基于E/HOQ/TRIZ的人机产品创新方法研究

张芳兰， 史慧君， 陈国强

(燕山大学艺术与设计学院，河北 秦皇岛 066004)

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

基于E/HOQ/TRIZ的人机产品创新方法研究

张芳兰， 史慧君， 陈国强

(燕山大学艺术与设计学院，河北 秦皇岛 066004)

为了快速准确地进行设计阶段的人机产品创新，开发了E/HOQ/TRIZ集成模型并描述了具体步骤，提出了基于人体工程学(E)的人机用户需求三维分类的需求获取方式；通过质量屋(HOQ)确立人机设计关键问题与关键人机设计区域；利用发明问题解决理论(TRIZ)分析人机设计关键问题中的冲突类型，借助TRIZ发明原理消除冲突。E/HOQ/TRIZ集成模型有效弥补了单一设计理论与方法的局限性，并发挥三种理论与方法的优势，实现人机产品创新设计。通过人机洗浴设施创新设计，论证了所提出E/HOQ/TRIZ集成模型与方法的可行性。

人机工程学；质量屋；发明问题解决理论；集成模型；创新设计

Zhang Fanglan, Shi Huijun, Chen Guoqiang

(School of Art & Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

在工业设计中，产品创新方法的合理开发与应用，可以改变传统主观经验型设计模式，加速产品的创新过程，提升产品的设计质量。针对设计环节创新问题的解决，TRIZ理论作为一种有效的创新工具，已由单一理论应用转化为该理论与其他设计方法的互补集成应用。例如，Shirwaiker和 Okudan[1]认为 TRIZ与公理化设计(axiomatic design，AD)的结合是互补的。AD可以为设计过程建立完整且实用的框架，独立性公理和信息公理对设计方案的选择与优化提供了合理的判断准则；TRIZ将技术系统的演化规律作为产品进化的模式，并应用相应的工具消除设计中的矛盾，促使创新过程模式化。罗志成[2]提出了TRIZ与质量功能配置(quality function deployment，QFD)、AD集成模型，将其成功应用到LED路灯设计之中。邵云飞等[3]将 TRIZ与 6σ管理流程、QFD相结合，构建了 6σ/QFD/TRIZ集成的总体框架及流程，并应用于手机部件的创新设计中。Mann[4]提出了TRIZ与约束理论(theory of constrains，TOC)集成的产品概念设计方法，运用TOC中的当前实现树和冲突解决图表，定位创新问题，并借助TRIZ发明工具提出创新方案。黄伟等[5]通过专利分析法与TRIZ结合为基础，提出了产品结构创新与优化设计流程。李阳[6]利用 TOC找出问题，TRIZ解决问题，用实例推理(case based reasoning，CBR)将特殊解转化为具体解，提出了一种绿色设计模型。马怀宇和孟明辰[7]将 QFD、功能分析(functional analysis，FA)与TRIZ结合，提出了从功能需求分析到方案产生的具体流程与问题处理方法。张沙沙[8]针对塔式起重机人机设计中技术难题和设计缺陷，将 TRIZ与人机工程学(ergonomics，E)相结合，创建技术冲突模型、物理冲突模型及物-场模型，应用到起重机人机设计之中。刘凤山等[9]将TRIZ理论引入到人机工学实验设计过程中，有效解决生产制造系统中作业人员的生理疲劳与工作效率的冲突。

在 TRIZ理论与其他设计方法的集成中，主要表现在主流设计理论与AD、QFD、TOC三大方法的集成。AD使得设计流程清晰化，可以帮助设计师通过方案评价选择最优化方案；QFD可以指导设计师通过用户需求获取与分析，设计出产品的功能结构；TOC使得设计过程中的冲突问题明晰化，帮助设计人员更清晰地确定需要解决的冲突问题。同时，部分研究者将专利研究及仿生学、CBR、FA、绿色设计、E等创新方法与TRIZ融合，建立了设计模型，并经过验证证明了其可行性。

