表1(Table 1)
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
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
市场经济促使企业在竞争中不断成长，创新成为企业成长的动力.传统的产品创新设计方法，基本是凭借设计师个人的创新思维意识和设计经验积累，缺乏行之有效的系统化理论和科学的指导方法，这就造成新产品的开发存在较大的偶然性和商业风险[1].本文通过对工业设计中情景分解法的研究和对TRIZ理论中相关知识的探索性应用[2-3]，提出一种基于物质-场情景分解法来分析产品全生命周期中的问题，形成产品创新设计的系统性创新方法.该方法以情景分解法为基础，结合发明问题解决理论——TRIZ理论体系中的物质-场分析法将具体问题转化为功能模型，进而应用标准解对问题进行求解.这种方法将为情景分解法提供有效的问题解决思路，弥补情景分解法在解决问题方面的缺陷，提高产品创新设计的效率和成功率.
1 物质-场分析法物质-场模型是TRIZ理论体系中的问题分析工具，它借助于特定的符号来描述系统问题，用图形工具将一个复杂系统描述为一个简单的系统模型[4].物质-场模型构建的基础是：通过对一系列系统问题的分析，发现几乎所有系统都可以经过不断细化分解，最后归结为由2种物质和1种场组成.2种物质分别为S1与S2，S1为物质或者原料，S2为工具，场表示为F.物质-场模型，就是工具S2在场F的作用下，作用于物质S1，使其达到预期的效果[5-6].具体模型如图 1所示.
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| 图 1 物质-场模型 Fig.1 Substance-field model |
对于一个理想的系统，要实现相应的功能，至少需要3种元素(2种物质和1种场)，并且将3种元素进行一定形式的组合，形成一定的逻辑关系.当系统缺乏相关元素，或者3个元素的组合没有实现预想的功能甚至是产生了有害效应时，就需要引入额外的物质或者场来补充和完善当前系统，从而使系统达到理想效果[4, 7].通过物质-场模型分析，将复杂系统问题转变为简单的元素之间的作用关系问题，进而采用76个标准解来解决问题，可以快速有效地形成问题的解决方案[8].
2 基于产品生命周期的情景分解法 2.1 产品生命周期产品生命周期是产品从设计开发、包装运输、生产销售直到回收处理再资源化的整个过程，是对一款产品生命过程的描述.将产品置于一个完整的系统当中，来研究其带来的影响[9-11].
2.2 情景分解法情景分解法，顾名思义就是将一个完整的情景分解成一系列相互连接的最简化的步骤，然后单独分析每个步骤，得出需要改进的步骤，并结合问题解决方法改进该步骤.情景分解法最大的好处就是可以理性、完整地分析一个场景，不会导致重要情节的遗漏[12-13].
2.3 产品生命周期的情景分解将一款产品按照生命周期顺序分解形成n个情景节点：
1) 对情景节点作进一步分析，对于一些没有必要改进的项目就不再进行下一步的分解；对于需要改进的则继续进行分解，直至分解到不可再分解，得到简单的系统模型.
2) 明确设计目标和预期效果，依据可持续设计理念下的产品生命周期理论以及相关设计方法对分解得到的步骤进行辨别分类.大体上分为2类：第1类是重要的情景片段，对产品的改进设计起到重要作用；第2类就是一些有害及需要简化的步骤，对这些步骤需进行一些改良设计[14].
按照情景分解法建立产品生命周期的情景分解图，如图 2，其中Sx代表相应的情景节点.建立情景分解模型的步骤如下：
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| 图 2 情景分解模型 Fig.2 Scenario decomposition model |
第1步：按照产品生命周期流程：材料选择S1，设计制造S2，包装S3，…，再生产Sn，将生命周期划分为相应的情景片段，建立第1层的情景节点.
