王金廣，湯敏聰，楊振昊，王 昊

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院, 廣東 廣州 510090；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

隨著化妝品銷量持續(xù)擴(kuò)張，其背后的包裝垃圾也飛速蔓延，據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織數(shù)據(jù)顯示[1]，全球90億噸塑料制品中只有9%被回收利用，其余均被焚燒處理和丟棄。雖然可生物降解的包裝材料已嘗試應(yīng)用于化妝品領(lǐng)域，但還有待進(jìn)一步研究和推廣[2]。王雪瑩[3]探討了塑料包裝可持續(xù)設(shè)計策略，指出建立回收體系的重要性。由于《歐盟塑料戰(zhàn)略》的發(fā)布與推進(jìn)[4]，歐萊雅、雅思蘭黛等化妝品巨頭進(jìn)行了“空瓶回收”計劃。但是因回收成本高、技術(shù)限制、工序復(fù)雜、回收物被污染等問題，大幅增加了化妝瓶回收處理的難度，成效并不顯著。趙愛之等[5-6]發(fā)現(xiàn)PET回收中來自機(jī)械回收的產(chǎn)品含有較多的污染物。趙葉芝等[7]認(rèn)為大量化妝瓶因缺乏專門的回收設(shè)施且回收成本巨大，相比之下，制造商更愿意購買新的生產(chǎn)材料。多種材質(zhì)的產(chǎn)品會增大分揀難度，目前還不能完全實現(xiàn)自動化，需要大量人力分揀成本[8]。而隨著人工智能的發(fā)展和技術(shù)壁壘的突破，回收領(lǐng)域的未來擁有了更大的可能性。Tachwali Y等[9]開發(fā)了一種人工智能塑料瓶分類系統(tǒng)，運(yùn)用近紅外反射測量、電荷耦合器件相機(jī)融合了二次判別分析和樹分類器等技術(shù)將塑料瓶按化學(xué)成分及顏色進(jìn)行分類?；瘖y瓶回收再利用的閉環(huán)已逐漸被納入企業(yè)未來的重要發(fā)展策略，除了使用環(huán)?？沙掷m(xù)的化妝瓶材料，還需要構(gòu)建高效的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)，完善循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，提升企業(yè)市場競爭力和社會責(zé)任感[10]。目前對化妝瓶回收處理和分類的研究還相對較少，沒有較好的自動化方案能有效降低人工回收處理成本。在快消品經(jīng)濟(jì)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的共同背景下，降低回收處理成本和提升回收價值，拓展并生成較優(yōu)的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)意，對響應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策發(fā)展具有十分重要的意義。

1 化妝瓶回收過程中的矛盾問題

化妝瓶回收處理涉及多種材質(zhì)和品類，有PET、ABS、PVC等塑料材質(zhì)，也有膏霜、水乳、精油等不同品類，但塑料回收處理流程相似。深圳富康再生資源經(jīng)營部和東莞粵華再生資源回收有限公司均有塑料回收再利用的業(yè)務(wù)，且回收流程大體相同。目前PET化妝瓶回收處理的流程還較為復(fù)雜且低效，如圖1所示。

圖1 PET化妝瓶回收處理的一般流程Fig.1 The general process of recycling and processing of PET cosmetic bottles

而品牌商不斷縮短產(chǎn)品壽命以加快新品入市，企業(yè)對回收處理效率的要求越來越高，目前的回收處理效率還未能達(dá)到企業(yè)要求。在塑料回收處理過程中，存在工序繁多、重復(fù)“水洗”、分揀速度慢、清洗時間長等諸多問題。而工序繁多導(dǎo)致了回收處理成本過高，包括逆向物流、消殺清洗、人工分揀、對損壞件的修復(fù)成本等；另外因分揀和清洗速度慢，又導(dǎo)致了回收效率低下的問題。更重要的是，在專門的化妝瓶回收處理過程中，化妝瓶的復(fù)雜化與材料使用的多樣化均會導(dǎo)致部件拆分難度加大，因目前技術(shù)限制，還只能由人工進(jìn)行手動拆件。上述多種原因使回收料價格比原材料價格高約一倍[11]，利潤空間較少，導(dǎo)致化妝瓶回收價值低于目前回收成本，這也是化妝瓶回收市場止步不前的主要原因。相比歐盟而言，國內(nèi)化妝瓶回收體系還處于初期探索階段，如何有效降低回收處理成本，最大化回收價值，讓化妝瓶回收利用落到實處，讓更多化妝品相關(guān)企業(yè)愿意進(jìn)行回收工作，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是我們迫切需要研究并亟待解決的問題。

