基于系统设计方法与TRIZ的产品创新设计探究_吴茜.pdf

2023年第07期（2023年07月）No.0 7 2 0 2 315黑河学院学报JOURNAL OF HEIHE UNIVERSITY在过去的几十年中，许多学者在设计理论和方法论上进行了大量研究工作1，为叙述型(Descriptive)设计模型与规范型(Prescriptive)设计模型做出了重要贡献2。叙述型设计模型专门研究设计师的设计过程(Processes)、策略(Strategies)和方法(Methods)，而规范型设计模型专门研究有关如何执行设计或设计产品的属性说明3。由于规范型设计模型提出了设计实践指南，因此，它们在工程类学校中得到了广泛的传授，并在工业实践中得到了应用4。大部分规范型模型都基于19世纪70年代的德国系统设计方法5，该设计方法也被英国和美国著名的设计教科书所引用6。其中，最权威的系统设计方法之一是PahlBeiz(2007)提出的基于功能分解和形态学(FDM)进行的。FDM将设计目标系统的整体功能分解为更简单的子功能，再为每个子功能确定其工作原理(Working Principles)，最终将各个工作原理系统地相互组合在一起，以获得一个或多个总体概念变量(Over Concept Variants)7。事实上，FDM已经在概念设计过程中发挥出其作用，FDM提供了一种可以将一组需求转换为产品或系统的指令工具。虽然学术界的广泛传播似乎证明了FDM的优势，但也存在一定局限性，例如，它在工业领域中缺乏广泛地应用实践，其缺点主要在于难以支持与解决方案无关的功能分解。一、T R I Z 与系统概念设计方法之相关联性 1.TRIZTRIZ是俄语(Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadach)的首字母缩写，即(发明型问题解决理论)，最初由俄罗斯工程师Genrich Altshuller开发出来8。TRIZ的基本定义是描述如何通过有限数量的发明原则(Inventive Principles)来解决数千种不同的技术矛盾9。矛盾是系统模型对有冲突组件的功能提出了不兼容的要求10。图1 主体动作客体流程如图1所示，TRIZ方法对于功能的定义包括两个组件之间动作：主体(Subject)、动作(Action)、客体(Object)。TRIZ方法将动作对客体的影响分为三类：有用(Useful)、不足或过度(insufficient or excessive)、危害(harmful)。(1)有用的动作：导致功能对象的参数值发生正值变化或维持现状的动作。(2)不足或过度的动作：对功能对象的参数值进行正向更改或保留的动作，但执行动作的性能比预期低。(3)危害的动作：导致功能对象的参数值或状态造成负面的更改或保留的动作。因此，在解决问题的活动中，可以将问题分为以下三类：(1)主体缺失问题(Subject-Missing Problems)：主体必须为可以实现功能需求的主体。(2)性能问题(Performance Problems)：动作不足或过度地执行任务。(3)危害影响问题(Harmful Effect Problems)：主体对客体执行了非预期的动作。目前，许多学者已经开发了不同的TRIZ方法来创造性地解决问题，可用于这三类的所有问题11。此外，TRIZ有了多次的发展和替代方法，例如CROST10、OTSM-TRIZ12、TOP-TRIZ13，这些新方法提高了TRIZ的实用性。学习TRIZ方法需要很长的时间14，对于提到的新方法有时候甚至可能会使问题变得更加复杂。正是因为这个现象存在，一些学者对工业中TRIZ方法的实际使用进行了调查15，他们强调将问题简单化的方法才有意义。