基于资源分析的绿色创新设计

2020-04-17陈兴义杨锦陇

设计 2020年4期

陈兴义　杨锦陇

摘要：为了总结出一种适合绿色設计的创新设计方法，解决绿色设计过程中的绿色冲突。从系统资源分析入手，结合绿色设计方法，合理利用系统可用资源和优化资源配置以解决绿色冲突的本质问题。以青砖切边机的设计为例，其设计方案满足绿色设计要求，同时验证了基于资源分析的产品绿色创新设计流程的可行性。提出一种以资源分析为主的产品绿色创新设计过程模型，为其他产品的绿色创新设计提供了借鉴经验。

关键词：资源分析绿色设计创新设计青砖切片机理想度

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 02-0124-04

引言

与传统设计方法相比，创新设计方法提高了设计效率和设计质量。将质量屋法、公理化设计等融入到设计过程中[1～2]，使设计过程更加清晰和明确，并且运用相关理论解决设计过程中的问题。但对于绿色设计来说，设计效率的提高仅仅是一方面，更重要的是解决产品全生命周期过程中的资源利用问题，实现系统内资源的有效利用。资源分析是从系统的角度分析存在的可用资源，提供系统解决绿色冲突的工具。产品的结构往往是复杂的，但又是相互联系的，存在绿色冲突的根本原因就是可用资源未得到利用或者利用程度不高。解决设计过程中的绿色冲突，如果仅仅是从提高某方面或者某几方面其作用是有限的，起决定性作用是资源的利用形式和配置方式。基于以上情况，从绿色设计的本质要求出发，将资源分析融入到设计过程中以此解决绿色冲突。

一、资源分析与绿色设计

（一）资源分析

TRIZ理论中认为技术系统的构建需要资源，系统内问题的解决依赖资源。资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息及其属性的总称[3]。资源是可获得的，但是通常又以不可见的物质、能量、信息用来解决问题的一切事物及其特性。系统内产生问题的根本原因都与资源有关，即物质、能量、信息及其特性相互作用产生的有害功能。在产品方案设计过程中，需要了解的属性主要包含两方面一物质的属性和功能属性（客户需求）。物质的基本属性不随时空条件的改变而改变，如单位体积内的原子质量;物质特性会根据时空条件的改变而改变，例如物质的相态。功能属性是属性之间的相互作用以及相互作用之后产生的某种作用，其性质并不都是有益的，对于有益的功能属性要保持，而对于有害的功能属性应该避免或者转化，最终达到理想解。

在一定程度上，没有达到理想解的系统，就应该存在可用资源。资源可分为内部资源和外部资源。内部资源是指在;中突发生的时间、空间区域内的资源，外部资源是指冲突发生的时间、空间区域的外部存在的资源[4]。内部资源和外部资源又可以被划分为直接利用资源、导出资源及差动资源。当前状态系统内，可被直接利用的资源被称为直接利用资源;不能利用的资源经过某种转化，成为可利用的资源被称为导出资源;由于物质或场的属性差异而形成某种技术的资源被称为差动资源，可分为差动物质资源和差动场资源两类。了解资源种类为资源利用奠定基础。

（二）绿色设计

绿色设计是设计理念上的一次变革[5]。绿色设计是指在产品设计阶段考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，充分考虑产品的加工制造过程、使用过程乃至废弃和回收利用过程对环境影响降到最小，使资源最大限度得到有效利用的创新型设计理念[6]。绿色设计的目的是克服传统设计中的不足[7]，解决人类利用资源过程中的矛盾冲突，实现可持续发展。随着人们环保意识的加强，绿色设计已经提高产品竞争力的一种手段。如富士公司从产品的设计、选材、生产、包装、运输乃至废弃回收过程中将绿色设计思想融入其中。

