解決設(shè)計(jì)問題的可拓創(chuàng)意生成方法
——以區(qū)莊地鐵站地面煙蒂問題為例

張紫然，李興森，郭恒發(fā),，王 昊

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510090；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006；3. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

城市環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，隨著生活壓力增大，吸煙人數(shù)的增長，原本設(shè)計(jì)意在保護(hù)人體健康的香煙濾嘴隨著亂丟現(xiàn)象的普遍，變成了世界上最常見且數(shù)量最多的固體廢物，目前中國正在開展垃圾分類，但對(duì)于煙蒂垃圾的處理還沒有一定的法規(guī)要求，煙蒂仍在很多公共場(chǎng)所隨處可見[1]。根據(jù)近幾年的數(shù)據(jù)顯示，由吸煙引起的火災(zāi)占了火災(zāi)中的很大比重[2]，每年發(fā)生火災(zāi)的數(shù)量中，每6起火災(zāi)中就有一起是因?yàn)闊煹偎鸬摹Ｆ查_煙蒂未滅帶來的火災(zāi)后果，就熄滅了的煙蒂而言也具有很強(qiáng)的危害。吸完煙后被丟棄的煙蒂由醋酸纖維和大量有毒化學(xué)物質(zhì)組成，醋酸纖維的分解時(shí)間長達(dá)10年之久，而且煙蒂中混雜的焦油和尼古丁等重金屬和有毒化學(xué)物質(zhì)殘留物浸入環(huán)境中會(huì)帶來更為嚴(yán)重的危害[3]。為了展示煙蒂所含物質(zhì)的毒性強(qiáng)度，有許多團(tuán)隊(duì)為此做了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，使用過的煙蒂放入蒸餾水中浸泡后的浸泡液對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠有嚴(yán)重危害，除此之外有研究表明煙蒂將有毒化學(xué)物質(zhì)浸入水中后，煙頭浸漬中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)水生生物（包括微生物）也產(chǎn)生劇毒危害，并可能對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生長期影響[4-6]。這一系列的數(shù)據(jù)顯示地面的煙蒂未被及時(shí)清理極有可能會(huì)帶來很大的危害，因此本文主要探討如何生成解決該類煙蒂垃圾清除較為全面的方法。

可拓學(xué)主要研究矛盾問題處理，除了可以解決矛盾問題，也同時(shí)適用于解決創(chuàng)意生成問題[7-9]。應(yīng)用可拓創(chuàng)新法來解決問題的步驟如下，首先將問題進(jìn)行描述，根據(jù)問題所展現(xiàn)的條件、準(zhǔn)則和目標(biāo)建立基元模型，這個(gè)過程將問題代入基元公式的模型中，對(duì)問題中的復(fù)雜事物信息進(jìn)行降維表達(dá)，把問題中的事物拆解成物元、事元、關(guān)系元，再逐個(gè)進(jìn)行拓展分析，進(jìn)而更詳細(xì)地了解事物信息后尋求解決辦法，再利用可拓變換進(jìn)行問題的求解[7,10-13] 。利用可拓學(xué)中形式化的模型研究方法，拓展問題求解的可能性，把握事物創(chuàng)意生成的規(guī)律與方法，得到解決矛盾問題的系統(tǒng)性的解決方案[8-9]。

1 煙蒂問題可拓學(xué)求解的整體步驟與基元建模

1.1 利用可拓學(xué)解決煙蒂問題的創(chuàng)意生成的總體步驟

為了找到解決問題的突破口，以區(qū)莊地鐵為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對(duì)區(qū)莊地鐵地面煙蒂情況運(yùn)用可拓學(xué)方法進(jìn)行問題分析。首先找到問題的條件、準(zhǔn)則以及目標(biāo)，建立元素、準(zhǔn)則和論域的基元模型，使用可拓創(chuàng)新法中的相關(guān)分析、蘊(yùn)含分析、共軛分析等方法對(duì)基元進(jìn)行拓展，通過置換變換、擴(kuò)縮變換、增刪變換、組分變換和復(fù)制變換拓展出另一些可能方案[7]。最后，通過評(píng)價(jià)以及驗(yàn)證的方式來選取最優(yōu)的創(chuàng)意策略[14-17]。

1.2 煙蒂問題分析與相關(guān)基元建模

地面煙蒂多這一現(xiàn)象的直接原因是清理不到位而形成的，通過問卷、訪談等，對(duì)區(qū)莊地鐵的清潔工人、清潔工人們的清潔工具、區(qū)莊地鐵的環(huán)境等建立基元模型。

