基于TRIZ理論的智能汽車窗簾設計

朱玉杰，曹嘉平，高志勇

（東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040）

隨著人們對駕乘舒適性要求的提高以及個人隱私保護意識的增強，汽車窗簾逐漸被人們廣泛接受［1］。汽車從原來的單一代步工具轉變為追求情感化和人性化駕乘體驗的載體［2］。作為汽車人機交互與智能控制的載體，智能汽車窗簾的設計和研發尤為重要。目前，研究者設計出了具有特定功能的智能家具窗簾。例如，利用藍牙通信實現無線控制［3］，以Wi-Fi技術為支持、以無線路由器通信模塊為輔助調節窗簾的打開和閉合［4］，利用Zigbee技術實現對窗簾的智能控制［5］。但是現有的汽車窗簾功能較為單一，既不能完全滿足乘員的個性化需求，也無法根據汽車周圍的環境變化和乘員的活動狀態變化進行有效的智能控制。目前，將TRIZ理論應用于汽車窗簾設計的文獻較少，本文中針對這一領域進行研究，并對其中存在的矛盾進行分析，得到符合TRZI發明原理以及國家標準的設計。

Genrich SA等［6-7］提出了可解決創造性問題的理論方法和工具——TRIZ理論。TRIZ理論著重于澄清和強調系統中存在的矛盾，基于技術的發展演化規律來發明創造、解決難題并研究整個設計與開發過程。TRIZ理論應用過程的基本思路如圖1所示。

TRIZ理論的核心理念之一是分析與解決矛盾。矛盾可描述為由改善方案引發的沖突，一個方案在改善系統某個參數的同時會伴隨著另一個參數的惡化。利用TRIZ理論，通過問題對應的技術參數尋找矛盾，應用發明原理解決矛盾［8］。

1 汽車窗簾裝置現狀及問題分析

在經濟高速發展和車載智能交互系統迅速興起的大潮下，人們對駕乘體驗有了更高的追求，專門的汽車窗簾隨之出現并不斷發展，從單純作為保護隱私的汽車貼膜到專用于遮光的汽車窗簾，相似的裝置被賦予了更多的功能。

對于在汽車內部起到遮光作用的裝置，汽車窗簾總體上為薄膜狀或簾狀結構，目前常用的有吸盤鋁箔遮陽擋、紗網式側遮陽擋、靜電貼式側遮陽擋和遮陽簾4種類型。從功能方面考慮，合格的汽車窗簾應滿足便于遮光、遮陽、保護隱私這幾項要求。考慮到無人駕駛技術的蓬勃發展以及基于人工智能的車載交互系統的普及，汽車窗簾也應滿足智能控制和人機交互的需求。然而，目前的裝置在移動空間、智能控制、交互設計以及驅動方式方面均存在問題。

1.1 裝置與移動空間

伴隨著智能家居的不斷普及，當今的智能窗簾系統得到了人們的認可和廣泛應用。如今計算機技術、網絡技術、控制技術以及通信技術的融合和發展，促使許多家庭已經實現了生活現代化［9］。智能家居是指以建筑空間為平臺的固定空間內的智能裝置，其控制方式與使用效果在移動空間內不能得到完全保證，在汽車移動過程中無法適應窗外快速變化的光照強度以及安全要求。

1.2 裝置與智能控制

汽車在移動過程中，車窗外的光線強度迅速發生變化，尤其是在高樓林立的城市中行駛時，一旦汽車駛離建筑物遮擋區，光照強度會迅速增加，使車內乘員眼睛難以適應快速變化的光線，可能導致嚴重后果，而車內穩定的光照強度可有效避免眩光引起的意外。目前，市場上的汽車窗簾并沒有完善的智能控制系統，不能適應移動空間外部快速變化的光照強度。此外，一直關閉窗簾來遮擋汽車窗外變化的光線可能導致視覺與前庭感覺沖突而引發暈動病［10］。