在概念方案设计阶段，绿色设计的目的是提高资源的可利用程度或者优化资源配置，减少或者不产生废弃物，实现资源的循环流动。资源分析提供了一种系统分析和利用可用资源的方法，对于解决设计过程中的绿色冲突有积极的引导作用。创新就是解决系统内的有害功能，并将资源合理分配和配置到系统相应的位置以实现一定的功能。资源利用不同，产品设计方案不同[8]。设计方案的创新性主要取决于资源的配置方式以实现产品的功能属性，以及解决系统内有害功能属性的程度。因此，资源分析在产品绿色创新设计过程中发挥着重要作用。

二、基于资源分析的绿色创新设计过程模型研究

（一）绿色设计流程

设计的一般流程为需求分析—概念设计——详细设计——方案评价。绿色设计流程是将公理化设计、质量屋法等方法融入到需求分析阶段，其目的是挖掘绿色设计需求;在概念设计和详细设计阶段，从材料选择、可拆卸、可装配、可回收等方面把绿色设计原则融入到设计过程中，其目的是各项指标满足绿色设计原则;从环境属性、资源属性、能源属性和经济属性四个方面对方案进行评。其具体设计流程如图1所示，该方法给出了绿色设计的判定标准，但其局限性在于没有给出具体解决绿色冲突的方法。

（二）基于资源分析的产品绿色创新设计流程

绿色创新设计方法研究方面，许多学者进行了探索。例如，张雷，张伟伟，蒋诗新等为了提高绿色产品的创新设计效率，提出了一种基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法[9];鲍宏，刘志峰，胡迪等将TRIZ技术冲突解决原理和环境化质量功能配置方法相结合，提出一种应用发明问题解决理论的主动再制造绿色创新设计方法[10]。以上研究的目的是为了找出一种适合绿色设计的创新设计方法，提高设计效率。产品设计的创新是设计理念和设计方法的创新[11]。绿色设计理念融入到产品设计中是产品设计中的理念创新，资源分析方法融入到产品设计中是设计方法的创新。通过资源分析，挖掘系统内外的可用资源，解决矛盾冲突，其最终结果是可用资源得到有效流动。综合其他学者对绿色创新设计方法的探索以及绿色设计和资源分析相关理论的特点，提出基于资源分析的绿色创新设计流程模型，如图2所示。

采用该创新设计流程的优势在于，绿色设计过程中的大部分绿色冲突都可以归结为资源利用形式和配置的问题。在概念设计阶段考虑资源的利用程度和方式，有利于降低开发成本和缩短开发周期，更重的是从系统角度去考虑资源的流动问题，实现理想的解。其次，为解决绿色冲突提供了有效途径，使解决问题的思路更加清晰。

三、案例分析

（一）需求分析和概念设计

旧青砖属于建筑废弃物，大量堆积，占用空间，虽然市场需求大，但是可直接利用的数量较少。为了保持古建筑原有面貌，需用年代久远的旧青砖，因此在一定意义上旧青砖属于不可再生资源。存在“可用数量少”与“需求量大”，属于典型的物理矛盾，解决物理矛盾的方式由空间分离、时间分离、基于条件的分离和整体与局部的分离四种方式。冲突一方要求向增加可利用旧青砖的方向发展，是符合基于条件的分离原理的解决原则，因此运用基于条件的分离原理。

英国巴斯大学的Mann通过研究提出，解决物理冲突的分离原理與解决技术冲突的发明原理之间存在关系，如表1所示。通过表1，可以采用发明原理1、5、6、7、8、1 3、14、22、23、25、27、33、35去解决。结合实际情况，采用发明原理1一分割，其解释如表2所示。其具体解决措施为将1日青砖切割成片，以切片的形式粘贴在墙上。

对市场上现有的切割机进行切割实验，切割成品如图3所示，因此旧青砖切割成片的方案是可行的，但是没有是适合旧青砖切片的切割机。主要存在以下问题：1）现有旧青砖由于存放时间长，强度下降，切割过程中切片易碎，成型率低;2）切割过程中有震动，并且切片厚度很难保持一致;3）切割过程中噪声大，有粉尘，污染空气和损害操作人员身体健康;4）废物产生量大，不易处理。基于以上问题，对青砖切片机的需求为：1）提高成型率;2）改善操作环境的质量;3）减少废气物的产生以及废弃物的再利用。概念设计方案为，在原有基础上进行改进设计，以满足以上需求。

