基于AHP與TRIZ的饅頭機生產線設計

付曉莉 - 許 橋 楊樹峰 - 張 斌

(中原工學院，河南 鄭州 451191)

饅頭機生產線作為饅頭批量化生產的主要方式，是傳統面食的新制造工藝[1]。面對食品加工生產線行業逐漸壯大發展的現狀，客戶對饅頭機生產線的品質和造型提出了更高的要求。因饅頭機生產線存在設備流程操作復雜、造型設計缺乏特色的現象，需借助多學科理論進行設計，以實現造型、功能的優化配置。蘇建寧等[2]運用AHP/QFD/TRIZ對玫瑰花蕾采摘機進行整體功能要求的設計，保證了設計過程的客觀性。Vinodh等[3]運用ECQFD、AHP與TRIZ集成模式對汽車部件進行創新設計，實現了產品在競爭中的可持續發展。Leonardo[4]利用QFD與TRIZ對模具進行開放式設計，以提升材料和能源的利用率。王軍等[5]基于可拓創新法與TRIZ理論優化營地手推車，提高了手推車利用率，獲取了手推車折疊結構的創新解決方案。辜俊麗等[6]基于AHP與TRIZ理論，以殘障人士的輪椅為設計案例進行研究，驗證了多理論結合運用的合理性。

綜上，多學科理論的結合可有效避免設計過程中的偏差。針對現有饅頭機生產線現狀，文章擬利用AHP對用戶需求進行重要度分析[7]；通過TRIZ標準工程參數與AHP參數快速轉換，構建TRIZ矛盾矩陣完成方案求解，運用TRIZ物—場分析法解決作業過程存在的問題，確定饅頭機生產線設計最佳方案，并導入模糊評價法對方案進行定量評估[8-9]，旨在推動食品生產線領域造型研究的發展。

1 基于AHP與TRIZ的創新流程

AHP與TRIZ設計模式以提高設計流程的效率為目的，通過精準定位設計需求解決具體問題，使求解過程變得有據可依，保持精度的同時提升問題解決效率。

AHP與TRIZ融合創新設計流程如圖1所示。

(1) 通過對產品進行設計分析，確定設計目標，建立AHP需求層次模型對產品設計目標進行分析。

(2) 根據問卷調查、專家打分引入1～9標度法[10]量化相鄰評價指標，建立判斷矩陣；運用Matlab計算指標權重；再通過檢驗判斷矩陣一致性，從而確定設計目標區域。

(3) 將AHP獲取的參數與TRIZ的標準參數進行快速轉換；分析產品矛盾沖突，確定具體解域以建立矛盾矩陣，定位最佳解域；并將其導入物—場模型進行具體分析，確定3個設計方案。

(4) 利用模糊評價法，對3個設計方案進行專家評價，確定最佳設計方案。

2 饅頭機生產線設計

2.1 AHP評價層級建立

2.1.1 建立層次模型 基于產品用戶的行為觸點[11]重要度進行分析排序，確定設計需求三層級：美觀性、功能性及人機交互，建立饅頭機層次模型。主要研究目標為饅頭機生產線的造型設計，造型設計滿足使用功能，同時注重人機交互。得到饅頭機生產線設計評估指標體系如圖2所示。

(1) 美觀性：造型是對功能的體現，同樣作為企業品牌形象的展示。以色、形、質三要素準確把握美觀性設計的核心，塑造自身品牌設計特色。因此，以上3個要素作為美觀性層級的評價指標。

(2) 功能性：饅頭機生產線作為功能性設備，在造型設計中將功能性納入評價指標?，F有饅頭機生產線存在操作流程復雜且連續性不強的問題，通過簡化操作步驟、增強設備緊密性來保證操作流程的完整，實現功能與形式的和諧。

圖1 基于AHP與TRIZ的設計流程Figure 1 Design process based on AHP and TRIZ theory

(3) 人機交互：饅頭機生產線需要與人配合完成，實現以人為中心的交互設計思路[12]。以行為驅動設計提升饅頭機生產線的可操作性[13]，考慮設計以下指標：人機操作舒適度、界面交互適配性和設備流程便捷。推進食品加工生產線對于人機交互尺度的考量。