1.3 裝置與交互設計

汽車作為一種代步工具，在行駛過程中，乘員必然會進行駕駛、工作、休息等不同活動，并伴有對光照強度的不同需求。對于行駛中的車輛，車窗外光照強度的變化會給車內人員的不同活動帶來一定干擾，影響乘員的乘坐體驗。汽車窗簾裝置應便于及時與車內人員進行交互，滿足乘員對光照強度的不同需求。

1.4 裝置與驅動方式

為實現汽車窗簾的智能控制，為窗簾安裝驅動裝置。相比于智能家居中窗簾以直流或交流電機為驅動方式，汽車窗簾由于受到安裝空間與安全因素的限制，無法采用傳統的電機驅動方式，因此選用合適的驅動方式顯得尤為重要。

2 汽車窗簾的創新設計

2.1 設計思路

結合上文所述，汽車窗簾要在移動空間、智能控制、交互設計和驅動方式4個方面進行改進［11-12］。依據TRIZ理論，采用矛盾矩陣來解決參數改善同時導致的另一方面參數惡化的沖突現象［13］。

利用TRIZ理論的矛盾矩陣解決問題，需從矛盾的來源確定矛盾。方案包含矛盾，在了解問題的過程中產生，后果包括有利方面和不利方面［12］。將有利和不利之處與39個技術參數建立聯系。有利之處對應欲改善的參數，不利之處對應欲惡化的參數，每一對欲改善的參數和欲惡化的參數構成一組沖突，利用矛盾矩陣找出發明原理解決問題。汽車窗簾具體設計思路如圖2所示。

2.2 沖突分析

參照《汽車內部凸出物》［13］和《客車安全結構要求》［14］，構件表面的邊緣應倒角，且裝在頂蓋上但不屬于頂蓋結構的零件，凸出部分的寬度不得小于向下的凸出量；車廂內壁、內頂、內外裝飾件應采用阻燃材料；在緊急情況下，可打開或擊碎玻璃以供乘員撤離的側窗和后窗；蓄電池應安裝牢固，防止短路，并易于接近。考慮汽車窗簾裝置現狀與安裝、使用過程中的實際要求，同時結合上述規定，得出下列方案：

1）移動空間方面：用百葉簾作為窗簾形式，隨著光照強度的變化百葉片可以自動翻轉以調節開合角度。

2）智能控制方面：引入光檢測模塊，進行光照強度數據采集與匯總；引入GPS定位系統，通過計算提前對光照強度做出判斷。

3）交互設計方面：引入面部識別技術定位眼睛、鼻尖和嘴角位置，通過眼球追蹤技術獲得乘員注意力方向，并結合定位位置判斷乘員活動狀態［15］。

4）驅動方式方面：引入太陽能電池作為供電電源。

方案利弊分析如表1所示。

表1 方案利弊分析

利用矛盾矩陣將上述方案的利弊與39個技術參數中的改進參數、惡化參數分別進行匹配，得到表2的參數匹配情況。待改善的參數包括：①N38自動化程度：系統或物體在無人操作的情況下完成任務的能力，表現為簾體根據光照強度的變化自動調節開合角度；②N35適應能力：物體或系統響應外部變化的能力，表現為光檢測模塊使簾體可以檢測到光照強度的變化、攝像頭可以使汽車窗簾檢測到乘員活動狀態；③N8靜止物體的體積：靜止物體所占空間體積，表現為太陽能電池代替車內逆變器為電機及其驅動供電。欲惡化的參數包括：①N12形狀：物體外部輪廓或系統的外貌，表現為簾體處于閉合狀態時會妨礙乘員在危險時刻擊碎玻璃從安全窗逃生的路徑；②N37監控與測試的困難程度：部件與部件之間關系復雜使得系統的監控與測試困難，表現為光檢測模塊在百葉片完全閉合后將檢測不到外部光照強度，GPS定位系統、攝像頭測量與信息傳輸難度較大；③N27可靠性：系統在規定的方法及狀態下完成規定功能的能力，表現為由于太陽能電池體積受限無法提供滿足汽車窗簾工作所需的電能。

