基于資源分析的綠色創新設計

陳興義　楊錦隴

摘要：為了總結出一種適合綠色設計的創新設計方法，解決綠色設計過程中的綠色沖突。從系統資源分析入手，結合綠色設計方法，合理利用系統可用資源和優化資源配置以解決綠色沖突的本質問題。以青磚切邊機的設計為例，其設計方案滿足綠色設計要求，同時驗證了基于資源分析的產品綠色創新設計流程的可行性。提出一種以資源分析為主的產品綠色創新設計過程模型，為其他產品的綠色創新設計提供了借鑒經驗。

關鍵詞：資源分析 綠色設計 創新設計 青磚切片機 理想度

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 02-0124-04

引言

與傳統設計方法相比，創新設計方法提高了設計效率和設計質量。將質量屋法、公理化設計等融入到設計過程中[1～2]，使設計過程更加清晰和明確，并且運用相關理論解決設計過程中的問題。但對于綠色設計來說，設計效率的提高僅僅是一方面，更重要的是解決產品全生命周期過程中的資源利用問題，實現系統內資源的有效利用。資源分析是從系統的角度分析存在的可用資源，提供系統解決綠色沖突的工具。產品的結構往往是復雜的，但又是相互聯系的，存在綠色沖突的根本原因就是可用資源未得到利用或者利用程度不高。解決設計過程中的綠色沖突，如果僅僅是從提高某方面或者某幾方面其作用是有限的，起決定性作用是資源的利用形式和配置方式。基于以上情況，從綠色設計的本質要求出發，將資源分析融入到設計過程中以此解決綠色沖突。

一、資源分析與綠色設計

（一）資源分析

TRIZ理論中認為技術系統的構建需要資源，系統內問題的解決依賴資源。資源是一切可被人類開發和利用的物質、能量和信息及其屬性的總稱[3]。資源是可獲得的，但是通常又以不可見的物質、能量、信息用來解決問題的一切事物及其特性。系統內產生問題的根本原因都與資源有關，即物質、能量、信息及其特性相互作用產生的有害功能。在產品方案設計過程中，需要了解的屬性主要包含兩方面一物質的屬性和功能屬性（客戶需求）。物質的基本屬性不隨時空條件的改變而改變，如單位體積內的原子質量;物質特性會根據時空條件的改變而改變，例如物質的相態。功能屬性是屬性之間的相互作用以及相互作用之后產生的某種作用，其性質并不都是有益的，對于有益的功能屬性要保持，而對于有害的功能屬性應該避免或者轉化，最終達到理想解。

在一定程度上，沒有達到理想解的系統，就應該存在可用資源。資源可分為內部資源和外部資源。內部資源是指在;中突發生的時間、空間區域內的資源，外部資源是指沖突發生的時間、空間區域的外部存在的資源[4]。內部資源和外部資源又可以被劃分為直接利用資源、導出資源及差動資源。當前狀態系統內，可被直接利用的資源被稱為直接利用資源;不能利用的資源經過某種轉化，成為可利用的資源被稱為導出資源;由于物質或場的屬性差異而形成某種技術的資源被稱為差動資源，可分為差動物質資源和差動場資源兩類。了解資源種類為資源利用奠定基礎。

（二）綠色設計

綠色設計是設計理念上的一次變革[5]。綠色設計是指在產品設計階段考慮產品的功能、質量、開發周期和成本的同時，充分考慮產品的加工制造過程、使用過程乃至廢棄和回收利用過程對環境影響降到最小，使資源最大限度得到有效利用的創新型設計理念[6]。綠色設計的目的是克服傳統設計中的不足[7]，解決人類利用資源過程中的矛盾沖突，實現可持續發展。隨著人們環保意識的加強，綠色設計已經提高產品競爭力的一種手段。如富士公司從產品的設計、選材、生產、包裝、運輸乃至廢棄回收過程中將綠色設計思想融入其中。

在概念方案設計階段，綠色設計的目的是提高資源的可利用程度或者優化資源配置，減少或者不產生廢棄物，實現資源的循環流動。資源分析提供了一種系統分析和利用可用資源的方法，對于解決設計過程中的綠色沖突有積極的引導作用。創新就是解決系統內的有害功能，并將資源合理分配和配置到系統相應的位置以實現一定的功能。資源利用不同，產品設計方案不同[8]。設計方案的創新性主要取決于資源的配置方式以實現產品的功能屬性，以及解決系統內有害功能屬性的程度。因此，資源分析在產品綠色創新設計過程中發揮著重要作用。

二、基于資源分析的綠色創新設計過程模型研究

（一）綠色設計流程

設計的一般流程為需求分析—概念設計——詳細設計——方案評價。綠色設計流程是將公理化設計、質量屋法等方法融入到需求分析階段，其目的是挖掘綠色設計需求;在概念設計和詳細設計階段，從材料選擇、可拆卸、可裝配、可回收等方面把綠色設計原則融入到設計過程中，其目的是各項指標滿足綠色設計原則;從環境屬性、資源屬性、能源屬性和經濟屬性四個方面對方案進行評。其具體設計流程如圖1所示，該方法給出了綠色設計的判定標準，但其局限性在于沒有給出具體解決綠色沖突的方法。

