基于进化潜力分析的产品低碳创新设计

鲍 宏,胡 迪,张 城,柯庆镝

(1.合肥工业大学 工业培训中心，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学 绿色设计与制造工程研究所，安徽 合肥 230009)

0 引言

随着产品制造业市场竞争的日益加剧以及工业发展中环境污染压力的增大，提升产品的技术创新性和环境友好性已经成为现代企业发展的迫切需求。创新驱动及绿色制造两大领域被列入《中国制造2025》中，已经成为国家发展战略的需要。产品绿色创新设计旨在利用发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)等方法在创新方面的优势，将创新方法融入绿色设计方法及流程中，面向设计早期阶段为绿色设计技术难题提供创新解决方案，提高设计效率及产品的绿色技术核心竞争力，是实现创新驱动模式下绿色设计的有效途径。

国内外学者将绿色设计思想与技术创新方法相结合，开展了多视角的产品绿色创新设计方法研究与应用。Justel等[1]从TRIZ进化理论和冲突解决原理的角度给出了产品可拆卸设计方法;Cheng等[2-3]通过概念设计阶段的绿色性能分析，基于TRIZ创新法则及进化模式解决新产品的生态设计创新问题，并用案例推理方法满足功能性能及加速设计过程，最后采用简化的生命周期模型判断方案的环境性能改善情况;Athakorn等[4]将技术趋势分析、生命周期设计及TRIZ理论相结合，基于ISO/TR14062标准建立绿色概念设计与评价的决策支持框架;赵燕伟等[5]针对产品需求动态性引起的产品低碳设计实例分类中存在的跳跃性问题，提出一种基于多维关联函数的产品低碳设计实例分类方法;陈娟等[6]从机电产品碳足迹分布出发，基于层次分析法和创造性模板法提出一种基于碳足迹分布的机电产品低碳创新设计方法;刘征等[7]针对产品生态设计过程中的创新问题，提出一种集成TRIZ的产品生态设计方法。

现有的产品绿色创新设计技术已经取得了一定进展，但目前相关研究成果较少考虑低碳产品演化需求，没有识别与量化低碳设计进化潜力空间，不能明确需求驱动设计进化意图，难以在设计早期阶段规划低碳产品进化方向。本文提出基于进化潜力分析的产品低碳创新设计过程框架，构建了功能—结构—特征的碳排放递归解算模型，并对低碳设计特征的映射提取进行表达。分析低碳产品演化需求的多主体特性，采用环境化质量功能配置和粗糙集理论将需求映射到低碳设计特征，通过进化潜力值计算识别关键低碳进化设计特征，并将其与TRIZ创新法则、进化路线及设计知识相关联，从而支持产品低碳设计的进化方向和策略。

1 产品低碳创新设计过程

产品的低碳创新设计是一种从低碳环保理念出发，更强调积极性、主动性和动态性的设计，它要求设计者在创新设计的构思阶段将低碳理念运用到其中，使新开发的产品既达到人类的可持续发展效益，又充分体现节能、减耗、节材等低碳思想。该方法通过将低碳排放性能与产品进化创新需求有效关联与集成，应用产品进化的TRIZ创新方法，为产品低碳设计提供了更广的设计空间，从而突破了现有低碳设计方法的技术瓶颈。

针对设计早期阶段难以明确产品低碳进化方向和策略的难题，有必要提出一个系统化、集成化的产品低碳创新设计方法。本文将产品碳排放解算、进化潜力分析与TRIZ创新工具相集成，提出基于进化潜力分析的产品低碳创新设计过程框架，如图1所示。主要步骤如下：首先，建立功能—结构—特征的产品设计方案碳排放递归解算模型；然后获取演化需求并分析产品低碳设计进化潜力空间，提取低碳进化设计特征；最后，将低碳进化设计特征与TRIZ创新法则、进化路线及设计知识等创新工具相关联，给出产品低碳设计的进化方向和策略。

2 产品低碳创新设计方法

2.1 产品碳排放递归解算模型

产品碳排放解算是面向产品全生命周期，将碳排放计算与概念设计映射方法结合，对产品碳排放进行功能层、结构层和设计特征层映射与量化分析。概念设计采用功能分析建立产品的基本功能结构，并将其映射为实现功能的结构单元及其零部件，碳排放解算将原材料和能源获取、加工、装配、运输、使用、报废处理等阶段的碳排放映射到产品/结构单元上，进一步得到材料选择、低能耗、资源节约和循环利用等低碳设计特征。产品生命周期碳排放采用生命周期评价方法进行量化，在清单数据分析[8]的基础上，计算工艺、能源、资源消耗、废料回收等活动的碳排放量值，由结构单元碳排放递归分配，表示为

