关于GQFD-TRIZ集成方法在警用无人机设计中的应用研究

石元伍，郑孝成



关于GQFD-TRIZ集成方法在警用无人机设计中的应用研究

石元伍，郑孝成

(湖北工业大学工业设计学院，湖北 武汉 430068)

针对警用无人机执行任务的能力需求，提出了基于灰关联分析的质量功能展开(GQFD)和发明问题解决理论(TRIZ)相结合的警用无人机创新设计集成方法，即通过GQFD将警用无人机的任务需求转化为具体使用的性能需求以及对应的关键技术及其重要度，从而由关键技术重要度明确改进的设计目标；应用TRIZ理论分析设计目标中的关键问题冲突类型，利用标准工程参数和发明原理消解对应的冲突得到具体设计实施方案。实践表明，该集成方法可以在调研缺少信息、小样本分析情况下减少设计中人为因素干扰，弥补单一创新设计理论的不足，具有可以快速准确找到设计方向并得出可行设计方案的突出优点。通过城市管理环境中警用无人机的创新设计方案实施，论证了GQFD-TRIZ集成方法的可行性。

创新设计；警用无人机；集成方法模型；TRIZ理论；灰色关联法

随着无人机相关技术快速发展，目前市场上无人机产品具有成本低、易操纵、安全稳定等特点，使其在民用领域迅速普及，如在无人机搭载不同设备载荷后可以执行农业、检灾、电力、林业、气象、测绘、城市规划等领域的复杂任务[1]。然而在国内，无人机在军事、警用、消防等多个领域的应用国内与国外存在差距，尤其是国内用于城市管理环境中警用无人机还处在起步阶段，因此研究聚焦城市管理环境下警用多用途无人机的创新设计具有现实意义。城市管理环境中，警察的日常处理任务主要包括：预防、制止危险犯罪活动，维护社会治安秩序，维护交通安全和秩序；组织、实施、监督消防工作等。因此需要正确、合理的设计方法指导设计人员准确得到用户需求，并将需求转化到警用无人机产品开发上，把握产品改进方向，得到优良的设计方案。

针对上述需求，为贯穿全流程的创新设计开发，将TRIZ技术创新方法理论与其他设计方法的集成应用是发展的必然趋势和结果。例如，刘晓敏等[2]将TRIZ与公理设计(axiomatic design，AD)集成，构建了产品功能与结构对应的设计矩阵，基于AD理论判断矩阵是否耦合为创新方案的产生提供了选择依据。张鹏等[3]将设计过程复杂性理论(design-centric complexity，DCC)和TRIZ集成，将TRIZ功能分解集合与DDC对应集建立联系，最终得到以涵盖重复功能集、组合集和辅助组合功能集作为复杂系统功能分解的结果。闫洪波等[4]等选取六西格玛设计(design for six sigma，DFSS)的质量控制流程与TRIZ工具集成，提出了在问题定义阶段融合路线和实施步骤，得到了TRIZ与DFSS融合后可实施的创新方法。白仲航等[5]应用价值工程(value engineering， VE)和TRIZ求解工具相结合，将VE中的头脑风暴法、功能价值分析法与TRIZ方法结合，有效解决了产品创新设计过程中的相关问题。张彩丽等[6]针对TRIZ对问题分析确定的不足的特点，将质量功能展开(quality function deployment，QFD)结合，得到一种由QFD过程中多种设计问题的确定与结合TRIZ的创新求解方法，解决了“做什么”和“怎么做”的问题。谢健民[7]将质量屋(house of quality，HOQ)的QFD的核心工具与TRIZ相结合，为产品开发模糊前端阶段需求、技术特性以及技术冲突的决策研究提供了支撑。

为提高顾客满意度，提升产品竞争力，QFD工具可以帮助设计师把握用户需求，通过HOQ分解工具对概念设计阶段需求识别并确定功能结构，再利用TRIZ寻求适当的作用原理等，确定出基本设计途径，得出求解方案的创新设计方法。由于QFD所用的基本工具是HOQ，传统的HOQ采用离散型标度对顾客需求及相应的设计要求进行打分。得到的权重值的精度很低，同时传统HOQ的结构限制了多属性评价方法的应用[8]。QFD系统的内在模糊性，不能有效地处理早期产品设计阶段的定性和模糊信息[9]。迄今为止，针对QFD系统中有关不确定性系统的研究方法主要有，模糊数学(fuzzy mathematics)、层次分析(analytic network process， ANP)、卡诺模型(KANO model)等方法[10-13]对顾客需求进行分析和处理。

