融合可拓学与TRIZ的产品设计创意生成方法——以手机充电器产品设计为例

郭恒发，李兴森，刘仁湖

（1. 广东工业大学 可拓学与创新方法研究所，广东 广州 510006；2. 广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006）

激烈的社会竞争推动着社会科技的不断进步，对各种新型产品的需求也日新月异[1]，因此产品的创意生成和创新尤为重要。创新是国家经济结构调整的原动力，而产品创新则是该原动力的直接体现。产品设计的创意生成需要创新方法支撑，常用的创新设计方法有TRIZ理论[2]、可拓创新方法[3-4]等。基于创新设计方法进行的产品设计取得了许多研究成果，如吴国荣等[5]将TRIZ理论中40个发明原理运用在香水容器的创意改造设计中，为时尚人士提供更加多元化的造型选择。李仔浩等[6]将可拓创新方法应用在发电机创新设计中，获得了多个具有可行性的创意方案。近年来，产品创新设计方法的融合成为许多学者研究的重点方向，如江帆等[7]通过融合可拓学和TRIZ对产品进行改进，设计出了半自动手推叉车[8]、可变面积方桌[9]。向宇等[10]通过对TRIZ理论和可拓学的研究，并基于该方法对膜过滤装置进行了创新优化。李苏洋等[11]对可拓学和发明问题解决理论进行比较并对飞机整流罩进行了优化。

可拓学与TRIZ二者均以矛盾问题作为研究对象，具有系统性地解决矛盾和产生创意的方法体系[12]。TRIZ理论和可拓学虽然诞生于不同年代、不同国度，但均是以解决矛盾问题为核心[13]，具有较大的内在联系，主要表现在基元理论与物质场理论、可拓变换理论与40条发明原理、矛盾问题的可拓模型与TRIZ技术矛盾矩阵等方面。而利用TRIZ理论进行产品创新设计[14]的过程中有几个局限性，例如：(1) TRIZ在产品设计流程中针对具体产品需求获取的创意的全面性难以验证；(2) TRIZ没有一套针对创新方案评价的定量化方法，使得最终方案的确定大多只能依赖于设计人员的经验；(3) 经典TRIZ理论的许多工具存在重叠性，虽然它们从不同侧面提供了分析和解决创造性问题的启发思路，但是并没有明确的问题解决机理[15]。根据现有研究的主体思路，本文在应用基于可拓学与TRIZ理论的产品设计方法中发现在基元建模拓展和TRIZ融合方面有进一步细化的研究方向：(1) 基元模型构建中与TRIZ理论的技术参数没有深度融合，仍过于依赖专家的知识背景和经验；(2) 利用可拓创新方法进行拓展分析时发散的维度很多，产生的创新方案也很多，思维模式比较宽泛，初学者面临信息爆炸的问题。为此提出融合TRIZ和可拓学的产品创意生成方法的细化方案，进一步发挥可拓学与TRIZ理论各自的优点，提高个人及企业产生产品创意方案的效率及对方案进行评价择优的决策科学性。

1 基于可拓学与TRIZ的产品设计创意生成方法与流程

融合创新设计旨在通过融合为设计者提供新的设计知识、设计思路和设计方案[16]。本文拟将可拓学与TRIZ理论[17]进行融合，发挥二者优势，以提升产品创意生成效率。结合可拓学分析问题的规范性、拓展思路的系统性和TRIZ解决问题的矛盾矩阵查询易用性，提出融合可拓学与TRIZ[18]获取产品创意的一般步骤如下：(1) 首先利用基元理论建立产品的可拓模型，找到产品创新的出发点和切入点；(2) 按发散树拓展方法、相关网方法、蕴含系方法、分合链方法的维度顺序进行拓展分析；(3) 利用可拓变换方法对可拓模型实施可拓变换，再利用TRIZ理论的思维方法作为变换的参考方向，利用TRIZ的求解工具解决变换中的困难问题；(4) 生成产品设计的初始创意集；(5) 对所生成的初始创意通过TRIZ理论的矛盾矩阵验证，如缺失则补充技术方案，一般情况下，如果可拓模型构建完整，相关分析到位，则可拓变换得到的创意会包含查询TRIZ矛盾矩阵得到的创意；(6) 对上述获得的具体创意进行优度评价，以确定最优方案进行产品设计，优度评价方法参见文献[19]，此略。

