基于AHP/QFD/TRIZ的山火隔離帶開墾車設(shè)計(jì)研究

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的森林消防裝備車存在的功能單一、維護(hù)成本高等問題，構(gòu)建集成AHP-QFD-TRIZ方法的創(chuàng)新流程從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐。文章采用層次分析法對(duì)各項(xiàng)需求的權(quán)重進(jìn)行量化，通過質(zhì)量功能展開將用戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征并進(jìn)行排序。隨后，應(yīng)用TRIZ方法對(duì)識(shí)別出的問題進(jìn)行深入分析，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的生成。為山火隔離帶開墾車的設(shè)計(jì)提供方法指導(dǎo)，為其他產(chǎn)品的研發(fā)提供了新的思路與理論借鑒。

關(guān)鍵詞：AHP；QFD；TIRZ；森林消防；工業(yè)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-0069（2025）04-0114-05

Abstract：To address the problems of single functionality and high maintenance costs of existing forest firefighting equipment vehicles，an innovative process integrating AHP-QFD-TRIZ method is constructed to guide design practice. The article uses the Analytic Hierarchy Process to quantify the weights of various requirements，and transforms user requirements into product design features and ranks them through quality function deployment. Subsequently，the TRIZ method was applied to conduct in-depth analysis of the identified problems to guide the generation of design solutions. Provide methodological guidance for the design of cultivation vehicles for wildfire isolation zones，and offer new ideas and theoretical references for the development of other products.

Keywords：AHP；QFD；TIRZ；Forest fire fighting；Industrial design

引言

近年來，受持續(xù)的高溫、干旱等惡劣天氣影響，森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生[1]。通過對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，森林防火隔離帶建造裝備設(shè)計(jì)仍是薄弱的一環(huán)。為了提高森林防火效能，急需以森林防火體系為基礎(chǔ)，融合自動(dòng)控制及智能化技術(shù)，以設(shè)計(jì)出更為高效的山火消防裝備。我國森林消防產(chǎn)業(yè)由于起步較晚，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未健全，因此，在產(chǎn)品研發(fā)方面存在一定不足[2]。市場(chǎng)調(diào)研顯示，當(dāng)前現(xiàn)存的森林消防裝備產(chǎn)品研發(fā)方向與實(shí)際使用需求之間存在一定偏差。具體而言，現(xiàn)有產(chǎn)品型號(hào)相對(duì)陳舊，功能較為單一，且存在嚴(yán)重的同質(zhì)化現(xiàn)象。這些問題制約了森林消防產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，亟待設(shè)計(jì)者提出新的解決方案。文章通過對(duì)目標(biāo)用戶群體的調(diào)研，深入探討隔離帶開墾車的需求要素，利用層次分析法（AHP）對(duì)用戶需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化比較，計(jì)算出需求權(quán)重并進(jìn)行排序，從而確定核心設(shè)計(jì)需求的優(yōu)先級(jí)[3]。構(gòu)建AHP-QFD-TRIZ模型將需求元素運(yùn)用TRIZ理論構(gòu)建矛盾沖突矩陣，對(duì)應(yīng)發(fā)明原理得出設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，并將這種新的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法應(yīng)用于實(shí)踐。

一、AHP-QFD-TRIZ研究模型構(gòu)建

層次分析法（AHP）作為一種定性與定量相結(jié)合的綜合決策分析法[4]，在解決多準(zhǔn)則復(fù)雜問題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。借助專家經(jīng)驗(yàn)判定指標(biāo)相對(duì)重要性，合理計(jì)算每種決策方案中每一項(xiàng)準(zhǔn)則的權(quán)重，進(jìn)而通過加權(quán)確定方案的優(yōu)劣順序。質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，簡稱QFD）全面分析產(chǎn)品需求、技術(shù)和競爭力，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供多維度的考量[5]。發(fā)明問題解決理論（Theory of Inventive Problem Solving， TRIZ）為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具，幫助人們打破思維定式，以科學(xué)的方式解決發(fā)明創(chuàng)新過程中遇到的各種問題。在文章中采用上述方法有助于科學(xué)有效地分析用戶種類繁多、層次復(fù)雜的需求，為更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐打好基礎(chǔ)。

