■曾盼盼，陶 濤，陳星艷，尹志遠，張敘俊，宋 玲，袁 園 Zeng Panpan & Tao Tao & Chen Xingyan & Yin Zhiyuan & Zhang Shujun & Song Ling & Yuan Yuan

(1.中南林業(yè)科技大學，湖南長沙 410004；2.圣奧科技股份有限公司，浙江杭州 310000；3.湖南科技職業(yè)學院，湖南長沙 410004）

面對消費者對于產(chǎn)品多樣化和求新的需求，只有不斷進行設計創(chuàng)新才能有效滿足其需求，因此不少企業(yè)已將創(chuàng)新列為提高競爭力的重要因素和發(fā)展趨勢[1]。在辦公椅同質(zhì)化現(xiàn)象普遍的情況下，企業(yè)面臨著創(chuàng)新問題的挑戰(zhàn)。而使用創(chuàng)新設計方法可以更有效解決產(chǎn)品設計的問題，幫助產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計，提高產(chǎn)品的設計水平和性能。目前，國內(nèi)外所熟知的主流的創(chuàng)新方法有TRIZ理論、可拓學理論、公理化設計、QFD等，其中可拓學和TRIZ理論在應用中都取得了良好的創(chuàng)新效果，兩者都是以解決矛盾問題為主，但在解決問題時具有各自的優(yōu)勢和特點[2]。為了能更大地發(fā)揮可拓學和TRIZ創(chuàng)新方法在辦公椅[3-4]產(chǎn)品設計中的作用，本文將利用兩種理論的優(yōu)勢對其進行有機融合，建立設計流程，并以辦公椅為實例進行應用。

1 可拓學和TRIZ理論概述

1.1 可拓學理論概述

可拓學是數(shù)學、哲學與工程交叉的一門新興學科，為解決矛盾問題，其以矛盾為對象，利用形式化的模型的方式來探索事物間的拓展可能性并且創(chuàng)建了用于創(chuàng)新的方法。它以一套程序化的方法幫助人們按照程序處理矛盾問題和開拓創(chuàng)新,是高效的創(chuàng)新方法之一[5]。在可拓學中，建立了物元、事元、關系元（統(tǒng)稱為基元）來描述物、事和關系。基元(B)作為邏輯細胞的基本表達式為

可拓創(chuàng)新方法是可拓學用于創(chuàng)新的基本方法，使用流程一般是先用形式化的方式表示矛盾問題，通過發(fā)散樹、相關網(wǎng)、蘊含系、分合鏈的4種拓展方法進行拓展，再通過置換、增刪、擴縮、分解、復制的5種基本變換方法以及與、或、積、逆的4種基本運算，來獲得創(chuàng)新方案，最后通過可拓優(yōu)度評價，獲取較優(yōu)方案[8]。

■圖1 基于可拓學和TRIZ方法的設計流程

■圖2 辦公椅N的結構圖

1.2 TRIZ理論概述

TRIZ作為發(fā)明問題系統(tǒng)化解決的理論是基于知識的、面向人的，適用于各個行業(yè)[9-10]，其可以幫助人們突破思維，探索解決問題的方法?，F(xiàn)代TRIZ理論體系中包括功能模型分析法、因果鏈分析法、39個工程參數(shù)、40個發(fā)明原理、矛盾矩陣、物—場模型分析等理論工具，核心是利用發(fā)明原理工具解決矛盾矩陣中的沖突，以達到最終理想解[11]，其解決問題的流程一般是先定義問題，其次是分析問題，再通過分析解的方式選擇最優(yōu)解[12]。

2 基于可拓學和TRIZ 的設計流程

可拓學具有形式化、一般性、可操作化的特點，能給設計者提供完整的思考路徑與模式。TRIZ則在工程應用上比較廣泛，能為設計者提供解決問題的有效方法和解決設計中“如何做”的問題。結合兩個理論的優(yōu)勢，在產(chǎn)品設計流程中本文利用可拓學的蘊含系表述TRIZ根原因分析，以使問題分析更具有形式化和邏輯性；利用拓展分析、可拓變換為TRIZ提供更多解決問題的方案；再利用優(yōu)度評價方法解決TRIZ方案量化難的問題，為設計方案提供最優(yōu)選擇。由此建立了基于可拓學和TRIZ方法的設計流程，如圖1所示。