然而，在工业设计流程中，依靠传统主观经验型设计模式已无法确保高用户满意度。用户需求是创新设计的关键源头信息，若采取普通用户自然语言描述个体需求，势必会带有主观性、模糊性、随意性、不完整性，且重复性较强，会对用户需求的准确性定义产生偏差。E理论将用户需求分为人机交互、人机情感、人机效能 3个维度，可以据此对实际设计问题的用户需求进行具体描述，确保需求的准确性与完备性。研究显示，良好的人机产品创新设计在舒适度、环保度、审美度、高效度等方面有效提高用户满意度[10-15]。但是，单一的 E理论很难将用户需求转换为产品工程特性，且不能提出针对创新问题的具体解决方法与思路。

因此，针对地震后灾民的洗浴问题，本文将基于 E理论的人机用户需求三维分类方法，与HOQ、TRIZ相结合，创建适用于工业设计的人机产品创新设计集成模型与具体方法步骤。最终，通过一款人机洗浴设施创新设计，论证该集成模型与方法的可行性。

1 E/HOQ/TRIZ集成创新模型开发

将E理论、HOQ与TRIZ理论三者结合，构建面向人机产品创新的 E/HOQ/TRIZ集成创新模型，如图1所示。

E/HOQ/TRIZ集成模型的具体实施步骤为：

步骤1. 人机用户需求具体描述获取。工业设计师依据人机用户需求三维分类，针对实际设计问题对用户需求进行具体描述，并利用 1、2、3、4、5比例标度依次表示用户需求的重要性程度：极不重要、不重要、一般、重要、极为重要5个等级。

步骤2. 构建 HOQ，确立人机设计关键问题与关键人机设计区域。在构建用户需求与人机设计特性相关矩阵中，采用0、1、3、5比例标度判定用户需求与人机设计特性间的相互关系，依次表示不相关、弱相关、中相关和强相关关系。

根据式(1)计算各项人机产品设计特性分值

其中，Ci为用户需求的重要性；Pij为用户需求与人机设计特性之间的相关程度；Sj为产品人机设计特性整体得分。依据产品人机设计特性的整体得分对优先度进行排序。

位于HOQ屋顶的人机设计特性自相关矩阵，若提高或改善某一人机设计特性，从而导致另一人机设计特性提高与改善，即可判断两个人机设计特性存在正相关关系，用“+”表示。反之，若导致另一人机设计特性下降，可判断其间存在负相关关系，用“-”表示。依据负相关特性，确立设计特性之间的冲突问题，从而确立人机设计关键问题。

步骤 3. 人机设计关键问题的冲突分析与消除，利用TRIZ理论提供的发明原理，实现方案创新。面对人机设计关键问题，利用39个工程技术参数，找到在HOQ屋顶的负相关特征对应的工程技术参数，实现从人机设计关键问题向TRIZ一般问题的转化。然后确定冲突类型，技术冲突采用冲突矩阵中建议的发明原理消除，物理冲突采用分离原理中建议的发明原理解决。根据转化的TRIZ问题，选择相应的发明原理，找到解决问题的创新方法，并结合关键人机设计区域最终实现方案创新。

图1 E/HOQ/TRIZ集成模型

2 人机洗浴设施创新设计案例

据调研：一般在地震后对灾民安置时，灾民的洗浴问题相对困难。现依据 E/HOQ/TRIZ集成模型与具体流程进行洗浴设施的人机创新设计。

步骤1. 人机洗浴设施用户需求具体描述获取。工业设计师依据人机用户需求三维分类获取洗浴设施的人机用户需求描述，如表 1所示。再利用 1、2、3、4、5数值对用户需求的重要性进行标度，采用 SPSS软件计算 10项用户需求均值，如表2所示。

步骤2. 构建人机洗浴设施HOQ，在图2中依据式(1)求解各项人机设计特性分值，确立加热板尺寸布局、功能系统空间配置、结构、盛水区域体积、模块化程度及产品器件体积与数量为关键人机设计区域。

表1 用户需求初级筛选

表2 用户需求优先度

依据图2所示的HOQ屋顶自相关矩阵，可以获得3对负相关设计特性，如表3所示。据此确立人机洗浴设施的 3组人机设计关键问题，即冲突问题：①消除“整体产品的质量”与“盛水区域的体积”之间的冲突；②消除“结构”与“功能系统空间配置”之间的冲突；③消除“产品器件体积大、数量繁杂”与“易运输”之间的冲突。