收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 6基金项目：安徽省哲学社会科学规划青年项目“后疫情时代下合肥家电设计产业现状与发展策略研究”(A H S K Q 2 0 2 1 D 1 2 7)作者简介：吴茜(1 9 9 0)，女，福建福州人，讲师，硕士，主要从事跨文化研究；鲁红雷(1 9 8 6)，男，安徽合肥人，讲师，硕士，主要从事设计策略研究；曹鑫(1 9 9 3)，男，江西景德镇人，讲师，硕士，主要从事创新设计方法研究。doi：10.3969/j.issn.1674-9499.2023.07.005基于系统设计方法与T R I Z 的产品创新设计探究吴茜1鲁红雷2曹鑫1(1.福州外语外贸学院，福建 福州 350202；2.安徽大学 艺术学院，安徽 合肥 230601)摘 要：系统设计方法在概念设计阶段缺乏对创新设计细节描述。有研究试图将T RI Z 与系统设计方法结合来填补这一空白，但没有将T RI Z 方法全面的应用在系统设计方法中。发掘T RI Z 的问题解决优势，将系统设计方法中系统输入与输出的功能定义与T RI Z 模型中对问题的三种详细定义(主体缺失问题、性能问题、危害影响问题)以及对功能的定义(主体动作客体)结合起来，提出I NS 概念设计模型，填补系统设计方法在概念设计过程中无法全面进行创新设计的缺陷。通过三个应用实例(筷子架、吸尘器、吸管)分别对应上述三种问题进行描述验证，并得出了相应的改进创新方案。关键词：系统设计方法；T RI Z；I NS；概念设计；产品创新设计中图分类号：T H 1 2 2 文献标志码：A 文章编号：1 6 7 4-9 4 9 9(2 0 2 3)0 7-0 0 1 5-0 42023年第07期（2023年07月）No.0 7 2 0 2 316TRIZ理论研究2.系统设计方法概念设计是设计过程的一部分，在该过程中，通过抽象概念确定基本问题，建立功能结构，搜索适当的工作原理并将这些原理组合为工作结构，从而通过拟定解决方案奠定了基本的解决方案路径1627。对于系统设计这个术语，学者们通常将它定义为:抽象概念(Abstraction)、建立功能结构(Establishing Function Structure)、寻找解决方案原理(Searching For Solution Principles)、结合解决方案原理(Combining Solution Principles)等作为基本步骤构成设计过程的理论与方法17。其中，最著名的方法之一是PahlBeiz提出的系统设计方法，他们将设计过程分为四个阶段：任务阐释(Clarification Of The Task)、概念设计(Conceptual Design)、实体化设计(Embodiment Design)、详细设计(detail Design)1629。本研究将集中在概念设计时间，功能分解(FDM)作为系统设计方法的基本形式，以功能为概念的出发点，旨在将一个或多个能量(Energy)、材料(Material)及信号(Signal)输入并转换为修改后的输出动作，如图2所示。图2 E MS 功能转换过程在设计领域中，先前的术语时常与具体的物质或技术关联在一起。能量通常由它的显示形式来表示，包括机械能、电能或光能等。材质指的是具有重量、颜色、状态等特性的材料。信号由具体的表达信号(Physical Form)来呈现1630。功能结构是由单一功能彼此连接在一起而形成，通过Input-Output关系中的EMS转换过程进行活动。例如，第一个功能的输出流构成了第二个功能的输入流，并以此不断转换。在功能结构中，功能横向构成了形态学图表，而纵向则包含了为实现每个功能而提出的不同解决方案1634。这样可以在各种解决方案或工作原理内评估不同的组合，然后使系统生成要评估和选择的不同概念变体(Variants)。尽管在学术界广泛采用了基于功能分解的系统概念设计方法，但工业从业人员却很少遵循系统概念设计方法18。将学术中的设计方法产业化是一个普遍存在的问题，许多学者对此问题进行了深入研究，但仍然是一个开放的研究问题19。同时，对功能的描述也可能会引发一些问题，尤其是在对功能一词的多种不同的解释方面20。