現有技術下的低碳產品的概念設計方法研究

陳遠剛

（青島大學，山東 青島 266071）

一、前言

大量的碳排放來自能源產品的生產和使用，引起嚴重的環境問題，這就使得概念設計階段考慮減少產品的碳排放量顯得十分重要。產品在使用階段的過度碳排放往往與兩類問題有關:1.交付的功能與期望的功能不匹配;2.不可持續的用戶行為。為了幫助設計師建立更低碳的功能結構設計，本文提出了一種低碳概念設計方法，幫助設計師從“技術系統”和“人類使用”的角度提出低碳設計策略。該方法還包括“需求獲取與分析”和“功能結構建立”。一方面，由于功能結構是一個由多種技術原理支持的“技術系統”，因此TRIZ 法則被用來研究功能結構，因為它對技術系統的演化是有效的。另一方面，提出了功能匹配的內容和方法，從功能匹配和可持續行為兩個方面尋求“人用”階段的低碳設計策略。最后，從“技術系統”和“人的使用”的角度，將所有低碳設計策略結合起來，建立低碳功能結構。

二、有關文獻研究

（一）概念設計的需求獲取與分析

在概念設計階段，需求通常需要被引出、分類和優先化。為了解決這些問題，近年來研究人員采用了一些基于互聯網、大數據挖掘和物聯網技術的新方法。他們提出了一些收集互聯網社區消費者需求信息的策略；使用流行的社交網站來支持需求獲取、優先級排序和協商。同時提出了從網上購物平臺的評論中挖掘用戶需求的不同方法。這些研究提供了寶貴的見解和建議，但仍不能很好地支持低碳產品設計。比如，就一些生產設備或公共用能設施而言，其購買者往往是經銷商而不是用戶，網絡點評不能很好地反映一線用戶的要求。此外，上述方法通常用于處理用戶的功能要求，但低碳要求是約束性要求，一般來自于立法，如“能源使用產品指令”，或標準，如“PAS 2050 指南”（BSI，2008）和“ISO/TS14067”（ISO，2013）。

（二）功能定義與功能結構建立

一般來說，功能可以從不同的角度來定義。如意圖觀點和系統觀點。從意圖的角度來看，意圖觀點是用戶描述他們期望的需求，因此適合于產品需求的獲取和分析。從系統的角度看，系統觀主要應用于系統建立功能結構的階段。在這些系統觀點中，能量——物質——信號（EMS）模型是最著名的方法之一。對于這個模型，功能結構由兩部分組成，第一部分是能量物質信號的輸入和輸出在整個系統和外部世界之間流動，其次是能量物質信號的輸入和輸出在每個子功能之間流動。由于能源和材料與碳排放密切相關，本研究選擇EMS 模型建立功能結構。

從概念設計的角度來看，產品的生態設計受到廣泛討論。在這些研究中，TRIZ方法及其組合工具被廣泛使用。例如，國外科學家整合了基于案例的推理和TRIZ 方法，維諾德等人結合了ECQFD、TRIZ、AHP 等方法來解決產品可持續設計的問題。基于新的矛盾矩陣，設計了一種名為ECA TRIZ（TRIZ 生態法）的新方法。在這些研究中，研究者主要利用矩陣和TRIZ 發明原理解決環境設計問題和產品的環境設計，而TRIZ的進化規則證明了在概念設計階段適合功能結構。

從“人類使用”的觀點出發，韋弗等人認為通過改變用戶的行動和匹配功能，可以實現可持續使用。關于行為變化的方法通常有“生態信息”、“生態反饋”、“腳本”和“強制功能”。在功能匹配中，通過引進質量功能，可以將“客戶需求”和“工程特性”關聯起來。同樣的原理也可以用于將低碳需求信息轉換為功能結構設計。這意味著可以使用此方法來提高子功能優先級與需求優先級的匹配程度。但是，主要功能參數與實際需求的定量匹配有待進一步研究。

文獻綜述表明，到目前為止，對產品概念設計的需求和功能結構進行了大量的研究。然而，對于低碳產品的概念設計而言，需求獲取和分類的效率有待提高，低碳功能結構的建立很少同時考慮“技術系統”和“人的使用”的角度。這些使得低碳概念設計難以實施。