近年來，基于AHP、QFD和TRIZ的集成模型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸受到重視。蔣典亨（南開大學(xué)）的研究通過AHP分析孕婦裝的用戶需求，并利用TRIZ理論解決設(shè)計(jì)中的矛盾，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新參考。付敏等（東北林業(yè)大學(xué)）通過TRIZ指導(dǎo)獼猴桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)功能分析在提升效率方面的作用。李曉杰等（廣州理工學(xué)院）在地震救援機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)用AHP與QFD，結(jié)合TRIZ分析矛盾，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜救援環(huán)境提供了解決方案。吳安琪等（北京工業(yè)大學(xué)）針對(duì)共享代步車的問題，提出了集成設(shè)計(jì)流程，以提升用戶體驗(yàn)。其他研究者如李衍豪（山東理工大學(xué)）和魏?。ㄋ拇ㄝp化工大學(xué)）也顯示了該集成模型在滿足用戶需求和解決設(shè)計(jì)矛盾方面的有效性。這些研究表明，AHP、QFD與TRIZ的結(jié)合為裝備設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，滿足復(fù)雜的市場(chǎng)需求。

因此，本文基于文獻(xiàn)調(diào)查及相關(guān)理論方法的對(duì)比，提出山火消防裝備的設(shè)計(jì)思路。對(duì)消防員和機(jī)械專家開展需求調(diào)研，并分析歸納調(diào)研結(jié)果。接著構(gòu)建判斷矩陣，進(jìn)行質(zhì)量功能展開，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重并排序，排名前列的指標(biāo)即可視為核心需求。最后，識(shí)別矛盾需求類型，查找TRIZ理論中的解決方案，運(yùn)用40個(gè)發(fā)明創(chuàng)新原理來解決矛盾，并開展山火消防裝備的設(shè)計(jì)實(shí)踐[3]。展開設(shè)計(jì)研究的流程模型見圖1。

二、基于AHP層次分析法的隔離帶修筑車需求量化

（一）需求調(diào)研整理：對(duì)現(xiàn)有消防裝備進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，構(gòu)建分類畫板見圖2。采用問卷調(diào)查、訪談等方法收集消防隊(duì)員及設(shè)計(jì)專家對(duì)于山火隔離帶開墾車的需求要素，并進(jìn)行分析歸納。

（二）需求層次分析：通過對(duì)用戶需求的篩選與集成，采用AHP層次分析法將隔離帶開墾車的使用需求分解為關(guān)鍵功能層A1、輔助功能層A2、人因?qū)覣3、外觀層A4、安全層A5等五個(gè)準(zhǔn)則層，并二次細(xì)分為19個(gè)子準(zhǔn)則層，如圖3所示。

λmax代表最大特征根，CI是評(píng)估矩陣的一致性指數(shù)，RI則是評(píng)估矩陣的平均隨機(jī)一致性指數(shù)，而CR為隨機(jī)一致性比率。當(dāng)CR小于0.1時(shí)，評(píng)估矩陣通過一致性檢驗(yàn)；反之，則表示一致性不足。一級(jí)準(zhǔn)則層判斷矩陣的CI值為0.073，對(duì)照表3獲得相應(yīng)的RI值為1.12，因此，經(jīng)過計(jì)算得出CR值為0.065<0.1，判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

同理經(jīng)過矛盾矩陣構(gòu)建、一致性檢驗(yàn)、計(jì)算，各一級(jí)準(zhǔn)則層矩陣均通過一致性檢驗(yàn)[7]。二級(jí)準(zhǔn)則層綜合權(quán)重及排序見表4，可知：山火消防裝備的A2B3熱感應(yīng)識(shí)別（11.19%）、A1B2去除植被（11.16%）、A1B3挖掘阻燃溝（10.21%）、A5B3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（9.39%）、A3B3視野良好（7.98%）、A1B1多地形行駛（7.20%）等用戶需求在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先解決。