（二）资源分析

1切割机系统的可利用资源分析

以某品牌多功能型材切割机为例，其外观如图4所示。一般砂轮切割机主要有支撑系统、保护系统、切割系统、控制系统、传动系统组成，可以完成对塑料、木材、石材、钢材等切割和加工。

周扬、邓远超、王爱群”[12]等指出资源分析可以对详细全面地考察并列出系统涉及的所有资源有帮助;许波，檀润华，郭迪明[13]等指出在大多数产品系统中都存在充裕的可用资源，有些资源通常被认为是无用的或者会产生有害的结果，而实际上可以通过适当转化加以利用。因此在解决青砖切片机的矛盾问题，资源分析将发挥重要作用。按照图3基于资源分析的绿色创新设计流程对系统进行资源形式分析，如图5所示。

2切割机系统的资源最优配置方案

无论是有益的功能还是有害的功能，都依靠资源存在于系统中，不同的资源利用形式，在很大程度上决定了系统的功能属性。合理的资源配置方案解决矛盾问题的前提，是提高资源利用率，提升产品绿色度的有效途径。为解决以上问题，对常见的切割方式进行了统计并分析各自的特点和适用场合，如表3所示。

无论是从加工质量，还是从环保性考虑，相比其他切割方式，水刀切割是一种比较理想的切割方式。从实际加工要求出发，水刀切割分为高压型和低压型，一般以lOOMp为界限。lOOMp以上为高压型，lOOMp以下为低压型，而200MP以上为超高压型。查阅相关资料，青砖的抗压强度约为27.26Mpa，因此采用低压型水切割方式。与传统多功能切割机相比，其优势在于：

1）可切割范围广J切割大部分材料，比如大理石，塑料，瓷砖等，产品适用范围宽;

2）切割质量好，切割精度高，一般通过小孔（直径为0.05mm～0.15mm）;

3）切割过程温度低，对被切割材质物理性能无影响;

4）环保性，切割过程不产生灰尘，不汚染环境，改善操作人员的工作环境;

5）无需更换刀具或砂轮，降低维护成本。

对于切割产生的粉末来说，是系统中未被利用的资源。系统的正常运转需要依靠资源，系统产生问题的主要原因就是资源分配的不合理或者缺少相应的资源。在解决这个问题时，我们可以尝试运用40个发明措施。掌握这些措施可以大大提高创新的效率，缩短开发周期，用有限的发明措施解决无限的发明问题。通过对40个发明措施进行思考，发现发明措施22（变害为益）对解决问题具有启发性作用，其具体解释内容如表4所示。

其具体解决措施，结合措施中将有害的要素相结合变为有益的要素的建议，使用专用的黏合剂把粉末回收利用，这样可以制作各种形状的青砖贴片。不仅解决了废弃物的处理问题，增加了经济效益，更丰富了产品的类型。

（三）详细设计

按照切割机系统的资源最优配置方案以及现有水刀切割机的特点，提出适合旧青砖切片的水刀切割机，主要有水压力循环供给装置、夹持装置、尺寸测量装置、粉末回收利用装置等组成，其机构示意如图6所示。

其工作过程如下：旧青砖放在固定夹板（6）和移动夹板（7）之间，通过移动夹板（7）的移动来控制1日青砖的加紧程度以及左右移动;切割厚度通过移动喷嘴（1）的位置来控制，通过刻度板（3）来实现，在设计时把固定板（6）作为零刻度线，可以实现一次调整多次切割同一厚度的效果;在切割时，喷嘴（1）固定不动，通过前后移动滑道（9）实现夹持装置的前后移动来带动旧青砖切割，切割好的青砖切片被暂放在切边暂存版（5）上;通过前后的移动，完成连续的切割。切割产生的粉末通过滤网暂存在水箱上方的容器内，达到一定量时回收利用。

