集成AD和TRIZ的箱式电梯防疫功能创新设计

张 璞，王峻峰，高一聪，张雪健

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2.浙江大学机械工程学院，浙江 杭州 310000；3.杭州西奥电梯有限公司，浙江 杭州 310000）

新产品概念创新设计在产品开发过程中发挥着重要的作用。根据用户不断提出的新需求，高效、高质量地形成具有创新性和可行性的产品设计方案是增强企业竞争力的关键。

对于产品的概念创新设计，较早提出的“德国系统设计”理念被认为是最稳健的设计理念之一，但其在工业领域的应用并不广泛［1-3］。Pahl等通过分析上述设计理念的局限性，提出采用具体的方法和工具来支持产品的创新设计［4］；Gaziulusoy等认为设计方法对概念创新设计有非常重要的作用，其可为产品的创新设计提供理论依据和指导。因此，须开发一套完整的设计方法，而不仅仅是关注设计过程中的某个环节［5］。Ko认为一个完整的产品创新设计过程通常包含问题分析和创意生成两个阶段［6］，并基于这2个阶段将新产品开发工具分成两大类：问题分析工具和创意生成工具。前者包括公理化设计（axiomatic design，AD）、质量功能展开（quality function deployment，QFD）、失效模式影响分析（failure mode analysis，FMA）和全面质量管理（total quality management，TQM）等［7-10］；后者包括头脑风暴法（brainstorming）、思维导图（mindmapping）和发明问题解决理论（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）等［11-13］。

针对上述产品创新设计方法，许多学者开展了大量研究。例如：张路军研究了集成AD 与TRIZ 的设计方法，解决了液压修井机的设计问题［14］；刘晓敏等研究了TRIZ 和功能类比的作用原理，提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型［15］；黄斌达等结合AD和TRIZ，基于机加夹具多级实例库提出了机加夹具的设计方法［16］；李军等结合QFD、TRIZ和AD三种方法，先利用QFD 构建功能需求模型，再利用TRIZ和AD生成创新设计方案，形成了一套完整的设计方法［17］；胡旭洁等通过融合先进技术，开发了一个集成TRIZ的计算机辅助公理化设计系统［18］；张建辉等研究了影响设计人员创新设想产生的因素，并以TRIZ为核心，融合多学科领域知识，提出了计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型［19］；Chou 基于对TRIZ、概念映射和模糊评价的研究，提出了一种产品创意形成方法［20］；Ávila等结合以用户为核心的设计方法和TRIZ，对老年人用的轮椅进行了设计［21］；Shirwaiker等利用制造行业的相关案例来验证集成AD和TRIZ的设计方法的有效性及其对精益设计的贡献［22-23］；Chechurin 等对TRIZ 在仿生设计、信息处理和服务等领域的应用情况进行了分析［24］；Borgianni等讨论了集成AD 和TRIZ 的设计方法的应用领域，并提出构建能够解决复杂系统设计问题的新框架是未来的重点研究方向之一［25］。

随着城市化进程的不断加快，城市建设逐步向现代化、智能化发展。箱式电梯被广泛用于写字楼、商场和实验楼等各类人流密集的场所，其已逐渐成为完成各类运载任务的重要设备。传统箱式电梯主要用于人员和货物的运输，其除了利用机械装置和电气装置来实现运行外，还需通过人机交互面板来完成开门、关门及楼层选择等操作。

2019 冠状病毒病的传染性强且传播速度极快，病情爆发初期就导致大量感染者出现，其中人-人、人-物之间的接触是最快的传播途径。因此，减少人-人、人-物接触至关重要。在这种情况下，空气流通不畅的传统箱式电梯内的接触式交互方式存在巨大隐患：当一名患者接触了电梯的操作按钮后，极有可能导致在其之后进入电梯的大批使用者感染病毒，增大了交叉感染的概率。在这种特殊时期，为了防止使用者直接接触箱式电梯的操作按钮，出现了多种使用各类介质（牙签、纸巾、一次性手套和塑料薄膜）来接触操作按钮的方式，以及使用酒精喷雾喷洒和打火机加热等给操作按钮消毒的方式，如图1所示。各类操作方式的出现表明使用者对箱式电梯有“无接触交互、消毒杀菌”的功能需求，如何基于现有箱式电梯开发出适应当前特殊环境的防疫功能模块是亟须解决的问题。

图1 疫情时期箱式电梯的特殊操作方式Fig. 1 Special operation methods of box elevator during epidemic