1.2.1 條件相關(guān)基元建模

現(xiàn)有的問題是解決區(qū)莊地鐵地面煙蒂亂扔現(xiàn)象的問題，因此對(duì)區(qū)莊地鐵的地面煙蒂的形成條件進(jìn)行分析，也就是煙蒂的清理問題，首先物元的對(duì)象有清潔工人、清潔工具、區(qū)莊地鐵的環(huán)境等，事元主要是掃、撿、夾等清理行為，關(guān)系元是煙蒂與清潔工人之間的關(guān)系、煙蒂與清潔之間的關(guān)系、煙蒂與地面之間的關(guān)系等。建立區(qū)莊地鐵地面煙蒂現(xiàn)象問題的基元模型，基元模型如下。

1.2.2 目標(biāo)相關(guān)基元建模

區(qū)莊地鐵的環(huán)境不算特殊，植被等也是各個(gè)區(qū)域比較常見的，造成難以清理的主要問題是該地區(qū)的煙蒂“亂扔”現(xiàn)象比較嚴(yán)重。對(duì)解決地面煙頭現(xiàn)象的條件目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)分析后，得出以下幾個(gè)拓展方向。從“扔”上找解決辦法，如何可以讓人們不扔在地上而是垃圾桶里，就不會(huì)產(chǎn)生難清理的問題？或者煙是否最后都需要產(chǎn)生剩余物呢？如果沒有人抽煙是不是就不會(huì)有扔煙蒂的問題呢？扔煙蒂會(huì)產(chǎn)生危害，那么是否可以扔煙蒂無危害？根據(jù)以上幾個(gè)方向再進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)的基元分析。

1) 煙蒂扔的位置分析

2 基元模型的拓展與創(chuàng)意生成

2.1 拓展分析的基本思路

建立了條件和目標(biāo)的基元模型后，繼續(xù)對(duì)基元模型進(jìn)行拓展分析，從一對(duì)象多征、一征多值、一征多對(duì)象、一值多征等方向，在原先的基元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，看是否可以得到更多的信息?？梢允褂霉曹椃椒▽?duì)事物的虛實(shí)、軟硬、正負(fù)、潛顯進(jìn)行分析，或者對(duì)基元進(jìn)行相關(guān)分析，客觀世界中，任何事物都是相互聯(lián)系的，當(dāng)某個(gè)部分變化時(shí)很多部分也會(huì)隨之改變[7]。從目標(biāo)或者條件出發(fā)，分析基元，利用相關(guān)分析列出基元網(wǎng)，從而在分析基元網(wǎng)中找到新基元去解決矛盾問題。還可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行蘊(yùn)含分析，因?yàn)閷?duì)事物進(jìn)行建模后會(huì)更清晰地了解物、事和關(guān)系三者間的蘊(yùn)含性，以基元為形式化工具梳理其內(nèi)在的蘊(yùn)含關(guān)系，當(dāng)該基元無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，尋找其蘊(yùn)含的條件基元，如果該基元的所有必要條件都實(shí)現(xiàn)時(shí)，就表示找到了解決該矛盾的路徑。

可拓變換可變換元素、準(zhǔn)則、論域，在初始創(chuàng)意上做加減乘除，由于萬事萬物都是緊密聯(lián)系的，因此在某一個(gè)對(duì)象、特征、量值等在進(jìn)行變換時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)果也產(chǎn)生影響。某個(gè)變換的產(chǎn)生有時(shí)是由于另一個(gè)變換的傳導(dǎo)變換引起的。也可使用置換變換，將產(chǎn)生矛盾的特征轉(zhuǎn)換為其他特征，以達(dá)到解決矛盾問題的目的；或者做增刪變換或擴(kuò)縮變換，將事物進(jìn)行必要的增刪；又或者對(duì)事物進(jìn)行組分變換，將不同的對(duì)象、特征進(jìn)行組合分解，將問題拆解開來解決或合并多個(gè)問題共同解決，從而找到合適的矛盾問題的解法。

為節(jié)省篇幅，下文將基元模型拓展與創(chuàng)意生成的過程一起描述。

2.2 基元拓展與創(chuàng)意生成

2.2.1 方向一：清理方向

從清理工具的角度出發(fā)做拓展分析與變換可以生成以下5個(gè)解決方案。

1) 方案1：方便的清理工具

現(xiàn)有的清理工具大多是手動(dòng)的，除此之外市面上也有很多方便清理的清理工具的設(shè)計(jì)，也可以在很大程度上幫助快速清理地面煙蒂。智能清潔工具市場(chǎng)上已有。

