基于TRIZ与实例推理原理的产品绿色创新设计方法

刘志峰 高 洋 胡 迪 张敬东

合肥工业大学，合肥，230009

0 引言

近年来，产品创新设计方法及理论的研究得到了充分的发展，尤其是发明问题解决理论（theory of inventive problem solving，TRIZ）和其他产品设计方法的集成，成为了很多学者研究的重点。在产品设计冲突消解研究方面，何川等［1］将TRIZ理论应用于产品概念设计阶段的冲突消解，解决了产品创新设计方案的生成问题；刘晓敏等［2］将 TRIZ与约束理论（theory of constraints，TOC）相结合，利用所构造的产品当前实现树、冲突解决图表和TRIZ矛盾冲突矩阵解决产品设计冲突问题。在基于知识的产品创新设计研究方面，姜亮等［3］将本体概念和语义网技术与TRIZ相结合，提出了基于本体的技术创新设计方法，实现了知识重用和知识共享在产品创新设计中的应用；为了实现客户知识在产品创新设计中的应用，杨育等［4］提出了基于TRIZ的客户协同产品创新设计方法，并建立了面向知识利用的协同产品创新框架，能够实现从客户知识→产品工程参数→产品创新原理解的映射。在产品的快速创新设计研究方面，张付英等［5］将TRIZ进化理论集成到产品创新解的产生环节，能够预测未来技术的可能结构状态，指导设计者沿着正确的方向产生创新解，实现产品快速创新设计；高常青等［6］基于TRIZ中的问题解决工具及分解重构原理，建立了支持原理、结构集成化创新设计的实例表达机制及其编码规则，提出了支持产品原理、结构创新的统一设计流程，能够支持产品结构的快速创新设计。在产品创新设计系统开发方面，王冀强等［7］将TRIZ工具作为构建实例库的规则，并据此开发了基于TRIZ与实例的计算机辅助创新系统；杨伯军等［8］根据标准解方法在产品创新设计中的应用过程和已有标准解的方法流程，开发了基于标准解方法的计算机辅助创新软件；镇璐等［9］开发了基于TRIZ理论创新知识查询平台，实现了面向产品创新设计的知识查询；黄兆飞等［10］从功能、结构和作用原理三个方面研究了专利信息的获取方法和规范描述，构建了专利知识库查询系统，用于支持产品创新设计。

上述研究取得了一系列的研究成果，但是在产品绿色创新设计的研究上还较为匮乏，尤其是在利用TRIZ方法与实例知识来实现产品绿色创新设计的研究方面。本文将实例推理方法和TRIZ相结合，提出了基于TRIZ与实例推理原理的产品绿色创新设计方法，并在该方法指导下开发了产品绿色创新设计支持工具，用于产品的绿色创新设计。

1 基于实例推理与发明问题解决理论的产品绿色创新设计

1.1 基于实例的推理

根据调查，产品设计活动中大约有75%左右的设计是基于实例的产品设计［11］。基于实例推理方法（case－based reasoning，CBR）将知识的表达与实例库建立相结合，以过去实例属性为特征来实现产品的设计，所以CBR方法成为近年来人工智能领域的一个研究热点［5］。基于实例推理的过程如图1所示，主要分为4个步骤，即检索、重用、修正和保存。CBR的优点主要有：①能够迅速检索相关成功案例并解决新的问题，缩短产品开发时间；②具有学习能力，通过学习将新的案例存储于数据库中，便于下次案例的检索和使用。但是将CBR方法应用于产品绿色创新设计中存在一些不足：①当案例库中没有相似案例时，不能给出问题的解决方案；②目前的CBR技术多针对某类产品和特定领域的应用而展开，不涉及所有的技术领域［5］；③CBR是基于以前成功案例来解决问题的，创新水平不高，不能系统地指导设计人员进行创新设计；④缺乏有效的实例表达机制。

图1 基于实例的推理过程

1.2 发明问题解决理论

以 Altshuller［12－13］为首的研究人员在分析世界各国250万件专利的基础上，提出了发明问题解决理论，即TRIZ，它是一种创新性解决问题的理论。在TRIZ理论中，设计过程遇到的问题是用冲突来描述的，设计人员在设计过程中首先要保证或提高产品的某些内部性能，但这种提高往往导致产品其他内部性能的下降，即设计中往往存在冲突［7］，TRIZ解决冲突的流程如图2所示。TRIZ的优点体现在它为创新设计过程中矛盾问题的解决提供了新思路，能够系统地进行创新设计，而且最重要的是TRIZ涉及各种技术领域的创新。但是其缺点是：①从零开始创新，解决问题的时间较长；②没有自我学习能力，不能积累成功的案例；③设计人员需要具有丰富的设计经验和知识，以及具备能够使用TRIZ解决实际问题的能力。

