基于TRIZ理論的防疫消毒機改良設計研究

高矚 胡蜜蜜

摘要：解決現(xiàn)有防疫消毒機消毒效率低、操作不便、消毒角度單一的問題，為疫情爆發(fā)時提供一種更好的消毒機器，滿足人們對于消毒機更高的設計需求?；诎l(fā)明問題解決理論（TRIZ）的防疫消毒機改良設計方法，對防疫期間應用的消毒機按照系統(tǒng)分析、用戶研究、歸納要素的步驟結合TRIZ理論中的創(chuàng)新思路模型，從傳統(tǒng)消毒機的易用性、機器工作效率、智能化一體對消毒機進行改良設計?；赥RIZ理論運用紅外線傳感技術設計出了一款消毒機，它將以一種更加便捷智能的仿生機器人方式服務于不同場合下的消毒工作。

關鍵詞：防疫消毒機 智能化 系統(tǒng)分析 TRIZ 改良設計

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2022）11-0123-03

Abstract：Purpose to solve the existing epidemic prevention disinfection disinfection disinfection machine efficiency low operating the inconvenience angle of a single problem，to provide a better in the event of an outbreak of disinfection machine，meet the demand of people for disinfection machine higher design method based on system analysis（SA） and theory of invention problem solving（TRIZ） and epidemic prevention disinfection machine improved design method of disinfection machine according to the system analysis on the application of the epidemic prevention during user research steps of inductive elements in combination with the creative thinking in the TRIZ theory model，the ease of use of the machine from the traditional disinfection machine efficiency Intelligent integrated design of the disinfection machine，combined with infrared sensing technology to make the disinfection machine in a more convenient and intelligent way of bionic robot to serve the disinfection work in different occasions.

Keywords：Epidemic Prevention and disinfection machine System analysis TRIZ Improved design

引言

隨著新型冠狀病毒肺炎的爆發(fā)，消毒成為公共社區(qū)及家庭生活每日必備，消毒的頻率大幅提高，也導致人們對于消毒機有了更高的設計需求。通過調(diào)查分析用戶對消毒機的使用體驗，從傳統(tǒng)消毒機的易用性、機器工作效率、智能化一體對消毒機進行改良設計，并對消毒機的結構進行優(yōu)化，結合紅外線傳感技術使消毒機以一種更加便捷智能的仿生機器人方式服務于不同場合下的消毒工作。

一、改良設計

（一）改良設計概念：改良設計是產(chǎn)品設計過程中應用最廣以及創(chuàng)新效率最高的的設計方法之一，改良設計既是一種設計方法也是一種設計思維，考察設計人員在日常生活中捕捉設計點的敏銳性。什么是改良設計呢，對于改良的定義主要體現(xiàn)在去掉或者改善事物的某些不足之處，經(jīng)過改造之后設計產(chǎn)品可以更好地滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活需求[1]。 我們在進行改良設計的過程中，不對事物的本質(zhì)或特性進行變動，對事物進行分析痛點并對痛點進行有針對性的改進，讓一件產(chǎn)品或者一個系統(tǒng)更加符合人的操作習慣，提高人們的辦事效率，這種設計可以稱之為改良設計[2][3]。

（二）改良設計方法：改良設計方法是一種在現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的基礎上進行優(yōu)化、充實的再設計方法，需要對現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)進行全面的調(diào)查、分析和判斷，通常使用的方法是將各部分拆解后進行分析，最后匯總形成系統(tǒng)的分析。

改良設計方法大致歸納為從用戶到產(chǎn)品的改良設計和從產(chǎn)品到用戶兩種途徑，基于用戶調(diào)研的改良設計方法是使用用戶調(diào)研方法如問卷、訪談等形式，從系統(tǒng)使用者的角度出發(fā)，獲取需求和痛點的以提升使用者滿意度為目標的設計方法。為尋找和明確目前城市消毒系統(tǒng)中痛點問題，首先需要提煉用戶日常消毒過程中的影響因素，圍繞防疫消毒機的功能、人機、安全、易用性等方面對用戶的消毒行為和滿意度進行問卷調(diào)查，收集反映用戶消毒路徑中的關鍵性數(shù)據(jù)。在此基礎上分析其出行的特點，結合一般數(shù)據(jù)分析方法，使用回歸分析明確影響用戶消毒可量化關鍵性指標。進而根據(jù)這些指標和所收集的對應數(shù)據(jù)，找到痛點問題，對目前的路面城市消毒防疫體系進行改良設計。[4]本篇研究將利用TRIZ理論中解決問題的思維，針對防疫消毒過程中的具體問題進行分析，構建問題模型方程式，通過帶入TRIZ理論中的通用解得出具體解，從而達到改良產(chǎn)品的目的。