三、基于QFD質(zhì)量功能展開的隔離帶修筑車用戶需求轉(zhuǎn)化

根據(jù)表4所示的用戶綜合需求權(quán)重，將各項(xiàng)權(quán)重值輸入質(zhì)量屋的左墻。接著，將森林防火隔離帶修筑車拆解為多個(gè)技術(shù)特性指標(biāo)，并將其導(dǎo)入質(zhì)量屋的天花板部分[8]。這些技術(shù)特性可能包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、操作便捷性和維護(hù)成本等關(guān)鍵因素。為了明晰這些特性與用戶需求之間的關(guān)系，文章采用5、3、1和0等分值來分別表示兩者的強(qiáng)、中、弱和不相關(guān)的關(guān)系。

其中，Qj代表第j個(gè)產(chǎn)品特性的絕對(duì)權(quán)重?cái)?shù)值，CIRi則表示第i個(gè)用戶需求的權(quán)重，而Rij則賦值于第i個(gè)用戶需求與第j個(gè)產(chǎn)品特性之間的相關(guān)關(guān)系[9]。這些符號(hào)的定義為后續(xù)的分析提供了清晰的基礎(chǔ)，有助于構(gòu)建更加精確的質(zhì)量屋結(jié)構(gòu)，以便于明確不同產(chǎn)品特性對(duì)用戶需求的貢獻(xiàn)程度。在搭建質(zhì)量屋的過程中，了解這些權(quán)重及其相互關(guān)系尤為重要，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懙阶罱K設(shè)計(jì)方案的有效性和用戶滿意度，構(gòu)建森林火災(zāi)隔離帶修筑車的質(zhì)量屋，見圖4。

四、基于矛盾問題轉(zhuǎn)化的隔離帶修筑車設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）矛盾問題轉(zhuǎn)化：經(jīng)過前文的成分分析法量化用戶需求分析得出需要在設(shè)計(jì)中優(yōu)先解決的需求，將需求要素之間相互的關(guān)系和矛盾構(gòu)建矛盾矩陣，分析可得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多地形行駛和多地形行駛、模塊化設(shè)計(jì)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，熱感應(yīng)識(shí)別、可維護(hù)性為強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系：

第一對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與多地形行駛的矛盾：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是確保裝備在各種條件下都能可靠工作的基礎(chǔ)，而多地形行駛能力則要求裝備能適應(yīng)不同的地面條件。當(dāng)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以確保裝備在各種條件下都能可靠工作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝備重量增加從而影響其在柔軟或不平坦地形上的行駛能力。相反，為了提高多地形行駛能力，需要犧牲一些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來減輕重量和增加靈活性。

第二對(duì)多地形行駛與模塊化設(shè)計(jì)的矛盾：模塊化設(shè)計(jì)使得裝備的維護(hù)和升級(jí)更加容易，但多地形行駛往往要求復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。為了提高多地形行駛能力，裝備可能復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，這與模塊化設(shè)計(jì)的簡潔性和易維護(hù)性相沖突。模塊化設(shè)計(jì)旨在簡化維護(hù)和升級(jí)，但復(fù)雜的地形適應(yīng)性要求可能會(huì)使模塊化變得更加困難。

第三對(duì)熱感應(yīng)識(shí)別與可維護(hù)性的矛盾：以圖像即時(shí)分析為目的的熱感應(yīng)識(shí)別往往難以訪問和維護(hù)，尤其是在山火撲救的惡劣環(huán)境條件下，高精技術(shù)系統(tǒng)的增強(qiáng)會(huì)降低裝備的可維護(hù)性。

文章將上文提及的3對(duì)需求矛盾沖突，通過TRIZ理論中的39個(gè)通用工程參數(shù)進(jìn)行深入的分析和解讀[10]。這些參數(shù)包括但不限于長度、重量、速度、強(qiáng)度等，它們能夠量化地描述一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)的特性，從而更準(zhǔn)確地識(shí)別出存在的矛盾和問題。隨后利用阿奇舒勒沖突矩陣將每一個(gè)矛盾矩陣中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)進(jìn)行匹配，進(jìn)而找到對(duì)應(yīng)的解決原理序號(hào)，進(jìn)一步得出山火隔離帶開墾車的設(shè)計(jì)方向，見表5。

（二）發(fā)明原理應(yīng)用：40條發(fā)明原理工程定義是TRIZ理論的重要組成部分，為解決復(fù)雜的工程問題和推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展提供了獨(dú)特的視角和科學(xué)有效的方法，在多領(lǐng)域的交叉融合與創(chuàng)新實(shí)踐中發(fā)揮著不可或缺的指導(dǎo)作用，為不同學(xué)科背景下的技術(shù)突破和方案優(yōu)化提供了有力的理論支撐。

