基于QFD/TRIZ集成模型的产品创新设计

张芳兰 ，杨明朗，刘卫东

（1. 南昌大学 机电工程学院，南昌 330031；2. 燕山大学 艺术与设计学院，秦皇岛 066004）

0 引言

在日益激烈的全球化市场竞争中，产品创新是企业生存与发展的核心力量。设计阶段的产品创新应以科学且有效的创新方法为指导，从方法论本质上与设计过程实践中提升产品创新的效率和质量，从而快速响应满足多样化、时代化的用户需求。质量功能展开（Quality Function Deployment，QFD）是一种用户驱动的创新方法，正确实施QFD可使设计更改减少30%～50%，产品开发周期缩短30%～50%，产品开发启动费用减少20%～60%[1～3]。该方法可实现创新问题的准确识别与定位。TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch, TRIZ）理论作为一种包含科学思维、科学方法和科学工具的创新方法，其与公理化设计[4]、QFD[5～7]、约束理论[8]、专利研究及仿生学[9]、模糊理论[10]的结合成为目前学者研究的热点。

本文研究将TRIZ理论与QFD质量屋集成，力求创建面向产品创新设计方案产生的集成模型与具体方法步骤。最终通过集成灶的创新设计论证了该集成模型与方法的可行性。

1 QFD/TRIZ集成模型构建

QFD方法是以用户需求为源头切入，采用质量屋矩阵图表，将用户需求转换为产品的工程特性。借助质量屋可以有效挖掘关键创新问题与关键设计区域。然而针对具体创新问题的解决，该方法并无提供相关创新工具与思路。

TRIZ理论在解决设计问题时采用无折中的设计思想，通过科学发明原理、冲突矩阵、分离原理，并结合冲突分析，提供了具体的创新思路与方法，可以消除设计中的冲突问题并实现创新。但是该理论体系并无涉及如何识别与定位创新问题。因此，将TRIZ理论与QFD质量屋结合，创建了面向产品创新的QFD/TRIZ集成模型，如图1所示。

图1 QFD/TRIZ集成模型

QFD/TRIZ集成模型的具体实施步骤为：

步骤1：构建简化的QFD质量屋，确立创新设计关键问题与关键设计区域。

首先构建简化的QFD质量屋。通过问卷调研、专家访谈及相关文献资料三种数据信息来源确立完整且准确的用户需求，并采用1,2,3,4,5比例标度依次表示需求极不重要性，不重要，一般，重要，极为重要五个等级，进行用户需求的重要性评价。依据0，1，3，5比例标度构建用户需求与设计特性相关矩阵，并根据公式（1）计算各项产品设计特性分值：

其中，Ci为用户需求的重要性，Pij为用户需求与设计特性之间的相关程度，Sj为产品设计特性整体得分。依据产品设计特性分数高低对其进行优先度排序。

位于简化的质量屋屋顶的自相关矩阵描述了各项设计特性之间的相互关系。若提高或改进某一设计特性，导致另一设计特性提高或改进，可判断此设计特性之间存在正相关，用“+”表示。反之，导致另一设计特性下降或恶化，可判断此设计特性之间存在负相关，用“-”表示。通过负相关设计特性识别，确立设计特性间的冲突问题，从而确立关键创新问题。最终参照设计特性优先度与负相关设计特性进行产品创新设计关键定位。

步骤2：创新设计关键问题的冲突分析与消除，实现创新设计方案的产生。

利用TRIZ发明原理、冲突矩阵、分离原理消除设计冲突的过程可描述为：首先分析待解决的创新设计关键问题，运用39个通用工程参数，构建与负相关设计特性对应的工程参数，实现了创新设计关键问题转化为TRIZ问题；其次通过冲突分析，确定该TRIZ问题是技术冲突还是物理冲突。技术冲突利用冲突矩阵所推荐的发明原理消除；物理冲突则利用分离原理所推荐的发明原理解决。根据实际的创新设计关键问题，选择相适应的发明原理找到解决问题的具体创新方法，从而消除冲突，提出创新概念，并结合关键设计区域与具体创新方法，借助手绘草图与计算机辅助图形设计，产生创新设计方案。