第2步：明确设计任务.通过对第1层情景片段的分析，去除一些没有必要再去分析的情景片段；选择与产品设计改进相关的情景节点Sx进行更加深入的分析，得到第2层情景片段Sx.1，Sx.2,…,Sx.l.
第3步：重复步骤2，直到将所需要的情景分解为最简单的动作，找到相关问题所在.
3 物质-场理论在情景分解中的应用 3.1 物质-场与工业设计融合研究通过物质-场模型构建系统问题的简化模型，应用TRIZ理论体系中的76个标准解来解决问题[15].结合设计领域的特点，为了使工业设计师能够更有效地应用 TRIZ理论方法及工具，通过优化76 种标准解法(宏观)形成适用于设计领域实践的设计标准解法(微观)，从微观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[16-17].具体如表 1所示.
| 标准解分类 | 名称 | 解法 | 注释 |
| G1 | 物质改进 | G1.1引入物质合成 | 引入一种物质产生一种效果 |
| G1.2引入物质抵消 | |||
| G1.3物质互变 | |||
| G1.4多系统应用 | 引入物质组成多系统(双物质-多物质) | ||
| G2 | 场模型改进 | G2.1引入场合成 | 使用一种场产生另外一种 |
| G2.2引入场抵消 | |||
| G2.3控制场能量 | 机械能、电能、磁能、化学能、热能 | ||
| G2.4分层次应用 | 动态应用场能量 | ||
| G3 | 环境状态改进 | G3.1物质状态互换 | 固态-液态-气态 |
| G3.2动态化环境 | 时空先后顺序 | ||
| G3.3状态转换 | 最大最小粒子化环境 | ||
| G4 | 特殊效应 | G4.1应用科学自然现象 | 自控制转变 |
| G5 | 改进前述的标准解 | G5.1分解物质 | 得到简化的方案 |
| G5.2合成物质 |
物质-场情景分解法的使用流程如下：
第1步：选定设计对象，从宏观层面分析存在的问题；
第2步：对产品进行全生命周期的设计资源分析，提取设计元素，进一步明确设计方向；
第3步：建立产品全生命周期的情景分解图，根据确定的设计要素，进行相应的情景片段分解；
第4步：根据情景分解片段，发现问题，建立物质-场功能分析模型，探讨各项微观层面上的创新可能；
第5步：基于建立的物质-场功能分析模型，确定待深入改进的支撑功能模型，并查找标准解法，解决问题，改进产品设计.
4 案例分析随着中国老龄化的加剧，轮椅的消费数量逐渐增加.使用对象、地域和环境的复杂性，要求轮椅具有一些新的甚至是针对性的改进设计，以满足使用者的不同需求[18-19].本文以轮椅设计为例，论证物质-场情景分解法在产品改进设计中的可行性.
4.1 轮椅设计的问题分析首先对轮椅设计的相关问题进行一个宏观的分析，从整体层面认识设计对象，如表 2所示.
| 内容 | 应用分析 | |||
| 设计目标 | 1.满足老年人或残疾人使用需求的特征 | 2.改进目前产品存在的缺陷 | 3.融合环境和人文需求 | |
| 满足需要的理想状态 | 1.安全，符合相关部门的要求 | 2.便捷，父母和子女使用过程中更加方便快捷 | 3.经济，具有较高的经济效益 | 4.体积适中，结构强度大 |
| 现实产品和理想产品之间的差距 | 1.现有产品回收困难，产品使用周期较短 | 2.缺乏一定的人文和情感关怀设计 | 3.成本较高 |
从产品生命周期出发，对轮椅的设计资源、工程资源以及市场环境资源进行搜集整理，为轮椅的创新改进提供设计依据.表 3是通过市场调查对轮椅设计资源的汇总.
