基于QFD/TRIZ集成模型的產(chǎn)品創(chuàng)新設計

張芳蘭 ，楊明朗，劉衛(wèi)東

（1. 南昌大學 機電工程學院，南昌 330031；2. 燕山大學 藝術(shù)與設計學院，秦皇島 066004）

0 引言

在日益激烈的全球化市場競爭中，產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)生存與發(fā)展的核心力量。設計階段的產(chǎn)品創(chuàng)新應以科學且有效的創(chuàng)新方法為指導，從方法論本質(zhì)上與設計過程實踐中提升產(chǎn)品創(chuàng)新的效率和質(zhì)量，從而快速響應滿足多樣化、時代化的用戶需求。質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是一種用戶驅(qū)動的創(chuàng)新方法，正確實施QFD可使設計更改減少30%～50%，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短30%～50%，產(chǎn)品開發(fā)啟動費用減少20%～60%[1～3]。該方法可實現(xiàn)創(chuàng)新問題的準確識別與定位。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch, TRIZ）理論作為一種包含科學思維、科學方法和科學工具的創(chuàng)新方法，其與公理化設計[4]、QFD[5～7]、約束理論[8]、專利研究及仿生學[9]、模糊理論[10]的結(jié)合成為目前學者研究的熱點。

本文研究將TRIZ理論與QFD質(zhì)量屋集成，力求創(chuàng)建面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計方案產(chǎn)生的集成模型與具體方法步驟。最終通過集成灶的創(chuàng)新設計論證了該集成模型與方法的可行性。

1 QFD/TRIZ集成模型構(gòu)建

QFD方法是以用戶需求為源頭切入，采用質(zhì)量屋矩陣圖表，將用戶需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的工程特性。借助質(zhì)量屋可以有效挖掘關鍵創(chuàng)新問題與關鍵設計區(qū)域。然而針對具體創(chuàng)新問題的解決，該方法并無提供相關創(chuàng)新工具與思路。

TRIZ理論在解決設計問題時采用無折中的設計思想，通過科學發(fā)明原理、沖突矩陣、分離原理，并結(jié)合沖突分析，提供了具體的創(chuàng)新思路與方法，可以消除設計中的沖突問題并實現(xiàn)創(chuàng)新。但是該理論體系并無涉及如何識別與定位創(chuàng)新問題。因此，將TRIZ理論與QFD質(zhì)量屋結(jié)合，創(chuàng)建了面向產(chǎn)品創(chuàng)新的QFD/TRIZ集成模型，如圖1所示。

圖1 QFD/TRIZ集成模型

QFD/TRIZ集成模型的具體實施步驟為：

步驟1：構(gòu)建簡化的QFD質(zhì)量屋，確立創(chuàng)新設計關鍵問題與關鍵設計區(qū)域。

首先構(gòu)建簡化的QFD質(zhì)量屋。通過問卷調(diào)研、專家訪談及相關文獻資料三種數(shù)據(jù)信息來源確立完整且準確的用戶需求，并采用1,2,3,4,5比例標度依次表示需求極不重要性，不重要，一般，重要，極為重要五個等級，進行用戶需求的重要性評價。依據(jù)0，1，3，5比例標度構(gòu)建用戶需求與設計特性相關矩陣，并根據(jù)公式（1）計算各項產(chǎn)品設計特性分值：

其中，Ci為用戶需求的重要性，Pij為用戶需求與設計特性之間的相關程度，Sj為產(chǎn)品設計特性整體得分。依據(jù)產(chǎn)品設計特性分數(shù)高低對其進行優(yōu)先度排序。

位于簡化的質(zhì)量屋屋頂?shù)淖韵嚓P矩陣描述了各項設計特性之間的相互關系。若提高或改進某一設計特性，導致另一設計特性提高或改進，可判斷此設計特性之間存在正相關，用“+”表示。反之，導致另一設計特性下降或惡化，可判斷此設計特性之間存在負相關，用“-”表示。通過負相關設計特性識別，確立設計特性間的沖突問題，從而確立關鍵創(chuàng)新問題。最終參照設計特性優(yōu)先度與負相關設計特性進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計關鍵定位。

步驟2：創(chuàng)新設計關鍵問題的沖突分析與消除，實現(xiàn)創(chuàng)新設計方案的產(chǎn)生。

利用TRIZ發(fā)明原理、沖突矩陣、分離原理消除設計沖突的過程可描述為：首先分析待解決的創(chuàng)新設計關鍵問題，運用39個通用工程參數(shù)，構(gòu)建與負相關設計特性對應的工程參數(shù)，實現(xiàn)了創(chuàng)新設計關鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題；其次通過沖突分析，確定該TRIZ問題是技術(shù)沖突還是物理沖突。技術(shù)沖突利用沖突矩陣所推薦的發(fā)明原理消除；物理沖突則利用分離原理所推薦的發(fā)明原理解決。根據(jù)實際的創(chuàng)新設計關鍵問題，選擇相適應的發(fā)明原理找到解決問題的具體創(chuàng)新方法，從而消除沖突，提出創(chuàng)新概念，并結(jié)合關鍵設計區(qū)域與具體創(chuàng)新方法，借助手繪草圖與計算機輔助圖形設計，產(chǎn)生創(chuàng)新設計方案。

