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邢锡金, 曹国忠, 刘伟, 吴中富. 基于Matrix 2003与效应的产品工业设计创新方法研究[J]. 工程设计学报, 2016, 23(1): 14-21
XING Xi-jin, CAO Guo-zhong, LIU Wei, WU Zhong-fu. Research on the innovation method of product industrial design based on Matrix 2003 and effect[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2016, 23(1): 14-21.
基于Matrix 2003与效应的产品工业设计创新方法研究
邢锡金1,2, 曹国忠2,3, 刘伟2,3, 吴中富2,3    
1. 河北工业大学 建筑与艺术设计学院, 天津 300401;
2. 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心, 天津 300130;
3. 河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130
收稿日期: 2015-10-05
作者简介: 邢锡金(1990-),男,山东临清人,硕士生,从事产品设计研究,E-mail:1823350520@qq.com.
通信联系人：曹国忠(1974—)，男，河北唐山人，教授，博士，从事机械产品创新理论研究，E-mail:84882104@qq.com. http://orcid.org//0000-0001-6789-6989
摘要: 产品创新直接关系到产品自身在市场的竞争力.当前工业设计产品创新缺乏一些具体的理论支撑,因此需要将其他领域的理论融入工业设计当中能够有效提高新产品设计的效率.为提高工业设计中的创新效率,介绍了一种将工业设计理论与Matrix 2003结合的创新原理,总结了六大设计要素,并利用这些设计元素将创新原理按照"时间-空间-交互"三大维度进行划分,形成一种独特的创新矩阵,以最终理想产品所达到的效应为目标进行求解,从而为工业设计产品的创新提供了一种快捷有效的方法流程.最后以快递车车厢的改进为工程实例进一步验证方法的有效性和实用性.
关键词: 效应     工业设计     六维矩阵     维度    
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51275153,51475137).
Research on the innovation method of product industrial design based on Matrix 2003 and effect
XING Xi-jin1,2, CAO Guo-zhong2,3 , LIU Wei2,3, WU Zhong-fu2,3     
1. School of Architecture and Art Design, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;
2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center, Tianjin 300130, China;
3. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
Abstract: The product innovation is directly related to the competitiveness of products in the market. Current product innovation of industrial design lacks specific theoretical support,so the aim is to integrate the theory of other fields into the industrial design which can effectively improve the efficiency of the new product design. In order to improve the innovation efficiency in industrial design, a method which combined industrial design theory with Matrix 2003 was introduced. It also summarized the six major design elements, and used these elements to divide the innovation principles based on three dimensions which was the time-space-interaction. All above content formed a unique innovation matrix, which would solve the problems by the effect of the final ideal product. Thus it provides a quick and effective method for the product innovation of industrial design. Lastly the improvement of a express car carriage was taken as an example to further demonstrate the validity and practicability of the method.
Key words: effect     industrial design     six dimensional matrix     dimensions    


近些年来,日愈激烈的市场竞争使企业深刻地认识到技术创新已经成为自身存亡的关键.技术创新,方法先行.传统的工业设计产品创新凭借的是设计师的主观思想意识,但是由于设计学科与工程技术学科存在着明显的差异,在某些方面造成了产品设计的结果具有较大的偶然性,产品的创新程度参差不齐.

本文借鉴Matrix 2003的研究成果[1],在此基础之上研究分析了产品的分析处理策略并和工业设计基础理论进行结合，归纳出面向产品工业设计的新发明原理.提出了一种基于工业设计产品效应的方法,为产品的创新设计提供高效的处理手段，并利用实例操作过程验证所述方法的有效性与实用性.

1 工业设计与Matrix 2003发明原理结合 1.1 时间-空间-交互三维度

在我们的生活和生产当中,几乎所有的物质都可以归到时间、空间、交互这3个维度[2]当中去.同样在产品的创新过程当中,一个产品本身的属性以及用途也涵盖了这3种维度.产品的材料、效率等方面是时间上的一种维度.产品的结构、体积大小归为空间上的维度.同时产品与人之间的相互作用则又赋予了它一种新的维度,这种维度不仅涵盖了时间以及空间方面,同时还囊括了一些社会人文及情感化设计等.

