产品生态设计方式创新研习范文

TRIZ与生态设计

TRIZ包含三个基本工具：系统矛盾分析、效应知识库和物质—场分析。系统矛盾表现为改善一个系统特征却恶化了另一个系统特征，系统矛盾分析用TRIZ矛盾矩阵的39个工程参数描述该矛盾，然后用40条发明原理解决并翻译为原矛盾的现实解。效应知识库用物理、化学、生物等领域中的有关原理和规律解决创新问题。物质—场分析将功能分为两种物质和一种场，两种物质通过场相互作用形成产品功能。一般地，TRIZ解决问题的过程：首先将现实问题转换为TRIZ问题，然后用TRIZ工具解获得TRIZ解，最后将TRIZ解翻译为现实问题的解。

如图1所示。为指导企业开发环保产品和流程，世界可持续发展工商理事会(Worldbusinesscouncilforsustainabledevelopment,WBCSD)提出了7个生态效率要素：①减少产品和服务的材料密集度(A)；②减少产品和服务的能源密集度(B)；③减少有毒物的扩散(C)；④提高原料的可回收性(D)；⑤促使可再生资源的永续使用(E)；⑥提高产品的耐用性(F)；⑦增加商品的服务密集度(G)。

CHEN等总结了WBCSD7个生态效率要素和TRIZ39个工程参数之间的关系，建立了工程参数与生态效率要素关联表，如表1所示。以上学者和研究人员从多个角度研究了TRIZ在产品设计中的应用，从已有方法和成果来看，还存在一些可改进之处，譬如可充分利用历史设计案例，分析失效专利以直接采用，进行专利规避以避免法律风险，系统化创新方法以减少设计的盲目性等。

集成TRIZ的产品生态设计过程

针对以上生态设计方法的不完善之处，有必要提出一个系统的、创新的生态设计方法。本文利用TRIZ技术工具能够系统性、创新性地解决生态设计矛盾的优势，提出了集成TRIZ的产品生态设计过程框架，如图2所示。主要步骤：首先，获取客户需求，在专利库和案例库中搜索匹配历史产品设计，若匹配成功则直接选为备选方案，若没有类似设计则提取技术特性并转化为生态设计工程特性，从关联表找出相应的工程参数；然后运用矛盾矩阵、效应知识库或物质—场分析方法进行求解；最后，评价生成的多个备选方案，确定最优解。

1检索案例和失效专利

历史产品生态设计案例是企业重要的无形资产，蕴含于失效专利中的创新观点和实用价值并未丧失。注重知识的重用，利用历史案例和失效专利直接进行生态设计，可以大大提高设计效率，避免资源浪费。历史案例可以是企业自主创新设计的产品，也可以是手册、专著和网络信息等文献资源中出现的案例。失效专利可从中国失效专利光盘数据库或国家知识产权局网站获取。对于国外专利，则需要通过世界专利索引检索并检查是否申请中国专利。从产品功能角度看，客户的产品需求一般可以分为基本功能需求和附加功能需求，其中都可能含有一定的生态、绿色需求。直接获取的客户产品需求具有模糊性和不规范性，需要对其进行简单的处理才能进行检索。处理的方法主要是关键词分词提取，如节能、静音、安全等。检索的方法有关键词检索、组合检索，结果按相似度、相关性顺序排列。

关键词在文本中的重要程度以权重表示，按照TF-IDF公式计算式中，wik为词tk在文本矢量Di中的权重，fik为词tk在文本矢量Di中的词频，N为文本矢量空间中文本的总数，Nk为文本矢量空间中出现词tk的文本数，M为文本矢量空间中所有有效词项(去除中文停用词)的总数，wik∈。若设领域本体对象间的相关度(由领域专家给定)即关系权值为wrk∈，则检索结果与检索词的相关度为

2构建矛盾矩阵

在没有历史案例和失效专利可利用的情况下，需要设计新的生态产品。首先，利用TRIZ的技术进化规律进行趋势分析，大致推断产品未来的技术系统进化方向，为生态设计提供思路。进化潜力雷达图是分析进化趋势的有用工具，如图3所示。

雷达中心是进化原点，最是进化极限，在每个进化路径上标出技术现状，连接起来围成的灰色区域即为当前技术系统范围，其余区域为进化潜力范围。产品生态设计应立足现有技术，向进化潜力范围逐步扩展，率先推出采用新技术的产品以占领市场或获取高额利润。然后通过质量功能配置、生态质量功能配置(QFDforenvironment,QFDE)将客户需求映射为工程技术特性和生态设计工程特性并按照WBCSD的7个生态效率要素进行归类。当需要考虑的生态效率参数较多时，利用层次分析法(判断矩阵的要素由WBCSD7个生态要素组成)获得生态效率参数。为了简化矛盾矩阵以便于求解，同时为集中技术力量改善产品生态特性，按照以下算法获得最需要改善的生态效率参数。

设每个生态效率要素中的生态设计工程特性个数为wi(i=1,2,…,7)，层次分析法的输出值为ui，则取ri≥1所对应的生态效率参数作为需要改善的由此参照表1确定TRIZ工程参数，构建TRIZ矛盾矩阵，然后使用TRIZ提供的方法进行求解。