此外，有大部分反对系统设计方法的意见是关于对创造力的有限支持方面21，过度使用功能分解限制了设计师的自由，也限制了他们的创造力。3.TRIZ与系统设计方法之关联性PahlBeiz(2007)提出了几种支持创造性问题解决方案的方法，例如，Brainstorming、6-5-3、Synectics等。同时，TRIZ方法在其他设计教科书中也被当做有效的解决问题方法22。Fiorineschi(2018)提出了目前文献中提供的十个TRIZ与FDM集合提案，确定了影响已审查文稿的五个一般性问题。在这些问题中，最关键的问题是对TRIZ方法的不同解释以及TRIZ和FDM之间的根本差异性。事实上，FDM已经在概念设计过程中发挥出其作用，FDM提供了一种可以将一组需求转换为产品或系统的指令工具。而TRIZ方法的目的不仅是在概念设计的背景下，还支持几乎所有类型的问题进行分析并生成可能合适的解决方案。因此，TRIZ方法也可以有效地用于任务目的描述上23。尽管TRIZ方法大体上基于矛盾的概念，但功能的概念起着重要的作用，代表了一些发明工具的基础。在尝试将TRIZ于FDM结合使用时，对于功能的定义是一个不可忽略的问题，两者提出的功能概念是不连贯的，有时甚至互相矛盾24。表1分别介绍了FDM与TRIZ方法中对功能的定义及目的。表1 系统设计方法与T R I Z 的主要区别分类FDMTRIZ功能的定义功能是系统执行之动作，包括：可更改之能量、材质与信号。功能是指由主体执行的动作改变了客体对象的属性。功能模型的目的1.设计新概念，允许构建相关的功能结构。2.按照功能和 EMS 方式分解现有技术系统，从而找到可替代的功能结构或工作原理。1.在现有系统上执行分析，以了解它们如何工作，并在其组件之间找到功能关系。2.发现不足、过度或危害之动作来促进识别和解决问题。TRIZ与FDM之间也存在另一个重要的区别，FDM是关于分享如何使用和实施的，而TRIZ方法的应用可能会受到不同主管解释的影响。最近，学术界面临着对于TRIZ方法的选择与使用标准规范的问题25，但TRIZ方法使用者仍然不清楚并接受该规范。TRIZ方法中可以用于突出两个客观组件(即主体与客体)之间的功能性，然后支持提出需要解决的问题。从表1中总结两者的差异性，可以显示出尝试将TRIZ结合到FDM中的困难性。FDM功能结构中可用的信息不足以构建系统的TRIZ功能结构。尽管可以从FDM功能框架中直接提取动作这个概念，并且可以在一个或多个处理流程中识别客体(即功能的接受者)，但是没有关于执行功能的主体概念。因此，系统概念设计的EMS功能结构突出显示了功能与所涉及EMS输入、输出之间的关系，但不能突出显示TRIZ中性能问题与危害影响问题的存在，因为EMS并未表示实现每个功能的解决方案(即TRIZ方法中的主体概念)。实际上，在FDM中，尽构想EMS功能结构时，才会在形态结构上显示出系统功能中的解决方案(即FDM中的工作原理)。一般而言，要识别性能问题与危害影响问题，至少要了解实现每个功能的工作原理。此外，尽在不同工作原理组合期间，才会出现与系统中两个或多个组件之间交换产生的危害影响问题。一些学者还指出，TRIZ方法中的主体和客体必须是客观元素2611，从而忽略了EMS模型中的能量和信号概念。根据将TRIZ结合到FDM中的现有提议2，存在两种可能性：尝试分别通过应用TRIZ方法间接支持FDM，或者尝试修改一种或两种同时进行开发相关潜力。两种方法都存在不可忽略的缺陷，虽然支持一种方法可能导致更复杂和繁重的设计过程，但结合两种方法未能保留这两种方法的基本原理，因此，对于它们各自最初的优势是否保留还处于未知状态。根据之前的文献提出的问题，任何试图将TRIZ强制导入FDM中的尝试都注定会失败。因此，总结上述阻碍基于FDM的系统概念设计方法与TRIZ方法相结合的因素，该问题主要出现在为特定功能选择特定的工作原理时，无法确定FDM中的性2023年第07期（2023年07月）No.0 7 2 0 2 317TRIZ理论研究能问题与危害影响问题。二