图2 TRIZ求解的一般过程

1.3 基于CBR与TRIZ的产品绿色创新设计

基于CBR与TRIZ的产品绿色创新设计，是在CBR方法的基础上，结合TRIZ理论，利用两者的优点弥补相互的不足（两种方法的比较见表1［14］）从而实现产品的绿色创新设计。基于CBR与TRIZ的产品绿色创新设计流程如图3所示，其具体步骤如下：

表1 CBR与TRIZ的比较

（1）相似案例的检索。根据待改进的绿色性能查找案例库中的相似案例，套用案例的解决办法，或者借鉴案例的思路对其进行修改以形成产品绿色创新设计的解决方案。

（2）设计问题向TRIZ工程参数转化。当案例库中没有相似案例时，需要TRIZ工具的指导来进行系统的创新设计。分析设计问题，确定冲突并明确要改进和恶化的设计属性，然后利用关联表将其转化成冲突矩阵相应的工程参数。

（3）利用冲突矩阵进行创新设计。针对上步得到的工程参数，利用TRIZ冲突矩阵中相应的发明原理消解冲突，形成创新设计方案。

（4）方案的可行性分析。当有多个创新设计方案满足冲突消解的要求时，需要从创新设计方案的经济性、技术性、拆卸性和回收性上对创新设计方案进行评价，来确定最优的创新方案。

图3 基于CBR与TRIZ的绿色产品创新设计流程

2 面向绿色产品创新设计的实例推理技术

2.1 产品设计知识

产品设计知识是人类在产品设计过程中总结的经验和规律。任何产品设计都是利用一定的知识和经验、从定性到定量，综合运用各种知识的过程［15］。因此实现设计知识的有效利用，能够支持产品快速设计，缩短产品开发时间，提高产品创新设计水平。产品设计实例知识的表达是基于实例推理的产品设计方法中的关键部分之一，但是当前产品实例知识表达不能很好地满足产品功能、行为等语义信息描述，不能有效地支持产品设计。

2.2 基于本体的绿色产品设计实例表达

本体论（ontology）是一种概念化的说明，是对客观存在的概念及其关系的一种描述［16］。本体定义了共享的词汇，提供了概念的分类和关系，有力地支持了知识的表达。另外本体能够从形式化上描述知识，能够实现产品设计知识跨学科和跨领域的应用和共享［17］。因此基于本体的实例设计知识表示方法可以弥补CBR方法在实例表达机制上的欠缺，有效地支持绿色产品创新设计实例的表示。文献［16］给出了本体的定义。

定义1 本体是某一领域D的概念化描述，它可以用一个四元组Ont＝（D，Con，Att，Ass）表示。其中，D 为本体应用的领域集；Con为领域D中的概念实体的有限集；Att为概念实体属性的有限集；Ass是概念实体之间的关联函数。

产品绿色设计属性的改进一般通过产品系统、部件或零件的绿色性能的改进而实现，而系统、部件绿色性能的改进最终也归结于零件绿色性能的改进，因此可以用基本元和复合元来描述产品绿色创新设计实例的组成，图4给出了绿色产品设计实例本体结构。

定义2 基本元（basic unit）。基本元是描述实例的最小基本单元，不可再分，用BU来表示。

定义3 复合元（complex unit）。复合元由若干个基本元组成，可以再分，用CU来表示，其中CU＝（BU1，BU2，…，BUn）

定义4 复合元本体的描述。复合元是由若干个基本元组成的复合体，其描述如下：

其中，CU＿D 为绿色产品设计实例的复合元域；CU＿Con为绿色产品设计实例复合元的概念实体，具体组成见表2；CU＿Att为绿色产品设计实例复合元的概念实体属性，具体组成见表2；CU＿Ass为绿色产品设计实例复合元的概念实体关联，具体组成见图4。

