基于QFD/TRIZ集成模型的產品創新設計

張芳蘭 ，楊明朗，劉衛東

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

0 引言

在日益激烈的全球化市場競爭中，產品創新是企業生存與發展的核心力量。設計階段的產品創新應以科學且有效的創新方法為指導，從方法論本質上與設計過程實踐中提升產品創新的效率和質量，從而快速響應滿足多樣化、時代化的用戶需求。質量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是一種用戶驅動的創新方法，正確實施QFD可使設計更改減少30%～50%，產品開發周期縮短30%～50%，產品開發啟動費用減少20%～60%[1～3]。該方法可實現創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]的結合成為目前學者研究的熱點。

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

1 QFD/TRIZ集成模型構建

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

TRIZ理論在解決設計問題時采用無折中的設計思想，通過科學發明原理、沖突矩陣、分離原理，并結合沖突分析，提供了具體的創新思路與方法，可以消除設計中的沖突問題并實現創新。但是該理論體系并無涉及如何識別與定位創新問題。因此，將TRIZ理論與QFD質量屋結合，創建了面向產品創新的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：構建簡化的QFD質量屋，確立創新設計關鍵問題與關鍵設計區域。

首先構建簡化的QFD質量屋。通過問卷調研、專家訪談及相關文獻資料三種數據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0，1，3，5比例標度構建用戶需求與設計特性相關矩陣，并根據公式（1）計算各項產品設計特性分值：

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為產品設計特性整體得分。依據產品設計特性分數高低對其進行優先度排序。

位于簡化的質量屋屋頂的自相關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，從而確立關鍵創新問題。最終參照設計特性優先度與負相關設計特性進行產品創新設計關鍵定位。

步驟2：創新設計關鍵問題的沖突分析與消除，實現創新設計方案的產生。

利用TRIZ發明原理、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新設計關鍵問題，運用39個通用工程參數，構建與負相關設計特性對應的工程參數，實現了創新設計關鍵問題轉化為TRIZ問題；其次通過沖突分析，確定該TRIZ問題是技術沖突還是物理沖突。技術沖突利用沖突矩陣所推薦的發明原理消除；物理沖突則利用分離原理所推薦的發明原理解決。根據實際的創新設計關鍵問題，選擇相適應的發明原理找到解決問題的具體創新方法，從而消除沖突，提出創新概念，并結合關鍵設計區域與具體創新方法，借助手繪草圖與計算機輔助圖形設計，產生創新設計方案。

2 集成灶創新設計案例

現依據所提出的QFD/TRIZ集成模型與方法步驟，對傳統吸頂式煙機與灶具進行設計創新，具體過程如下所述：

步驟1：構建簡化的煙機灶具質量屋，確立創新設計關鍵問題與關鍵設計區域。

首先構建煙機灶具質量屋如圖2所示。依據質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。依據這3對負相關設計特性，確立煙機灶具3個關鍵創新問題，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“結構”之間的沖突。3）消除“功能系統”與“外觀尺度”之間的沖突。另外，通過質量屋中用戶需求與設計特性關系矩陣，獲得設計特性優先度排序，確立功能系統、功能空間配置、煙機吸風口結構、灶頭結構、外觀尺度、控制面板位置為6個關鍵設計區域。

表1 負相關設計特性及與其對應的TRIZ通用工程參數

步驟2：創新設計關鍵問題的沖突分析與消除，以及創新設計方案的產生。

依據3個創新設計關鍵問題及負相關設計特性，分別構建其與TRIZ通用工程參數的對應關系，如表1所示。實際創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替代，從而實現將創新關鍵問題轉化為TRIZ的一般問題。

針對第1個關鍵創新問題，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明原理實現沖突的化解，相關發明原理編號為：No.1，No.2，No.3，No.7，No.13，No.17，No.24，No.26，No.30。依據實際分問題，首先選擇發明原理No.13：反向，提出將處于灶臺之上的煙機上排風結構變為處于灶臺之下的下排風式。由于傳統灶臺下方設有櫥柜，再利用發明原理No.7：套裝，將煙機的下排風結構嵌套在櫥柜里。然后利用發明原理No.17：維數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為重直側吸式或環吸式。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 煙機灶具質量屋

針對第2個關鍵創新問題， 當功能系統的可靠性提升時，會導致外觀尺度的長度或寬度的加大，使其體量增大。因此，該沖突問題屬于技術沖突，針對第3個關鍵創新問題，當提升功能空間配置的可操作性時，導致結構的可制造性惡化。所以，該沖突問題亦屬于技術沖突。兩對關鍵沖突問題轉化為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）及其所建議的發明原理消除。在推薦的發明原理編號No.15，No.28，No.29, No.11中選擇No.28：機械系統的替代，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、微波與光波烹飪功能系統等。再推薦的發明原理編號No.2，No.5，No.12中選擇No.5：合并，提出將所有功能系統合并，即將煙機、灶具、櫥柜集成于一體。從而第2、3關鍵創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，獲得創新概念為重直側吸式或環吸式煙機吸風口及下排風結構，增強消毒功能系統、微波與光波烹飪功能系統，及將煙機、灶具、櫥柜集成于一體。另外，結合6個關鍵設計區域功能系統、功能空間配置、煙機吸風口結構、灶頭結構、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產生4款集成環保灶創新設計方案，如圖4(a)～圖4(d)所示。

圖4 集成環保灶4款創新設計方案

3 結論

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

[1] Vezzetti E, Moosa S,Kretli S.A product lifecycle management methodology for supporting knowledge reuse in the consumer packaged goods domain[J].Computer-Aided Design,2011,43(12):1902-1911.

[2] 馬懷宇,孟明辰.基于 TRIZ／QFD／FA的產品概念設計過程模型[J].清華大學學報 (自然科學版) ,2001,41(11):56-59.

[3] 徐曉亮.基于QFD與TRIZ理論的人機工程設計[D].合肥工業大學,2008.

[4] Deng Y M, Yu A B, Li W H, et al. Study on Integrated Design Method Based on AD, QFD, TRIZ and Taguchi Method[J].Advances in Engineering Design and Optimization,2010,(37):1301-1305.

[5] Yeh C H,Huang J C Y,Yu C K. Integration of four-phase QFD and TRIZ in product R&D:a notebook case study[J].Research in Engineering Design,2011,22(3):125-141.

[6] 邵云飛,杜欣,唐小我.基于6σ/QFD/TRIZ集成的產品創新設計方法[J].系統工程,2011,32(4):77-83.

[7] Chih-Hsuan Wang,Jiun-Nan Chen,Using quality function deployment for collaborative product design and optimal selection of module mix[J].Computers & Industrial Engineering,63 (2012):1030-1037.

[8] 劉曉敏,檀潤華.約束理論中當前實現樹與沖突解決圖表驅動創新設計研究[J].中國機械工程,2008,19(12):1442-1445.

[9] 冷崇杰,項輝宇,閆曉玲.基于TRIZ理論的產品結構創新設計[J]. 制造業自動化,2010,32(8):27-29.

[10]蒲娟,陳勇,熊艷,等.基于TRIZ理論和模糊層次分析法的產品概念設計及評價[J].制造業自動化,2014,36(1):14-17.