二、消毒機改良設計系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)消毒機改良設計依照一定的系統(tǒng)流程分析進行，首先將改良的產(chǎn)品拆分成多個組件，對每一個組件單獨進行用戶使用研究，多層次分析每一個組件的調(diào)查研究的改良點，最終確定此次改良設計的優(yōu)化之處并給出解決方案[5]。

（一）系統(tǒng)分析：將消毒機（技術、形態(tài)、功能）看作一個改良系統(tǒng)，各個組成部分作為改良子系統(tǒng)，然后對消毒劑的設計需求進行篩選。篩選的依據(jù)主要從三個方面出發(fā)，分別是生理角度、心理角度和交互設計角度。

從生理角度出發(fā)需考慮消毒機與人的操作行為關系，主要涉及到防疫消毒機結構與人的尺寸、空間匹配度問題。傳統(tǒng)防疫消毒機與人之間的操作關系主要有：背負式、推車式、手提式、車載式。四種消毒操作方式適用于不同環(huán)境場合下的消毒工作，一般背負式適合廠房等中小型消毒場所，手提式適用于社區(qū)城市街道的消毒工作，推車式消毒機適用于養(yǎng)殖場基地，車載式適合道路、社區(qū)等大型場所消毒。消毒機的設計尺寸還需考慮機器的移動方式、占地空間、功能布置以及機器的省力性。

從心理角度出發(fā)，防疫消毒機的安全設計是人們在產(chǎn)品使用中至關重要的因素，尤其在疫情防控期間，產(chǎn)品的安全性一直是人們關注的重點問題。市面上的防疫消毒機主要有高壓靜電、紫外線循環(huán)風空氣消毒機，臭氧發(fā)生器消毒機，紫外線消毒設備，干霧消毒機。消毒機設計安全需要不同注意消毒方式的作業(yè)特征，例如臭氧發(fā)生器使用時不可以有人在場，紫外線消毒機在保證無人的情況下還要避光使用，定期進行紫外線強度的檢測，干霧消毒機是通過過氧化氫消毒，無色無味還可以把微生物分寫成氧氣和水，相對來水干霧消毒機更加環(huán)保安全。

從交互設計角度出發(fā)，傳統(tǒng)防疫消毒機智能化水平比較低，消毒作業(yè)情況的顯示，消毒效率的提示都不具備很強的信息可得性?，F(xiàn)代技術水平的高度發(fā)展，例如語音提示，屏幕顯示，遠程監(jiān)控都可以應用到現(xiàn)代消毒機的交互設計上。疫情防控下，人們對消毒機的使用頻率越來越高，現(xiàn)代交互設計的增強可以極大提高人們的消毒效率。其次消毒需求多樣性也要求消毒機功能進一步提高，功能的布局也是交互設計的一部分，例如：開關、注水、狀態(tài)顯示等。功能的多樣性與消毒機產(chǎn)品需求定性配合，提高消毒機產(chǎn)品人性化水平。

因此防疫消毒機在日常使用過程中常見的十個考慮因素分別是消毒效率、移動便捷性、注水便捷性、作業(yè)安全、占地空間、智能性、消毒成本、功能多樣性、省力性、作業(yè)狀態(tài)顯示，如圖1。先將一個復雜的產(chǎn)品由繁變簡，所有產(chǎn)品都可以進行系統(tǒng)分析法對他進行拆解分析，針對每一個產(chǎn)品系統(tǒng)中的要素進行逐個分析，這樣的好處是可以讓一個復雜的產(chǎn)品變得簡單，產(chǎn)品分析的過程也會由繁至簡，幫助設計研究人員更好地看清產(chǎn)品的問題，從而厘清思路[6]。