由此可形成融合可拓学与TRIZ的产品设计创意生成的一般流程，如图1所示。

图1 融合可拓学与TRIZ的产品创意生成的一般流程Fig.1 The general process of obtaining product creation by integrating Extenics and TRIZ

2 手机充电器产品设计案例分析

2.1 利用基元理论建立产品的可拓模型

首先利用基元理论对手机充电器[20-21]及其主要部件建立可拓模型。由于篇幅限制，本文只列出手机充电器的主要基元。通过该基元模型可以从充电器的传输方式、外观、插脚数、适用地区、功率、支配对象、施动对象、接受对象、连接关系、电路板结构、材料、生产加工方式等出发点进行创意的生成。

建立基元模型如下所示：

2.2 融合可拓学和TRIZ的产品设计创意生成

根据实际的领域知识和问题的目标要求，选取上述步骤所建立的相关物元、功能事元等做初步的拓展分析。对产品的各个基元进行拓展分析，可得

另外参照TRIZ理论的技术趋势分析方法进行新的创意拓展，初步建立以手机充电器为当前系统的九屏幕分析模型如图2所示。当前系统的过去是大哥大时代的手机充电器，当前系统的未来可能是隔空充电技术，通过隐形激光释放出动态光束实现远距离充电；子系统的未来可能是石墨烯、可折叠柔性板材料、太阳能充电技术等；超系统的未来可能是所有的相关高科技产品。

图2 手机无线充电器的九屏幕法分析Fig.2 Nine screen method analysis of mobile phone charger

手机充电器的创新可以从子系统或超系统的过去和未来着手，进行系统要素的基元模型分析、相关分析等，得到多个新的基元模型，再根据拓展分析理论方法拓展出更细化的基元模型，实施可拓变换及运算，最终获得相应的新产品创意。

(1) 对M,M1,M2,A01同时实施主动可拓变换：

(2) 对M,M1,M2,A01同时实施主动可拓变换：s

(3) 对M,M1,M2同时实施主动可拓变换：

(4) 结合九屏幕法对手机充电器进行拓展与变换分析，得到一些新方向。如可作置换变换T4M=M04，

由此可获得新产品的创意4：一种通过隐形激光定位手机，释放出动态光束实现隔空充电技术的手机充电器。

(5) 通过对手机充电器的输入电压进一步分析发现，其额定电压只有一个值：220 V。当地点变换到美国等电压为110 V的国家则无法使用。利用可拓学的基本变换，增加电压动态变换功能，将110 V充电和220 V充电组合在一个充电器中，并改变插头形状实现可分解拆装。查询TRIZ的发明原理得到2条提示，印证了可拓变换的有效性。① No.35合并原理：改变物体的物理/化学状态、浓度/密度、柔性、温度。② No.24号中介物原理：利用可以迁移或有传送作用的中间物体；把另一个(易分开的)物体暂时附加给某一物体。对手机充电器的充电头进行变换，如可作置换变换T51和T52，即T51M1=M11，T52M1=M12，再作或变换运算T5=T51∨T52，使得T5M1=M11∨M12。其中

由此可获得新产品的创意5：一种插头与手机充电器可自由拆卸装置，如此可实现两脚插头与三脚插头，额定电压自由转换以适用于不同国家的手机充电要求。在上述可拓变换中还产生了野外带5号电池的充电器、摩擦生电充电器、手握按压充电器、电解液充电器、组合式充电器、石墨烯高能充电器、USB吸电器等设想。在此不再详述。