1.2 发明原理融合

Matrix 2003是在经典TRIZ体系的基础之上对创新方法的进一步升华.笔者在此文中将Matrix 2003理论与工业设计的相关原理结合,能够形成一套适用于工业设计实践的新型 Matrix 2003理论方法体系,为工业设计人员提供可靠方法支持[3, 4].利用Matrix 2003 理论进一步细化分析设计环境中的设计要素之间的相互关系,形成适用于通用设计领域实践的设计原理,从更加微观的层面探讨设计目标的实现可能,提高设计问题解决的效率,为设计方法的应用提供更好的参考.

在用发明原理解决通用领域产品设计问题时需要将原Matrix 2003当中的77条发明原理和设计领域当中的设计原理进行融合,按照功能创新原理(E)、外观形式创新原理(D)、通用创新原理(C)三种形式分为三大类[5, 6, 7]，具体如表 1所示.

表 1 Matrix 2003 发明原理与设计领域融合创新原理 Table 1 Integrated innovation principle of design domain and Matrix 2003
序号原理名称序号原理名称序号原理名称
C1嵌套E5预先应急措施E36修改或替代系统
C2抽取E6机械振动E37增强或替代系统
C3反馈E7周期性动作E38去除或修改有害源
C4中介物E8紧急行动E39实施探测
C5一维变多维E9自服务E40部分局部强化有害影响
C6等势原则E10一次性用品E41并行修复
C7逆向思维E11机械系统的替代D1分割
C8曲面化E12气体与液压结构D2留空
C9动态化E13状态变化D3合并拼贴
C10变害为利E14抛弃与再生D4多孔材料
C11复制E15相变D5改变颜色
C12复合材料E16有效作用连续性D6非对称对比
C13平衡E17不足或超额行动D7语意
C14利用对抗平衡E18配重D8A×B
C15建立比较标准E19运用支撑D9主题式设计
C16保留某些信息以后使用E20运输可变形状的物体D10自然极简
C17专门化E21改变运输与存储状态D11属性变异
C18减少分散E22导入一种储藏能量因素D12情感化设计
C19使工具适应人E23局部或部分预先作用D13人文美观
C20隔绝、绝缘E24集中能量D14立体构成
C21掩盖缺陷E25场的取代D15张力
C22降低污染E26集成进化多系统D16寄生
C23创造一种适合于预期磨损的形状E27补偿或利用损失D17为了不一样
C24减少人为误差E28减少能量转移的阶段D18生活方式
C25避开危险的作用E29推迟作用D19科技感
C26减少单个零件的重量、尺寸E30场的变换D20符号化
C27零部件分成重与轻、大与小E31导入第2个场D21卡通化
E1预先作用E32为增加强度改变形状D22仿生化
E2预先反作用E33转换物体的微观结构D23渐变韵律
E3局部质量E34对抗一种不希望的作用D24柔性表面
E4多用性E35改变一个不希望的作用
表选项
1.3 产品创新的六元素分析

对于一个完整的产品来讲,无疑涵盖了两部分.产品在生活当中的外在和内在体现就是外观加功能.产品外在的表现是外观形式,产品的外观形式又囊括了三大类：产品形态语义、色彩材质、社会人文.产品的内涵主要体现在产品的功能上[8, 9].产品的功能又包括了实现原理、机械结构和使用方式. 比如我们家庭经常使用的真空吸尘器,分析它的六元素，可以得到：真空负压(实现原理)+滤尘器(机械结构)+吸尘附件(机械结构)+风扇组(机械结构)+电源(机械结构)+电动机(机械结构)+人工操作(使用方式)+文化传统(现代科技感、复古、唐宋文化等)+形态语义(仿生、圆滑、家用、公共场合)+色彩材质(颜色、塑料、金属、高分子)=去除尘埃(实现一定的功能)+造型(审美情趣)=吸尘器(完整的吸尘器).