（二）用戶研究：用戶研究就是以UCD的概念為基礎，對用戶生活中的產(chǎn)品使用體驗的研究。UCD的設計概念中首先明確了“人”是最重要的產(chǎn)品設計因素，用戶的需求一直是產(chǎn)品概念設計的出發(fā)點。所以在產(chǎn)品設計的過程中，用戶的理解和研究是設計的根本依據(jù)，而UCD思想和方法恰巧提供了這樣一個思路和流程幫助我們更好的進行產(chǎn)品設計[7][8]。其基本流程：首先調(diào)研目標用戶的生活方式以及消費水平，其次通過問卷調(diào)查或訪談法獲取用戶對目前改良產(chǎn)品的經(jīng)驗和建議，然后發(fā)現(xiàn)用戶在使用目前產(chǎn)品時存在的痛點問題，最后根據(jù)用戶反饋確立當前產(chǎn)品的優(yōu)化目標及要求。

針對拆解出的組件功能、形態(tài)、技術進行用戶調(diào)查研究，可以使用常見的問卷法、訪談法，圍繞用戶的真實需求，確定用戶在使用過程中的關鍵痛點問題，以用戶使用為基準確保改良出的產(chǎn)品以人為本進行，從而提高產(chǎn)品的宜人性[9]。

（三）歸納分析改良設計要素：通過前面兩個步驟獲取到的優(yōu)化建議，組織歸納分析，掃除各個點之間的相同部分以及矛盾點，最終確定從以下三個方面對傳統(tǒng)消毒機進行改良設計：

易用性：消毒噴頭是固定方向，不可以變化角度和調(diào)節(jié)高度，當灌滿水會更不易搬運，可以從省力性和可調(diào)節(jié)性兩個方面改良。

消毒效率：傳統(tǒng)消毒劑只有一個噴頭，消毒液質(zhì)量較重，當疫情來臨，操作和移動都十分不便，這也是消毒效率低的主要因素，可以從噴頭數(shù)量、便于移動兩方面進行改良。

智能化：科技高速發(fā)展，可我們的防疫消毒設備卻與“智能”相距甚遠，提高防疫裝備智能化不僅僅是對未來的安全防護，更是對此次抗擊疫情的所有工作者的一份責任與承諾。

三、基于TRIZ創(chuàng)新模型的改良設計方案

（一）TRIZ概念及研究現(xiàn)狀：在創(chuàng)新設計領域，前蘇聯(lián)工程師阿奇舒勒基于技術演變趨勢的啟發(fā)式法則提出了針對發(fā)明創(chuàng)造的問題解決理論（TRIZ）[10]。經(jīng)過六十余年的實踐與研究，TRIZ已經(jīng)形成了系統(tǒng)的運用原則和理論工具[11]，TRIZ 基于運用矛盾矩陣、技術進化法、知識庫等工具，預測產(chǎn)品趨勢快速產(chǎn)生有競爭力的創(chuàng)新設計，解決企業(yè)新產(chǎn)品創(chuàng)造的問題。

TRIZ方法是針對一個無法解決的已知問題，第一步先將其轉(zhuǎn)化為TRIZ形式的問題，查找TRIZ方法工具中的通用解決辦法，然后針對具體問題將通用的解決辦法轉(zhuǎn)化為具體解，帶入實際問題中實踐，最終解決問題[12]。其中，解決發(fā)明技術矛盾（也稱技術沖突）的40個創(chuàng)新原理是TRIZ理論中十分重要的組成部分。利用該原理可以使設計具有可預見性，從而更好地指導設計改良活動，其通常方法確定產(chǎn)品或方法創(chuàng)新策略過程中的技術矛盾，技術矛盾包含在產(chǎn)品改良設計過程中改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)，將其分別用39個通用工程參數(shù)予以表征[13]；在矛盾矩陣表中找到縱向改善參數(shù)與橫向惡化參數(shù)相交處的單元格內(nèi)給出的創(chuàng)新原理編號；根據(jù)該編號查找原理具體內(nèi)容；根據(jù)對應原理的具體內(nèi)容，在設計實踐過程中運用到到具體的技術問題中，研究每個原理在改良設計具體問題上如何解決。[14][15]。