表2 复合元概念实体的组成

定义5 基本元的本体描述。根据本体的概念，用4元组来定义基本元的本体：

图4 面向绿色设计的产品实例本体结构

其中，BU＿D 为绿色产品设计实例的基本元域；BU＿Con为绿色产品设计实例基本元的概念实体，主要由基本信息（BC＿Con）、绿色设计属性（GDA＿Con）和技术冲突消解（TCR＿Con）三类概念构成，具体组成见表3；BU＿Att为绿色产品设计实例基本元的概念实体属性，具体组成见表3；BU＿Ass为绿色产品设计实例基本元的概念实体关联，具体组成见图4。

表3 基本元概念实体的组成

2.3 实例的检索

为了提高检索效率，本文采用检索机制和过滤机制两种机制（图5）相结合的方法来进行绿色产品设计实例的检索。

图5 绿色产品实例检索模型

2.3.1 基于XML的实例检索机制

本文采用XML技术表示本体，采用XMLQL查询语言实现实例检索。基于XML格式的表示方法具有很强的表达能力，易于阅读，便于组织、管理、维护和搜索知识点，而且可以利用XML结构中的元素类型和属性表示本体对象和属性，利用XML的嵌套结构描述本体中的层次关系，从而实现领域本体在XML结构中的映射，形成领域本体知识的XML表示［18］。

采用XML－QL查询语言实现实例检索，该语言基本语法结构是 WHERE／CONSTRUCT，其中WHERE指明要检索的对象、变量以及条件，而CONSTRUCT部分指明要检索出的结果。

2.3.2 基于三角模糊数的过滤机制

通过检索机制检索到的实例虽然从绿色设计属性和冲突消解方面满足要求，然而这些实例可能在回收性、拆卸性、经济性和技术性方面不能满足用户的要求，因此本文建立一个基于三角模糊数的过滤机制对检索到的实例进行筛选，提高检索的效率。回收性、拆卸性、经济性和技术性的语言变量的三角隶属函数如图6所示，表4给出了三角模糊数及其与语言变量的对应关系。假设通过检索机制得到的绿色设计实例集合为Mf。

图6 语言变量的三角隶属函数图

表4 语言变量及对应的三角模糊数

（1）定义一个阈值δ，δ∈ ［0，1］。

（2）定义目标实例过滤指标集合Pf，Pf＝；定义待检索实例过滤指标集合 Qf， Qf＝。

（3）确定目标实例与检索实例的相似度SimPQ：

其中，L（）表示取三角模糊数左边的数值，M（）表示取三角模糊数中间的数值，R（）表示取三角模糊数右边的数值。D（~a，~b）为两个三角模糊数间的距离，距离越小说明两个三角模糊数越相似，如图7所示。

图7 三角模糊数的距离

（4）从实例集合Mf中过滤不满足要求的实例，得到实例集Jf，Jf＝｛Mf｜SimPQ≥δ｝。

3 基于TRIZ的绿色设计冲突消解

如果案例库中没有找到相似案例，那么需要利用TRIZ来解决产品绿色设计过程中遇到的冲突，从而实现产品的绿色创新设计。基于TRIZ的绿色设计冲突消解，需要先将绿色设计属性转化成TRIZ冲突矩阵的工程参数（表5），然后根据工程参数利用TRIZ冲突矩阵表获得发明原理。在绿色设计属性向TRIZ工程参数的转化中，文献［19］把世界企业可持续发展委员会（world business council for sustainable development，WBCSD）提出的7个环境效率要素与TRIZ的工程参数相关联，建立了环境效率要素与TRIZ工程参数的关联表。在此基础上，笔者建立了绿色设计属性与TRIZ工程参数的关联表（表6），可方便、快速地将绿色设计属性转化为TRIZ工程参数。考虑产品设计的实际情况，可能会出现无法确定TRIZ工程参数和遇到空矩阵（没有发明原理）的情形，此时可以利用文献［20－21］中的方法解决该问题。

表5 TRIZ冲突矩阵的39个工程参数

4 创新方案可行性评价

创新方案的可行性评价有两个作用：第一，作为过滤指标的评价结果；第二，可能有多个创新方案可以实现设计冲突的消解，因此需要对创新方案进行可行性评价，选取最优的方案给予实施。绿色产品创新方案的可行性评价矩阵如表7所示，用Sco表示绿色产品创新方案的可行性评价结果：