三、低碳概念設計的方法研究

構建低碳功能結構設計，需要從“技術系統”“人類使用”兩個角度進行改進。

（一）從“技術系統”角度改進

由于溫室氣體的排放通常與能源消耗有關，因此通常可以認為能源流動與低碳要求直接相關。值得注意的是，人類從事體力勞動產生的碳排放量并未計算在內。例如，手動榨汁機或自行車，使用這些產品時，會有人為引起的能量流動，但這些產品不會產生碳排放。產品中的物質流和信號流通過影響能量流來影響碳排放。因此，在EMS 模型的基礎上繪制功能結構后，可以從能量——物質信號流的角度對其進行系統的改進，重點是能量流。根據TRIZ 法，常見的能效改進措施如下：使用更清潔的能源；提高能量轉換效率；減少能源形式轉換的數量；減少能量轉移的次數。通過這些措施，可以識別現有功能結構中不必要的能量損失，并提出系統的改進策略。

（二）從“人類使用”的角度改進

從“人的使用”的角度探討低碳設計，就是要通過誘導“可持續使用”來減少碳排放。在“可持續利用”方面，從“功能匹配”和“行為改變”兩個方面提出改進策略。由于對“功能匹配”的討論較少，本研究探討了功能匹配的具體內容，提出了一種“功能匹配”的方法，包括定性匹配、定量匹配。

在定性功能匹配方面，將現有EMS 模型用戶需求項進行了比較。如果所需功能具有相應的交付功能，則標記為“Y”，否則標記為“N”。如果所交付的功能在所需的功能中不存在，請檢查它是否是冗余的。最后將“N”項和高權重項作為功能結構的重點改進對象。

在定量匹配方面，設計人員需要選擇權重較大且標記為“Y”的需求項，然后列出與之相關的一些參數。需要強調兩點：（1）這些參數必須能夠被分配一個度量數據（或區間），因為只有度量數據是定量數據；（2）這些參數在QFD 中不是EMs，因為它們是面向用戶的。EMs 一般是產品的技術參數，以工程師為導向。大多數用戶不熟悉EMs。例如，用戶更關心的是“機器制作一個冰淇淋需要多長時間”，而不是“機器的功率或能效比是多少”。

然后將人為預設與現有產品的交付值進行對比。首要的預期值參數表示為DSi，而相應參數的傳遞值表示為DLi。這兩個值往往可以形成一個或多個數值組，用三種方式來把它們進行匹配，如表（1）所示:

表（1）、函數參考匹配的三種類型

參數匹配度的計算公式如下：

當DSi 和DLi 兩者都屬于區間比例數據時，L(DSi ∩DLi)表示第1 個期望的參數和第I 個傳遞參數相交的總區間長度。L(DSi ∪DLi)表示第1 個期待參數和第1 個傳達參數的和集合的總區間長。如果DSi 和DLi 同時屬于比例數據，則將DSi 和DLi 中較小的值將分配給L(DSi ∩DLi)，將DSi 和DLi 中較高的值分配給L(DSi ∪DLi)。在經過一系列計算匹配度后，對于匹配度較低的參數進行初步審查和改進。

在“可持續利用”的行為改變上，設計師需要觀察用戶的行為，找出用戶在使用過程中浪費能源和資源的不良行為。然后使用適當的“行為改變設計”方法或原則來改進功能結構，以抑制或消除這些不良行為。完成以上任務后，可以整合各個角度的設計策略，構建低碳功能結構。

四、總結與展望

在概念設計階段實施低碳產品設計是一項艱巨的任務。為此，本文提出了低碳的概念設計方法。該方法分為需求獲取分析和功能結構構建兩個階段。并提出了低碳設計策略和低碳功能結構。此外，重新設計的產品可以比現有產品節省更多的能源。這表明，這種方法有助于在概念設計階段激發一些低碳設計策略。

今后的設計師的工作可在以下幾個方面進行：1.建立產品的物理模型，計算實際使用情景下使用過程中的能耗和碳排放，并進一步驗證本文提出的方法；2.收集產品的能耗數據和人用數據，調查能耗與人用的關系。最后，形成數據驅動的低碳概念設計方法。