该设计实现了旧青砖的连续切割，提高了加工效率;利用水作为介质，减少切割道具对加工石材的压力，提高了成型率，防止了扬尘的产生，保准了操作人员的健康;产生的废弃物得到了有效的处理，水资源得到了循环使用，整个加工过程资源得到了有效利用，没有废弃的产生，符合绿色加工思想。

（四）方案绿色评估

绿色设计的目的是减少废弃物产生甚至不产生废弃物，实现资源的循环利用。系统发展的方向是向着提高理想度的方向不断进化的，获得理想化最终结果的技术系统应该具备4个要点：1）保持了原系统的优点;2）消除了原有系统的不足;3）没有使系统变得更加复杂;4）没有引入新的缺陷[2]。从理想化最终结果的角度考虑，该方案保持原有系统操作简单，价格低的特点;消除了原有系统中成型率低、有噪声、有粉尘，产生大量废弃粉末的不足;用压力泵提供高压水进行切割的方式代替电动机传动的方式，简化了传动系统，没有使系统变得更加复杂;整个过程中，水箱中的水是循环利用的，产生的废弃物得到了完全利用，因此没有引入新的缺陷。

提高系统的的理想度是技术创新的目标，绿色设计的终极目标是实现资源的全部有效利用，即达到理想度为1。理想的系统是目标，但不能完全实现。根据公式1，要想提高系统的理想度，有4个策略：1）增加有用功能数量，同时减小有害功能数量和成本数量之和，该策略是最佳改进;2）有用功能数量不便，减少有害功能数量和成本数量之和;3）有害功能数量和成本数量之和保持不便，增大有用功能数量;4）同时增大有用功能数量、有害功能数量和成本数量，但有用功能数量增速低于有害功能数量和成本数量之和的增速。

此系统的变化趋势为提高切片成型率（即增加有用功能数量），减少扬尘产生和震动等（即减少有害功能数量），对切割粉末的回收提高利用率（即减少成本）。此变化过程如公式2所示，因此该系统的理想度是提高的，而且符合增加有用功能数量，同时减小有害功能数量和成本数量之和的最佳改进策略。因此该方案满足要求，为最终设计方案。

总结

本研究从资源分析的角度去考虑如何解决产品设计过程中的矛盾问题，通过资源分析方法分析系统内资源的配置问题，利用不同种类的资源相互作用解决功能属性问题。将绿色设计与资源分析相结合，利用绿色设计理念作为资源相互作用产生结果的判断标准，使设计过程更加规范，同时也提供了解决问题的思路和方法，丰富了绿色创新设计方法。以青砖切片机的设计为实际案例，验证该设计流程的可行性。最终结果表明，解决了废弃旧青砖的资源化利用问题，同时满足了加工过程的绿色标准。.

参考文献

[1]赵超凡，曹国忠，康欢，等潜在需求驱动的产品创新设计方法[J].包装工程，2018，39 （14）34-38

[2]王焕，王韶辉.一种刨新设计方法及其在设计方案确定中的应用[J].机械设计与制造，2016 （12）43-46

[3]鲁江伟.绿色设计在手机设计中的应用研究[J].设计，2013 （06）：48-49

[4]高常青.TRIZ产品创新设计[M] .2016： 158-160

[5]任新宇，王倩.论绿色产品设计的特征及策略[J].设计，2018 （08）108-110

[6] CHANGTR，WANGC SA systematic approach for green designin modular product development[J]IntemationaljournalofAdvanced Marmfacturiug Technology，

2013，68 （9-12）：2729-2741

[7]刘志峰，刘光复绿色产品与绿色设计[J].机械科学与技术，1997，15 （12）.1-3

[8]李春明，李煦，洪晓丹.机械系统方案设计的创新方法[J].制造业自动化，2017，39 （5）：120-121

[9]張雷，张伟伟，蒋诗新，等基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法[J].机械设计与研究，2016，32 （05）：1-4

[10]鲍宏，刘志峰，胡迪，等应用TRIZ的主动再制造绿色创新设计研究[J].机械工程学报，2016，52 （05）：33-39