在产品设计过程中需要我们从目标产品的功能或者形式上针对产品进行性能或者是外观上的改进创新.具体需要的原理从以上的三大类中选取.具体流程如下：

第一,从前期的调研当中了解客户在产品发展上有哪些需求,及企业在产品可持续发展上的技术程度.根据产品生命周期理论，需要对客户的需求进行问题分析，并将有关问题进行详细描述.

第二,将牵涉到的问题进行处理,根据问题是属于外观形式上的创新还是针对功能上的创新,将问题按照类别进行归类,并将需求参数化[10, 11].在进行外观和功能判别的过程中，需要借助于它们不同的表现形式,具体如表 2所示.

表 2 创新原理的六元素 Table 2 Six elements of innovation principle
类别表现形式具体内容
功能创新实现原理表现形式基础的物理化学现象
机械结构表现形式机械制造基础
使用方式表现形式人机工程原理
外观创新 形态语义表现形式造型基础设计
色彩材质表现形式色彩材质应用原理
社会传统表现形式设计思维
表选项

在现实生活当中,我们见到过成千上万种物理、生物或者是化学现象,但是能够真正应用到工程方面的现象仅仅有几百种.我们可以应用这些自然科学效应改进产品的功能.这些原理在一定程度上成为了产品设计的核心.

对于机械结构的分析在很大程度上能够帮助设计师找到多种装配路径.机械结构当中的元素对产品的生产有重要的影响.通过客观地分析机械结构,产品的功能可以得到很大的优化.

使用方式主要关注于客户怎么样使用产品,设计师可以根据客户具体的使用场景和一些特殊的需求,用人机工程参数来解决.

形式与语义：主要是设计师将自己的创意与大自然中的形态进行一定的融合,体现在外面的是点、线、面、体的混合形式.设计师应当在产品设计时多注重产品的外观符合客户的审美与情感.

色彩与材质：在产品设计中根据不同的加工要求需要使用不同的材质,设计师根据材质的性质以及一些美学的要求,赋予材质一些适当的色彩.

人文传统：表示一种信念、知识和特殊文化的体现.设计师在产品设计的过程中使用各种方法来拓展产品的概念,从而使得产品变得更加有内涵.

1.4 创新原理与六元素整合的TSI矩阵

从以上的研究过程中我们了解到一个产品形式除了可以表现为2种方式(六元素)的叠加之外,还可以表示为时间、空间、交互三大维度的混合.借鉴工业设计领域中A×B创新形式将产品的六元素功能作用维度进行信息特征整合,拓展原理使用内涵,明确功能使用范畴.根据原理的具体性质以及3种维度的融合形成 TSI设计矩阵.因此原有的发明原理具备了新的信息特征,被重新分配到对应的矩阵中.

这些原理包括外观设计类的同时也含有工程类的和两者通用的设计原理,所以在矩阵设计的时候有很多公用原理不会只在一个维度当中出现,有的甚至在3个维度中都会出现.这就在某些方面更加提高了创新原理的使用效率，将会更好地促进产品的创新改进.

2 基于新型发明原理融合的产品创新设计流程

第1步：确定设计目标.首先要确定设计的目标,要看出现有产品和理想化产品之间的差距.对于要改进的产品，从三维角度对其进行分析,确定要改进的方向.要找到需要满足的产品理想状态,将各个维度的需求具体化[12, 13].通过调研产品的设计资源、工程资源、市场资源等,针对产品提取出设计元素.

第2步：参数转化.将提取出的设计元素经过Martix2003参数比较,按照需要将具体的需求进行参数化处理并确定相关的参数.这一步在TSI矩阵构建中可以体现出来.

第3步：建立系统的黑箱模型.面向特定设计目标的TSI黑箱模型主要从交互领域、时间领域、空间领域等3个方面进行产品的改进.在这3个维度当中提取相关产品的几个方面.理想状态下的目标产品要保证其使用方便，与此同时可以打破传统的造型方式让使用者有一些新的体验.未来的产品将会变得更加美观，使用更加方便，用途更加广泛.具体的模型图如图 1所示.