基于此，笔者对AD 和TRIZ 两种创新设计方法的优缺点进行分析，并结合已有的基于AD 和TRIZ的创新设计模型，面向不同的设计类型，提出了集成AD和TRIZ的创新设计方法。最后从疫情防控的需求出发，对箱式电梯的防疫功能模块进行设计，以验证所提出方法的可行性。

1 集成AD和TRIZ的创新设计方法

AD和TRIZ均是设计者为了使创新设计过程具有方向性和可操作性而提出的方法。作为已被广泛应用的创新设计方法，其可行性和实用性均已得到验证。例如：Ko［6］指出，AD 可减少设计者随机搜索和迭代试错的次数，常用于设计方向指导和功能需求分解；TRIZ最大的优势在于解决矛盾和技术问题，常用于设计问题识别和概念方案生成；Shirwaiker等［26］指出，AD 可根据公理要求指导可行设计方案的生成，TRIZ具有生成创新设计方案的能力。

相关研究表明，AD 是从设计问题的整体出发，对产品功能需求进行层层分解，有助于易于配置和满足需求的功能模块设计方案的生成；TRIZ注重具体功能的实现途径，可生成有效的产品结构设计方案。结合AD 和TRIZ 的优势，可为产品的创新设计提供一种有效的思路。

目前，对于AD和TRIZ的集成应用，大部分学者聚焦于利用TRIZ协助产品功能-结构映射和解决设计问题耦合等方面。参考文献［27］，面向突破性设计、适应性设计和变参数设计三种设计类型，提出了集成AD 和TRIZ 的创新设计方法，其流程如图2 所示。该方法先利用AD对产品功能需求进行分析，以确定设计类型；然后，针对不同的设计类型，使用TRIZ构建功能需求与结构参数的映射关系，形成功能-结构树；最后，通过对初始设计方案进行耦合判断，并利用TRIZ进行解耦，经多次迭代求解后得到最终的设计方案。

图2 集成AD和TRIZ的创新设计流程Fig.2 Innovative design flow integrating AD and TRIZ

2 箱式电梯防疫功能模块创新设计

箱式电梯作为使用范围最广的运载工具，在全球疫情爆发时期，其公共交互控制面板和密闭运载轿厢无法有效防控疫情。为了保护电梯使用者的安全，从隔离操作和消毒处理两个方面出发，利用本文所提出的集成AD和TRIZ的创新设计方法对箱式电梯防疫功能模块进行设计。通过分析可知，防疫功能需求对箱式电梯的基本功能结构和设计原理没有影响，但须通过添加新的功能模块来满足这一功能需求，即属于适应性设计。由于新的功能需求仅与人-机交互方式和运载轿厢有关，在构建箱式电梯的功能-结构树时，不考虑电梯的机械结构和电气结构，只考虑操作和控制功能（FR1）及其映射的公共交互控制面板（DP1）以及运载功能（FR2）及其映射的轿厢和动力系统（DP2），新的功能需求在此功能-结构树上进行添加。

2.1 初始方案设计

基于箱式电梯的新功能需求，将电梯防疫功能及其映射的结构作为最高层次的功能需求及结构，即FR0 和DP0。第2 层次的功能需求在箱式电梯的原功能-结构树上进行添加，可描述为：

FR1：操作和控制功能；

FR2：运载功能；

FR3：病毒防控功能。

对应的结构可以描述为：

DP1：公共交互控制面板；

DP2：轿厢和动力系统；

DP3：隔离接触和病毒消杀结构。

其设计方程为：

其中：X 表示结构对功能存在影响；O 表示结构对功能无影响。

由上述设计矩阵可知，该设计为无耦合设计。

对于第2层次的功能需求FR2和FR3，还可以进一步分解为下一层次的功能需求及对应结构。

1）对功能需求FR2进行分解。

FR21：乘客装载功能；

FR22：升降功能。

2）对功能需求FR3进行分解。

FR31：隔离接触功能；

FR32：病毒消杀功能。

对应的结构可以描述为：

DP21：轿厢；

DP22：动力系统；

丸子远远就看见她要搭的那班公交车的末班车，已经缓缓停进了站台。她不管不顾地狂奔起来，慌乱之中，丸子甩掉了一只鞋。

DP31：无公共接触的操作和控制装置；

DP32：紫外线消毒装置。

至此，已将满足疫情防控需求的箱式电梯的相关功能和结构分解到可以具体实现的程度，不再作进一步分解。

其设计方程为：

由上述设计矩阵可知，该设计为耦合设计，须进行解耦。使用TRIZ对其进行解耦并解决矛盾，同时分析其是否还有其他可能存在的冲突。

2.2 设计矛盾分析

由上述设计矩阵可知，初始设计方案主要包含2个矛盾。

矛盾1：FR1 与DP31 之间的矛盾。现有箱式电梯在交互操作时均采用接触式按钮。但在疫情期间，用接触式按钮操作时存在交叉感染的风险，应避免人员之间的间接接触，即公共交互控制面板的操作和控制功能与为避免人员间接接触的无公共接触操作和控制装置之间存在矛盾。