2.1 問題分析

2.1.1 功能分析

選擇目標設計產(chǎn)品，針對選擇的產(chǎn)品進行功能分析，得到產(chǎn)品的初始問題。功能分析作為現(xiàn)代TRIZ理論中用于分析問題的一個重要工具，主要有三個部分，分別是組件分析、相互作用分析和功能模型[13]。

（1）組件分析：劃分產(chǎn)品的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件，并分類列舉出來，在組件分析時，需要選擇合適的組件層級。

（2）相互作用分析：分析兩兩組件之間的相互作用關系。

（3）建立功能模型：整合分析的組件、組件間的作用關系和功能，并用一種圖形化的方式表示。

2.1.2 根原因分析

通過對功能分析的問題進行基元建模，再將因果鏈的邏輯與蘊含系的表達方式結合挖掘關鍵問題，以解決初始問題[14]。

2.2 問題求解

針對關鍵問題進行矛盾沖突分析，判斷矛盾的類型（技術矛盾，物理矛盾），再根據(jù)矛盾類型對應的工具的提示（分離原理、工程參數(shù)與矛盾矩陣）尋找解決問題的原理解（發(fā)明原理），并利用基元模型進行形式化的表達，通過拓展分析與可拓變換的方法形成解決方案集。

2.3 方案評價

優(yōu)度評價[15]是可拓創(chuàng)新理論中對對象評價的基本方法，利用優(yōu)度評價方法對各方案進行衡量評價，可篩選最優(yōu)方案。

3 實例分析

本文選擇某公司的一款辦公椅N進行設計應用分析，其結構如圖2所示。

3.1 分析問題

3.1.1 功能分析

（1）組件分析

研究對象辦公椅N的主要功能是支撐人[16]，是能夠執(zhí)行一定功能的系統(tǒng)，因此辦公椅N就是所研究的工程系統(tǒng)。它的系統(tǒng)組件可以分為頭枕、椅背、扶手、椅座、調(diào)節(jié)機構、氣桿、椅腳和椅輪八個部分。超系統(tǒng)組件為人和地面（表1）。

表1 辦公椅N的組件分析

（2）相互作用分析

將表1的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件用矩陣列表進行相互作用分析，如表2所示。其中“+”表示兩兩組件間存在作用關系，“-”表示兩兩組件間不存在作用關系。

表2 辦公椅N的相互作用分析

（3）建立功能模型

因為辦公椅N的主要功能是支撐人，所以此系統(tǒng)的作用目標就是超系統(tǒng)組件中的人。再根據(jù)表2的相互作用分析結構，建立功能模型圖，如圖3所示。通過模型圖可知三個比較顯著的問題，分別是問題一：椅背對人支撐不足，問題二：扶手對人支撐不足，問題三：調(diào)節(jié)機構和人之間的作用不足。

3.1.2 根原因分析

由于篇幅限制，文本從三個問題點中選擇一個問題進行分析。由于久坐辦公的工作模式，常常會引發(fā)辦公人員的腰背疾病，而椅背對人體的支撐作用可以有效緩解人體腰背疲勞，減少疾病的誘發(fā)[17-18]。因此對比三個問題，本文優(yōu)先選擇問題一（椅背對人支撐不足）進行展開分析?，F(xiàn)對椅背的支撐不足問題建立物元模型M。

根據(jù)事物的可分特性[19]，將辦公椅N的椅背組分為背部框架、網(wǎng)布和腰靠三個部分，以加強對椅背結構的了解（圖1）。對椅背物元M進行組分的表達式為

將物元模型M中的關鍵缺點物元提取出來并用基元B進行表示，則B=（椅背，支撐作用，不足）。結合因果鏈邏輯與蘊含系表達方式的根原因分析法挖掘關鍵問題，如圖4所示。

圖4因果鏈蘊含分析圖中的基元模型為

在因果鏈蘊含分析中可知椅背支撐作用不足的原因是人體傾仰帶動椅背轉(zhuǎn)動時，腰靠和人體腰部的相互作用位置發(fā)生改變，使腰靠對腰部的支撐作用不足，導致椅背的支撐作用不足。在所有缺點中選擇B11作為需解決的關鍵問題。