前面的改良設計分析得出防疫消毒機的易用性、消毒效率、智能化均存在問題。運用TRIZ問題解決思想求解，根據(jù)圖3中已經(jīng)列舉出的創(chuàng)新原理名稱和具體含義，通過分析來篩選適用于消毒機改良的創(chuàng)新原理進而解決問題。

（二）易用性問題：易用性問題的解決可以套用分割原理，分割原理一方面是對實際研究過程中遇到的設計產(chǎn)品進行分割，具體做法一般是把一個產(chǎn)品分成幾個相互獨立的部分，另一方面是對實際設計過程中遇到的設計觀念進行分割或合并，提高設計目標的獨立性和可分割性。設計產(chǎn)品的易用性始終作為設計問題的重點，我們在日常生活中考慮選購物品時，一方面是看產(chǎn)品外觀，另一方面是看產(chǎn)品的功能，影響用戶是否會購買的重要參考因素是產(chǎn)品的易用性。傳統(tǒng)防疫消毒機設計的要點依舊是產(chǎn)品將目標設計分成幾個相互獨立的部分將易用性分成易移動搬運、易消毒操作兩部分，首先是消毒機移動搬運，傳統(tǒng)消毒機是由一個噴頭一個水箱兩大部分組成，在移動時需要兩手操作拿起噴頭和水箱，質(zhì)量比較大搬運并不輕松，傳統(tǒng)消毒機的操作方式是人背著消毒液拿著消毒噴頭，消毒液位不可視，人在工作時并不清楚自己噴灑了多少量。

通過對傳統(tǒng)消毒劑的水箱及噴頭結構分析，替代以往用水管相連的方式，設計成一個整體，考慮疫情發(fā)生時情況緊急，從預先作用原理烤爐，應急情況下應該提高消毒機的搬運可靠性，因此設計下部安裝四個萬向輪，改變傳統(tǒng)由“背”轉(zhuǎn)“推”。（圖4 所示）

改良后的消毒機解放了消毒工作者兩手操作，底部裝有萬向輪可以很輕松推動消毒，緊急疫情時可以快速移動投入到防疫戰(zhàn)中，消毒機不再用人背避免了消毒液灑到消毒工作者的背上傷害皮膚，也杜絕了漏電等的意外危險，更加好用的同時更提高了消毒工作人員的安全性。

（三）消毒效率問題：消毒機的工作效率問題對設計部分進行分割，設計部位分為噴頭、噴頭轉(zhuǎn)換部位，對其消毒方式進行改良設計。

由圖5我們可以看出傳統(tǒng)消毒機只有一個噴頭，并且需要人把握消毒機的噴灑方向，不能全方位的消毒，當消毒工作者遇到一些有高度的消毒工作時，消毒工作會更加艱難。改良后的消毒機噴灑頭增加至五個且呈圓形360°均勻排布。（如圖5、6所示）

防疫消毒方式也是消影響消毒機工作效率的重要因素。常規(guī)下冠狀病毒在56℃溫度的環(huán)境中待30分鐘可以被滅活，75%乙醇，乙醚、含氯消毒劑等脂溶劑均可有效殺滅病毒。[16]根據(jù)TIRZ中的替代原理，在不改變產(chǎn)品功能的同時，盡可能使用成本低的物品去替代成本昂貴的物品，改良后消毒機選擇以75%乙醇、含氯消毒劑等脂溶劑作為消毒劑[17][18]，成本低且針對冠狀病毒殺菌效果較好，適合大面積社區(qū)及公共場合消毒。

（四）智能化問題：傳統(tǒng)消毒機在防疫工作中大量依靠人力，日常使用沒有太大的困擾，但是當疫情出現(xiàn)，消毒工作變成了高危職業(yè)，用傳統(tǒng)消毒機工作，工作人員必須做好多層防護，佩戴防毒面罩，操作十分不便。

根據(jù)TRIZ中的自我服務原理，機器本身輔助人去消毒，降低人力成本，應用無線傳感、路徑規(guī)劃及避障技術到傳統(tǒng)消毒機，使消毒機以一種更加便捷智能的仿生機器人方式服務于社區(qū)及高鐵站的消毒工作。編程輸入消毒路徑，指定消毒液使用量，實現(xiàn)自動化消毒工作，在工作時屏幕顯示工作狀態(tài)時的溫度、濕度、消毒量。（如圖7、8）