| 资源种类 | 资源内容 | 设计元素 | |
| 设计资源 | 文化 | 人与轮椅之间是一种无声的交流，轮椅的设计传达着一种人文关怀及生活理念，轮椅设计在很大程度上体现社会观念的创新 | 社会创新 |
| 风格 | 色彩设计在一定程度上能够关乎到使用者的心情，老年人喜欢成熟稳重的色彩，孩子们喜欢红、绿等一些鲜艳的色彩 | 色彩 | |
| 传统 | 功能以及结构和使用者的年龄要有一定的关联，避免造成造型结构的模式过于单一 | 造型 | |
| 客户需求 | 不同的客户，自身特殊的需求不同.通过增加不同的附属结构设计，满足不同类型使用者的需求 | 外观配件 | |
| 工程资源 | 材料 | 可持续设计，功能完善，节约成本，材料易加工，可回收，环境污染少或者无污染 | 材质、材料 |
| 人机交互 | 1.非完全能力人需要长时间在轮椅上生活，所以轮椅靠背的舒适程度关乎着轮椅使用人的感受 | 靠背结构 | |
| 2.使用人经常在各个环境当中出入，而有的路面并不是特别平整，所以轮椅的坐垫需要柔性处理，以减少颠簸 | |||
| 市场环境资源 | 消费定位 | 随着人们生活水平的提高，人们在基本需求得到满足后，对自己所居住环境的要求越来越高.人们渴望回归到自然健康节约的生活当中去，这就促进了可持续产品的热销 | 可持续性 |
| 社会经济 | 对于轮椅来说，东部沿海发达地区对轮椅的接受程度远远高于西部偏远落后地区 | 价位 | |
| 销售资源 | 轮椅的价位从几百元到几千元不等，根据国内一、二线城市的消费水平来看，一个残疾人的月消费平均为1 000元左右，轮椅作为一个一次性消费用品，国内可以接受的价格为400~900元，属于市场上中档轮椅 | 品质性 | |
| 服务资源 | 轮椅对于一个家庭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，定期地进行服务更加有利于轮椅的可持续改进 | 回收拆卸 |
通过对资源的归纳和分析，可以明确问题的方向.在轮椅生命周期的情景分解过程中，有针对性地对具体的情景片段进行深入分解，建立物质-场分析模型.
4.3 产品全生命周期的情景分解图结合既定设计目标与资源分析结果，选择生命周期中相应的情景片段，建立物质-场模型.这些片段主要集中在产品的设计与制造阶段.
就轮椅的安全性能来讲，其情景分析模型如图 3所示，具体建立过程如下：
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| 图 3 轮椅安全稳定性情景分解图 Fig.3 Wheelchair safety and stability analysis based on the scenario decomposition method |
1) 首先根据轮椅全生命周期流程：材料选择S1，设计制造S2，包装S3，…，再生产Sn，设立情景节点，建立第1层情景分解图.根据设计需求，找到产品设计制造的情景模拟片段.该片段中包括产品的很多性能参数，比如安全性能、工艺性能、人机舒适性能等.
2) 根据情景分解模型，将情景片段—设计制造S2，作出进一步分解，分解出产品安全性能情景片段S2.1，建立第2层情景分解图，其中安全性能又包括结构稳定安全S2.1.1，色彩安全S2.1.2，……，使用安全S2.1.m等方面.
3) 接着列出结构稳定安全S2.1.1的情景片段，进行具体使用情景分析：轮椅使用者在操作轮椅时需要考虑路面的平整性，从而减少颠簸性.从这一需求出发，试着列出轮椅驶过不平整路面时的场景如下：初始状态→推动→过路→震动→停止.
4.4 构建轮椅的物质-场模型轮椅整体结构有着较好的稳定作用，需要关注的是由于路面的不平整带来的颠簸，因此要建立安全模型，需要有避震装置，充分吸收路面不平所带来的轮椅摇晃颠簸等震动.构建物质-场模型，进行分析，得出需要在原来的物质-场模型上引入第3种物质(例如减震装置、减震坐垫等)来改进轮椅，消除有害影响.应用设计领域通用的标准解G1.1引入一个物质消除有害影响,如图 4所示.