面对“小样本”、“贫信息”不确定性系统研究问题，引入灰色系统理论利用灰关联分析实现“少数数据建模”[14]。前期调研对用户需求和工程技术参数进行独立的评估打分，将评估结果整理，以各项工程特性作为比较数列，各项顾客需求作为参考数列，建立灰色系统。利用灰色关联度确定顾客需求与工程特性的关联矩阵，灰色优势分析确定工程特性权重。基于灰关联分析的质量功能展开(GreyQFD)方法，在传统QFD确定用户需求基础上，通过对灰关联度和权值计算带入HOQ分析进一步排除人为因素影响[15]，最大程度得到准确的需求重要度及技术特性重要度信息。并且在设计阶段合理地运用TRIZ方法有效解决无人机需求之间的复杂性矛盾，缩短设计与创新的时间，得到一款新型警用无人机概念创新设计方案，以满足用户和市场的需求。

1 GQFD及TRIZ集成创新方法

将灰关联分析理论、QFD与TRIZ理论结合的集成模型具体实施步骤为：

首先由前期用户需求调研分析得到目标产品主要的用户需求及工程技术特征，进一步对其进行打分评估，整理评估结果，以各项工程特性作为比较数列，各项顾客需求作为参考数列，建立灰色系统。根据邓氏灰色关联分析模型的基本思想，提出了一类广义灰色关联分析模型[16]。

步骤1. 计算得到灰色综合关联矩阵。

设X=(x(1), x(2),···,x())(1,2,···,)为用户需求参考序列，Y=(y(1),y(2),···,y())(1,2,···,)为键技术性能的比较序列。并对参考数列和比较数列进行零化处理0=x()–x(1)，(1,2,···,)。0= y()–y(1)，(1,2,···,)。

其中，

(1)

(2)

X与Y的灰色绝对关联度ε为

X与Y的灰色绝对关联度r为

X与Y的灰色综合关联度ρ为

计算可得灰色综合关联矩阵

若X>X1，计算用户需求的重要度权值为

若X≥X1，计算用户需求的重要度权值为

其中，为重要程度，通常取值为=0.5。

步骤3. 将得到的关键技术性能重要度及灰关联矩阵填入HOQ，根据传统HOQ方法分析出警用无人机关键技术性能及重要度排序，并根据建立的HOQ屋顶的技术特征自相关矩阵，判断出技术特性之间存在负相关的特征，依据负相关特征确立接下来使用TRIZ解决的关键问题。

步骤4. 使用TRIZ理论解决冲突，对HOQ中存在的负相关技术特征进行识别分析，设想出方案将矛盾明晰化。将设计的关键问题转化为TRIZ中使用39个通用工程参数描述的问题矛盾，将得到的冲突矛盾归纳为技术矛盾或物理矛盾。技术矛盾借助矛盾矩阵寻找对应的40条发明原理解决，物理矛盾使用分离原则找到解决此类矛盾对应的具体发明原理[18]。由于最终得到的发明原理较多，根据HOQ中分析得到的技术性能重要度确定设计的关键领域，并结合得到的全部发明原理筛选出最有效用的原理，运用到最终的方案中得到创新设计方案。GQFD及TRIZ集成模型如图1所示。

2 结合GQFD和TRIZ的警用无人机概念创新设计

为准确提取警用无人机使用需求，且考虑到用户需求的多样性和模糊性，通过相关文献、市场调查同类型产品，以及对城市一线警察及专业设计人员进行问卷调查获取用户之声，分析警用无人机在城市使用场景中的主要用户需求[19]。经过汇总，提炼城市警用无人机的主要用户需求归纳为：空中巡逻1、通讯指挥2、跟踪打击3、消防救援4、综合保障5、侦察6。关键技术性能要求归纳为：长续航1、机动灵活2、多用途载荷3、信息采集4、坚固稳定5、携带轻便6。

得到主要的警用无人机需求和关键技术性能，然后请相关20名专业设计人员对城市警用无人机的用户需求X和关键技术性能Y分别进行打分。将打分结果进行汇总，得到需求及技术评估表(表1)。打分标准采用1~9分对各项标准重要度进行打分，9分为最重要，1分为最不重要。根据公式可以计算出警用无人机需求X和关键技术性能Y的灰色综合关联矩阵。

步骤1. 将警用无人机用户需求设为参考序列为1，2，3，4，5，6，键技术性能作为比较序列为1，2，3，4，5，6。通过式(1)~式(4)计算得到最终灰色综合关联矩阵，即