2 化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的可拓設(shè)計創(chuàng)意生成方法

2.1 第一創(chuàng)造法與可拓創(chuàng)意生成

可拓學(xué)的第一創(chuàng)造法是從人們對產(chǎn)品功能的需要出發(fā)構(gòu)思全新產(chǎn)品的方法，適用于創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)，解決目前市場上的產(chǎn)品無法滿足社會某種需要的矛盾[12-16]。該方法從未被滿足的需要出發(fā)，通過構(gòu)建可拓模型，將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為形式化模型，通過拓展分析、共軛分析、可拓變換和優(yōu)度評價等過程，系統(tǒng)地生成并篩選出較優(yōu)的創(chuàng)意[17-21]。

可拓創(chuàng)意生成是生成可拓創(chuàng)意的過程[17]?？赏貏?chuàng)意是使不相容問題從相容度≤0變成相容度≥0的可拓變換或可拓變換的運(yùn)算式，即矛盾問題的解變換[17，22]。對于不相容問題，需通過判斷新創(chuàng)意的相容度，再根據(jù)優(yōu)度評價，選擇可以將原矛盾問題轉(zhuǎn)化為相容問題的最優(yōu)創(chuàng)意[12，17]。

2.2 基于第一創(chuàng)造法生成可拓設(shè)計創(chuàng)意的一般步驟及流程

本文從回收方的核心需要出發(fā)，運(yùn)用可拓學(xué)中的第一創(chuàng)造法，確定矛盾問題，分析特征元集，列出產(chǎn)品軟硬部，通過拓展、變換獲得多個創(chuàng)意，用優(yōu)度評價法對獲得的新創(chuàng)意集進(jìn)行篩選擇優(yōu)[17]，并融合智能技術(shù)對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計[22-24]，主要步驟如下：

(1) 選取利益相關(guān)者未被滿足的需要，確定并建立矛盾問題的可拓模型，并提取核問題[12]，從核問題出發(fā)確定待設(shè)計的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)O的功能事元集{Af}。

(2) 性質(zhì)特征元集{(cg,vg)}和實義特征元集{(cr,vr)} 需根據(jù)化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的功能事元擬定。再對其結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系進(jìn)行形式化的描述。

(3) 確定化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)O的硬部和軟部。由實義特征元集，作實義物元集{(Or,cr,vr)}，表示為該系統(tǒng)主要部件的物元，即化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的硬部hrO。然后據(jù)其硬部物元設(shè)計出各主要部件之間的連接關(guān)系，即回收系統(tǒng)的軟部sfO。

(4) 確定化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)O的潛部和負(fù)部。根據(jù)對回收系統(tǒng)的潛功能(潛部ItO)的要求，找到回收系統(tǒng)關(guān)于功能值中負(fù)值(負(fù)部ngcO)的部分。進(jìn)而考慮該系統(tǒng)負(fù)正共軛變換是否可行，若不行，繼續(xù)考慮是否可以降低其負(fù)部的量值，再次進(jìn)行可拓變換將其降低到滿足功能要求下的最小量值。

(5) 根據(jù)步驟(3) 中獲得的軟硬基元，并對其進(jìn)行發(fā)散分析和可拓變換，依據(jù)其變換的結(jié)果采用對應(yīng)的運(yùn)算方式，多角度地組合發(fā)散后的新基元。得到多個滿足利益相關(guān)者需要的回收系統(tǒng)新創(chuàng)意，它們能降低回收系統(tǒng)O的負(fù)作用，然后判斷采用新創(chuàng)意后原矛盾問題是否得到化解，使不相容問題轉(zhuǎn)化為相容問題。如果不能化解，則需要進(jìn)一步實施拓展分析與可拓變換，直到獲得可滿足用戶需要的創(chuàng)意為止。

(6) 獲得產(chǎn)品創(chuàng)意集。由上述過程，可以得到化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)O的創(chuàng)意集{S}。

(7) 利用優(yōu)度評價法獲得較優(yōu)設(shè)計創(chuàng)意[12]。根據(jù)領(lǐng)域知識和需要特征及其期望實現(xiàn)的目標(biāo)量值，具體確定評價該回收系統(tǒng)的衡量指標(biāo)和權(quán)系數(shù)，建立對應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，算出各創(chuàng)意的綜合優(yōu)度，篩選出較優(yōu)創(chuàng)意[25]。

(8) 利用產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計知識，深化最優(yōu)設(shè)計創(chuàng)意，并形成設(shè)計方案。上述設(shè)計過程，如圖2所示。