图 1 TSI黑箱模型 Fig. 1 Black box model of TSI
图选项

第4步:根据参数通过三维矩阵找出相关的原理解(具体原理从表 3中获取)[5],构建解决问题的矩阵.产品的改进工作主要从外观以及功能这两大 部分来进行,矩阵当中外观与功能各自包含了3个方面,这六元素分别与时间、空间、交互进行有机结合形成矩阵，在最后通过产品的输出解决相关的问题，如图 2所示.我们已经从以上几步中了解到原有产品所存在的缺陷以及想要得到最终理想产品的状态.在图 2中左边将原有的产品作为输入信息,右边改进后的产品作为输出的信息,其中欠缺的就是中间的黑箱构建过程,我们在资源分析中提取相关设计元素将这些元素转化为矩阵2003当中的标准工程参数[14, 15],按照需要改进的参数的属性分配到矩阵空间当中去,再按需求在表 3对应的原理矩阵寻找解决问题的相关原理.从此构成了解决问题最终的矩阵,完成黑箱内部的结构.

表 3 效应矩阵三维图表 Table 3 3D diagram of effect matrix
产品六元素时间维度T空间维度S交互维度I
外观社会人文C16，D9，D11，D19，D10C5，D7，D8，D9，D19，D16C15，C16，C22，C24，C25，D7，D9，D17，D5，D12，D13
材质色彩C12，D5，D11，D13，D20D4，D5，D6，D8，D13C9，D12，D13，D24
造型语意C11，D11，D13，D20C1，C5，C13，C26，E19，D1，D2，D3，D10，D13，D14C9，C14，C19，C23，D12，D13，D21，D22，D17
功能 机械结构C9，C13，C16，E16，E19，E36，E37C1，C2 ，C4 ，C5，C23，C27，E12，E21，E32，E33C3，E18，E38
使用方式C17，C18，E1，E2，E5E7，E11，E16，E23，E29，E39，E41E3，C9，E4，C24，E33 C10，C19，C24，E4，E11，E17，E38
基本原理C7，C21，E1，E2，E3，E6，E8，E13，E14，E22，E24，E26，E27，E28，E40C13，C6，E13，E15，E19，E20，E21，E25，E30，E31C6，C14，C20，E9，D12
表选项

图 2 TSI矩阵模型 Fig. 2 Matrix model of TSI
图选项

第5步：通过原理的组合找到合适的解决方案.根据客户具体的需求进行产品的输出.从六元素每一个元素引出3条线(分别代表时间T、空间S、交互I)，具体如图 3所示.

图 3 解决流程图 Fig. 3 Solution flow chart
图选项

第6步：构建出产品的模型.

产品创新流程如图 4所示.

图 4 产品创新流程 Fig. 4 Product innovation process
图选项
3 应用案例——快递车车厢的改进 3.1 快递车产品资源分析

随着快递业的发展,快递车的作用越来越明显.但是当前快递车存在着很多问题，使用不方面，更没有情感化的东西在里面.

所以为了提升快递效率并增强情感化方面的需要，对其在造型、使用方式、社会创新、使用效率等方面进行改进.可以通过表 4来看产品的资源分析[16].