表1 需求及技术特评估表

步骤2. 计算相应用户需求的绝对权值排序为

从而可以得出：；然后根据式(7)，取=0.5，计算得到X的绝对权值：=(1.5，3.5，2.5，0.5，5.5，4.5)。

步骤3. 将绝对权值与灰色综合关联矩阵填入HOQ，根据传统的HOQ方法可以得出城市警用无人机的关键技术性能Y重要度及排序，以及之间的负相关关系。

从图2可以看出城市警用无人机关键技术性能重要度排名为：机动灵活、长续航、多用途载荷、坚固稳定、携带轻便、信息采集。因此，在概念创新设计过程中需要重点解决使用无人机以下几个问题：灵活机动满足出警需要的问题；使用过程中需要长时间续航的问题；具有多功能的模块执行复杂任务的问题。当然还需考虑到无人机本身的结构坚固飞行稳定，且有良好的图像等其他信息的采集能力的二级需求，其他功能如：与警用业务系统高度融和，通讯数据高度安全等因素也要被考虑。这是未来进一步研究警用无人机的创新设计的方向。

图2 警用无人机产品GQFD量表(部分)

步骤4. GQFD分析方法的阶段识别重要的工程需求，针对负相关技术特征识别矛盾应用TRIZ进行无人机的概念创新设计[20]。对无人机关键技术性能的主要工程需求识别，包括进行功能分解并确定矛盾冲突并分析确定矛盾类型为技术冲突还是物理冲突。技术冲突可以通过查询矛盾冲突解决矩阵列表寻找对应发明原理解决[21]，物理冲突采用分离方法，找到相反的需求解决方案。把相反的需求通过时间分离原理、空间分离原理、条件分离原理、系统分离原理分开对应[22]，这4种分离原理解释分别对应40条发明原理。

利用图2基于灰关联分析的HOQ结果，结合HOQ的屋顶得到的技术特征关联矩阵，列出负相关功能有：警用无人机续航-机动灵活、多用途载荷-续航、机动灵活-多用途载荷、续航-便携。面对上述的主要负相关功能，通过TRIZ理论解决矛盾冲突并将负相关功能进行分析识别，反映在39个工程参数中获取矛盾[23]。

利用矛盾示意图提出方案，从设计实际出发把问题中的矛盾凸显，然后与对应的工程参数联系，警用无人机矛盾示意图如图3所示。

图3 警用无人机矛盾示意图

4对负相关技术特征中根据技术性能重要度以及图3矛盾示意图中对应的TRIZ问题冲突，得出出最重要的问题是续航-机动灵活，在解决警用无人机续航时会增加电池容量，而重量增加又会影响无人机的机动灵活，将关键问题转化为“9速度”与“1运动物体重量”这组技术冲突。同样警用无人机的机动灵活-多用途载荷之间增加多用途载荷会使无人机质量变重影响其灵活机动属于相同矛盾，查找矛盾矩阵得到推荐发明原理：No.2，No.8，No.13，No.38。其次多用途载荷-续航互为1组矛盾，增加多用途载荷会使警用无人机重量增加导致无人机续航时间缩短，此问题可以转化为“15运动物体作用时间”与“1运动物体重量”的技术冲突，得到的发明原理有：No.19，No.5，No.34，No.31。警用无人机续航-便携之间的矛盾是增加续航电池重量会增加与无人机质量体积轻便易携带的要求存在相反的需求冲突，可判断为物理冲突，根据TRIZ中物理冲突解决办法使用“时间分离原理”将无人机飞行和携带转移的过程分离实现冲突化解，其中推荐发明原理为：No.6，No.10，No.11，No.15，No.16，No.18，No.19，No.20，No.21，No.29，No.34，No.37[24]。根据得到的用户需求权重以及技术性能重要度排序，对推荐发明原理进行整理分析，选取其中使用频率最高以及最优的发明原理：No.2，No.5，No.15，应用于警用无人机概念创新设计中具体见表2。

3 警用无人机概念创新设计介绍

根据TRIZ原理解释应用及GQFD方法中的HOQ分析结果，结合产品特征得到警用无人机创新概念方案，如图4所示。整体的警用无人机系统分为2部分：无人机机体及无人机起降平台。创新加入警用无人机车载起降平台，使无人机整体与起降平台结合可以固定到警用车辆上，为快速出警使用无人机装备提供便利。

