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TRIZ與生態設計

TRIZ包含三個基本工具：系統矛盾分析、效應知識庫和物質—場分析。系統矛盾表現為改善一個系統特征卻惡化了另一個系統特征，系統矛盾分析用TRIZ矛盾矩陣的39個工程參數描述該矛盾，然后用40條發明原理解決并翻譯為原矛盾的現實解。效應知識庫用物理、化學、生物等領域中的有關原理和規律解決創新問題。物質—場分析將功能分為兩種物質和一種場，兩種物質通過場相互作用形成產品功能。一般地，TRIZ解決問題的過程：首先將現實問題轉換為TRIZ問題，然后用TRIZ工具解獲得TRIZ解，最后將TRIZ解翻譯為現實問題的解。

如圖1所示。為指導企業開發環保產品和流程，世界可持續發展工商理事會(Worldbusinesscouncilforsustainabledevelopment,WBCSD)提出了7個生態效率要素：①減少產品和服務的材料密集度(A)；②減少產品和服務的能源密集度(B)；③減少有毒物的擴散(C)；④提高原料的可回收性(D)；⑤促使可再生資源的永續使用(E)；⑥提高產品的耐用性(F)；⑦增加商品的服務密集度(G)。

CHEN等總結了WBCSD7個生態效率要素和TRIZ39個工程參數之間的關系，建立了工程參數與生態效率要素關聯表，如表1所示。以上學者和研究人員從多個角度研究了TRIZ在產品設計中的應用，從已有方法和成果來看，還存在一些可改進之處，譬如可充分利用歷史設計案例，分析失效專利以直接采用，進行專利規避以避免法律風險，系統化創新方法以減少設計的盲目性等。

集成TRIZ的產品生態設計過程

針對以上生態設計方法的不完善之處，有必要提出一個系統的、創新的生態設計方法。本文利用TRIZ技術工具能夠系統性、創新性地解決生態設計矛盾的優勢，提出了集成TRIZ的產品生態設計過程框架，如圖2所示。主要步驟：首先，獲取客戶需求，在專利庫和案例庫中搜索匹配歷史產品設計，若匹配成功則直接選為備選方案，若沒有類似設計則提取技術特性并轉化為生態設計工程特性，從關聯表找出相應的工程參數；然后運用矛盾矩陣、效應知識庫或物質—場分析方法進行求解；最后，評價生成的多個備選方案，確定最優解。

1檢索案例和失效專利

歷史產品生態設計案例是企業重要的無形資產，蘊含于失效專利中的創新觀點和實用價值并未喪失。注重知識的重用，利用歷史案例和失效專利直接進行生態設計，可以大大提高設計效率，避免資源浪費。歷史案例可以是企業自主創新設計的產品，也可以是手冊、專著和網絡信息等文獻資源中出現的案例。失效專利可從中國失效專利光盤數據庫或國家知識產權局網站獲取。對于國外專利，則需要通過世界專利索引檢索并檢查是否申請中國專利。從產品功能角度看，客戶的產品需求一般可以分為基本功能需求和附加功能需求，其中都可能含有一定的生態、綠色需求。直接獲取的客戶產品需求具有模糊性和不規范性，需要對其進行簡單的處理才能進行檢索。處理的方法主要是關鍵詞分詞提取，如節能、靜音、安全等。檢索的方法有關鍵詞檢索、組合檢索，結果按相似度、相關性順序排列。

關鍵詞在文本中的重要程度以權重表示，按照TF-IDF公式計算式中，wik為詞tk在文本矢量Di中的權重，fik為詞tk在文本矢量Di中的詞頻，N為文本矢量空間中文本的總數，Nk為文本矢量空間中出現詞tk的文本數，M為文本矢量空間中所有有效詞項(去除中文停用詞)的總數，wik∈。若設領域本體對象間的相關度(由領域專家給定)即關系權值為wrk∈，則檢索結果與檢索詞的相關度為

2構建矛盾矩陣

在沒有歷史案例和失效專利可利用的情況下，需要設計新的生態產品。首先，利用TRIZ的技術進化規律進行趨勢分析，大致推斷產品未來的技術系統進化方向，為生態設計提供思路。進化潛力雷達圖是分析進化趨勢的有用工具，如圖3所示。

雷達中心是進化原點，最外圍是進化極限，在每個進化路徑上標出技術現狀，連接起來圍成的灰色區域即為當前技術系統范圍，其余區域為進化潛力范圍。產品生態設計應立足現有技術，向進化潛力范圍逐步擴展，率先推出采用新技術的產品以占領市場或獲取高額利潤。然后通過質量功能配置、生態質量功能配置(QFDforenvironment,QFDE)將客戶需求映射為工程技術特性和生態設計工程特性并按照WBCSD的7個生態效率要素進行歸類。當需要考慮的生態效率參數較多時，利用層次分析法(判斷矩陣的要素由WBCSD7個生態要素組成)獲得生態效率參數。為了簡化矛盾矩陣以便于求解，同時為集中技術力量改善產品生態特性，按照以下算法獲得最需要改善的生態效率參數。

設每個生態效率要素中的生態設計工程特性個數為wi(i=1,2,…,7)，層次分析法的輸出值為ui，則取ri≥1所對應的生態效率參數作為需要改善的由此參照表1確定TRIZ工程參數，構建TRIZ矛盾矩陣，然后使用TRIZ提供的方法進行求解。

