基于萃智理論的智能飲水機人機工程設計*

□ 王 旭 □ 黃曼綺

電子科技大學成都學院電子工程系 成都611731

1 設計背景

飲水機是人們生活中的必要用水設備，如何能夠確保其使用的安全性和便捷性，是設計人員必須考慮的要素，因此對智能飲水機進行人機工程設計具有非常重要的意義。通過對多種飲水機的性能進行調研和分析發現，目前智能飲水機的功能已經日趨完善，但是在使用便捷、消除安全隱患等設計方面，主要體現在防干燒系統和換水裝置的設置［1-2］。而防交叉感染、防誤操作燙傷等方面的問題卻涉及很少。所以，必須對飲水機進行人機工程設計，才能全面消除飲水機的各種不利因素。

對現有的飲水機設計方法而言，主要包括參照改進法、頭腦風暴法等。然而，參照改進法［3］是在參考現有某種機型結構和功能的前提下，僅僅對存在的局部問題進行修正，具有較大的局限性。而頭腦風暴法［4］雖然能夠產生良好的創意設計，但在實施過程中對團隊氛圍、靈感及隨機性等條件要求較高，無法持續地產生較好的方案并加以改進。所以，若要在人機工程設計中高效地開發出優化方案，解決設計中的技術矛盾，需要有合理的發明原理加以引導和提示。因此，基于技術矛盾的萃智理論（TRIZ）創新方法，面對不同工程問題具有對應的推薦發明原理，從這個方面來看，該方法和飲水機人機工程設計具有良好的匹配性。綜上所述，在基于人機工程學各要素的前提下，擬采用TRIZ發明理論，實現智能飲水機的人機工程優化設計。

2 不利因素統計

智能飲水機的人機工程設計，是指人在使用飲水機時，考慮到產品對人的能量消耗、疲勞，以及潛在傷害等因素的影響，采取一定的設計方案來消除不利因素的過程。因此，人機工程設計的首要環節，是確定容易對人造成傷害或使用不便的不利因素。這一步驟的主要流程為：①信息搜集。對2015～2017年有關飲水機的專利和期刊文獻等資料進行搜集和分析［5-7］，總結出容易產生不利因素的誘發原因。②對分析結果進行整理和歸類。如在燈光昏暗或誤操作下，容易造成溢水事故，則將燈光昏暗和誤操作整理至誘發原因類，而溢水則添加至不利因素類。③結果獲取。建立完整的不利因素和誘發原因的對應關系，具體情況見表1。

3 TRIZ的方案設計

TRIZ是基于統計學原理，在解決工程問題時，揭示設計對象中的矛盾，并指導性地提出解決方案［8］。TRIZ處理工程問題的目的并非折中地減輕矛盾影響，而是徹底消除矛盾，獲得問題的理想解。在智能飲水機的人機工程設計中，當某個不利因素得到改善時，可能導致其它因素的惡化，即二者構成了一對技術矛盾。因此，TRIZ推薦了相應的發明原理，來有效解決技術矛盾，并實現優化設計。

3.1 技術矛盾矩陣的建立

技術矛盾矩陣，是基于表1所示的不利因素，建立改善因素、惡化因素，以及有效發明原理之間的關系。如當溫度單一性問題改善后，系統的質量和復雜性會增加，即這兩個因素發生了惡化。為了解決這些沖突，同時達到改善的目的，采用TRIZ推薦的發明原理來引導合理方案的設計。矩陣構建的步驟為：①建立改善和惡化因素的對應關系，表1所示的不利因素改善后，對可能造成的惡化因素進行分析和整理，建立二者之間的對應關系；②將不利因素轉換成通用工程參數，如溫度單一的特征，對于茶、咖啡等不同飲料的最佳溫度匹配性不佳，即不具備良好的適應性，可以等效為通用工程參數-適應性；③將文獻中推薦的發明原理添加至對應技術矛盾，完成技術矛盾矩陣的構建，具體見表2，表2中的數字為TRIZ推薦解決技術矛盾的發明原理編號。

3.2 設計方案確定

構建技術矛盾矩陣后，根據每項改善因素的發明原理，進行設計方案分析與確定。以燒水功能單一為例，由于改善該因素后會增加程序編譯，生產率下降，所以TRIZ推薦了發明原理編號為2（抽取）、1（分割）、16（未達到或過度的作用）三種發明原理［9］。對發明原理2（抽取）而言，其指導原則為從對象中選取重要屬性，根據這一原則，可以根據幾種最常用的飲料來定義飲水機的多級溫度，如奶粉為45℃、咖啡為65℃、茶葉為80℃、開水為100℃。發明原理1（分割），即可以將燒水系統獨立于飲水機之外，也就是在多級溫控外置燒水系統。發明原理16（未達到或過度的作用），即多級溫度設計中，在滿足功能的前提下，盡量減少元件。綜上所述，采用發明原理1（分割）設計獨立的多級溫控外置燒水系統，用戶操作時要經過放水-燒水-用水三個環節，增加了使用的復雜性，因此不選擇這一方案。筆者采用發明原理2和16進行設計，即選擇STM32單片機，直接與水溫檢測模塊連接，在元件最少的情況下，實現多級溫度控制，多級溫控設計如圖1所示。

同理，對其余改善因素分別進行發明原理分析和比較，選擇合適的發明原理，并根據其指導原則得出最優的方案設計，部分改善因素主要設計方案見表3。

對各因素的實施方案確定后，將其整合成完整的飲水機STM32單片機自動控制系統，如圖2所示，系統主電路如圖3所示。

4 設計評價及后續優化措施

采用TRIZ完成智能飲水機人機工程設計后，需要對設計效果進行評價。評價的方法為專家權重法［10］，具體的操作流程為：①將表3所示的各改善因素的效果定義為非常好、好、較好、一般、差及非常差六個檔次，并從0～1分別界定對應程度因數，見表4；②按照對人影響的大小設定表3中各改善因素的權重；③20名行業調研專家，分別對各改善因素的設計效果進行因數評判并提出后續優化改進措施；④對每個改善因素取程度因數平均值，并計算設計方案的整體加權平均值作為設計評價標準。

加權平均值y計算表達式［11］為：

表1 不利因素及誘發原因對照表（部分）

表2 技術矛盾矩陣（部分）

▲圖1 多級溫控設計

▲圖2 自動控制系統結構

式中：xn為第n個改善因素的平均程度因數；fn為第n個因素的權重；n為改善因素的個數，即n=1，2，3，4，5。

專家給定的各改善因素平均程度因數、權重及改進建議見表5。

將表5中的數值代入式（1），計算出加權平均值為0.769 5。對比表4的數據可知，該智能飲水機人機工程設計效果是很好的，基本達到了預期目標。說明TRIZ可以有效解決飲水機中各種問題的技術矛盾，引導設計出良好的設計方案。最后，根據專家建議可以繼續改進設計，以達到進一步提升設計效果的目的。

表3 部分改善因素主要設計方案

5 結束語

對目前飲水機使用中的不利因素進行整理，采用TRIZ推薦的發明原理，有效解決因改善這些不利因素時同時出現惡化因素的技術矛盾，實現了智能飲水機的人機工程設計。同時，采取專家權重法評價設計效果，獲得了較高的加權平均值，進一步驗證了TRIZ有利于指導并實現智能飲水機的創新設計。下一步將按照專家的改進建議，對智能飲水機進行后續優化設計，以達到更佳的設計效果。

表4 設計效果程度因數

表5 平均程度因數、權重及改進建議

▲圖3 系統主電路