矛盾2：FR21与DP32之间的矛盾。由国家卫生健康委员会的报告可知，病毒对紫外线敏感，因此选择用紫外线对轿厢进行消毒的方式来杀灭病毒，以降低传播风险。但轿厢作为搭载乘客的核心部件，经常处于有人的状态，而紫外线会对人体造成伤害，即乘客装载功能与紫外线消毒装置之间存在矛盾。

2.3 基于TRIZ的矛盾解决

针对箱式电梯的交互控制的根本目的在于将控制指令传递给电梯控制系统，并非必须使用直接接触的按钮方式，可采用无公共接触的交互操作模式，以避免人员之间的间接接触。无公共接触的交互操作模式可利用手机扫码、人脸识别和语音识别等方式来实现。

对于矛盾2，初始设计时选择用紫外线来消杀病毒，但是紫外线会对人体造成伤害，就出现了人需要使用电梯，但是又必须在无人时才能消毒的物理矛盾。根据物理矛盾的分离原理，选用“条件分离”方法来解决该矛盾。

根据箱式电梯轿厢中是否有人来选择相应功能：当有人时，使用轿厢的运载功能；当无人时，使用紫外线消杀功能。在实际应用中，采用对人体无害的红外线来检测箱式电梯轿厢内是否有人，无人时才可进行紫外线消杀。

2.4 新功能模块设计

根据上述2种矛盾的解决方案，对箱式电梯新功能模块初始设计方案进行改进。将功能需求FR31和FR32分别并入FR1和FR2，形成新的设计方案。

对于功能需求FR1，可描述为：

FR1：间接操作和控制功能；

FR11：无接触交互获取电梯使用权限功能。

FR12：无公共接触式操作和控制功能。

对应的结构可描述为：

DP1：无公共接触的乘梯控制装置。

DP11：信息识别装置。利用现代信息技术识别用户信息并赋予其使用权限，例如商场内公用电梯可采用手机扫码或语音识别方式，公司、住宅等专属电梯可采用人脸识别方式，如图3所示。

图3 箱式电梯无公共接触式信息识别装置设计方案Fig.3 Design scheme of non-public contact information identification device for box elevator

DP12：信息化控制设备（利用互联网技术对电梯进行操作和控制，如利用手机扫码后进入虚拟操作界面或通过语音识别装置直接选择楼层等）。

具体设计方程为：

该部分设计为解耦合设计，符合独立性公理。

对于功能需求FR2，可描述为：

FR2：轿厢自动消杀病毒功能；

FR21：电梯使用情况判断功能；

FR22：病毒消杀功能。

对应的结构可描述为：

DP2：可自动消毒的轿厢。

DP21：红外线检测装置。通过红外线来检测电梯轿厢内是否有人，同时对用户体温进行监测。

DP22：紫外线消毒装置。在轿厢无人条件下，通过紫外线辐射进行病毒消杀。

具体设计方程为：

该部分设计为无耦合设计，符合独立性公理。

综上，最终的箱式电梯防疫功能模块创新设计方案如图4所示。基于无公共接触式交互思路，利用手机扫码、人脸识别和语音识别等方式对箱式电梯进行操作和控制。同时，利用红外线检测装置对电梯轿厢中的人员情况进行检测，并采用紫外线杀消毒装置对电梯的密闭运载轿厢进行消毒，使其满足疫情防控的总体需求。

图4 箱式电梯防疫功能模块创新设计方案Fig.4 Innovative design scheme for epidemic prevention function module of box elevator

3 结 论

本文通过分析AD 和TRIZ 的优缺点，结合2 种方法的优势，面向不同的设计类型，提出了集成AD和TRIZ的创新设计方法。基于所提出的方法，对箱式电梯防疫功能模块进行创新设计，同时满足了杀毒灭菌和降低传染风险的需求。结果表明，集成AD和TRIZ的创新设计方法将机械结构方案设计拓展到了交互模式方案设计，其可为新产品的概念设计提供有效的理论支撑。