2 集成灶創(chuàng)新設計案例

現(xiàn)依據(jù)所提出的QFD/TRIZ集成模型與方法步驟，對傳統(tǒng)吸頂式煙機與灶具進行設計創(chuàng)新，具體過程如下所述：

步驟1：構(gòu)建簡化的煙機灶具質(zhì)量屋，確立創(chuàng)新設計關鍵問題與關鍵設計區(qū)域。

首先構(gòu)建煙機灶具質(zhì)量屋如圖2所示。依據(jù)質(zhì)量屋屋頂處的設計特性自相關矩陣，可以獲得3對負相關特性，如表1所示。依據(jù)這3對負相關設計特性，確立煙機灶具3個關鍵創(chuàng)新問題，即沖突問題，包括：1）消除“煙機與灶臺的距離”與“煙機與用戶頭部的距離”之間的沖突。2）消除“功能空間配置”與“結(jié)構(gòu)”之間的沖突。3）消除“功能系統(tǒng)”與“外觀尺度”之間的沖突。另外，通過質(zhì)量屋中用戶需求與設計特性關系矩陣，獲得設計特性優(yōu)先度排序，確立功能系統(tǒng)、功能空間配置、煙機吸風口結(jié)構(gòu)、灶頭結(jié)構(gòu)、外觀尺度、控制面板位置為6個關鍵設計區(qū)域。

表1 負相關設計特性及與其對應的TRIZ通用工程參數(shù)

步驟2：創(chuàng)新設計關鍵問題的沖突分析與消除，以及創(chuàng)新設計方案的產(chǎn)生。

依據(jù)3個創(chuàng)新設計關鍵問題及負相關設計特性，分別構(gòu)建其與TRIZ通用工程參數(shù)的對應關系，如表1所示。實際創(chuàng)新設計關鍵問題中的沖突特性可用負相關設計特性對應的通用工程參數(shù)替代，從而實現(xiàn)將創(chuàng)新關鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ的一般問題。

針對第1個關鍵創(chuàng)新問題，煙機與灶臺的距離需要盡可能短，以確保高的吸煙效能。同時，煙機高于用戶頭部的距離盡可能長，以避免頭部的誤撞以及對操作視線的影響。因此，該沖突問題屬于物理沖突，可利用TRIZ分離原理中的空間分離所建議的發(fā)明原理實現(xiàn)沖突的化解，相關發(fā)明原理編號為：No.1，No.2，No.3，No.7，No.13，No.17，No.24，No.26，No.30。依據(jù)實際分問題，首先選擇發(fā)明原理No.13：反向，提出將處于灶臺之上的煙機上排風結(jié)構(gòu)變?yōu)樘幱谠钆_之下的下排風式。由于傳統(tǒng)灶臺下方設有櫥柜，再利用發(fā)明原理No.7：套裝，將煙機的下排風結(jié)構(gòu)嵌套在櫥柜里。然后利用發(fā)明原理No.17：維數(shù)變化中使物體傾斜或改變的方向的方法，使分體式煙機的水平下吸式風口變?yōu)橹刂眰?cè)吸式或環(huán)吸式。從而可解決 “煙機與灶臺的距離”與“煙機與用戶頭部的距離”之間的沖突。

圖2 煙機灶具質(zhì)量屋

針對第2個關鍵創(chuàng)新問題， 當功能系統(tǒng)的可靠性提升時，會導致外觀尺度的長度或?qū)挾鹊募哟?，使其體量增大。因此，該沖突問題屬于技術(shù)沖突，針對第3個關鍵創(chuàng)新問題，當提升功能空間配置的可操作性時，導致結(jié)構(gòu)的可制造性惡化。所以，該沖突問題亦屬于技術(shù)沖突。兩對關鍵沖突問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，即解決“27.可靠性”與“4.靜止物體的長度”，“33.可操作性”與“32.可制造性”之間的沖突，利用TRIZ沖突矩陣（如圖3所示）及其所建議的發(fā)明原理消除。在推薦的發(fā)明原理編號No.15，No.28，No.29, No.11中選擇No.28：機械系統(tǒng)的替代，即用電場、磁場、光波、電磁波完成與物體的相互作用實現(xiàn)功能，提出利用臭氧紫外線或光波或電磁波增強消毒功能系統(tǒng)、微波與光波烹飪功能系統(tǒng)等。再推薦的發(fā)明原理編號No.2，No.5，No.12中選擇No.5：合并，提出將所有功能系統(tǒng)合并，即將煙機、灶具、櫥柜集成于一體。從而第2、3關鍵創(chuàng)新問題中的沖突依次得到消除。

圖3 解決沖突問題的局部沖突矩陣

綜上，獲得創(chuàng)新概念為重直側(cè)吸式或環(huán)吸式煙機吸風口及下排風結(jié)構(gòu)，增強消毒功能系統(tǒng)、微波與光波烹飪功能系統(tǒng)，及將煙機、灶具、櫥柜集成于一體。另外，結(jié)合6個關鍵設計區(qū)域功能系統(tǒng)、功能空間配置、煙機吸風口結(jié)構(gòu)、灶頭結(jié)構(gòu)、外觀尺度、控制面板位置，借助手繪草圖與計算機輔助三維建模軟件Rhino 5.0產(chǎn)生4款集成環(huán)保灶創(chuàng)新設計方案，如圖4(a)～圖4(d)所示。

圖4 集成環(huán)保灶4款創(chuàng)新設計方案

3 結(jié)論

QFD質(zhì)量屋與TRIZ理論的集成解決了設計階段如何獲取產(chǎn)品創(chuàng)新的具體問題，以及針對具體問題采用何種具體思路與方法解決問題，實現(xiàn)創(chuàng)新。二者的集成可以有效彌補兩種方法的局限，發(fā)揮各自方法的最大優(yōu)勢。通過廚房吸頂式煙機與灶具的創(chuàng)新設計，開發(fā)了4款集成環(huán)保灶設計方案，論證了所提出的QFD/TRIZ集成模型與步驟方法的可行性。

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