式中，w1、w2、w3、w4分别为指标 C1、C2、C3、C4的权重；w1i、w2j、w3k、w4l分别为子指标C1i、C2j、C3k、C4l的权重；ScoC1i、ScoC2j、ScoC3k、ScoC4l分 别 为 子 指 标 C1i、C2j、C3k、C4l的评分。

表6 绿色设计属性与TRIZ工程参数的关联表

表7 产品绿色设计创新方案的可行性评价矩阵

采用打分法对各指标进行评估，各指标的评分范围为1（差）～9（优）。指标权重由模糊层次分 析 法 （fuzzy analytic hierarchy process，FAHP）确定，其步骤可见参考文献［22］。

5 实例研究

笔者以上述方法为基础，利用可扩展标记XML语言，开发了产品绿色创新设计支持平台（其基本框架组成如图8所示），用于绿色产品的开发，以某型号洗碗机零部件为例阐述创新过程。

图8 产品绿色创新设计支持平台基本框架组成

洗碗机属于EuP（eco－design requirements for energy－using products directive）指令监管的第十四类产品，因此对产品绿色性能有较高的要求。产品维修商和回收商对洗碗机底板的拆卸性提出了要求，洗碗机销售商要求广东某洗碗机制造企业改进其出口洗碗机底板的拆卸性能，使其能够实现非工具拆卸，并且成本变动范围要小。洗碗机的关键零部件（如水杯、洗涤泵和电热管等）位于洗碗机底部，原洗碗机的底板与下前横档和侧板用螺钉连接（图9）。改进前的拆卸顺序为左右侧板→前提脚板→下前横档→下后横档→底板，而且洗碗机经长时间使用后螺钉容易锈死，因此不便于洗碗机的维护和维修以及废弃后的拆卸回收处理。

图9 底板零件的三维模型及其连接关系

首先运用产品绿色创新设计支持平台的实例检索模块，通过借鉴以往成功案例的经验对洗碗机进行改进。为了借鉴其他类别产品的设计知识，扩大实例检索范围，不限定产品类别、功能等参数，将材料设定为“钢材”，将绿色设计原则设定为“拆卸设计”，设计属性设定为“连接类型”。为了满足成本和拆卸性能的要求，在过滤条件中，将拆卸性能和经济性设定为“很好”，技术性能和回收性能设定为“良好”，然后进行实例检索。从实例库中搜索出的实例为电脑机箱侧板，特征是将螺钉连接改为卡槽连接，实现了非工具手工拆卸，目前卡槽连接在很多产品中得到广泛应用，技术十分成熟，因此本文借鉴该类型实例。

主机箱侧板的卡槽不承受主机箱的重量，主要保证连接的可靠性，而洗碗机底板需要承受洗碗机以及餐具的重量，其强度要求较高，需要对原有实例进行修改后再用。利用TRIZ对原有实例进行修改，可将其对应为改善的工程参数No14“强度”，恶化的工程参数No11“应力或压力”。调用基于TRIZ的冲突消解模块对这一技术冲突进行问题求解，发现可采用发明原理3“局部特性”来进行求解，即将一物体或外在环境（动作）由相同成分组成的结构转变成由不同成分组成的结构。由此产生的绿色创新方案即在底板的左边和右边增加卡槽，使其共同承担洗碗机的重量，从而改善底板应力状况。为了验证改进后底板的可靠性，在Abaqus的环境下进行应力分析，卡槽受到的最大应力为286MPa，小于底板材料的抗拉强度500MPa，满足强度要求。改进后，只需将洗碗机底板直接从洗碗机底部抽出就可完成拆卸操作。

利用表7对绿色创新设计方案进行评价，其评价结果见表8。根据各评价指标的最大值和最小值以及表4中的语言变量，建立语汇转换标准，将评价结果转换为评价语汇。最后根据绿色设计实例存储结构将该设计案例存储到数据库中。

6 结语

（1）将TRIZ与实例推理方法有效地集成，提出了基于TRIZ与实例推理原理的产品绿色创新设计方法，能够很好地实现产品绿色创新设计。

（2）以本体论为基础，结合TRIZ工具，给出了绿色产品设计实例的描述模型和检索模型，实现了绿色产品设计实例的检索、重用和修正。

（3）建立了绿色设计属性与TRIZ工程参数的关联表，便于设计人员将绿色设计属性转化为TRIZ工程参数，缩短绿色创新设计的时间。

表8 绿色产品创新方案的可行性评价

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