基于萃智理论的智能饮水机人机工程设计*

2018-05-29黄曼绮

机械制造 2018年11期

□ 王旭 □ 黄曼绮

电子科技大学成都学院电子工程系成都611731

1 设计背景

饮水机是人们生活中的必要用水设备，如何能够确保其使用的安全性和便捷性，是设计人员必须考虑的要素，因此对智能饮水机进行人机工程设计具有非常重要的意义。通过对多种饮水机的性能进行调研和分析发现，目前智能饮水机的功能已经日趋完善，但是在使用便捷、消除安全隐患等设计方面，主要体现在防干烧系统和换水装置的设置［1-2］。而防交叉感染、防误操作烫伤等方面的问题却涉及很少。所以，必须对饮水机进行人机工程设计，才能全面消除饮水机的各种不利因素。

对现有的饮水机设计方法而言，主要包括参照改进法、头脑风暴法等。然而，参照改进法［3］是在参考现有某种机型结构和功能的前提下，仅仅对存在的局部问题进行修正，具有较大的局限性。而头脑风暴法［4］虽然能够产生良好的创意设计，但在实施过程中对团队氛围、灵感及随机性等条件要求较高，无法持续地产生较好的方案并加以改进。所以，若要在人机工程设计中高效地开发出优化方案，解决设计中的技术矛盾，需要有合理的发明原理加以引导和提示。因此，基于技术矛盾的萃智理论（TRIZ）创新方法，面对不同工程问题具有对应的推荐发明原理，从这个方面来看，该方法和饮水机人机工程设计具有良好的匹配性。综上所述，在基于人机工程学各要素的前提下，拟采用TRIZ发明理论，实现智能饮水机的人机工程优化设计。

2 不利因素统计

智能饮水机的人机工程设计，是指人在使用饮水机时，考虑到产品对人的能量消耗、疲劳，以及潜在伤害等因素的影响，采取一定的设计方案来消除不利因素的过程。因此，人机工程设计的首要环节，是确定容易对人造成伤害或使用不便的不利因素。这一步骤的主要流程为：①信息搜集。对2015～2017年有关饮水机的专利和期刊文献等资料进行搜集和分析［5-7］，总结出容易产生不利因素的诱发原因。②对分析结果进行整理和归类。如在灯光昏暗或误操作下，容易造成溢水事故，则将灯光昏暗和误操作整理至诱发原因类，而溢水则添加至不利因素类。③结果获取。建立完整的不利因素和诱发原因的对应关系，具体情况见表1。

3 TRIZ的方案设计

TRIZ是基于统计学原理，在解决工程问题时，揭示设计对象中的矛盾，并指导性地提出解决方案［8］。TRIZ处理工程问题的目的并非折中地减轻矛盾影响，而是彻底消除矛盾，获得问题的理想解。在智能饮水机的人机工程设计中，当某个不利因素得到改善时，可能导致其它因素的恶化，即二者构成了一对技术矛盾。因此，TRIZ推荐了相应的发明原理，来有效解决技术矛盾，并实现优化设计。

3.1 技术矛盾矩阵的建立

技术矛盾矩阵，是基于表1所示的不利因素，建立改善因素、恶化因素，以及有效发明原理之间的关系。如当温度单一性问题改善后，系统的质量和复杂性会增加，即这两个因素发生了恶化。为了解决这些冲突，同时达到改善的目的，采用TRIZ推荐的发明原理来引导合理方案的设计。矩阵构建的步骤为：①建立改善和恶化因素的对应关系，表1所示的不利因素改善后，对可能造成的恶化因素进行分析和整理，建立二者之间的对应关系；②将不利因素转换成通用工程参数，如温度单一的特征，对于茶、咖啡等不同饮料的最佳温度匹配性不佳，即不具备良好的适应性，可以等效为通用工程参数-适应性；③将文献中推荐的发明原理添加至对应技术矛盾，完成技术矛盾矩阵的构建，具体见表2，表2中的数字为TRIZ推荐解决技术矛盾的发明原理编号。

3.2 设计方案确定

构建技术矛盾矩阵后，根据每项改善因素的发明原理，进行设计方案分析与确定。以烧水功能单一为例，由于改善该因素后会增加程序编译，生产率下降，所以TRIZ推荐了发明原理编号为2（抽取）、1（分割）、16（未达到或过度的作用）三种发明原理［9］。对发明原理2（抽取）而言，其指导原则为从对象中选取重要属性，根据这一原则，可以根据几种最常用的饮料来定义饮水机的多级温度，如奶粉为45℃、咖啡为65℃、茶叶为80℃、开水为100℃。发明原理1（分割），即可以将烧水系统独立于饮水机之外，也就是在多级温控外置烧水系统。发明原理16（未达到或过度的作用），即多级温度设计中，在满足功能的前提下，尽量减少元件。综上所述，采用发明原理1（分割）设计独立的多级温控外置烧水系统，用户操作时要经过放水-烧水-用水三个环节，增加了使用的复杂性，因此不选择这一方案。笔者采用发明原理2和16进行设计，即选择STM32单片机，直接与水温检测模块连接，在元件最少的情况下，实现多级温度控制，多级温控设计如图1所示。

同理，对其余改善因素分别进行发明原理分析和比较，选择合适的发明原理，并根据其指导原则得出最优的方案设计，部分改善因素主要设计方案见表3。

对各因素的实施方案确定后，将其整合成完整的饮水机STM32单片机自动控制系统，如图2所示，系统主电路如图3所示。

4 设计评价及后续优化措施

采用TRIZ完成智能饮水机人机工程设计后，需要对设计效果进行评价。评价的方法为专家权重法［10］，具体的操作流程为：①将表3所示的各改善因素的效果定义为非常好、好、较好、一般、差及非常差六个档次，并从0～1分别界定对应程度因数，见表4；②按照对人影响的大小设定表3中各改善因素的权重；③20名行业调研专家，分别对各改善因素的设计效果进行因数评判并提出后续优化改进措施；④对每个改善因素取程度因数平均值，并计算设计方案的整体加权平均值作为设计评价标准。

加权平均值y计算表达式［11］为：

表1 不利因素及诱发原因对照表（部分）

表2 技术矛盾矩阵（部分）

▲图1 多级温控设计

▲图2 自动控制系统结构

式中：xn为第n个改善因素的平均程度因数；fn为第n个因素的权重；n为改善因素的个数，即n=1，2，3，4，5。

专家给定的各改善因素平均程度因数、权重及改进建议见表5。

将表5中的数值代入式（1），计算出加权平均值为0.769 5。对比表4的数据可知，该智能饮水机人机工程设计效果是很好的，基本达到了预期目标。说明TRIZ可以有效解决饮水机中各种问题的技术矛盾，引导设计出良好的设计方案。最后，根据专家建议可以继续改进设计，以达到进一步提升设计效果的目的。

表3 部分改善因素主要设计方案

5 结束语

对目前饮水机使用中的不利因素进行整理，采用TRIZ推荐的发明原理，有效解决因改善这些不利因素时同时出现恶化因素的技术矛盾，实现了智能饮水机的人机工程设计。同时，采取专家权重法评价设计效果，获得了较高的加权平均值，进一步验证了TRIZ有利于指导并实现智能饮水机的创新设计。下一步将按照专家的改进建议，对智能饮水机进行后续优化设计，以达到更佳的设计效果。