表2 參數匹配情況

由表1、2可以看出，汽車窗簾在設計過程中的幾組沖突包括：① 百葉簾自動化調節與其外形會影響乘員安全逃生；②汽車窗簾對光照強度變化的適應能力與監控的難度增大；③ 汽車窗簾自動預判光照強度變化與檢測的困難程度；④汽車窗簾對乘員不同活動的適應性和監控與測試的困難程度；⑤太陽能電池的體積與其單位時間內吸收的太陽光。

2.3 基于矛盾矩陣的設計方案

根據確定的技術參數，查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，得到阿奇舒勒矛盾矩陣，有關元素見表3。

表3 阿奇舒勒矛盾矩陣

阿奇舒勒矛盾矩陣提供了為解決矛盾沖突建議使用的發明原理。根據汽車窗簾研制的實際需要，依次篩選出15（動態化）、13（反向功能）、1（分割與切割）、34（拋棄和修復）、25（自服務）、30（采用柔性殼體和薄膜）、6（多用性）這些發明原理解決問題。其他發明原理對設計的指導意義不大，因此不予選用。汽車窗簾設計采用的發明原理如表4所示。

表4 汽車窗簾設計研究運用的發明原理

2.3.1 移動空間

1）動態化原理。動態化原理提到如果一個物體整體是靜止的，則使之移動或可動。巴士上汽車窗簾處于閉合狀態，會妨礙乘員從安全窗逃生，可以利用手動與智能控制窗簾相結合的方式，在保證窗簾正常遮光的同時根據乘員需要使其手動打開，方便人們在緊急情況下從安全窗逃生。

2）反向功能原理。該原理要求以相反的方式制造或控制某一操作。傳統的百葉簾橫向安裝百葉片，結合汽車窗戶的形狀、尺寸與功能特點，考慮將百葉片縱向安置，方便乘員手動操作。

如圖3所示，百葉片縱向放置后，在其上部固裝百葉滑塊，使其能夠在導軌上左右移動，帶動百葉片閉合。此外，縱向設置的百葉容易與驅動滑塊和絲杠機械連接，在完成設計功能的同時簡化了結構。

2.3.2 智能控制

1）分割與切割原理。該原理提到要將系統分成獨立的部分。對于窗簾閉合后，光檢測模塊檢測不到車外光線變化這一問題，利用分割思想將光敏電阻安裝在百葉片內外兩側，保證了無論汽車窗簾處于何種狀態，光敏電阻都可以接收到汽車內外光照強度變化的信號。設置如圖4中的3（外光敏電阻）和6（內光敏電阻）。

2）拋棄與再生原理。當系統中要完成的功能類似時，為了簡化系統，需要拋棄多余的要素。對于汽車行進過程中對周圍建筑物做出預判，以提前調整百葉片角度這一要求，GPS定位系統與攝像頭完成的功能有所重復，需要拋棄其中1項。

3）自助服務原理。該原理要求物體在執行1項有益功能時必須實現自助服務。考慮到使用攝像頭捕捉圖像，用基于卷積神經網絡的機器學習算法［16］訓練攝像頭，使其能夠對圖像進行識別。結合拋棄與再生原理，決定拋棄GPS定位系統，保留攝像頭完成判斷汽車側方建筑物變化的任務。為了完成此項設計，采用放置在窗簾框架外側的攝像頭，如圖4中的4，此攝像頭不僅具有對車側面外圖像進行識別的功能，還可與內外光敏電阻配合判斷車窗外部的光照強度的變化。

2.3.3 交互設計

分割與切割原理。乘員進行不同活動時對光照強度有不同要求，此時汽車窗簾既要通過判斷車外光照強度來進行百葉片角度調節，又要結合乘員所處的活動狀態進行調節，這需要攝像頭進行人的面部識別以及眼動追蹤。因此，根據分割原理，將攝像頭安裝在前方座椅的背面，及時準確地判斷乘員活動狀態，如圖5中的2。此處攝像頭正對乘客的臉部，可進行人臉識別和眼動追蹤，更好地判斷光照強度，進一步增強設計功能的舒適性和可實現性。