2) 方案2：吸塵器機(jī)器人

火鉗等工具在清理角落縫隙的煙蒂垃圾時(shí)不便利，若是把火鉗變成吸塵器作為清潔工具，可以解決細(xì)小地方難以清理的問題，吸塵器是電動(dòng)的，可以省很多的力氣，也可以更快地清理煙蒂垃圾，除此之外，吸塵器是否可以自動(dòng)清理，若是可以自動(dòng)吸附地面的煙蒂，那么吸塵器自己本身就可以作為一個(gè)智能清潔工人，定時(shí)定點(diǎn)地清理地面的煙蒂，可以大大減少地面煙蒂清理的人工不足問題。

3) 方案3：自動(dòng)垃圾桶

很多抽煙者就是不愿意把煙蒂扔進(jìn)垃圾桶，那么是否可以讓垃圾桶可以自行移動(dòng)，走到吸煙者旁邊，讓吸煙者更好地把煙蒂丟進(jìn)垃圾桶內(nèi)。

4) 方案4：醒目位置合適的垃圾桶

區(qū)莊地鐵站的垃圾桶顏色是灰色和金屬色的，非常的不顯眼，很難讓人察覺到，因此可以將垃圾桶的顏色變得鮮艷突出，而且根據(jù)對(duì)與抽煙者較為滿意的抽煙環(huán)境的調(diào)查后選擇靠近抽煙人常停留的區(qū)域，查看是否能改善“亂扔”的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 醒目的垃圾桶Fig.1 Eye-catching trash cans

5) 方案5：趣味煙蒂桶

也可將垃圾桶設(shè)計(jì)得富有趣味，讓抽煙者自己走向垃圾桶扔煙蒂，在拓展的抽煙者的愛好中可以了解到抽煙者對(duì)于天氣、新聞事實(shí)、美食等資訊比較關(guān)注，因此可以在垃圾桶的設(shè)計(jì)上做改動(dòng)。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)大部分人對(duì)于投票和抽獎(jiǎng)都抱著比較大的興趣，因此在垃圾桶的設(shè)計(jì)上，可設(shè)計(jì)為一種投票箱，必須要用煙蒂才能進(jìn)行投票，激起抽煙者把煙蒂扔進(jìn)投票箱的興趣，如圖2所示。

圖2 趣味投票煙蒂垃圾桶Fig.2 Fun cigarette butt trash cans

2.2.2 方向二：危害方向

從煙蒂的危害往其上游追溯的角度出發(fā)做拓展分析可以生成以下2個(gè)解決方案。

1) 方案6：煙蒂種子

煙蒂落在地面形成了不美觀的城市環(huán)境，而且煙蒂作為固體垃圾不能在地面上自動(dòng)消失，初步分析源于兩大原因，首先是大部分扔煙蒂的位置不能讓煙蒂逐步被分解，第二大原因則是煙蒂本身落在土壤被分解需要很長的時(shí)間，而且分解過程會(huì)釋放有毒物質(zhì)，因此如果能讓煙蒂落地不污染環(huán)境且有利于環(huán)境美化，則亂扔煙蒂就不會(huì)成為一個(gè)問題，如圖3所示。

圖3 煙蒂種子Fig.3 Cigarette seeds

2) 方案7：煙疫苗

抽煙者抽煙有很大的原因是因?yàn)橛袩煱a，包括在調(diào)查中很多人都曾試過戒煙，但都沒有成功，是否有什么方法會(huì)讓人不想抽煙，比如研發(fā)一種疫苗，讓人失去想抽煙的感覺，就不用很辛苦地戒煙，可以打一個(gè)疫苗就對(duì)煙失去興趣了。

2.2.3 方向三：宣傳方向

從政府未來法規(guī)頒布的角度出發(fā)做拓展分析可以生成以下2個(gè)解決方案。

方案8：法規(guī)宣傳

根據(jù)控?zé)煑l例顯示，為了防止火災(zāi)事故，地鐵附近的5 m范圍內(nèi)是禁煙區(qū)，通過了解區(qū)莊地鐵的吸煙者們對(duì)控?zé)煑l例的了解，展開了一系列的問卷調(diào)查，結(jié)果顯示大部分的吸煙者對(duì)于控?zé)煑l例不了解。根據(jù)控?zé)煑l例的宣傳顯示，現(xiàn)在社區(qū)、地鐵內(nèi)的宣傳力度不足，鮮少有人了解控?zé)煑l例的內(nèi)容。

