現(xiàn)有技術(shù)下的低碳產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方法研究

陳遠(yuǎn)剛

（青島大學(xué)，山東 青島 266071）

一、前言

大量的碳排放來自能源產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，引起嚴(yán)重的環(huán)境問題，這就使得概念設(shè)計(jì)階段考慮減少產(chǎn)品的碳排放量顯得十分重要。產(chǎn)品在使用階段的過度碳排放往往與兩類問題有關(guān):1.交付的功能與期望的功能不匹配;2.不可持續(xù)的用戶行為。為了幫助設(shè)計(jì)師建立更低碳的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文提出了一種低碳概念設(shè)計(jì)方法，幫助設(shè)計(jì)師從“技術(shù)系統(tǒng)”和“人類使用”的角度提出低碳設(shè)計(jì)策略。該方法還包括“需求獲取與分析”和“功能結(jié)構(gòu)建立”。一方面，由于功能結(jié)構(gòu)是一個(gè)由多種技術(shù)原理支持的“技術(shù)系統(tǒng)”，因此TRIZ 法則被用來研究功能結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼘?duì)技術(shù)系統(tǒng)的演化是有效的。另一方面，提出了功能匹配的內(nèi)容和方法，從功能匹配和可持續(xù)行為兩個(gè)方面尋求“人用”階段的低碳設(shè)計(jì)策略。最后，從“技術(shù)系統(tǒng)”和“人的使用”的角度，將所有低碳設(shè)計(jì)策略結(jié)合起來，建立低碳功能結(jié)構(gòu)。

二、有關(guān)文獻(xiàn)研究

（一）概念設(shè)計(jì)的需求獲取與分析

在概念設(shè)計(jì)階段，需求通常需要被引出、分類和優(yōu)先化。為了解決這些問題，近年來研究人員采用了一些基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新方法。他們提出了一些收集互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)消費(fèi)者需求信息的策略；使用流行的社交網(wǎng)站來支持需求獲取、優(yōu)先級(jí)排序和協(xié)商。同時(shí)提出了從網(wǎng)上購物平臺(tái)的評(píng)論中挖掘用戶需求的不同方法。這些研究提供了寶貴的見解和建議，但仍不能很好地支持低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)。比如，就一些生產(chǎn)設(shè)備或公共用能設(shè)施而言，其購買者往往是經(jīng)銷商而不是用戶，網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)評(píng)不能很好地反映一線用戶的要求。此外，上述方法通常用于處理用戶的功能要求，但低碳要求是約束性要求，一般來自于立法，如“能源使用產(chǎn)品指令”，或標(biāo)準(zhǔn)，如“PAS 2050 指南”（BSI，2008）和“ISO/TS14067”（ISO，2013）。

（二）功能定義與功能結(jié)構(gòu)建立

一般來說，功能可以從不同的角度來定義。如意圖觀點(diǎn)和系統(tǒng)觀點(diǎn)。從意圖的角度來看，意圖觀點(diǎn)是用戶描述他們期望的需求，因此適合于產(chǎn)品需求的獲取和分析。從系統(tǒng)的角度看，系統(tǒng)觀主要應(yīng)用于系統(tǒng)建立功能結(jié)構(gòu)的階段。在這些系統(tǒng)觀點(diǎn)中，能量——物質(zhì)——信號(hào)（EMS）模型是最著名的方法之一。對(duì)于這個(gè)模型，功能結(jié)構(gòu)由兩部分組成，第一部分是能量物質(zhì)信號(hào)的輸入和輸出在整個(gè)系統(tǒng)和外部世界之間流動(dòng)，其次是能量物質(zhì)信號(hào)的輸入和輸出在每個(gè)子功能之間流動(dòng)。由于能源和材料與碳排放密切相關(guān)，本研究選擇EMS 模型建立功能結(jié)構(gòu)。