2.3.4 驅動方式

1）采用柔性殼體或薄膜原理。該原理要求使用柔性、柔韌殼體構造或薄膜取代傳統組件，或者隔離物體與它所在的環境。由于受到車窗框架尺寸限制，太陽能電池板面積有限，無法保證提供汽車窗簾所需的充足的電能。非晶硅柔性薄膜太陽能電池由于依靠自身柔性可附著在其他柔性物上。依據該原理，將非晶硅柔性薄膜太陽能電池附著在簾體上，增大受光面積的同時吸收更多的太陽能。

2）多用性原理。多用性原理否認一個物體只具有單一功能。百葉片除了具有遮光隔熱的功能外，還為太陽能電池薄膜提供安裝空間，當窗簾閉合時，太陽能電池將有充足的面積吸收太陽能。

基于TRIZ理論設計的汽車窗簾既考慮汽車作為移動空間的特殊性，也注重汽車行駛過程中周圍環境的快速變化、不同乘員的個性化需求以及汽車空間限制等問題。在實際使用時，設縱向安裝百葉片的百葉簾，允許汽車窗簾根據光照強度的變化來改變百葉片角度，保障汽車內部光線適宜，同時方便乘員手動控制汽車窗簾；設有光檢測模塊實現汽車窗簾的光控；攝像頭根據卷積神經網絡的機器學習算法，實現對前方光照強度變化的預判，以提前調整百葉片方向，也可進行面部識別以及眼動追蹤，判斷乘員的活動狀態；通過非晶硅柔性薄膜太陽能電池滿足對汽車窗簾的供電需求，在移動空間、智能控制、交互設計和驅動方式這4個方面進行大量優化。

3 汽車窗簾裝置的測試

3.1 對機械結構的測試

將裝置進行裝配，電機先不與絲杠配合，手動旋轉絲杠輸入端，并觀察絲杠與滑塊的運動情況，保證不存在由于潤滑不當引起滑塊卡住無法運動或噪音過大的情況；確認絲杠與滑塊嚙合狀態正確，不存在打齒等現象。

3.2 對電機及主控板的測試

將電機與TB6600驅動模塊接駁且TB6600采用共陰極接法與主控板相連。保持電機空載，在程序中屏蔽掉AD轉換部分程序段并設置電機轉速60 r／min測試，觀察電機確保不存在由于AB項接線錯誤而無法正確旋轉的現象。在電機工作正常且可控時，加入AD部分程序段，并通過主控板的按鍵更改設置的光強閾值。通過可調光源模擬環境中的光強變化，測試在不同閾值的情況下，隨著光強的變化，電機是否能正確進行正反轉切換。

3.3 綜合測試

將電機與絲杠輸入端通過聯軸器進行裝配，將簾體自由端與滑塊固定在一起，并在程序中設置不同的電機轉速進行測試，確保滑塊與絲杠始終配合潤滑良好，不存在電機過載導致異常發熱。

3.4 實地測試

從東北地區某大學校園內招募被測者3名，并租用校園巴士1輛，將校園巴士全部窗戶用簾布遮擋，僅留1面窗戶安裝本汽車窗簾裝置。設定一段巴士校園內行駛路線，測試路線沿途經過有建筑物遮擋區和無建筑物遮擋區時簾體上攝像頭是否能及時準確判斷周圍建筑物的變化。在巴士行駛途中，讓3名被測者有意識變換自己的活動狀態，以測試汽車頭枕攝像頭對人活動狀態的判斷是否準確。通過實驗中被試者的反饋結果發現，2個攝像頭能準確做出判斷，汽車窗簾能及時調整開合角度，使車內的光照強度保持適宜，不會出現活動與光照強度不匹配、車內光照強度變化明顯的現象。

4 結論

利用TRIZ理論的矛盾沖突法分析汽車窗簾裝置存在的問題，進行創新設計以得到性能更加卓越的智能汽車窗簾。通過對多種創新設計的研究分析發現，TRZI理論是一種有效的技術創新方法，將在產品創新設計中具有更大的應用價值。