2.3 创意的优度评价方法

初步选取由以上分析获得的5种新产品创意进行优度评价。

创意1：一种多功能的无线充电器，除具备18 W无线快充功能外，还能播放音乐和实时显示手机充电功率、电流、电压，还具备警报功能，即当实时功率超过最大功率后会发出警报声，避免了手机充电的安全隐患问题。

创意2：一种具备内置散热器的手机充电器，避免手机充电器在充电过程中出现过热情况引起安全隐患。

创意3：一种采用可折叠可延展柔性胶质太阳能手机充电器。

创意4：一种通过隐形激光定位手机，释放出动态光束实现隔空充电技术的手机充电器。

创意5：一种插头与手机充电器可自由拆卸装置，可实现两脚插头与三脚插头，额定电压自由转换以适用于不同国家的手机充电要求。

5种方案均符合要求，现用优度评价法对创意进行评价择优。

1) 确定权衡指标

充电器的一级衡量指标从下面几个方面考虑：从该创意的实现可能性考虑，将技术难度作为评价特性；从经济方面考虑，可将生产成本作为评价特征；从产品新颖价值方面考虑，可将创新性作为评价特征；从环境方面考虑，可以将环保性作为评价特征。于是得到4个相应的一级衡量指标MI={MI1,MI2,MI3,MI4}。

2) 确定权系数

对上述4种衡量指标的优先级进行划分,以确定不同指标的重要程度。通过调查和整理资料,可令各个一级衡量指标对应的权系数为α=(0.3,0.3,0.2,0.2)。

3) 建立关联函数

限于篇幅，本文不展示详细步骤，直接对5种创意建立关联函数。

(1) 衡量指标MI1采用简单关联函数。正域为有线区间X1=〈a1,b1〉=〈0,1〉 ，M=0。

(2) 根据衡量指标MI2采用初等关联函数。

正域：X2=[a2,b2]=[50,150]元，满意区间：X0=[a0,b0]=[80,120]元，增广区间：XΛ=[c,d]=[10,200]元。

(3) 衡量指标MI3和MI4采用离散关联函数。

根据以上信息和关联函数，对关联度、规范关联度、优度进行计算如下表1所示。通过优度评价表可以看出，创意4在该衡量指标内不符合要求，另外4种创意均符合要求，可进一步细化后进行新产品设计，其中创意1最佳，其结构图如图3所示。

表1 5种创意的优度评价表Table 1 Evaluation table of five ideas

图3 创意1多功能手机无线充电器结构图Fig.3 Structure diagram of a multi-functional mobile wireless charger of idea No. 1

3 总结与展望

本文在将TRIZ和可拓学应用于产品设计的研究基础上，对融合两者的创意生成方法进行了细化研究，并通过手机充电器的设计案例验证了该细化方法的有效性。

(1) 对基于可拓学与TRIZ产品设计创意生成方法进行了细化：首先利用基元理论建立产品的初始可拓模型，结合TRIZ的通用参数，进一步通过拓展分析补充基元，形成产品创新的多角度切入点；再把可拓变换得到的初步方案与TRIZ理论的40条发明原理相对照取并集，生成产品设计的创意方案；最后对所获得的初始创意进行优度评价，以确定最优方案进行产品设计。此方案提供了可拓学与TRIZ相结合的操作性较强的创意获取和方案优选的方法。

(2) 以手机充电器为例按上述方法进行创意生成，获得5种可行方案可进一步细化后申请专利。该方法具有普适性，不局限于单一充电器产品的创新设计，按此方法可为不同类型的产品提供创新设计思路，提高产品创新设计的效率，在机械、电子类产品设计领域具有广阔的应用前景。

本文未能在拓展部分进行相关分析和功能的蕴含分析，所以获得的创意还不够系统和全面。在后续的工作中，将进一步研究利用知识图谱、开放域信息和TRIZ工程参数构建产品设计工程基元库的智能方法，将TRIZ和可拓学深度融合，以辅助生成产品设计创新的更系统、更全面的创意。