2 集成灶创新设计案例

现依据所提出的QFD/TRIZ集成模型与方法步骤，对传统吸顶式烟机与灶具进行设计创新，具体过程如下所述：

步骤1：构建简化的烟机灶具质量屋，确立创新设计关键问题与关键设计区域。

首先构建烟机灶具质量屋如图2所示。依据质量屋屋顶处的设计特性自相关矩阵，可以获得3对负相关特性，如表1所示。依据这3对负相关设计特性，确立烟机灶具3个关键创新问题，即冲突问题，包括：1）消除“烟机与灶台的距离”与“烟机与用户头部的距离”之间的冲突。2）消除“功能空间配置”与“结构”之间的冲突。3）消除“功能系统”与“外观尺度”之间的冲突。另外，通过质量屋中用户需求与设计特性关系矩阵，获得设计特性优先度排序，确立功能系统、功能空间配置、烟机吸风口结构、灶头结构、外观尺度、控制面板位置为6个关键设计区域。

表1 负相关设计特性及与其对应的TRIZ通用工程参数

步骤2：创新设计关键问题的冲突分析与消除，以及创新设计方案的产生。

依据3个创新设计关键问题及负相关设计特性，分别构建其与TRIZ通用工程参数的对应关系，如表1所示。实际创新设计关键问题中的冲突特性可用负相关设计特性对应的通用工程参数替代，从而实现将创新关键问题转化为TRIZ的一般问题。

针对第1个关键创新问题，烟机与灶台的距离需要尽可能短，以确保高的吸烟效能。同时，烟机高于用户头部的距离尽可能长，以避免头部的误撞以及对操作视线的影响。因此，该冲突问题属于物理冲突，可利用TRIZ分离原理中的空间分离所建议的发明原理实现冲突的化解，相关发明原理编号为：No.1，No.2，No.3，No.7，No.13，No.17，No.24，No.26，No.30。依据实际分问题，首先选择发明原理No.13：反向，提出将处于灶台之上的烟机上排风结构变为处于灶台之下的下排风式。由于传统灶台下方设有橱柜，再利用发明原理No.7：套装，将烟机的下排风结构嵌套在橱柜里。然后利用发明原理No.17：维数变化中使物体倾斜或改变的方向的方法，使分体式烟机的水平下吸式风口变为重直侧吸式或环吸式。从而可解决 “烟机与灶台的距离”与“烟机与用户头部的距离”之间的冲突。

图2 烟机灶具质量屋

针对第2个关键创新问题， 当功能系统的可靠性提升时，会导致外观尺度的长度或宽度的加大，使其体量增大。因此，该冲突问题属于技术冲突，针对第3个关键创新问题，当提升功能空间配置的可操作性时，导致结构的可制造性恶化。所以，该冲突问题亦属于技术冲突。两对关键冲突问题转化为TRIZ问题，即解决“27.可靠性”与“4.静止物体的长度”，“33.可操作性”与“32.可制造性”之间的冲突，利用TRIZ冲突矩阵（如图3所示）及其所建议的发明原理消除。在推荐的发明原理编号No.15，No.28，No.29, No.11中选择No.28：机械系统的替代，即用电场、磁场、光波、电磁波完成与物体的相互作用实现功能，提出利用臭氧紫外线或光波或电磁波增强消毒功能系统、微波与光波烹饪功能系统等。再推荐的发明原理编号No.2，No.5，No.12中选择No.5：合并，提出将所有功能系统合并，即将烟机、灶具、橱柜集成于一体。从而第2、3关键创新问题中的冲突依次得到消除。

图3 解决冲突问题的局部冲突矩阵

综上，获得创新概念为重直侧吸式或环吸式烟机吸风口及下排风结构，增强消毒功能系统、微波与光波烹饪功能系统，及将烟机、灶具、橱柜集成于一体。另外，结合6个关键设计区域功能系统、功能空间配置、烟机吸风口结构、灶头结构、外观尺度、控制面板位置，借助手绘草图与计算机辅助三维建模软件Rhino 5.0产生4款集成环保灶创新设计方案，如图4(a)～图4(d)所示。

图4 集成环保灶4款创新设计方案

3 结论

QFD质量屋与TRIZ理论的集成解决了设计阶段如何获取产品创新的具体问题，以及针对具体问题采用何种具体思路与方法解决问题，实现创新。二者的集成可以有效弥补两种方法的局限，发挥各自方法的最大优势。通过厨房吸顶式烟机与灶具的创新设计，开发了4款集成环保灶设计方案，论证了所提出的QFD/TRIZ集成模型与步骤方法的可行性。

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