報告可知，病毒對紫外線敏感，因此選擇用紫外線對轎廂進行消毒的方式來殺滅病毒，以降低傳播風(fēng)險。但轎廂作為搭載乘客的核心部件，經(jīng)常處于有人的狀態(tài)，而紫外線會對人體造成傷害，即乘客裝載功能與紫外線消毒裝置之間存在矛盾。

2.3 基于TRIZ的矛盾解決

針對箱式電梯的交互控制的根本目的在于將控制指令傳遞給電梯控制系統(tǒng)，并非必須使用直接接觸的按鈕方式，可采用無公共接觸的交互操作模式，以避免人員之間的間接接觸。無公共接觸的交互操作模式可利用手機掃碼、人臉識別和語音識別等方式來實現(xiàn)。

對于矛盾2，初始設(shè)計時選擇用紫外線來消殺病毒，但是紫外線會對人體造成傷害，就出現(xiàn)了人需要使用電梯，但是又必須在無人時才能消毒的物理矛盾。根據(jù)物理矛盾的分離原理，選用“條件分離”方法來解決該矛盾。

根據(jù)箱式電梯轎廂中是否有人來選擇相應(yīng)功能：當(dāng)有人時，使用轎廂的運載功能；當(dāng)無人時，使用紫外線消殺功能。在實際應(yīng)用中，采用對人體無害的紅外線來檢測箱式電梯轎廂內(nèi)是否有人，無人時才可進行紫外線消殺。

2.4 新功能模塊設(shè)計

根據(jù)上述2種矛盾的解決方案，對箱式電梯新功能模塊初始設(shè)計方案進行改進。將功能需求FR31和FR32分別并入FR1和FR2，形成新的設(shè)計方案。

對于功能需求FR1，可描述為：

FR1：間接操作和控制功能；

FR11：無接觸交互獲取電梯使用權(quán)限功能。

FR12：無公共接觸式操作和控制功能。

對應(yīng)的結(jié)構(gòu)可描述為：

DP1：無公共接觸的乘梯控制裝置。

DP11：信息識別裝置。利用現(xiàn)代信息技術(shù)識別用戶信息并賦予其使用權(quán)限，例如商場內(nèi)公用電梯可采用手機掃碼或語音識別方式，公司、住宅等專屬電梯可采用人臉識別方式，如圖3所示。

圖3 箱式電梯無公共接觸式信息識別裝置設(shè)計方案Fig.3 Design scheme of non-public contact information identification device for box elevator

DP12：信息化控制設(shè)備（利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電梯進行操作和控制，如利用手機掃碼后進入虛擬操作界面或通過語音識別裝置直接選擇樓層等）。

具體設(shè)計方程為：

該部分設(shè)計為解耦合設(shè)計，符合獨立性公理。

對于功能需求FR2，可描述為：

FR2：轎廂自動消殺病毒功能；

FR21：電梯使用情況判斷功能；

FR22：病毒消殺功能。

對應(yīng)的結(jié)構(gòu)可描述為：

DP2：可自動消毒的轎廂。

DP21：紅外線檢測裝置。通過紅外線來檢測電梯轎廂內(nèi)是否有人，同時對用戶體溫進行監(jiān)測。

DP22：紫外線消毒裝置。在轎廂無人條件下，通過紫外線輻射進行病毒消殺。

具體設(shè)計方程為：

該部分設(shè)計為無耦合設(shè)計，符合獨立性公理。

綜上，最終的箱式電梯防疫功能模塊創(chuàng)新設(shè)計方案如圖4所示。基于無公共接觸式交互思路，利用手機掃碼、人臉識別和語音識別等方式對箱式電梯進行操作和控制。同時，利用紅外線檢測裝置對電梯轎廂中的人員情況進行檢測，并采用紫外線殺消毒裝置對電梯的密閉運載轎廂進行消毒，使其滿足疫情防控的總體需求。

圖4 箱式電梯防疫功能模塊創(chuàng)新設(shè)計方案Fig.4 Innovative design scheme for epidemic prevention function module of box elevator

3 結(jié) 論

本文通過分析AD 和TRIZ 的優(yōu)缺點，結(jié)合2 種方法的優(yōu)勢，面向不同的設(shè)計類型，提出了集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計方法?；谒岢龅姆椒?，對箱式電梯防疫功能模塊進行創(chuàng)新設(shè)計，同時滿足了殺毒滅菌和降低傳染風(fēng)險的需求。結(jié)果表明，集成AD和TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計方法將機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計拓展到了交互模式方案設(shè)計，其可為新產(chǎn)品的概念設(shè)計提供有效的理論支撐。