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| 图 4 轮椅安全减震模型 Fig.4 Substance-field model for wheelchair safety & damping |
进一步分析标准解，探讨微观层面上的问题解决方式，得到如下解决方案:
方法1：在上车架和下车架之间安装减震弹簧，将连接结构改为柔性连接，可以有效起到减震效果，如图 5；在轮椅轮轴和车身之间安装减震弹簧或者液压减震装置，减少震动，如图 6所示.
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| 1—上车架；2—减震弹簧；3—下车架. 图 5 轮椅车身减震模型1 Fig.5 Wheelchair damping design model 1 |
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| 1—车架；2—减震弹簧；3—车轮. 图 6 轮椅车身减震模型2 Fig.6 Wheelchair damping design model 2 |
方法2：改善轮椅坐垫和靠背的材质和结构设计，使用减震效果更好的材料，减小震动，增强使用者的舒适度.
方法3：方法1和方法2这两者的结合使用.
4.5 轮椅模型建模对轮椅的全生命周期进行情景分解，对出现的问题建立物质-场模型进行分析，并应用标准解来解决发现的问题.在运用系统化的创新方法改进设计之后，为使解决方案具有直观视觉效果，建立简单模型效果，如图 5和图 6.
5 结束语系统化的产品创新设计方法，对企业在市场中的生存尤为重要.本文提出的物质-场情景分解法，将产品设计中的情景分解法与TRIZ理论中的“物质-场”模型分析法相结合，把产品生命周期中出现的复杂的系统问题转化为简单的功能模型问题，进一步运用设计领域的标准解来解决问题，从而形成一种系统化的产品创新设计方法.这种方法为情景分解法提供有效的问题解决方法，弥补情景分解法在解决问题方面的缺陷，有效地扩充了产品创新设计的知识方法库，提高了产品创新设计的效率和成功率.
| [1] | PAH G, BEITZ W. Engineering design: a systematic approach[M].(2th ed). London: Springer-Verlag , 2000 : 97 -99. |
| [2] | 丁俊武, 韩玉启, 郑称德. 创新问题解决理论:TRIZ研究综述[J]. 科学与科学技术管理 , 2004 (11) : 53–60. DING Jun-wu, HAN Yu-qi, ZHENG Cheng-de. The theory of inventive problem solving: TRIZ research summary[J]. Science and Technology Management , 2004 (11) : 53–60. |
| [3] | 丁俊武, 韩玉启, 郑称德. 基于TRIZ理论的产品可持续设计研究[J]. 机械制造 , 2005 (9) : 8–10. DING Jun-wu, HAN Yu-qi, ZHENG Cheng-de. Sustainable product design of mechanical manufacturing based on TRIZ theory[J]. Mechanical Manufacturing , 2005 (9) : 8–10. |
| [4] | 檀润华. TRIZ理论及应用[M]. 北京: 机械工业出版社 ,2002 : 221 -238. TAN Run-hua. Innovation design—TRIZ: theory of innovation problem solving[M]. Beijing: China Machine Press , 2002 : 221 -238. |
| [5] | ALTSHULLER G. The innovation algorithm, TRIZ, systematic innovation and technical creativity[M]. Worcester: Technical Innovation Center, Inc , 1999 : 84 -89. |
| [6] | TERNINKO J.Su-field analysis[EB/OL].[2016-01-01].http://www.triz-journa1.com,2000. |
| [7] | 廖宇生, 杨雄勇, 杨帆. 基于TRIZ理论中理想解的工业设计创新研究[J]. 艺术与设计(理论) , 2007 (5) : 125–126. LIAO Yu-sheng, YANG Xiong-yong, YANG Fan. Research on industrial design innovation based on the ideal solution of TRIZ theory[J]. Art and Design (Theory) , 2007 (5) : 125–126. |
| [8] | KALEVI Rantanen, ELLEN Domb. Simplified TRIZ new problem solving applications for engineers and manufacturing professionals[M]. Beijing: China Machine Press , 2010 : 92 -138. |
| [9] | 张军. 产品生命周期理论及其适用性分析[J]. 华北电力大学学报(社会科学版) , 2008 (1) : 31–36. ZAHNG Jun. Product life cycle theory and its applicability analysis[J]. North China Electric Power University (Social Sciences) , 2008 (1) : 31–36. |