圖2 基于第一創(chuàng)造法生成化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的步驟及流程Fig.2 Design steps and process of plastic recycling and processingsystem for cosmetics bottles based on the first creating method

3 案例分析

根據(jù)對某公司的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前他們的回收處理實際成本高于目標(biāo)成本，因部分環(huán)節(jié)還需人工手動處理，效率低下，且回收工序繁多，矛盾問題更加難以被解決，企業(yè)希望在控制成本的情況下提升效率并加大產(chǎn)能。下面利用上述方法為該企業(yè)設(shè)計一種符合其需要的化妝瓶回收處理系統(tǒng)。

3.1 建立矛盾問題的可拓模型

對企業(yè)目前回收工作進(jìn)行分析，獲得回收方的需要是成本低、效率高、自動化、綠色可持續(xù)等。因目前回收處理成本還遠(yuǎn)高于回收價值，企業(yè)需要未能被滿足，故建立回收方的需要模型，在此問題中，回收方的核心需要為

式中：該企業(yè)現(xiàn)有的化妝瓶塑料的回收工序依次為A01掃描、A02分揀、A03清潔、A04消殺、A05烘干和A06風(fēng)干。目前大多數(shù)化妝瓶回收處理工作中仍依靠人工清洗和人工分揀，每道工序的人力成本ci(i=1, 2,3, 4, 5, 6)較大，效率低下導(dǎo)致產(chǎn)能不足。故此問題是回收處理目標(biāo)成本低和回收處理實際成本高構(gòu)成的矛盾問題，即

3.2 確定功能事元集、性質(zhì)特征元集和實義特征元集

企業(yè)經(jīng)營收入需要控制目標(biāo)成本在合理的范圍內(nèi)，當(dāng)目標(biāo)成本不能增加時，就必須降低每道工序的實際成本，而無論回收哪種品類的化妝瓶，在回收處理這一階段，都至少需要進(jìn)行上述的6道工序。對回收化妝瓶而言，產(chǎn)品分揀是最核心且耗費(fèi)成本最高的部分。上述需要對應(yīng)待設(shè)計化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)工序的功能事元集為

若需實現(xiàn)以上回收系統(tǒng)的功能，其系統(tǒng)要具備以下性質(zhì)特征元集合：

而要使以上性質(zhì)特征元實現(xiàn)，待設(shè)計化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)必須具有如下實義特征元集：

3.3 確定硬部和軟部

根據(jù)上述實義特征元，可構(gòu)造待設(shè)計化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的硬部物元為

根據(jù)以上硬部物元設(shè)計出各主要部件之間的連接關(guān)系，即軟部關(guān)系元為

3.4 確定潛部和負(fù)部

根據(jù)企業(yè)需要可知，由上述硬部和軟部構(gòu)成的回收系統(tǒng)都需要依次經(jīng)過每道工序，因此潛部是每道工序的成本(暫不考慮硬部的成本) ，且對回收系統(tǒng)功能而言，分揀器是負(fù)部(成本最高)，這里運(yùn)用置換變換將高成本的分揀器置換為低成本且滿足要求的分揀器。

3.5 實施拓展分析與可拓變換

根據(jù)步驟(3)中獲得的軟硬基元，并對其進(jìn)行發(fā)散分析，生成多個不同的硬部物元和軟部關(guān)系元。

先對部分硬部物元進(jìn)行發(fā)散分析：

再對軟部關(guān)系元進(jìn)行發(fā)散分析，由于目前技術(shù)原因，分揀裝置難以脫離中央處理器，故本文不對R1sf進(jìn)行拓展。對其他軟部進(jìn)行如下發(fā)散分析：

通過對上述步驟相關(guān)的硬部物元、軟部關(guān)系元等進(jìn)行拓展分析，能獲取許多全新的基元或復(fù)合元模型，并對其所拓展出的基元或復(fù)合元模型實施可拓變換及計算，限于篇幅，本文僅列舉如下3種設(shè)計創(chuàng)意的生成。

(1) 首先對關(guān)系元R3sf,R4sf實施主動變換：

即一種環(huán)型翻板式的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)，通過檢測識別方式，采用云計算對化妝瓶進(jìn)行智能且準(zhǔn)確的掃描與分揀，降低品類分揀失誤導(dǎo)致的重新分揀成本，即簡化人工分揀工序，間接減少負(fù)部工序成本，提高品類細(xì)分的準(zhǔn)確性，降低了潛在工序的成本，這個工序的成本也隨之降低，從而有效降低潛部發(fā)生的概率，即c2′′0，使不相容問題轉(zhuǎn)化為相容。