GHG=W·R·F=

(1)

式中：Wi为产品碳排放在第i个结构单元的分配系数，分配系数标准采用文献[9]中提出的生命周期阶段分配因子;r(i,j)为第i个结构单元与第j个碳排放因子之间的各生命周期阶段碳排放活动关联函数;∂j为某一碳排放活动对应的碳排放因子，单位为单位活动水平下的二氧化碳当量。

原材料、装配、运输阶段的碳排放分配系数采用结构单元重量与产品总重的比值表示，使用阶段碳排放分配系数需要分析产品系统能量的储存、转化和消耗环节，在各结构单元的能量消耗组成及其能量流建模的基础上，由能量需求分析获取碳排放分配系数。结构单元碳排放的计算公式为基于低碳设计特征和碳排放因子的活动碳排放函数。结构单元碳排放活动关联函数并不一定都与设计过程关联，需要对其进行分析与提取，得到设计阶段可以控制的低碳设计特征。各结构单元的同类低碳设计特征可聚合为产品低碳设计特征，根据对碳排放的贡献程度，产品低碳设计特征也可进一步映射分解为具体结构单元的关键设计特征。碳排放活动关联函数与低碳设计特征L之间存在多对多的映射关系，通过矩阵聚合可表示为

(l1,l2,…,lk)=FL·R=

(2)

式中：k表示关联函数映射的低碳设计特征的个数,FL为低碳设计特征映射矩阵。

2.2 多主体需求驱动进化潜力分析

随着消费者环境意识的提高以及各个国家对产品碳标识要求的不断提升，产品低碳设计一方面要求满足消费者不断变化的低碳产品需求，另一方面要借助需求驱动设计映射的工具量化产品低碳进化潜力空间，以支持产品低碳创新设计。低碳产品需求主要有三种类型：一种是因以企业为主体的内部综合需求发生变化(例如原有产品已没有市场，新技术、新材料的应用等引起产品多样化需求发生变化)而对产品低碳性能进行改进与提升；另两种分别是因客户和第三方机构为主体提出产品低碳性能提升需求而对产品进行局部改进或整体重新设计，例如行业协会等第三方机构最新发布的某项碳标识或节能法规中对产品某项低碳设计特征提出了更高的技术需求。低碳产品演化需求根据集合理论描述为

GRevo=GRe∪GRc∪GRt。

(3)

式中：GRevo为低碳产品演化需求集；GRe为以企业为主体的需求集合；GRc为以客户为主体的需求集合；GRc为以第三方机构为主体的需求集合。

由于各主体对需求的描述方式不同，要将各主体需求参与到低碳产品设计开发，需要对需求进行统一详细的技术性描述，并对不规范的需求项进行合并、分解等处理，提取针对提高产品低碳性能的设计特征。根据需求与设计特征之间的不同对应关系，采用环境化质量功能配置(Quality Function Deployment for Environment, QFDE)方法[10]，将产品需求映射为材料选择、低能耗、资源节约和回收利用等方面的产品低碳设计特征、重要度和进化目标值。

(4)

构建客户需求—低碳设计特征关联矩阵，矩阵元素采用粗糙数表示，评估值亦采用1～9标度表示，数字越大，说明关联程度越大，反之越小。限定在某进化周期跨度tk内的结构单元重要度

i=1,2,…,m，j=1,2,…,n。

(5)

根据进化方向的不同，低碳设计特征可分为正相关和负相关两种类型，正相关指标的量值越高越趋近于进化极限，反之亦然。考虑某一低碳设计特征上现有状态与其进化目标值之间的差距以及该特征的需求重要度，进化目标值由该类产品具体指标的国内外法律法规要求和国际先进水平综合确定，其进化潜力值

(6)

通过汇总合并各需求主体映射的低碳设计特征进化潜力值，将产品低碳设计进化潜力分布情况反馈给相应的需求主体，从而使低碳设计过程与需求演化路线保持相对一致。反馈给各需求主体的低碳设计进化潜力值

(7)