2.1.2 構建矛盾矩陣 引入1～9標度法量化相鄰評價指標，如表1所示。根據調查饅頭機生產線工人、設計人員及饅頭消費者，共發放60份問卷，回收有效問卷55份；獲取評價數據，構建判斷矩陣；運用Matlab計算求解，得到判斷矩陣最大特征值及對應特征向量；運用一致性比率CR判斷是否合理，計算各層級指標權重，相關數據見表2。

2.1.3 確定設計目標 由表2可知，饅頭機生產線基準層重要程度由高到低為人機配合、功能性、美觀性。通過對每層級關鍵要素分析，明確設計目標，如表3所示。

人機交互基準層用戶細節關注度由高到低為：界面交互適配性、人機操作舒適度和設備流程便捷，對于人機交互來說設備操作細節要符合人機習慣；功能性層級中用戶對設備關聯度較重視，兼顧操作流程的完整性；美觀性層級中用戶側重于形態結構簡單和材料使用壽命，整體造型滿足功能前提下實現產品造型美觀升級。因此對饅頭機生產線進行創新設計，需充分考慮表3中數據。

圖2 饅頭機生產線需求層次模型Figure 2 Demand hierarchy model of steamed breadmachine production line

表1 1～9標度及含義Table 1 1～9 scale and meaning

表2 單排序權重、綜合權重及第2，3層級一致性檢驗

表3 各層級重要因素的確定

2.2 矛盾矩陣構建與40條發明原理應用

通過對設計目標滿足饅頭機生產條件進行分析，若要進行創新改進則存在4對矛盾:人機操作舒適性與設備間故障率的矛盾、操作流程的簡化與設備間復雜度的矛盾、設備安全運行效率與外部適應能力間的矛盾、造型創新與設備運行時長的矛盾。調研發現，以上矛盾中一方的改善勢必會造成另一方的惡化，因此判斷為技術矛盾并進行通用工程參數轉換，如表4所示。建立矛盾矩陣，對應最佳的解域如表5所示。

通過查詢40個創新發明原理并結合饅頭機生產線自身的功能特性，提出4對矛盾沖突的解決方向。對于沖突1，為滿足人機使用的舒適度，增加有效操作范圍，通過對生產線操作維度的改變來降低失誤率，擬采用第17條發明原理；沖突2為簡化饅頭機操作流程、提升運行效率，可以提取設備中有用的功能來改善整體設備復雜程度，對應發明原理第2條；沖突3為增強設備間的運行安全，需加強設備內外環境的聯系來提升應變能力，選擇第24條發明原理設計；饅頭機生產線造型創新表現可通過改變曲面、運動軌跡，使設備間聯系更緊密同時減少運行時間，運用第14條原理設計。具體原理應用及初步方案設計見表6，矛盾解決方案示意圖如圖3所示。

2.3 矛盾分析下的饅頭機生產線物—場模型應用

針對技術矛盾問題，應用39個通用工程參數及40條發明原理來解決，但在實際問題中需引入物—場模型理論[14]，以物質和場的角度分析饅頭機生產線技術系統存在的問題。當饅頭機生產線由直線轉換為環形，產生閉環造成修理人員對機器維修困難及總開關放置的不便。

表4 設計沖突與通用工程參數轉化

表5 TRIZ矛盾矩陣簡表

表6 發明原理應用及創新方案

圖3 矛盾解決方案示意圖Figure 3 Schematic diagram of conflict resolution

引入物—場模型進行分析，得出該物—場模型屬于有害模型，利用物—場分析中一般解法3，引入1個場F2來抑制原來場F的有害作用，重建物—場分析的三角模型表達兩者間的關系。

改進方案：由于沖突2中抽取出運輸的功能，可將運輸機由原有的2臺改進為1臺。針對饅頭機環形生產線原有8臺機器改進為7臺，以和面機與擺盤機間空出區域促成環形中心與外部環境的聯系。保證機器維修與總開關放置的便捷，方案解決流程如圖4所示。