(3) 對M1hr,M2hr,M3hr,M5hr,M6hr,M7hr實施主動可拓變換：

對應(yīng)的軟部發(fā)生傳導(dǎo)變換：

根據(jù)領(lǐng)域知識，為適應(yīng)上述硬部及軟部的變換，再對實施主動可拓變換：

即一種環(huán)型落袋式的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)，通過檢測識別方式，采用大數(shù)據(jù)識別可回收物，智能分揀的同時機(jī)器不斷進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)儲存。分揀時將可再利用的原料借助重力跌進(jìn)過濾袋，因分揀時可回收物受重力落入過濾袋無需做功，可降低分揀耗能，即c2′′′0，即不相容問題轉(zhuǎn)化為相容。

為便于理解，將上述3種設(shè)計創(chuàng)意描述為表1。

表1 3種設(shè)計創(chuàng)意描述Table 1 Description of three design ideas

3.6 生成設(shè)計創(chuàng)意集

根據(jù)可拓變換，可以確定多個設(shè)計創(chuàng)意，上述生成了3個符合需要的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)意。設(shè)計創(chuàng)意集為{S}={S1，S2，S3}。

3.7 多級優(yōu)度評價

3.7.1 確定衡量指標(biāo)

根據(jù)歐盟委員會發(fā)布的《塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)》指出，可持續(xù)發(fā)展的維度應(yīng)始終圍繞經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境來衡量。從經(jīng)濟(jì)效益方面，將 (效益性，高) 作為評價特征；從技術(shù)方面考慮，將(準(zhǔn)確度，高) ，(操作性，易)(潔凈性，強(qiáng)) 作為第二維度的特征評價指標(biāo)；從社會方面將(可持續(xù)性，高) 作為第三維度的特征評價指標(biāo)。對化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)度評價，得到5個對應(yīng)的一級衡量指標(biāo)：效益性、準(zhǔn)確度、操作性、潔凈率和可持續(xù)性。經(jīng)與公司技術(shù)專家訪談后進(jìn)一步確定以下具體衡量指標(biāo)：

式中：

由于影響效益性和可持續(xù)性的因素很多，所以將M I1,MI5進(jìn)一步劃分。選擇直接影響或影響作用較大的因素作為其對應(yīng)的二級指標(biāo)。

(1) 影響回收系統(tǒng)效益性的主要因素包括回收耗能成本、設(shè)備成本、作業(yè)時間、折舊率。對一級指標(biāo)MI1進(jìn)行細(xì)分，即： MI1={MI11，MI12，MI13，MI14}，得到對應(yīng)的二級指標(biāo)分別為

(2) 影響回收系統(tǒng)可持續(xù)性的主要因素包括物件損壞率、穩(wěn)定性、環(huán)境污染性、資源循環(huán)利用率。對一級指標(biāo)MI5進(jìn)行細(xì)分，即：MI5={MI51，MI52，MI53，MI54}，得到對應(yīng)的二級指標(biāo)分別為

于是得到關(guān)于回收系統(tǒng)的衡量指標(biāo)體系為

并根據(jù)衡量指標(biāo)賦值權(quán)系數(shù)，越重要的指標(biāo)權(quán)系數(shù)越高，根據(jù)衡量指標(biāo)的優(yōu)先級與重要程度，賦值如下:

3.7.2 首次評價

回收系統(tǒng)的非滿足不可的條件是回收處理實際耗能成本不得高于回收處理目標(biāo)成本。由可拓變換后3個設(shè)計創(chuàng)意的分析可知，其均滿足企業(yè)需要，可以繼續(xù)用其他衡量指標(biāo)進(jìn)行評價。

3.7.3 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)

限于篇幅，本文不展示詳細(xì)步驟，直接建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。

表2 3種創(chuàng)意的定量比較Table 2 Quantitative comparison of three creative ideas

表3 3種創(chuàng)意的定性比較Table 3 Qualitative comparison of three creative ideas

3.8 具體化形成設(shè)計方案

根據(jù)領(lǐng)域知識，將較優(yōu)創(chuàng)意S3具體化為設(shè)計方案，其回收處理系統(tǒng)的回收流程如圖3所示。

圖3 環(huán)型化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的回收流程Fig.3 Recycling process of ring-type plastic recycling and processing system for cosmetic bottles