（二）基于資源分析的產品綠色創新設計流程

綠色創新設計方法研究方面，許多學者進行了探索。例如，張雷，張偉偉，蔣詩新等為了提高綠色產品的創新設計效率，提出了一種基于TRIZ與專利分析的產品綠色創新設計方法[9];鮑宏，劉志峰，胡迪等將TRIZ技術沖突解決原理和環境化質量功能配置方法相結合，提出一種應用發明問題解決理論的主動再制造綠色創新設計方法[10]。以上研究的目的是為了找出一種適合綠色設計的創新設計方法，提高設計效率。產品設計的創新是設計理念和設計方法的創新[11]。綠色設計理念融入到產品設計中是產品設計中的理念創新，資源分析方法融入到產品設計中是設計方法的創新。通過資源分析，挖掘系統內外的可用資源，解決矛盾沖突，其最終結果是可用資源得到有效流動。綜合其他學者對綠色創新設計方法的探索以及綠色設計和資源分析相關理論的特點，提出基于資源分析的綠色創新設計流程模型，如圖2所示。

采用該創新設計流程的優勢在于，綠色設計過程中的大部分綠色沖突都可以歸結為資源利用形式和配置的問題。在概念設計階段考慮資源的利用程度和方式，有利于降低開發成本和縮短開發周期，更重的是從系統角度去考慮資源的流動問題，實現理想的解。其次，為解決綠色沖突提供了有效途徑，使解決問題的思路更加清晰。

三、案例分析

（一）需求分析和概念設計

舊青磚屬于建筑廢棄物，大量堆積，占用空間，雖然市場需求大，但是可直接利用的數量較少。為了保持古建筑原有面貌，需用年代久遠的舊青磚，因此在一定意義上舊青磚屬于不可再生資源。存在“可用數量少”與“需求量大”，屬于典型的物理矛盾，解決物理矛盾的方式由空間分離、時間分離、基于條件的分離和整體與局部的分離四種方式。沖突一方要求向增加可利用舊青磚的方向發展，是符合基于條件的分離原理的解決原則，因此運用基于條件的分離原理。

英國巴斯大學的Mann通過研究提出，解決物理沖突的分離原理與解決技術沖突的發明原理之間存在關系，如表1所示。通過表1，可以采用發明原理1、5、6、7、8、1 3、14、22、23、25、27、33、35去解決。結合實際情況，采用發明原理1一分割，其解釋如表2所示。其具體解決措施為將1日青磚切割成片，以切片的形式粘貼在墻上。

對市場上現有的切割機進行切割實驗，切割成品如圖3所示，因此舊青磚切割成片的方案是可行的，但是沒有是適合舊青磚切片的切割機。主要存在以下問題：1）現有舊青磚由于存放時間長，強度下降，切割過程中切片易碎，成型率低;2）切割過程中有震動，并且切片厚度很難保持一致;3）切割過程中噪聲大，有粉塵，污染空氣和損害操作人員身體健康;4）廢物產生量大，不易處理。基于以上問題，對青磚切片機的需求為：1）提高成型率;2）改善操作環境的質量;3）減少廢氣物的產生以及廢棄物的再利用。概念設計方案為，在原有基礎上進行改進設計，以滿足以上需求。

（二）資源分析

1切割機系統的可利用資源分析

以某品牌多功能型材切割機為例，其外觀如圖4所示。一般砂輪切割機主要有支撐系統、保護系統、切割系統、控制系統、傳動系統組成，可以完成對塑料、木材、石材、鋼材等切割和加工。

周揚、鄧遠超、王愛群”[12]等指出資源分析可以對詳細全面地考察并列出系統涉及的所有資源有幫助;許波，檀潤華，郭迪明[13]等指出在大多數產品系統中都存在充裕的可用資源，有些資源通常被認為是無用的或者會產生有害的結果，而實際上可以通過適當轉化加以利用。因此在解決青磚切片機的矛盾問題，資源分析將發揮重要作用。按照圖3基于資源分析的綠色創新設計流程對系統進行資源形式分析，如圖5所示。

2切割機系統的資源最優配置方案

無論是有益的功能還是有害的功能，都依靠資源存在于系統中，不同的資源利用形式，在很大程度上決定了系統的功能屬性。合理的資源配置方案解決矛盾問題的前提，是提高資源利用率，提升產品綠色度的有效途徑。為解決以上問題，對常見的切割方式進行了統計并分析各自的特點和適用場合，如表3所示。

無論是從加工質量，還是從環保性考慮，相比其他切割方式，水刀切割是一種比較理想的切割方式。從實際加工要求出發，水刀切割分為高壓型和低壓型，一般以lOOMp為界限。lOOMp以上為高壓型，lOOMp以下為低壓型，而200MP以上為超高壓型。查閱相關資料，青磚的抗壓強度約為27.26Mpa，因此采用低壓型水切割方式。與傳統多功能切割機相比，其優勢在于：