步骤3. 人机设计关键问题的冲突分析与消除，以及最终创新方案的实现。依据3对人机洗浴设施负相关设计特性及3组人机设计关键问题，分别构建出TRIZ中与其相对应的通用工程参数，如表3所示。将人机设计关键问题中的冲突，应用负相关设计特性对应的通用工程参数替代，从而实现了将人机设计关键问题向TRIZ一般问题的转化。

图2 人机洗浴设施HOQ

表3 负相关设计特性及其对应的TRIZ理论通用工程参数

针对第 1组关键问题，即“整体产品的质量”与“盛水区域的体积”之间冲突的解决。若洗浴设施的盛水区域体积增大，可加大储存量，有利于灾民洗浴，但会造成整体产品质量过大，不便于运输。因此，产品的整体质量应尽可能的小，以方便人机洗浴设施能够快速便捷地送达灾区。故此冲突问题属于技术冲突，可以利用如图 3所示的TRIZ理论冲突矩阵及其所建议的发明原理消除。针对第2组关键问题，即消除“结构”与“功能系统空间配置”之间的冲突，当提升产品整体结构可制造性时，导致功能系统空间配置的可操作性下降所以该冲突问题亦属于技术冲突，消除冲突方式与第1组关键问题相同。第1、2组关键问题分别转化为“2.静止物体的重量”与“8.静止物体的体积”、“32.可制造性”与“33.可操作性”之间的冲突。利用图3所示的冲突矩阵，获得TRIZ理论建议的发明原理编号。针对第 1组关键问题，在建议的 4个发明原理编号 No.35、No.10、No.19、No.14中，选择“No.10预先作用原理：在真正需要某种作用之前，预先执行该作用的全部或一部分，预先对物体(全部或部分)施加必要的改变”。由于地震发生之后，引发地震的地下能量致使地下的水汽沿着裂缝进入空气，空气中增加大量形成水滴的最好凝结核粉尘，在地震巨大冲击波的作用下使震区上空大量凝结核与水汽充分结合，迫使大雨降临。因此，提出预先将天空中降落下的雨水收集起来作为水源，加以净化、加热、保温，以供洗浴之用。对于第 2组关键问题，从推荐的3个发明原理编号No.2、No.5、No.12中选择“No.5合并：为了提高效率或改善功能，可将相同的物体或相似的操作进行组合”，提出将收集雨水区域与太阳能加热区域系统加以合并，从而第1、2个组关键问题中的冲突得以消除。

针对第 3组关键问题，即“产品器件、数量”与“模块化程度”之间冲突的解决。若保持洗浴设施良好的功能性，需保证能围合出一个封闭的空间，但导致产品体量大，零部件数量繁杂，使得产品模块化程度下降，阻碍运输。因此，产品零部件应尽量少，体量尽量小。故该冲突属于物理冲突，可利用TRIZ分离原理中的空间分离原理与整体与部分分离（转换到子系统）原理所建议的发明原理实现冲突化解，相关发明原理编号为：No.1、No.2、No.3、No.17、No.13、No.14、No.7、No.30、No.4、No.24、No.26与No.40。依据实际问题，首先选择“No.1分离原理”将整体设施的支撑件选取可伸缩的支撑棒，外部遮挡选取柔软可伸缩的屏风，将支撑棒安置在收纳盒底部，对洗浴设施整体重新组装，以方便运输。再利用发明原理“No.40复合材料原理”内部储水区域采用 LDPE低密度聚乙烯，外部屏风采用复合材料 PVC，柔软处添加催化剂软化处理，保证内外部区域稳固性的同时提升其可伸缩性。

图3 解决冲突问题的局部冲突矩阵

综上所述，通过预先收集雨水系统、合并加热与收集系统、模块化集成收集与采用复合材料手段，并结合 6项关键人机设计区域，利用计算机辅助设计，创建出人机洗浴设施的三维建模设计方案，如图4所示。