2.3 低碳进化设计特征的创新关联与映射

Altshuller等[12]将TRIZ中的技术系统进化规律划分为进化法则和进化路线两个层次，提出了8种经典进化法则及进化路线[13]，认为其在应用领域上具有传递性。产品低碳设计同样遵循技术系统进化规律，将材料的低碳性、结构的低碳性、能耗及资源消耗等低碳设计特征与TRIZ技术进化法则进行映射关联，如表1所示。

将潜力分析提取的低碳进化设计特征与技术进化法则进行映射，结合具体产品专利及知识库搜索与匹配，通过结构替换、结构重组、知识域进化或技术颠覆性改变等策略，将TRIZ技术系统进化法则对应的进化路线具体化，为产品低碳设计进化方向提供策略支持。产品低碳设计进化法则与进化路线的对应关系如表2所示。

3 应用案例

以某企业洗碗机产品及其部件为实例，具体阐述应用进化潜力分析进行产品低碳创新设计。通过对企业某款洗碗机产品设计及工艺信息进行调研，建立其三维装配模型，如图2所示。

开展企业生命周期数据清单调研，产品结构单元划分及材料清单数据如表3所示。采用GABI4.0生命周期评估软件计算生命周期碳排放，产品碳排放量值为3 612.20 kg CO2-e，如图3所示。在碳排放较高的材料获取和使用阶段，结构单元的碳排放贡献比率以动力系统和洗涤系统最多，该阶段的贡献比率合计约为75%，可作为后续低碳设计特征映射提取的重点。

表3 洗碗机的结构单元划分及材料清单

通过产品的多主体需求采集，以3年为产品进化周期跨度，获取的产品需求如表4所示。设DM表示决策主体，采用粗糙数构建需求重要度矩阵，如表5所示。决策主体DM={DM1，DM2，DM3}对矩阵中元素c113的评估分值为{9，7，9}，转化的粗糙数分值为{[8,9]，[7,8]，[8,9]}，则矩阵中元素c113=

([8,9]+[7,8]+[8,9])/3=[8,9]。同理可以计算其他元素粗糙数，根据式(4)归一化确定各需求的重要度集W=[0.10,0.17,0.16,0.08,0.15,0.08,0.15,0.11]。根据产品碳排放解算结果，提取与动力系统和洗涤系统相关的低碳设计特征，如表6所示。

表5 洗碗机产品低碳演化需求重要度矩阵

构建进化周期内洗碗机产品的需求—低碳设计特征映射矩阵，计算关联系数粗糙数，低碳设计特征指标的进化目标由企业调研的国际上同类产品先进水平和欧盟ErP指令中的洗碗机生态设计要求确定，根据式(5)～式(7)计算确定低碳设计特征权重及进化潜力值，如表7所示。

由表7可知，TR1，TR2和TR7的进化潜力值较大，可将其作为低碳进化设计特征与低碳设计进化法则和进化路线相关联，搜索得到“协调性法则”和“柔性进化法则”，企业研发部门和客户主体是需求演化持续驱动低碳设计进化的重点;待机功耗与协调性法则相关联，该法则对应的进化路线为“非协调作用→部分的协调作用→协调作用→间歇作用”，搜索设计专利与知识库得到“变频电机技术”、“智能电控板”、“开关电源”等知识;电机泵清洗动力与柔性进化法则和协调性法则相关联，搜索得到“轻量化喷雾臂”、“间歇式供水方式”、“双速电动机”等知识，图4所示为企业知识库中喷雾臂的结构进化设计方案;耗水量与能量传递法则相关联，搜索得到“水优化液压系统”、“集成水杯”、“优化管路系统”等知识。在后续的详细设计中，设计人员可以以这些设计知识和需求演化情况为参考，综合考虑成本、可靠性等其他设计约束，形成最终的进化设计方案。

4 结束语

本文将产品进化创新与低碳设计思想结合，实现低碳设计进化潜力分析与TRIZ创新方法的集成，给出了基于进化潜力分析的产品低碳创新设计方法。将生命周期碳排放计算与概念设计映射方法相结合，构建了功能—结构—特征的碳排放递归解算模型,并采用矩阵变换法对低碳设计特征进行表达。分析了低碳产品演化需求多主体特性，采用QFDE和粗糙集进行需求映射，通过进化潜力值提取低碳进化设计特征。将提取的低碳进化设计特征与TRIZ创新法则、进化路线及设计知识相关联，给出产品低碳设计进化方向和策略，从而支持产品的低碳设计。

为了更好地辅助设计方法用于新产品开发，基于企业云平台的产品低碳创新设计知识推送工具研发是下一阶段需要重点开展的工作。