3运用TRIZ工具求解

TRIZ提供了三种技术工具：矛盾矩阵、效应知识库和物质—场分析。若从上述分析可以获得矛盾矩阵，则使用矛盾矩阵的发明原理求解，否则采用效应知识库和物质—场分析求解。辅助设计系统知识库中存储大量生态产品设计案例，已按照案例中使用的TRIZ工具仔细分类。因此，不论使用何种工具，都可以给出相应的使用该工具求解的实例，详细解释抽象的发明原理和使用指导，激发设计人员灵感。

求解矛盾矩阵时，若存在多对矛盾，首先由矛盾矩阵找到各对矛盾相应的发明原理，然后找出其中出现频率相对较高的发明原理，使用这些发明原理求解的成功率和效率会比较高。同时，求解得到的设计方案可能会使某些必需功能弱化，为此还需要进行功能检验，只有满足基本功能需求的方案才能列入备选方案。若不能满足，则还需要重新求解，将基本功能工程参数作为求解前提，直到得到满意解。此外，还需要检索专利库，将已申请专利的备选方案排除，进行专利规避。

4生态设计方案的评价

按照以上方法和步骤获取的生态产品设计方案可能会有多个，需要对它们进行评价，从中选取较优的方案。简单的评价方法可以从成本、交货期、质量、服务和生态性等几个方面进行综合评价，适用的数学方法有层次分析法、数据包络分析法、模糊集法和人工神经网络法等。详细的评价方法则涵盖生命周期评价(Lifecycleassessment,LCA)或生态足迹(Ecologicalfootprint,EF)等指标。

应用案例

1构建计算机辅助设计系统

集成TRIZ的产品生态设计是一个复杂、系统、循环往复的过程，不是一次性的工作。设计过程需要调动企业不同领域的资源，包括人力、技术和信息资源，并且要不断监控和评价执行过程，修改原来的分析和选择。为此，设计一个支持集成TRIZ的产品生态设计的计算机辅助系统，提供大量信息和知识支撑，辅助设计人员工作，有效提高设计效率。系统功能结构如图4所示。

(1)知识检索。产品数据库存储与生态设计案例产品有关的数据，如材料、尺寸、图纸等；知识库存储设计标准、设计手册、法律法规、TRIZ参数阐释等知识；专利库存储从中国、美国、日本、欧洲等专利局网站上下载的专利数据。知识检索从产品数据库、知识库、专利库中检索产品数据、生态设计案例、相关专利、TRIZ工程参数和发明原理等信息和知识，为生态设计提供知识支持。

(2)数据存储。按产品类别将获取的客户需求整理存储，用作客户需求统计分析，让设计人员更好地倾听顾客的声音。将CAD软件绘制的概念设计草图或手绘草图扫描后存储在数据库中，便于保存和查询，为后续的初步设计和详细设计提供参考依据。

(3)计算分析。该系统可辅助设计人员进行AHP计算(图5)以获取最需要改善的生态效率要素；进行专利统计分析获取技术进化趋势；进行简单的设计方案评价以选取最优方案。

2实例

摩擦片差速器是一种高摩擦自锁式差速器，结构简单、工作平稳，常用于轿车和轻型货车上，如大众高尔夫轿车即采用这种差速器。当一侧车轮滑转或车转弯时，由于转速差和轴向力的作用，主、从动摩擦片滑转同时产生摩擦力矩。因此摩擦片需要良好的耐磨性和较少的质量。

假设需要设计一种新的摩擦片，结合TRIZ技术进化规律和专利、文献进行技术趋势分析可以得出：接触面材料的创新和发展是摩擦片发展的主要内容，接触面材料以前采用驼毛皮、皮革带、木块等，然后采用青铜、钢等金属，现在多采用以石棉为基础的编织材料，未来将采用有机材料(如芳纶)、金属陶瓷材料(由金属基体、陶瓷和润滑剂组成的多元复合材料)。按照WBCSD的分类，良好的耐磨性即F，较小的质量即A。对照表1，相应的TRIZ工程参数分别为23、26和15。TRIZ矛盾矩阵如表2所示。从表2中得出，发明原理“03.局部质量”出现次数最高，求解时应重点考虑。如摩擦片采用双层结构设计，接触面的一层采用轻质复合耐磨材料，另一层则只需要保持力学性能，如图6所示。

结论

产品设计不仅要兼顾性能和创新，也要注重生态性。在产品生态设计过程中，矛盾是经常出现的，设计过程即是解决矛盾的过程。(1)集成TRIZ的产品生态设计方法系统地结合了案例、专利、计算机辅助设计系统，弥补了传统设计方法的不足，改进了设计过程并缩短了设计周期，有效提高了生态设计的效率和成功率。(2)本框架也存在一定的局限性，如模型框架较为粗略、辅助设计系统功能简单等，随着对生态设计本质和需求的进一步认识，将逐步加以修正和完善。

作者：刘征潘凯顾新建单位：浙江大学现代制造工程研究所