六西格玛设计在新品开发中的应用研究（之二）
——应用TRIZ方法产生设计概念
○ 南新艳 王志陵
摘要：本文简述TRIZ理论的起源与发展，剖析了TRIZ在六西格玛设计概念设计阶段的作用和意义。基于六西格玛研究所提出的DCOV六西格玛设计基本模型，描述了TRIZ解决矛盾的原则和方法论，并通过一个典型的实例予以验证。
关键词：DCOV；TRIZ；概念设计
1 六西格玛设计与TRIZ
DFSS目前还没有统一的模式，上海质量管理科学研究院六西格玛研究所在研究了目前所存在的各种模式的基础上，提出了具有很强柔性的六西格玛设计基本模型DCOV[1]，在此基础上可根据实际情况进行适当剪裁和变化。
从质科院提出的DCOV模式可以看出，为了保证设计的产品质量最大限度地满足顾客需求，首先必须采用质量功能展开的方法从顾客需求出发抽取出工程技术人员可以理解和操作的技术需求，然后据此进行概念设计。概念设计是新产品开发过程中最能体现人类创造性活动的阶段，同时也是产品设计的难点和重点。
概念设计的灵魂是创新，其难点主要体现在：需求和约束信息量往往是模糊的、不确定的、还可能有虚假的；对概念设计人员的技能要求高，不仅要求有相当丰富的工程经验，还要具备创造力、综合分析能力和多领域的专业知识，在人力资源市场上难求具备这种素质的人才；目前关于创新的方法和理论还不普及，首先我们在认知上存在着误区，认为创新靠的是瞬时灵感，无规律可循，创新思维不是简单的计算和逻辑判断，更多的是形象思维和抽象思维的结合，这一观念制约了人们关于创新规律的研究；创新的难点在于矛盾，一般来讲，产品的技术需求是相互关联的，这种关联性有三种：正相关（技术需求的变化方向相同）、不相关和负相关（技术需求的变化方向相反）。这里所指的矛盾主要是指负相关，当试图提高系统的某个技术特性时，往往会引起系统另一个技术特性的恶化。
因此在新产品的开发中设计人员迫切需要创新理论和创新工具的支撑，来降低设计的难度，打开人们创新思维的阀门。概念设计目前最主要的理论和工具是计算机辅助创新CAI（Computer Aided Innovation）软件,该软件是由TRIZ、本体论、现代设计方法学、自然语言处理技术及计算机草图生成技术等理论和方法所组成，其中TRIZ理论是其核心，主要应用于解决概念设计中所存在的技术矛盾问题。TRIZ理论源于大量的专利，其技术知识和思维方法有助于设计人员拓宽思路、打破思维定势，有助于人们正确识别设计中的矛盾，并找到突破矛盾的创新设计方案。
2 TRIZ的起源、发展及理论结构
2.1 TRIZ的起源与发展
TRIZ是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写，原意是“创新式解决问题的理论”。TRIZ之父根里奇·阿奇舒勒坚信发明问题的基本原理是客观存在的，他说“你可以等待100年获得顿悟，也可以用这些原理15分钟解决问题”。自1946年起，根里奇·阿奇舒勒花费大量的时间对众多专利进行研究总结提出了发明创造方法——TRIZ。冷战期间，美国、德国等西方国家惊异于前苏联在兵器、航空、航天等军事工业等方面的创造能力，将TRIZ称之为“神奇点金术”，曾经围绕其展开过惊心动魄的间谍战。苏联解体后，TRIZ随其研究人员移居国外而真相大白，并迅速在欧美等发达国家中推广应用。经过实践检验证明，TRIZ已为众多知名企业和研发机构带来了重大的经济效益和社会效益。如今，在中国该理论和方法刚刚步入开始推广和初步应用阶段。
2.2 TRIZ方法论