結(jié)合領(lǐng)域知識進(jìn)行概念設(shè)計，其系統(tǒng)的概念設(shè)計如圖4所示。該環(huán)型化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)由清洗、消殺、烘干、掃描、分揀等功能模塊組成，可根據(jù)需要進(jìn)行多次清洗和消殺，結(jié)合智能分揀，可大幅降低人工成本，提升回收效率。該回收處理系統(tǒng)最簡化的流程有4步：(1) 可回收物經(jīng)過浸泡清潔去除表面雜質(zhì)后，傳送至環(huán)型軌道中進(jìn)行一次處理。(2) 在沖洗消殺裝置中，通過水柱沖洗亞硫酸鈉和瓶體污漬，沖洗完畢后在同一個工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行消殺和循環(huán)熱風(fēng)烘干。(3) 可回收物傳送至檢測艙，通過掃描與大數(shù)據(jù)識別，將數(shù)據(jù)快速反饋到智能分揀模塊(可對材質(zhì)、形狀、顏色等進(jìn)行區(qū)分)，后經(jīng)居中滾筒、靠邊滾筒、分離皮帶和單件分離器將回收物進(jìn)行拆件與細(xì)分。如將塑料材質(zhì)細(xì)分為PE、PP、PS、PA、PSU、PC、POM、PVC、PET、ABS等。(4) 將回收物運(yùn)輸?shù)絾渭蛛x道口尾端，利用自身重力實現(xiàn)裝袋，當(dāng)過濾袋已滿時，對其進(jìn)行打包與標(biāo)識，然后傳輸?shù)阶罱K的收納點，由于此過程經(jīng)過一輪處理的清洗消殺模塊，因此可根據(jù)需要進(jìn)行二次或多次消殺處理。

圖4 一種環(huán)型落袋式的化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)設(shè)計Fig.4 Design of a ring-shaped pocket-type plastic recycling and processing system for cosmetic bottles

回收處理裝袋過程借助重力跌落降低回收耗能，節(jié)省人力分揀成本，提升清洗速度，作業(yè)時間縮短了80.16%，分揀準(zhǔn)確度與材料回收率都有所提升，該系統(tǒng)與原系統(tǒng)對比情況如表4所示。在提高回收效率的同時將實際回收處理成本控制在目標(biāo)成本之內(nèi)，達(dá)到降低回收處理成本和提升回收價值的目的，從而解決回收處理過程中的核心矛盾問題，并滿足回收方需要。

表4 化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)優(yōu)化前后對比Table 4 Before and after optimization of plastic recycling and processing system for cosmetic bottles

經(jīng)回收方企業(yè)評估后，得出方案S3的回收處理實際成本約4 800元/t，低于回收處理目標(biāo)成本5 000元/t，矛盾問題被化解，該創(chuàng)新方案已被企業(yè)采納。另外，從機(jī)器深度學(xué)習(xí)、節(jié)能環(huán)保、能源可持續(xù)等維度計算，方案S3的回收處理成本在5年后將低于目前人力回收處理成本860元/t，其回收價值將遠(yuǎn)超人力回收處理價值。該創(chuàng)新方案聚焦于化妝瓶回收領(lǐng)域，具有一定的社會意義和商業(yè)價值，區(qū)別于現(xiàn)有成本高、效率低的回收系統(tǒng)，是更具商業(yè)發(fā)展與環(huán)境可持續(xù)的綜合創(chuàng)意。

4 結(jié)束語

本文針對化妝瓶塑料回收處理過程中的目標(biāo)成本低和實際成本高所構(gòu)成的矛盾問題，從回收方的需要出發(fā)，提出化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)創(chuàng)意生成的一般步驟及流程，并通過拓展分析和可拓變換，為企業(yè)提供多個可行的設(shè)計創(chuàng)意。經(jīng)過企業(yè)數(shù)據(jù)驗證，優(yōu)化的方案S3解決了矛盾問題。該方案驗證了可拓創(chuàng)新方法在化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用的可行性，但不局限于目前化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)的設(shè)計研究，同樣，可拓創(chuàng)新方法還能為不同類型的回收系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計思路，降低成本并提高效率，有利于提升回收利用率并促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新方案還處于概念設(shè)計階段，未投產(chǎn)和使用，在拓展分析過程中只對主要物元與關(guān)系元進(jìn)行拓展與分析并沒有涉及具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在化妝瓶塑料回收閉環(huán)中，還包含回收站點、逆向物流等問題，本文只針對回收物處理進(jìn)行研究，存在一定局限性。未來需在設(shè)計方案實施中進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗并優(yōu)化迭代化妝瓶塑料回收處理系統(tǒng)，總結(jié)具有普適性的信息技術(shù)與決策方法，完善化妝瓶回收體系其余環(huán)節(jié)的研究。