3 應用實例

3.1 方案設計

為驗證AHP與TRIZ結合的模糊評價法的可行性，將其運用于饅頭機生產線創新設計中。由于人機配合因素在產品的使用體驗上非常重要，因此，對于饅頭機生產線的創新設計需提供更符合人機工學的優選方案。如設備在高度一定的情況下，控制面板要求符合人眼視覺特性，功能艙門大小、設備操作平臺尺寸的設計符合人體動態尺寸等。依據文中階段各要素權重值排序結果對饅頭機生產線造型進行設計，得到3個造型設計方案如圖5所示。

方案A1整體以圓潤的弧形為主要設計表現，設備罩殼采用圓角設計，塑造一種流暢簡潔的風格，圓潤的造型雖更美觀，但在設備間同等體量運輸帶的設置，影響操作者工作效率，易產生疲勞；方案A2整體主要以曲面、圓角為設計元素，其設計風格飽滿、有張力，安全性較高，但作為機械設備硬朗的美觀性相對較差；方案A3設備造型以直線、圓角和斜角為元素，結合方案A1和方案A2設計一種硬朗中帶有圓潤的設計風格，對于運輸帶的進一步改善，便于使用者操作，能夠對饅頭機生產線進行安全性與美觀性的均衡考慮。

圖4 物—場分析解決流程圖Figure 4 Flow chart of matter field analysis solution

圖5 饅頭機生產線造型設計方案Figure 5 Modeling design of steamed breadmachine production line

3.2 模糊綜合評價

為有效解決方案評價中設計要素多且復雜、主觀判斷無法量化的問題，選擇食品行業專家5名，基于基準層和子準則層的目標權重對3個饅頭機生產線造型設計進行評價，同時運用模糊評價法進行定量評估。將評價等級劃分5級，即V=(非常滿意，滿意，一般，較差，非常差)。根據專家打分生成表格(見表7)。通過Matlab進行數據分析，得出方案A1得分為81.76，方案A2得分為80.76，方案A3得分為83.26，評價結果優劣排序為方案A3>方案A1>方案A2,因此方案A3為最佳設計方案。

(1) 具體評估過程運用一級模糊綜合評價，

Aij=wiRij，

(1)

式中：

i——不同層級，i=1,2,3;

j——不同方案，j=1,2,3;

Rij——i層級的第j方案隸屬度矩陣。

(2) 二級模糊綜合評價：

(2)

式中：

Rj——第j層級二級指標權重矩陣；

Df——第j層二級模糊評價指標。

3.3 最終優化方案描述

最終優化方案以幾何特征為系列化設計元素，采用環形加工流程，增強了設備間的關聯度；通過功能艙門設計，實現生產過程可視化，高效把控加工環節；融合機電智能化設計，簡化操作流程。其中以和面機、壓面機、成型機、運輸機、饅頭機、擺盤機為饅頭機生產線主要設備，通過各設備間的流程配合，實現饅頭的生產。和面機、壓面機作為生產前期的發酵系統；成型機、運輸機、饅頭機組成中期的成型系統；擺盤機作為最終的成品輸出系統；各系統間相互配合，構成環形饅頭機生產線的整體方案，如圖6所示。

表7 產品綜合隸屬度

圖6 饅頭機生產線優化方案Figure 6 Optimization of steamed bread machine

4 結論

以饅頭機生產線設計為例的層次分析法和發明問題解決理論結合的模糊評價系統，從饅頭機生產線的美觀性、功能性、人機交互三方面，運用層次分析法獲取用戶的核心需求并將主觀性分析轉化為客觀數據信息；結合發明問題解決理論進行工程參數轉化，確定矛盾沖突類型并運用發明原理構建產品創新初步方案，再運用物—場分析法解決實際運行的問題；通過對方案集進行模糊綜合評價，實現對方案的優選排序，分別為80.76，81.76，83.26，得出A3為最佳設計方案。經設計實踐表明，食品機械專家評分與基于層次分析法和發明問題解決理論結合的模糊評價系統的評價結果相同，方案A3最符合設計要求。綜上，評價模型的有效性與合理性，實現了饅頭機生產線最佳方案的選擇，解決了饅頭機生產線設計中定性數據與定量參數的問題，為其他方案設計提供量化參考。但在設計方案評價中專家意見存在一定的主觀因素，因此，該問題還需進一步研究改進。