因此有必要展開一系列的法規(guī)宣傳，包括海報(bào)、標(biāo)語、廣告屏、廣播、視頻等多個(gè)方式進(jìn)行相關(guān)的控?zé)煑l例宣傳。

2.2.4 方向四：監(jiān)控方向

從禁止吸煙和煙蒂入手做拓展變換可以生成以下2個(gè)解決方案。

1) 方案9：監(jiān)控裝置

監(jiān)控在很多的情況下可以很好地規(guī)范人的行為，就比如超速快拍等攝像頭就會(huì)讓駕駛的司機(jī)遵守交通規(guī)則，從而保證行駛的安全，因此，攝像頭在一定程度上會(huì)讓人注意自己的一舉一動(dòng)，但是攝像頭的安裝需要一定的費(fèi)用，因此無法在所有地方都安置攝像頭，特別是公園中。因此假的攝像頭裝置只要外貌逼真，也可以在一定程度上規(guī)范該區(qū)域的行駛者的行動(dòng)，可低成本布置無錄像功能的裝飾攝像頭，其外觀與正常攝像頭無異。

2) 方案10：智能監(jiān)督系統(tǒng)

很多的非吸煙者并不喜歡在室內(nèi)或戶外活動(dòng)時(shí)有人在旁邊吸煙，但大部分人并不會(huì)鼓起勇氣上前制止吸煙者的行為，絕大部分的原因是這樣的制止行為容易引起沖突，特別是吸煙者較為強(qiáng)勢(shì)的情況下，容易帶來更差的結(jié)果。可以設(shè)計(jì)一種裝置，讓非吸煙者私密提醒，但吸煙者不知道提醒者，如不停止吸煙則智能拍照，將吸煙者照片上傳。

3) 方案11：煙蒂收集所

為什么煙蒂?zèng)]有和其他的塑料瓶垃圾、易拉罐垃圾、紙皮垃圾等可回收垃圾一樣被除了清潔工以外的人收集，是因?yàn)樗鼪]辦法給收集者帶來利益，因此不會(huì)有人收煙蒂。如圖4所示，如果煙蒂和易拉罐一樣可以收集起來賣錢，那么必然會(huì)產(chǎn)生新的收集者，也就在一定程度上減少了清潔工的清理壓力，并且也可以推動(dòng)吸煙者將其收集起來換錢。

圖4 煙蒂收集所Fig.4 Cigarette butts collection

4) 方案12：智能滅煙裝置

根據(jù)地鐵法規(guī)規(guī)定，為了保證地鐵的安全，地鐵的消防安全規(guī)定，地鐵出口5 m內(nèi)不得吸煙，被列為禁止吸煙區(qū)，以防止火災(zāi)引起事故，因此現(xiàn)在的區(qū)莊地鐵的大部分地區(qū)屬于禁止吸煙區(qū)，但很多人依舊我行我素?？梢栽O(shè)計(jì)一種智能裝置，感知附近有人吸煙時(shí)發(fā)出異響或滅煙泡沫，讓吸煙者在該區(qū)域的吸煙體驗(yàn)感極差，從而不在此處繼續(xù)抽煙，如圖5所示。

圖5 滅煙裝置Fig.5 Smoke extinguishing device

5) 方案13：仿真警示裝置

很多吸煙者之所以一直隨地扔煙頭是因?yàn)槠湮从H身經(jīng)歷亂扔煙頭帶來的后果。因此，如果在地面上裝上熱力感應(yīng)屏，當(dāng)煙蒂落地時(shí)，會(huì)因?yàn)闊煹賻в袦囟仁沟玫孛娈a(chǎn)生爆炸的動(dòng)效，讓吸煙者從此謹(jǐn)記煙蒂不可亂扔，如圖6所示。

圖6 地面警示裝置Fig.6 Ground warning device

2.3 方案評(píng)價(jià)

1) 地面煙蒂數(shù)量對(duì)照評(píng)估

以區(qū)莊地鐵地面煙頭是否減少驗(yàn)證方案有效性，通過比對(duì)區(qū)莊地鐵垃圾桶內(nèi)煙蒂和地面煙蒂的數(shù)量比，以及每日地面煙蒂的數(shù)量比則可以得出該方案是否有效。適用于方案1、6、8、10、11、12、13。