1）可切割范圍廣J切割大部分材料，比如大理石，塑料，瓷磚等，產品適用范圍寬;

2）切割質量好，切割精度高，一般通過小孔（直徑為0.05mm～0.15mm）;

3）切割過程溫度低，對被切割材質物理性能無影響;

4）環保性，切割過程不產生灰塵，不汚染環境，改善操作人員的工作環境;

5）無需更換刀具或砂輪，降低維護成本。

對于切割產生的粉末來說，是系統中未被利用的資源。系統的正常運轉需要依靠資源，系統產生問題的主要原因就是資源分配的不合理或者缺少相應的資源。在解決這個問題時，我們可以嘗試運用40個發明措施。掌握這些措施可以大大提高創新的效率，縮短開發周期，用有限的發明措施解決無限的發明問題。通過對40個發明措施進行思考，發現發明措施22（變害為益）對解決問題具有啟發性作用，其具體解釋內容如表4所示。

其具體解決措施，結合措施中將有害的要素相結合變為有益的要素的建議，使用專用的黏合劑把粉末回收利用，這樣可以制作各種形狀的青磚貼片。不僅解決了廢棄物的處理問題，增加了經濟效益，更豐富了產品的類型。

（三）詳細設計

按照切割機系統的資源最優配置方案以及現有水刀切割機的特點，提出適合舊青磚切片的水刀切割機，主要有水壓力循環供給裝置、夾持裝置、尺寸測量裝置、粉末回收利用裝置等組成，其機構示意如圖6所示。

其工作過程如下：舊青磚放在固定夾板（6）和移動夾板（7）之間，通過移動夾板（7）的移動來控制1日青磚的加緊程度以及左右移動;切割厚度通過移動噴嘴（1）的位置來控制，通過刻度板（3）來實現，在設計時把固定板（6）作為零刻度線，可以實現一次調整多次切割同一厚度的效果;在切割時，噴嘴（1）固定不動，通過前后移動滑道（9）實現夾持裝置的前后移動來帶動舊青磚切割，切割好的青磚切片被暫放在切邊暫存版（5）上;通過前后的移動，完成連續的切割。切割產生的粉末通過濾網暫存在水箱上方的容器內，達到一定量時回收利用。

該設計實現了舊青磚的連續切割，提高了加工效率;利用水作為介質，減少切割道具對加工石材的壓力，提高了成型率，防止了揚塵的產生，保準了操作人員的健康;產生的廢棄物得到了有效的處理，水資源得到了循環使用，整個加工過程資源得到了有效利用，沒有廢棄的產生，符合綠色加工思想。

（四）方案綠色評估

綠色設計的目的是減少廢棄物產生甚至不產生廢棄物，實現資源的循環利用。系統發展的方向是向著提高理想度的方向不斷進化的，獲得理想化最終結果的技術系統應該具備4個要點：1）保持了原系統的優點;2）消除了原有系統的不足;3）沒有使系統變得更加復雜;4）沒有引入新的缺陷[2]。從理想化最終結果的角度考慮，該方案保持原有系統操作簡單，價格低的特點;消除了原有系統中成型率低、有噪聲、有粉塵，產生大量廢棄粉末的不足;用壓力泵提供高壓水進行切割的方式代替電動機傳動的方式，簡化了傳動系統，沒有使系統變得更加復雜;整個過程中，水箱中的水是循環利用的，產生的廢棄物得到了完全利用，因此沒有引入新的缺陷。

提高系統的的理想度是技術創新的目標，綠色設計的終極目標是實現資源的全部有效利用，即達到理想度為1。理想的系統是目標，但不能完全實現。根據公式1，要想提高系統的理想度，有4個策略：1）增加有用功能數量，同時減小有害功能數量和成本數量之和，該策略是最佳改進;2）有用功能數量不便，減少有害功能數量和成本數量之和;3）有害功能數量和成本數量之和保持不便，增大有用功能數量;4）同時增大有用功能數量、有害功能數量和成本數量，但有用功能數量增速低于有害功能數量和成本數量之和的增速。

此系統的變化趨勢為提高切片成型率（即增加有用功能數量），減少揚塵產生和震動等（即減少有害功能數量），對切割粉末的回收提高利用率（即減少成本）。此變化過程如公式2所示，因此該系統的理想度是提高的，而且符合增加有用功能數量，同時減小有害功能數量和成本數量之和的最佳改進策略。因此該方案滿足要求，為最終設計方案。

總結

本研究從資源分析的角度去考慮如何解決產品設計過程中的矛盾問題，通過資源分析方法分析系統內資源的配置問題，利用不同種類的資源相互作用解決功能屬性問題。將綠色設計與資源分析相結合，利用綠色設計理念作為資源相互作用產生結果的判斷標準，使設計過程更加規范，同時也提供了解決問題的思路和方法，豐富了綠色創新設計方法。以青磚切片機的設計為實際案例，驗證該設計流程的可行性。最終結果表明，解決了廢棄舊青磚的資源化利用問題，同時滿足了加工過程的綠色標準。.

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