從概念設(shè)計(jì)的角度來看，產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)受到廣泛討論。在這些研究中，TRIZ方法及其組合工具被廣泛使用。例如，國外科學(xué)家整合了基于案例的推理和TRIZ 方法，維諾德等人結(jié)合了ECQFD、TRIZ、AHP 等方法來解決產(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計(jì)的問題。基于新的矛盾矩陣，設(shè)計(jì)了一種名為ECA TRIZ（TRIZ 生態(tài)法）的新方法。在這些研究中，研究者主要利用矩陣和TRIZ 發(fā)明原理解決環(huán)境設(shè)計(jì)問題和產(chǎn)品的環(huán)境設(shè)計(jì)，而TRIZ的進(jìn)化規(guī)則證明了在概念設(shè)計(jì)階段適合功能結(jié)構(gòu)。

從“人類使用”的觀點(diǎn)出發(fā)，韋弗等人認(rèn)為通過改變用戶的行動(dòng)和匹配功能，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)使用。關(guān)于行為變化的方法通常有“生態(tài)信息”、“生態(tài)反饋”、“腳本”和“強(qiáng)制功能”。在功能匹配中，通過引進(jìn)質(zhì)量功能，可以將“客戶需求”和“工程特性”關(guān)聯(lián)起來。同樣的原理也可以用于將低碳需求信息轉(zhuǎn)換為功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這意味著可以使用此方法來提高子功能優(yōu)先級(jí)與需求優(yōu)先級(jí)的匹配程度。但是，主要功能參數(shù)與實(shí)際需求的定量匹配有待進(jìn)一步研究。

文獻(xiàn)綜述表明，到目前為止，對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的需求和功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。然而，對(duì)于低碳產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)而言，需求獲取和分類的效率有待提高，低碳功能結(jié)構(gòu)的建立很少同時(shí)考慮“技術(shù)系統(tǒng)”和“人的使用”的角度。這些使得低碳概念設(shè)計(jì)難以實(shí)施。

三、低碳概念設(shè)計(jì)的方法研究

構(gòu)建低碳功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要從“技術(shù)系統(tǒng)”“人類使用”兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)。

（一）從“技術(shù)系統(tǒng)”角度改進(jìn)

由于溫室氣體的排放通常與能源消耗有關(guān)，因此通常可以認(rèn)為能源流動(dòng)與低碳要求直接相關(guān)。值得注意的是，人類從事體力勞動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量并未計(jì)算在內(nèi)。例如，手動(dòng)榨汁機(jī)或自行車，使用這些產(chǎn)品時(shí)，會(huì)有人為引起的能量流動(dòng)，但這些產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生碳排放。產(chǎn)品中的物質(zhì)流和信號(hào)流通過影響能量流來影響碳排放。因此，在EMS 模型的基礎(chǔ)上繪制功能結(jié)構(gòu)后，可以從能量——物質(zhì)信號(hào)流的角度對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)，重點(diǎn)是能量流。根據(jù)TRIZ 法，常見的能效改進(jìn)措施如下：使用更清潔的能源；提高能量轉(zhuǎn)換效率；減少能源形式轉(zhuǎn)換的數(shù)量；減少能量轉(zhuǎn)移的次數(shù)。通過這些措施，可以識(shí)別現(xiàn)有功能結(jié)構(gòu)中不必要的能量損失，并提出系統(tǒng)的改進(jìn)策略。

（二）從“人類使用”的角度改進(jìn)

從“人的使用”的角度探討低碳設(shè)計(jì)，就是要通過誘導(dǎo)“可持續(xù)使用”來減少碳排放。在“可持續(xù)利用”方面，從“功能匹配”和“行為改變”兩個(gè)方面提出改進(jìn)策略。由于對(duì)“功能匹配”的討論較少，本研究探討了功能匹配的具體內(nèi)容，提出了一種“功能匹配”的方法，包括定性匹配、定量匹配。