表2 原理解释应用

图4 无人机的起降平台

如表2得出主要3条原理相互影响，为解决续航和与机动灵活的主要矛盾，所示采用了No.2原理提出设计无人机平台，将续航电池从无人机本身独立出来，在无人机续航不足时只需提前返回平台将备用电池更换即可，以此可以减轻无人机飞行负担。在解决续航和便携这对物理矛盾时根据No.15原理警用无人机在出警前往执行任务地时可停放于无人机平台内部，而无人机平台可类似与车顶行李箱固定与警车顶部，可以大大增加其机动性，改变以往使用警用无人机需要搬运及人工收放的繁琐步骤，提高应对突发事件的出警效率。关于无人机降落平台系统可以作为警用无人机中继站，实现无人机的快速机动起降，且平台自主的为无人机起降时提供智能引导，以确保其稳定准确起飞和回收。图5为无人机的起降平台部分。

图5 城市警用无人机辅助平台细节示意图

(1. 警灯；2. 可开合玻璃罩；3. 滑动导轨；4. 无人机定位识别模块(4组)；5. 底部支架卡座(固定无人机)；6. 停机升降台；7. 电池吸(取放电池)；8. 辅助电源系统模块(存储备用电源))

警用无人机部分针对多用途载荷和续航问题，采用No.5原理，将多用途功能设计成可以组合在无人机上的模块，针对不同任务进行更换组合，如图6所示在无人机下部设计快装接口的槽13避免警用无人机功能集成过多导致复杂且耗电。此外考虑到警用无人机侦查的用户需求，在无人机底部设计11，14两组相机云台以便获得更全面的侦查视角，如图6为警用无人机设计部分。

如图5所示平台尾部设计有帮助无人机更换电池续航的辅助电源系统模块8，内部可以存放2块备用电池，当警用无人机需要更换电池续航时可采用如图7所示步骤实现电池更换，且换下电池可在平台内充电为下次无人机续航准备。无人机在平台上自主稳定起降关键技术是基于UWB定位技术原理。UWB无线定位系统使用超窄脉冲测量飞行时间技术，位置解算算法结合底层的精确测距和计时，可以实现精确的无人机飞行定位，满足了结合起降平台的警用无人机的自主的智能精准起降[25]。

图6 警用无人机设计

(1. 桨叶保护；2. 桨叶；3. 头部探照灯；4. 前后传感器模块；5. 无刷电机；6. GPS模块；7. 机臂；8. 支脚指示灯；9. 减震支架；10. 底部传感器；11. 摄像云台1；12. 两侧传感器模块；13. 模块装备替换端口；14. 摄像云台2；15. 电池仓；16. 底座支架)

(a) 步骤1(b) 步骤2(c) 步骤3(d) 步骤4

使用创新集成方法得出的警用无人机与市面现有的警用无人机产品如图8所示进行对比，创新方案弥补了现有产品续航时间短、不便于快速使用、体积大不便携、放置不便、以及自动化程度较低等问题，尽可能的考虑到了用户需求。

4 结束语

本文构建了基于GQFD-TRIZ的产品集成创新设计过程模型，并将其应用到警用无人机产品设计创新之中。首先使用GQFD构建了基于灰关联分析的用户需求与功能需求的HOQ模型，然后借助TRIZ标准解法解决了功能需求的负相关矛盾冲突，由此得到满足用户需求的且较为理想的警用无人机与具有中继功能的起降平台组合的概念创新设计方案。

(a)(b)(c) (d)(e)(f)

((a) 海康威视UAV-MX6100A；(b)哈瓦战斧H-16 Tomahawk；(c)北方天途M6FA安防无人机；(d)艾特-TA100反恐无人机；(e)一电警鹰-F600；(f)科比特-猎鹰P6)

这种集成GQFD和TRIZ设计模式能够在一定程度上弥补单一设计理论的不足，对城市警用无人机的需求论证具有指导意义，最终方案也为警用无人机装备研制提供了有益的探索。

[1] 唐前进, 徐峥. 警用多轴旋翼无人机的应用及发展方向[J]. 武汉理工大学学报: 信息与管理工程版, 2017, 39(2): 239-242.

[2] 刘晓敏, 黄水平, 陈智钦, 等. 基于TRIZ与AD的海草夹苗机械手概念创新设计及可靠性研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(5): 40-46.

[3] 张鹏, 董娅凡, 张换高, 等. 设计过程复杂性理论与TRIZ理论集成复杂机电系统功能分解过程模型[J]. 机械工程学报, 2016, 52(23): 17-24.

[4] 闫洪波, 曹国忠, 檀润华, 等. TRIZ与六西格玛设计集成创新及问题定义阶段融合应用研究[J]. 中国机械工程, 2018, 29(13): 1560-1567.