3.2 問題求解

根據(jù)上述分析可知，關鍵問題是腰靠的作用位置發(fā)生變化。若椅背采取固定形式保持腰靠作用位置不變，則可以增強腰靠的支撐作用，但這會造成傾仰功能缺失，導致辦公椅不能滿足使用者對于不同姿勢的需求。從矛盾沖突的角度分析，這屬于技術矛盾，根據(jù)通用工程參數(shù)將矛盾描述為改善的參數(shù)是力，惡化的參數(shù)是適應性和多樣性。通過矛盾矩陣定位，獲取對應的發(fā)明原理是15號動態(tài)化原理、17號維數(shù)變化原理、18號振動原理、20號有效作用的連續(xù)性原理。

根據(jù)15動態(tài)化原理的提示，得到解決問題的方向，一是考慮將椅背的背部框架和腰部支撐部分設計為可以相對移動的兩部分，以增強腰靠支撐效果。二是劃分椅背框架為背部支撐架和背框兩部分，并使背框在背部支撐架傾仰轉(zhuǎn)動時保持相對移動。

■圖3 辦公椅N功能分析模型

■圖4 因果鏈蘊含分析圖

■圖5 椅背的方案草圖

根據(jù)方向一的方案，為了使腰靠和背部框架發(fā)生相對移動，將在背部框架上設計滑槽，使背部框架和腰靠能夠產(chǎn)生聯(lián)動，并使腰靠連接在椅座上，對此建立物元模型因此可形成方案一一種腰靠與背部框架分離運動，又具有相互作用的椅背（圖5）。表達式為

其中M11與M12的關系元R為

為了使支撐架和背框能夠相對移動，將改變兩者之間的一體式連接改為鉸鏈連接，使背框能夠轉(zhuǎn)動，表達式為TR=R1，其中

因為連接方式發(fā)生了變化，使支撐架的物元M11和背框物元M12發(fā)生傳導變化，變換為可形成方案三：一種背框和支撐架之間可相對轉(zhuǎn)動的椅背（圖5）。表達式為

3.3 優(yōu)度評價

（1）確定衡量指標

對于待測評的設計的方案，選擇可靠性C1、支撐效果C2和成本C3作為衡量指標,得出衡量指標集:量值域。

（2）確定權系數(shù).

采用AHP層次分析法[20]，使用1-5比率標度法對要素進行兩兩比較并確定其相互比率。在本次設計中可靠性比支撐效果明顯重要,而支撐效果比成本稍微重要，所以利用AHP層次分析法建立的判別矩陣H為

（3）建立關聯(lián)函數(shù)，并且計算規(guī)范關聯(lián)度

設辦公椅的可靠性、支撐作用、成本的量級均在1~5級，建立離散型關聯(lián)函數(shù)為

各方案Dj關于MIi的規(guī)范關聯(lián)度如下:

根據(jù)規(guī)范關聯(lián)度公式，計算各衡量指標的規(guī)范關聯(lián)度為

因此各方案Dj的規(guī)范關聯(lián)度為

（4）計算優(yōu)度

根據(jù)優(yōu)度公式

4 結語

本文將可拓學和TRIZ理論進行結合創(chuàng)建了一個產(chǎn)品創(chuàng)新設計的模型，其利用TRIZ功能分析和因果鏈分析與蘊含系表達提取關鍵解決矛盾，并根據(jù)不同矛盾對應的工具提供有效解決方法，再運用拓展分析和可拓變換形成可行解決方案集，最后進行優(yōu)度評價選取最優(yōu)方案。以某辦公椅為實例進行分析并提供解決問題的方案，證明了融合的創(chuàng)新方法的有效性，也說明了可拓學和TRIZ的融合創(chuàng)新設計方法可以為辦公椅設計提供具有科學性和邏輯性的設計流程。