| [10] | 蓝海林. 产品生命周期理论的战略含义[J]. 华南理工大学学报(自然科学版) , 1997 (4) : 4–8. LAN Hai-lin. The strategic implications of the product life cycle theory[J]. South China University of Technology (Natural Science) , 1997 (4) : 4–8. |
| [11] | 任工昌, 吕桂志. 基于TRIZ理论研究工业设计对产品成熟度预测的影响[J]. 机械设计与制造 , 2009 (3) : 264–265. REN Gong-chang, LÜ Gui-zhi. Research on the impact of industrial design on product maturity prediction based on TRIZ theory[J]. Mechanical Design and Manufacturing , 2009 (3) : 264–265. |
| [12] | 张学才, 郭瑞雪. 情景分析方法综述[J]. 理论月刊 , 2005 (8) : 127–128. ZHANG Xue-cai, GUO Rui-xue. Summary of scenario analysis method[J]. Theory Monthly , 2005 (8) : 127–128. |
| [13] | 刘俊杰, 李树林, 范浩杰, 等. 情景分析法应用于能源需求与碳排放预测[J]. 节能技术 , 2012 (1) : 70–75. LIU Jun-jie, LI Shu-lin, FAN Hao-jie, et al. Scenario analysis method is applied to forecast energy demand and carbon emissions[J]. Energy-saving Technology , 2012 (1) : 70–75. |
| [14] | 周浩, 张换高, 惠新军, 等. 基于情景分解法的电插头设计[J]. 装饰 , 2010 (12) : 108–109. ZHOU Hao, ZHANG Huan-gao, HUI Xin-jun, et al. Security power plug design based on the scenario decomposition method[J]. Decoration , 2010 (12) : 108–109. |
| [15] | 张磊.基于TRIZ理论的工业设计创新方法研究[D].天津:河北工业大学建筑与艺术设计学院,2007:30-40. ZHANG Lei.Study of industrial design innovative methods based on TRIZ[D]. Tianjin: Hebei University of Technology,School of Architecture and Art Design,2007:30-40. |
| [16] | 邹尝一.基于TRIZ理论的新型工业设计体系构建与应用[D].广州:华南理工大学机械工程学院,2010:120-128. ZOU Chang-yi.Construction and application of the new industrial design system based on TRIZ[D]. Guangzhou: South China University of Technology,School of Mechanical Engineering,2010:120-128. |
| [17] | 丁俊武.基于创新问题解决理论的产品设计方法及其应用研究[D].南京:南京理工大学经济管理学院,2005:37-44. DING Jun-wu.Approach to product design and its application based on innovative problem-solving theory[D]. Nanjing: Nanjing University of Technology and Engineering,School of Economics and Management,2005:37-44. |
| [18] | 袁艳丽, 关天民, 秦美超. 轮椅舒适度评价体系与评价方法研究[J]. 机械科学与技术 , 2014 (3) : 332–338. YUAN Yan-li, GUAN Tian-min, QIN Mei-chao. Wheelchair accessible comfort evaluation system and method[J]. Mechanical Science and Technology , 2014 (3) : 332–338. |
| [19] | 秦田.基于人体压力分布的轮椅舒适性角度分析与研究[D].天津:天津科技大学机械工程学院,2014:13-35. QIN Tian.Analysis and research on the wheelchair comfort based on the perspective of body pressure distribution[D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology,School of Mechanical Engineering,2014:13-35. |