這些原理之間相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成了 TRIZ 理論在解決創(chuàng)新問題中的方法體系。如分割原理（將物體分成獨(dú)立部分或使物體成為可組合的結(jié)構(gòu)）、抽取原理（從物體中抽出產(chǎn)生負(fù)面影響的部分或?qū)傩裕蛘叱槌鲇杏玫牟糠只驅(qū)傩詥为?dú)處理）、局部質(zhì)量原理（改變物體或外部環(huán)境的局部性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)更好的性能）等，每個(gè)原理都為解決問題提供了獨(dú)特的視角和方法。

將上文總結(jié)的矛盾沖突與TRIZ理論的40條發(fā)明原理一一對(duì)應(yīng)，選擇對(duì)該問題的徹底解決貢獻(xiàn)最大的發(fā)明原理，查找其原始工程定義，最終總結(jié)出設(shè)計(jì)點(diǎn)集成[11]，見表6。從而化解創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的問題，為設(shè)計(jì)實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

（三）隔離帶修筑車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐：基于對(duì)于AHP-QFD-TRIZ創(chuàng)新模型的構(gòu)建研究，從功能、外觀、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)4個(gè)準(zhǔn)則層得出模塊化設(shè)計(jì)、多地形行駛、紅外感應(yīng)等設(shè)計(jì)點(diǎn)，對(duì)山火隔離帶開墾車進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，設(shè)計(jì)草圖、功能組件拆解圖、方案效果圖、使用場(chǎng)景圖見圖5-8。

1.在造型設(shè)計(jì)方面，通過簡潔流暢的線條和主次相宜的塊面規(guī)劃，使整個(gè)車體顯得大氣而不失動(dòng)感，凸顯出其堅(jiān)固耐用的特性。外觀的功能化處理不僅增強(qiáng)了視覺上的工業(yè)感、力量感，還為裝備的穩(wěn)定性提供了支撐。為了應(yīng)對(duì)惡劣的作業(yè)環(huán)境，車體還采用了堅(jiān)固的合金材料并進(jìn)行防撞、抗壓設(shè)計(jì)，有效保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備免受外界損害，增強(qiáng)了裝備的耐用性。各個(gè)模塊在布局設(shè)計(jì)中不僅功能明確，還通過外部造型的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了緊密銜接。這種設(shè)計(jì)保證了各個(gè)功能區(qū)之間的協(xié)調(diào)性，提升了整體的功能性和外觀上的一體化效果。值得一提的是，由于裝備的作業(yè)環(huán)境較為特殊，因此配色上使用高亮度的橙色或紅色等醒目顏色，使裝備在火場(chǎng)環(huán)境中更易被識(shí)別，這種視覺上的高辨識(shí)度同樣能夠幫助作業(yè)人員迅速鎖定車輛位置，方便協(xié)調(diào)和控制。設(shè)計(jì)草圖、方案效果圖見圖5-6。

2.為了解決矛盾沖突問題，提升功能性，文章在裝備結(jié)構(gòu)上做出幾項(xiàng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。引入模塊化結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的核心亮點(diǎn)之一，這使得車輛不僅能夠在不同作業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)出更高的靈活性和適應(yīng)性，而且有助于優(yōu)化維護(hù)流程、降低整體的使用成本。通過模塊化的設(shè)計(jì)理念，裝備的各個(gè)功能模塊——如點(diǎn)燒模塊、車底收集模塊等——能夠根據(jù)實(shí)際需要靈活地進(jìn)行拆裝和更換。這種設(shè)計(jì)方式使得裝備能夠根據(jù)不同的作業(yè)場(chǎng)景，快速調(diào)整各個(gè)模塊的配置，從而更有效地適應(yīng)復(fù)雜的地形和突發(fā)的火情。例如，車輛前部配置的點(diǎn)燒模塊，通過點(diǎn)燒法去除地表植被，并開墾隔離帶。這一功能在開辟防火隔離帶時(shí)能夠快速、有效地清理火場(chǎng)周圍的植被，為防火作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