[5] 白仲航, 许彤, 丁满. 集成价值工程与TRIZ求解工具的产品创新设计研究[J]. 机械设计, 2018, 35(3): 114-118.

[6] 张彩丽, 杨帆, 任工昌. 产品创新设计方法中TRIZ和QFD的集成模式研究[J]. 机械设计与研究, 2014, 30(5): 30-33.

[7] 谢健民. 基于HOQ与TRIZ的产品创新模糊前端设计研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2013.

[8] 穆瑞. 基于QFD方法的机电产品方案评价方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009.

[9] 李朝玲. 质量功能展开的系统建模及应用研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2009.

[10] ASADABADI M R. A customer based supplier selection process that combines quality function deployment, the analytic network process and a Markov chain [J]. European Journal of Operational Research, 2017, 263(3): 1049-1062.

[11] YAN H B, MA T J. A group decision-making approach to uncertain quality function deployment based on fuzzy preference relation and fuzzy majority [J]. European Journal of Operational Research, 2015, 241(3): 815-829.

[12] JI P, JIN J, WANG T, et al. Quantification and integration of Kano’s model into QFD for optimising product design [J]. International Journal of Production Research, 2014, 52(21): 6335-6348.

[13] 石元伍, 韩珊. 基于QFD和Kano模型的医疗服务机器人造型设计研究[J]. 机械设计, 2017, 34(12): 121-125.

[14] 邓聚龙. 灰理论基础[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2002: 2-18.

[15] LIU H T, CHENG H S. An improved grey quality function deployment approach using the grey TRIZ technique [J]. Computers and Industrial Engineering, 2016, 92: 57-71.

[16] 刘思峰, 蔡华, 杨英杰, 等. 灰色关联分析模型研究进展[J]. 系统工程理论与实践, 2013, 33(8): 2041-2046.

[17] 刘思峰. 灰色系统理论及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 41-60.

[18] 平恩顺, 檀润华, 孙建. 基于TRIZ的机械产品突破性创新设想产生过程研究[J]. 中国机械工程, 2014, 25(18): 2439-2446.

[19] 邓海静, 邓丁奇. 基于TRIZ需求进化定律的微耕机创新设计[J]. 图学学报, 2017, 38(6): 881-886.

[20] WANG Y H, LEE C H, TRAPPEY A J C. Service design blueprint approach incorporating TRIZ and service QFD for a meal ordering system: A case study [J]. Computers and Industrial Engineering, 2017, 107: 388-400.

[21] MELEMEZ K, GIRONIMO G D, ESPOSITO G, et al. Concept design in virtual reality of a forestry trailer using a QFD-TRIZ based approach [J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry, 2014, 37(6): 789-801.

[22] 加德. TRIZ众创思维与技法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015: 113-121.

[23] 檀润华. TRIZ及应用技术创新过程与方法[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 224-243.

[24] 李军, 张勇, 刘玉川. 应急救援车概念创新设计中的QFD_TRIZ_AD集成方法[J]. 中国工程机械学报, 2018, 16(1): 35-41.

[25] 贺晶晶, 姜平, 冯晓荣. 基于UWB的无人运输车的导航定位算法研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2016, 30(11): 1743-1749.

Application Research on GQFD-TRIZ Integration Method in Police UAV Design

SHI Yuan-wu, ZHENG Xiao-cheng

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

Aiming at the requirements on the ability of police drones to perform tasks, this paper proposes an innovative design method for police drones based on grey relational analysis of quality function development (GQFD) and theory of inventive problem solving (TRIZ). GQFD transforms the mission requirements of the police drone into the performance requirements of the police drone and the corresponding key technologies and their importance, thereby understanding the design goals by the importance of key technologies. The paper also applies TRIZ theory to analyze key problem conflict types in design goals, and uses standard engineering parameters and the invention principle which settles conflicts to obtain a specific design and implementation plan. In practice, the integrated method can reduce the human-factor interference in the design under the condition of lack of information and a small amount of sample analysis, and make up for the deficiency of a single innovative design theory, displaying the advantages of being able to quickly and accurately find the design direction and obtain a feasible design solution. The feasibility of the GQFD-TRIZ integration method was demonstrated through the implementation of the innovative design of the police drone in the urban management environment.

innovative design; police UAV; integrated method model; theory of inventive problem solving; grey relational method

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020296

A

2095-302X(2019)02-0296-07

2018-09-18；

2018-12-07

石元伍(1971-)，男，湖北武汉人，教授，硕士，硕士生导师。主要研究方向为老年化设计、智能制造等。E-mail：645688909@qq.com