在定性功能匹配方面，將現(xiàn)有EMS 模型用戶需求項(xiàng)進(jìn)行了比較。如果所需功能具有相應(yīng)的交付功能，則標(biāo)記為“Y”，否則標(biāo)記為“N”。如果所交付的功能在所需的功能中不存在，請(qǐng)檢查它是否是冗余的。最后將“N”項(xiàng)和高權(quán)重項(xiàng)作為功能結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)改進(jìn)對(duì)象。

在定量匹配方面，設(shè)計(jì)人員需要選擇權(quán)重較大且標(biāo)記為“Y”的需求項(xiàng)，然后列出與之相關(guān)的一些參數(shù)。需要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：（1）這些參數(shù)必須能夠被分配一個(gè)度量數(shù)據(jù)（或區(qū)間），因?yàn)橹挥卸攘繑?shù)據(jù)是定量數(shù)據(jù)；（2）這些參數(shù)在QFD 中不是EMs，因?yàn)樗鼈兪敲嫦蛴脩舻摹Ms 一般是產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，以工程師為導(dǎo)向。大多數(shù)用戶不熟悉EMs。例如，用戶更關(guān)心的是“機(jī)器制作一個(gè)冰淇淋需要多長時(shí)間”，而不是“機(jī)器的功率或能效比是多少”。

然后將人為預(yù)設(shè)與現(xiàn)有產(chǎn)品的交付值進(jìn)行對(duì)比。首要的預(yù)期值參數(shù)表示為DSi，而相應(yīng)參數(shù)的傳遞值表示為DLi。這兩個(gè)值往往可以形成一個(gè)或多個(gè)數(shù)值組，用三種方式來把它們進(jìn)行匹配，如表（1）所示:

表（1）、函數(shù)參考匹配的三種類型

參數(shù)匹配度的計(jì)算公式如下：

當(dāng)DSi 和DLi 兩者都屬于區(qū)間比例數(shù)據(jù)時(shí)，L(DSi ∩DLi)表示第1 個(gè)期望的參數(shù)和第I 個(gè)傳遞參數(shù)相交的總區(qū)間長度。L(DSi ∪DLi)表示第1 個(gè)期待參數(shù)和第1 個(gè)傳達(dá)參數(shù)的和集合的總區(qū)間長。如果DSi 和DLi 同時(shí)屬于比例數(shù)據(jù)，則將DSi 和DLi 中較小的值將分配給L(DSi ∩DLi)，將DSi 和DLi 中較高的值分配給L(DSi ∪DLi)。在經(jīng)過一系列計(jì)算匹配度后，對(duì)于匹配度較低的參數(shù)進(jìn)行初步審查和改進(jìn)。

在“可持續(xù)利用”的行為改變上，設(shè)計(jì)師需要觀察用戶的行為，找出用戶在使用過程中浪費(fèi)能源和資源的不良行為。然后使用適當(dāng)?shù)摹靶袨楦淖冊(cè)O(shè)計(jì)”方法或原則來改進(jìn)功能結(jié)構(gòu)，以抑制或消除這些不良行為。完成以上任務(wù)后，可以整合各個(gè)角度的設(shè)計(jì)策略，構(gòu)建低碳功能結(jié)構(gòu)。

四、總結(jié)與展望

在概念設(shè)計(jì)階段實(shí)施低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。為此，本文提出了低碳的概念設(shè)計(jì)方法。該方法分為需求獲取分析和功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建兩個(gè)階段。并提出了低碳設(shè)計(jì)策略和低碳功能結(jié)構(gòu)。此外，重新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以比現(xiàn)有產(chǎn)品節(jié)省更多的能源。這表明，這種方法有助于在概念設(shè)計(jì)階段激發(fā)一些低碳設(shè)計(jì)策略。

今后的設(shè)計(jì)師的工作可在以下幾個(gè)方面進(jìn)行：1.建立產(chǎn)品的物理模型，計(jì)算實(shí)際使用情景下使用過程中的能耗和碳排放，并進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的方法；2.收集產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)和人用數(shù)據(jù)，調(diào)查能耗與人用的關(guān)系。最后，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的低碳概念設(shè)計(jì)方法。