2) 使用滿意度評(píng)估

適用于方案2，根據(jù)描述設(shè)計(jì)并采用問卷評(píng)估的方式得到了以下的滿意度問卷結(jié)果，顯示該設(shè)計(jì)方案可行性較高，但還缺乏政府出資方面的評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖7所示。

圖7 智能清潔工具清潔工評(píng)估結(jié)果Fig.7 Smart cleaning tool cleaner assessment results

3) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估

(1) 應(yīng)用于方案4，很多吸煙者認(rèn)為扔煙蒂的位置不佳，垃圾桶不醒目，垃圾桶位置與自己所行路線不符，于是逐一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一為改變垃圾桶的位置看是否可以達(dá)到減少煙蒂落地的情況，圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在較多人重合的路徑上設(shè)置垃圾桶后，準(zhǔn)確扔煙蒂入桶的情況并未明顯提升。

圖8 醒目的垃圾桶位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明Fig.8 The results of the eye-catching trash can location experiment as shown

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)將垃圾桶的顏色更改為藍(lán)色、黃色進(jìn)行煙頭收集實(shí)驗(yàn)，顏色選擇上參考了大多數(shù)人對(duì)于可回收垃圾桶的顏色認(rèn)知，圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示黃色的結(jié)果比藍(lán)色稍好，但效果皆不佳。

圖9 醒目的垃圾桶顏色實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明Fig.9 Description of the results of the eye-catching trash can color experiment

(2) 應(yīng)用于方案9，有實(shí)驗(yàn)顯示可將煙蒂變廢為寶，制成建筑保溫用材等，并且在西安有實(shí)行過煙頭銀行，專門回收煙頭可以換取油等物品，因此設(shè)置煙蒂回收具有一定的可行性,可以與廣告公司合作吸引更多關(guān)注。

4) 暫時(shí)無法評(píng)估

煙蒂種子目前有相關(guān)技術(shù)的研究以及專利的提出，但還未有明確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等結(jié)果。煙蒂疫苗方案目前暫無研究，排除方案3、7。

3 總結(jié)與展望

通過對(duì)區(qū)莊地鐵站的地面煙蒂產(chǎn)生的原因、清理方式等進(jìn)行基元建模與分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用可拓創(chuàng)新方法可以進(jìn)一步拓展到區(qū)莊地鐵站的設(shè)施環(huán)境以及地面煙蒂處理相關(guān)的物、事、關(guān)系，在基元模型基礎(chǔ)上利用拓展和變換，生成解決問題的更多創(chuàng)新方案，實(shí)踐應(yīng)用證明不少方案是可實(shí)現(xiàn)的以及有效的。可拓學(xué)對(duì)解決設(shè)計(jì)中的矛盾問題有很好的啟發(fā)作用。

設(shè)計(jì)創(chuàng)新的整個(gè)過程，其實(shí)就是解決各種各樣矛盾問題的一個(gè)過程，為了能夠找到更好的解決區(qū)莊地鐵地面煙蒂清理的問題，必須細(xì)化解決問題的過程。通過不同系統(tǒng)的視角去觀察事物，對(duì)事物進(jìn)行基元分析與拓展、變換以實(shí)現(xiàn)新的改進(jìn)，還可以從不同的方面去思考同一事物的不同之處。形式化、模型化的拓展分析方法，可以有效擺脫慣性思維，從原先的單純依靠頭腦風(fēng)暴的設(shè)計(jì)創(chuàng)意生成方式，到加深對(duì)物體或事件的了解程度，利用流程化方法發(fā)現(xiàn)新的可拓展的區(qū)域與對(duì)象，利用可拓變換得出系統(tǒng)全面的解決方案，并通過優(yōu)度評(píng)價(jià)等方法得到最優(yōu)解。論文僅僅是初步利用了可拓學(xué)的一些創(chuàng)新方法進(jìn)行分析，其中共軛分析還有待深入，如可以對(duì)區(qū)莊地鐵地面的煙蒂處理進(jìn)行虛實(shí)部分析、軟硬部分析、正負(fù)部分析、潛顯部分析等。分散分析、相關(guān)分析、蘊(yùn)含分析等分析方法的系統(tǒng)性拓展和變換的傳導(dǎo)效應(yīng)分析等還有待深化。從可拓集合角度，本文主要使用基本變換法中的置換、增刪、分解、擴(kuò)縮、復(fù)制變換，將基元模型進(jìn)行拓展變換，后續(xù)還可將論域和準(zhǔn)則改變?yōu)樾碌恼撚蚝托聹?zhǔn)則。