表 4 快递车产品资源分析 Table 4 Product resource analysis of express car
资源种类资源内容提取设计元素
设计资源文化快递车厢的设计传达着一种社会文化及理念，快递车设计在很大程度上是体现社会的创新社会创新
风格快递车厢设计在一定程度上能够关乎到使用者的心情，在快递车厢上进行大胆的创新会有想不到的效果色彩
传统1.传统的快递车厢设计多数使用纯方盒子形状;2.在功能以及结构上并没有一定的关联，在很大程度上是一个样造型
客户需求设计的快递车厢具有美观性，使用便捷、适当的可增加配件外观类型、配件
工程资源 材料1.为了可持续设计，快递车厢上的材料应当用一些可回收材料，以满足再资源化需求;2.快递车厢上的一些塑料制品应当无毒且能重复利用，机械强度良好，易于加工，加工尺寸稳定，表面光泽好;3.金属材料保持质轻、耐腐蚀、易加工材质、材料
机械结构1.快递车生产安全;2.内部结构便于移动，在架与架之间利用自动拆卸装置，便与分区结构、安全性能
使用方式1.可以将快件进行区域划分;2.将文件类和物品快件进行有效的区分;3.将内部区域进行大小划分(各个空间可大可小)使用方式
人机交互1.快递员需要长时间送快件，所以快递车厢的结构关乎着使用人的感受;2.使用人多次出入多种环境，所以快递车厢应当有利于帮助快递员减少用时;3.便于从车厢内部往外取件车厢内部结构
市场环境资源 消费定位快递车主要用在快递公司(申通、圆通等)专门化
销售资源快递车的价位为2 000~8 000元，快递员自身并没有权利对使用工具进行决策，决策权在快递公司管理层，因此在设计时要保证产品的性价比品质性
服务资源快递车对于一个公司来说属于长期使用的产品，对于使用的人来说不仅需要可靠的质量，同时售后服务也特别重要，定期的售后服务更加有利于快递车的可持续改进回收拆卸
表选项
3.2 快递车车厢TSI黑箱模型

需要对快递车的主体部分——车厢进行改进,改进特定的效应共有5点：1)使用方便快捷；2)效率高；3)新的使用方式；4)社会创新；5)造型新颖.黑箱模型如图 5所示.

图 5 快递车黑箱模型 Fig. 5 Express car black box model
图选项
3.3 快递车车厢TSI模型求解

通过对设计元素的提取，将其进行参数化处理.

比如将工程资源中的机械结构归为六元素中的机械结构,然后根据资源内容转化为标准工程参数.将设计元素结构转化为矩阵2003中的参数No.43自动化程度和No.5运动物体体积,同时又属于空间维度的范畴,故在矩阵表中对应找到相关原理C1(分割)与E21(改变运输与存储状态).

将工程资源中的材料一项归为六元素中的外观类材质色彩,将其转化为标准参数No.39美观性,在表 3中找到相关的原理D13(人文美观).在车内部用到了皮革材质,既美观又减轻了车门的负重.

依次根据需要的设计元素进行参数转化并通过查询矩阵,可以找到相关的解决原理,完成快递车模型的内部矩阵.具体结果如图 6所示.

图 6 快递车求解矩阵图 Fig. 6 Matrix graph of express car
图选项

通过以上矩阵,根据发明原理的提示去探索相关的解决方法,具体的如图 7所示,最后根据探索出来的解决方法进行产品模型的构建,并画出相关的产品效果图，如图 8至图 10所示.

图 7 快递车解决方法探索模型 Fig. 7 Exploration model of express car
图选项

图 8 车厢模型结构 Fig. 8 Compartment model structure
图选项

图 9 内部结构图 Fig. 9 Internal structure diagram
图选项

图 10 产品模型外观 Fig. 10 Product model appearance
图选项
4 结束语

通过探索面向特定目标效应在产品创新中的应用,不仅将产品设计集合了艺术学、制造学科、人机工学等多种知识,而且形成了一套独特的方法与理论体系.笔者提出的产品特定效应TSI矩阵研究法是建立在发明原理之上的一种设计分析方法.将整个过程系统理性地归类,再运用人机工学、艺术学等知识综合分析,从而得到最优化的解决方案.

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http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2016.01.003
教育部主管，浙江大学和中国机械工程学会主办
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邢锡金, 曹国忠, 刘伟, 吴中富
XING Xi-jin, CAO Guo-zhong, LIU Wei, WU Zhong-fu
基于Matrix 2003与效应的产品工业设计创新方法研究
Research on the innovation method of product industrial design based on Matrix 2003 and effect
工程设计学报, 2016, 23(1): 14-21
Journal of Engineering Design, 2016, 23(1): 14-21.
http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1006-754X.2016.01.003

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收稿日期: 2015-10-05

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