同時(shí)為了提升行駛效率，使用麥克納姆輪代替了傳統(tǒng)履帶。與后者相比，麥克納姆輪具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和多方向行駛能力，使得裝備在復(fù)雜和崎嶇的地形中能更好地適應(yīng)環(huán)境。這種設(shè)計(jì)不僅提高了車輛的穩(wěn)定性，也大幅提升了在火場(chǎng)作業(yè)中的效率。裝備能夠快速轉(zhuǎn)向、平穩(wěn)移動(dòng)，尤其在狹窄或障礙物較多的環(huán)境中表現(xiàn)出色。這種優(yōu)勢(shì)顯著增強(qiáng)了裝備應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況的能力。

點(diǎn)燒模塊和車底收集模塊的合理布局，使得車輛的造型具有明確的功能指向性，同時(shí)也通過細(xì)節(jié)優(yōu)化提升了耐用性和可靠性。點(diǎn)燒模塊位于車輛的前部，設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)高度，以應(yīng)對(duì)不同高度的地表植被；而車底的收集模塊則具備吸取燃盡后草木灰的功能。這些草木灰會(huì)與高濃度植物性阻燃劑混合，并通過噴灑模塊精準(zhǔn)地噴灑至隔離區(qū)域，從而有效防止火勢(shì)蔓延，功能組件拆解圖見圖7。

3.在人因交互方面，裝備的操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)便捷直觀，駕駛者能夠通過簡單的操作界面控制車輛的各個(gè)模塊，這種交互設(shè)計(jì)不僅降低了操作難度，還提升了作業(yè)效率。此外還充分考慮了駕駛者的視野問題，優(yōu)化了駕駛艙的視野角度，使得操作人員能夠輕松監(jiān)控車輛前方和兩側(cè)的情況，確?；饒?chǎng)作業(yè)中的安全性。

4.最后，設(shè)計(jì)中充分考慮了裝備的經(jīng)濟(jì)性。通過優(yōu)化材料的選擇和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車輛的制造成本得到了有效控制。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)降低了維護(hù)成本，提高了裝備的使用壽命，從而增強(qiáng)了其市場(chǎng)競爭力。制造過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅確保了裝備的高質(zhì)量，還使得其更符合市場(chǎng)需求，具備更強(qiáng)的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性[12]。使用場(chǎng)景圖見圖8。

（四）設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)：以前文AHP綜合權(quán)重排名靠前的需求點(diǎn)為評(píng)級(jí)指標(biāo)，邀請(qǐng)10位設(shè)計(jì)專業(yè)師生對(duì)方案展開設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，評(píng)估分值為0-5，結(jié)果以需求滿足度雷達(dá)圖表示，見圖9。最終10項(xiàng)指標(biāo)中有 7項(xiàng)位于4.5分以上，可以認(rèn)為設(shè)計(jì)方案已基本達(dá)到預(yù)期。

小結(jié)

受持續(xù)高溫干旱天氣等因素影響，幾年來多地森林火災(zāi)頻發(fā)。通過對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，森林防火隔離帶建造裝備設(shè)計(jì)仍是薄弱的一環(huán)。文章運(yùn)用主層次分析法、1～9標(biāo)度法將山火消防裝備的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行定量分析，并總結(jié)歸納要素之間的矛盾和關(guān)系，運(yùn)用科學(xué)的方法為山火消防裝備的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，TRIZ矛盾沖突矩陣中對(duì)應(yīng)得出的發(fā)明原理為該裝備的設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)[13-15]。然而，盡管在研究初期進(jìn)行了充分的需求調(diào)研，在對(duì)需求進(jìn)行層次劃分時(shí)，仍然無法完全避免元素設(shè)定中的主觀性問題。此外，由于研究對(duì)象的體量龐大，全面且清晰地進(jìn)行矛盾問題的轉(zhuǎn)化，以及后續(xù)發(fā)明原理的總結(jié)，面臨著較大挑戰(zhàn)。這一復(fù)雜性要求后續(xù)的研究更加注重?cái)?shù)據(jù)的客觀性和分析方法的嚴(yán)謹(jǐn)性，以確保能夠提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

基金項(xiàng)目：教育部人文社科基金（22YJA760026）

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