國家目前的防疫工作取得了初步勝利，但疫情造成的損失不可估量，這與我們國家對防疫準備工作有著密切關系?？v觀我們的消毒裝備，與我們的家用電器相比落后太多，普通家電現(xiàn)在已經(jīng)走向了智能化時代，可消毒裝備仍然很落后，自動掃地機已經(jīng)走向千家萬戶，可自動消毒機器人的應用相差甚遠，當疫情發(fā)生時依然要大量依靠人力消毒，推動防疫工作的技術進步，提高防疫裝備智能化不僅僅是對未來的安全防護，更是對此次抗擊疫情的所有工作者的一份責任與承諾。

結論

改良后的消毒機是一款適用于社區(qū)、高鐵站等公共場所的智能化防疫消毒機器人，通過系統(tǒng)分析及發(fā)明問題解決理論（TRIZ）的防疫消毒機改良設計方法確定改良優(yōu)化設計點，提升了傳統(tǒng)消毒機的易用性、消毒效率、智能性，結合無線傳感技術、自主移動避障等技術，使消毒機以一種更加便捷智能的仿生機器人方式服務于社區(qū)及高鐵站的消毒工作。

參考文獻

[1]許雅茜，徐玲玲.再設計與改良設計的區(qū)別[J].美與時代（上），2012（09）：14-15.

[2]許雅茜，徐玲玲.淺析再設計與改良設計的區(qū)別[J].美術教育研究，2011（01）：84-85.

[3]淺析再設計與改良設計的區(qū)別-道客巴巴-《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源（http：//www.doc88.com）》- 2019

[4]黃瑋婧. 基于老年用戶出行的公共交通改良設計方法研究[D].湖北工業(yè)大學，2020.

[5]譚永恒.企業(yè)轉(zhuǎn)型中的VI改良設計研究[D].魯迅美術學院，2016.

[6]王脘卿，鄧學雄，熊志勇.基于產(chǎn)品基本形態(tài)的改良設計方法探究[J].包裝工程，2014，35（14）：42-45+60.

[7]貢霖江. 基于UCD的產(chǎn)品概念設計流程與方法研究[D].上海交通大學，2010（4）：39-42.

[8]金一平，梅景瑤，朱凌.應用內(nèi)容分析方法的“計算機輔助創(chuàng)新”教學試驗調(diào)查[J].高等工程教育研究，2014（05）：84-90.

[9]馮蔚蔚，李宇晟，辛向陽.基于Kano模型的家庭健身車改良設計研究[J].機械設計，2015，32（08）：113-116.

[10]Sun LinLin，Liu Yang，Xie JiaYu，Cao Rui. Improvement of high temperature fault problem of Wind power inverter based on TRIZ[J]. MATEC Web of Conferences，2020，327.

[11]Tian Boxing，Gao Guohua，Liang Yongzhi，Wang Kai，Li Bowen，Lin Guoxiong. The Innovative Design of Seedling Transplanting Combination Mechanism with TRIZ[J]. Journal of Physics： Conference Series，2019，1267.

[12]雷琴，魏麗敏，胡靜.基于TRIZ理論的人工智能產(chǎn)品及方法的創(chuàng)新模型研究[J].四川圖書館學報，2020（03）：23-28.

[13]周恩雯，金信琴.基于TRIZ理論的環(huán)?？Х葯C設計[J].設計，2019，32（4）：134-136.

[14]徐起賀，任中普，戚新波.TRIZ創(chuàng)新理論實用指南[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[15]雷琴，陳曉霞.基于TRIZ理論的分散染料產(chǎn)品創(chuàng)新方法[J].紡織導報，2014（9）：63-67.

[16]王茜，申晨，樊境怡，張紅寧.家用強氧化電解水消毒機設計研究[J].設計，2014（04）：53-54.

[17]馬林.消防救援隊伍參與新冠肺炎疫情處置的思考探索[J].消防界（電子版），2020，6（05）：54-56.

[18]魏翔辰. 民國時期香水包裝與同期法國香水包裝的比較研究[D].湖南工業(yè)大學，2018.