图4 人机洗浴设施创新设计方案

3 结 论

E/HOQ/TRIZ集成模型解决了设计阶段如何准确获取用户需求的具体问题，以及针对具体问题采用何种创新思路与方法，实现具体创新。三者的结合可以有效弥补单一设计理论的局限性，发挥各自理论与方法的最大优势，从而消除人机设计问题的瓶颈。通过对人机洗浴设施的创新过程分析，论证了该集成模型与具体方法过程的可行性。对于工业设计中其他人机产品的创新与开发，该集成模型与方法同样具有有效性。

[1] Shirwaiker R A, Okudan G E. TRIZ and axiomatic design: a review of case-studies and a proposed synergistic use [J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2008, 19(1): 33-47.

[2] 罗志成. 基于QFD-AD-TRIZ的LED路灯改良设计研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2012.

[3] 邵云飞, 杜 欣, 唐小我. 基于6σ/QFD/TRIZ集成的产品创新设计方法[J]. 系统工程, 2011, 29(4): 77-83.

[4] Mann D. Axiomatic design and TRIZ: compatibilities and contradictions [J]. TRIZ Journal, 1999, 4(6): 34-39.

[5] 黄 伟, 朱 龙, 侯 亮. 基于专利与 TRIZ集成的产品创新与优化设计[J]. 机电工程, 2011, 28(7): 774-778.

[6] 李 阳. 基于CBR、TOC和TRIZ的绿色设计模型研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

[7] 马怀宇, 孟明辰. 基于 TRIZ/QFD/FA的产品概念设计过程模型[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2001, 41(11): 56-59.

[8] 张沙沙. 基于 TRIZ的塔式起重机的人机工程学设计与研究[D]. 济南: 山东建筑大学, 2012.

[9] 刘凤山, 李 梅, 杨 泰. TRIZ理论在人机工效学实验设计中的应用[J]. 中北大学学报: 自然科学版, 2012, 33(2): 145-148.

[10] Zhang F L, Yang M L, Liu W D. Using integrated quality function deployment and theory of innovation problem solving approach for ergonomic product design [J]. Computer & Industrial Engineering, 2014, 76(10): 60-74.

[11] So R H, Lam S T. Factors affecting the appreciation generated through applying human factors/ergonomics (HFE) principles to systems of work [J]. Applied Ergonomics, 2014, 45(1): 99-109.

[12] Dul J, Bruder R, Buckle P, et al. Strategy for human factors/ergonomics: developing the discipline and profession [J]. Ergonomics, 2012, 55(4): 377-395.

[13] 刘小霞, 王小平, 杨延璞, 等. 基于人机工程学的消防车器材布局优化设计研究[J]. 图学学报, 2012, 33(5): 109-113.

[14] 吕中意, 瞿 姚. 基于人机工程学的公交车拉手设计[J].图学学报, 2013, 34(6): 69-73.

[15] Su M Y, Yang G H. A new design of student apartment bed based on kansei engineering and ergonomics [J]. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2014, 24(3): 70-74.

Research on the Innovation Method of Ergonomic Products Based on E/HOQ/TRIZ

To fast and accurate ergonomic product design at the design stage, the E/HOQ/TRIZ integration model is developed and the specific steps are described. The method of obtaining user needs based on the ergonomics (E) user needs three-dimensional classification was described. The key issues and the key design areas of ergonomic design were established by the house of quality (HOQ). The type of conflicts of the key issues were analyzed and resolved by the theory of inventive problem solving (TRIZ) for achieving ergonomic product innovation. E/HOQ/TRIZ integration model can effectively make up the limitations of the single design theory and method, and play the advantages of the three theories and methods, so as to realize the innovative design of human machine products. Finally, through innovative design of the ergonomic bath facilities, the feasibility of the proposed integrated model and approach was demonstrated.

ergonomics; house of quality; theory of inventive problem solving; integrated model; innovative design

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060759

A

2095-302X(2016)06-0759-06

2016-03-23；定稿日期：2016-05-29

河北省社会科学基金项目(HB15YS009)

张芳兰(1980−)，女，陕西宝鸡人，副教授，博士。主要研究方向为产品创新设计与评价、人机工程学等。E-mail：fanglanzhang@163.com