3運用TRIZ工具求解

TRIZ提供了三種技術工具：矛盾矩陣、效應知識庫和物質—場分析。若從上述分析可以獲得矛盾矩陣，則使用矛盾矩陣的發明原理求解，否則采用效應知識庫和物質—場分析求解。輔助設計系統知識庫中存儲大量生態產品設計案例，已按照案例中使用的TRIZ工具仔細分類。因此，不論使用何種工具，都可以給出相應的使用該工具求解的實例，詳細解釋抽象的發明原理和使用指導，激發設計人員靈感。

求解矛盾矩陣時，若存在多對矛盾，首先由矛盾矩陣找到各對矛盾相應的發明原理，然后找出其中出現頻率相對較高的發明原理，使用這些發明原理求解的成功率和效率會比較高。同時，求解得到的設計方案可能會使某些必需功能弱化，為此還需要進行功能檢驗，只有滿足基本功能需求的方案才能列入備選方案。若不能滿足，則還需要重新求解，將基本功能工程參數作為求解前提，直到得到滿意解。此外，還需要檢索專利庫，將已申請專利的備選方案排除，進行專利規避。

4生態設計方案的評價

按照以上方法和步驟獲取的生態產品設計方案可能會有多個，需要對它們進行評價，從中選取較優的方案。簡單的評價方法可以從成本、交貨期、質量、服務和生態性等幾個方面進行綜合評價，適用的數學方法有層次分析法、數據包絡分析法、模糊集法和人工神經網絡法等。詳細的評價方法則涵蓋生命周期評價(Lifecycleassessment,LCA)或生態足跡(Ecologicalfootprint,EF)等指標。

應用案例

1構建計算機輔助設計系統

集成TRIZ的產品生態設計是一個復雜、系統、循環往復的過程，不是一次性的工作。設計過程需要調動企業不同領域的資源，包括人力、技術和信息資源，并且要不斷監控和評價執行過程，修改原來的分析和選擇。為此，設計一個支持集成TRIZ的產品生態設計的計算機輔助系統，提供大量信息和知識支撐，輔助設計人員工作，有效提高設計效率。系統功能結構如圖4所示。

(1)知識檢索。產品數據庫存儲與生態設計案例產品有關的數據，如材料、尺寸、圖紙等；知識庫存儲設計標準、設計手冊、法律法規、TRIZ參數闡釋等知識；專利庫存儲從中國、美國、日本、歐洲等專利局網站上下載的專利數據。知識檢索從產品數據庫、知識庫、專利庫中檢索產品數據、生態設計案例、相關專利、TRIZ工程參數和發明原理等信息和知識，為生態設計提供知識支持。

(2)數據存儲。按產品類別將獲取的客戶需求整理存儲，用作客戶需求統計分析，讓設計人員更好地傾聽顧客的聲音。將CAD軟件繪制的概念設計草圖或手繪草圖掃描后存儲在數據庫中，便于保存和查詢，為后續的初步設計和詳細設計提供參考依據。

(3)計算分析。該系統可輔助設計人員進行AHP計算(圖5)以獲取最需要改善的生態效率要素；進行專利統計分析獲取技術進化趨勢；進行簡單的設計方案評價以選取最優方案。

2實例

摩擦片差速器是一種高摩擦自鎖式差速器，結構簡單、工作平穩，常用于轎車和輕型貨車上，如大眾高爾夫轎車即采用這種差速器。當一側車輪滑轉或車轉彎時，由于轉速差和軸向力的作用，主、從動摩擦片滑轉同時產生摩擦力矩。因此摩擦片需要良好的耐磨性和較少的質量。

假設需要設計一種新的摩擦片，結合TRIZ技術進化規律和專利、文獻進行技術趨勢分析可以得出：接觸面材料的創新和發展是摩擦片發展的主要內容，接觸面材料以前采用駝毛皮、皮革帶、木塊等，然后采用青銅、鋼等金屬，現在多采用以石棉為基礎的編織材料，未來將采用有機材料(如芳綸)、金屬陶瓷材料(由金屬基體、陶瓷和潤滑劑組成的多元復合材料)。按照WBCSD的分類，良好的耐磨性即F，較小的質量即A。對照表1，相應的TRIZ工程參數分別為23、26和15。TRIZ矛盾矩陣如表2所示。從表2中得出，發明原理“03.局部質量”出現次數最高，求解時應重點考慮。如摩擦片采用雙層結構設計，接觸面的一層采用輕質復合耐磨材料，另一層則只需要保持力學性能，如圖6所示。

結論

產品設計不僅要兼顧性能和創新，也要注重生態性。在產品生態設計過程中，矛盾是經常出現的，設計過程即是解決矛盾的過程。(1)集成TRIZ的產品生態設計方法系統地結合了案例、專利、計算機輔助設計系統，彌補了傳統設計方法的不足，改進了設計過程并縮短了設計周期，有效提高了生態設計的效率和成功率。(2)本框架也存在一定的局限性，如模型框架較為粗略、輔助設計系統功能簡單等，隨著對生態設計本質和需求的進一步認識，將逐步加以修正和完善。

作者：劉征潘凱顧新建單位：浙江大學現代制造工程研究所