根据TRIZ的思想，创新所面临的每个问题实际上就是一个或多个矛盾。概括而言矛盾包括两类：技术矛盾和物理矛盾。物理矛盾是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性；技术矛盾是指一个作用同时产生有用及有害两种结果，技术矛盾常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾。TRIZ有一套自己科学解决矛盾的法则,以确保快速、高效地解决系统出现的技术矛盾和物理矛盾，如39个通用工程参数和40个发明原理所组成的矛盾矩阵解、物-场模型和76个标准解、物理矛盾解和ARIZ算法解等。
针对物理矛盾，TRIZ理论通过分析矛盾中的功能并建立矛盾功能模型、识别物理矛盾、识别矛盾发生的区域，通常物理矛盾包含空间、时间两个矛盾域，解决物理矛盾常用的方法有空间分离、时间分离、部件分离、一个部件与一套部件分离等。针对技术矛盾，主要是将矛盾的双方分别用39个通用工程参数中的两个来表示，并对照冲突表找出相应的解决原则。
TRIZ方法论如图1[6]所示,从图中可看出横线以下部分是人们以前解题的方法。从具体问题到具体问题的解,这是很难的。而横线以上部分是TRIZ解题的方法,TRIZ会将具体问题通过上面方框中的一系列原理和法则,将问题化解成TRIZ问题,再找到相应的矛盾参数,通过参数对照表可以找到解决矛盾的通解,再由TRIZ通解转换成具体问题解,难解的问题就通过这一过程化解了。
通过一个小案例来说明应用TRIZ理论解决问题的思路。如图2所示，安瓿是用来密封装疫苗等药品的小瓶，在药品装入安瓿之后，需要通过高温加热将安瓿上端口的玻璃熔化进行密封。通过建立功能模型发现存在物理冲突：安瓿需要足够热才能熔化密封VS安瓿不能太热否则会使药物分解，根据TRIZ理论，物理冲突的常用解决方案为空间分离、时间分离、器件分离、器件与系统分离等分离原则。经分析发现加热安瓿是为了进行密封，因此加热的主要对象是安瓿的上端口，为不使药物分解应尽量避免下端受热，因此采用TRIZ理论中的空间分离原则，将安瓿下部放置于盛放冷水的容器中。这样，在安瓿上端进行高温加热的同时，下端由于浸泡在冷水中，缓和了高温对品内药品的影响。
3? TRIZ在DFSS中的应用实例[2]
3.1 TRIZ在六西格玛设计中的应用模型
从本文的第一部分可以看出，TRIZ主要应用在DFSS的概念设计部分，而概念设计是基于QFD展开的（见图4）。首先，根据顾客之声提炼出顾客对产品的质量需求R1、R2、…，并对这些质量需求进行重要度评价，即用重要度来反映对于顾客来说哪些质量需求是最重要的、哪些是次之、哪些是不重要的；其次，分析产品的各个质量特性Q1、Q2、…等，与顾客质量需求之间的相关性，用◎表示强相关、○表示相关、△表示弱相关，分别记分为3、2、1分；将相关性得分与对应的重要度相乘并求和就可以计算出每个质量特性的重要度（下图中最后一行）；对各个质量特性之间的相关性进行分析，分别用正相关（+）、负相关（-）、不相关（空白）来表示；选取重要度高的质量特性，并结合其之间的相关性确立重点改进方向。负相关关系的质量特性是一对矛盾，采用TRIZ方法能有效解决。
3.2 项目实例
3.2.1 界定阶段（Define）
现代生活方式把便利、边走边吃的热食品和饮料放在了优先的地位，人们越来越需要能够有一种不需要电、火等能源又可以随时对饮料、食品进行加热的自加热装置，这将会给人们的生活带来很多便捷。
某世界领先的热容器生产商已设计生产了一种一端为金属的注塑聚丙烯自加热容器，利用水和氧化钙的放热反应将内装物加热。该容器的基本原理如图5所示，经过一段时间推广使用后，并对顾客需求进行深入调查，应用QFD质量屋进行分析后发现，重要度高的质量特性主要有外观、制造性、复杂性、强度、传导性等。根据质量屋顶的质量特性相关性分析得出主要存在以下三对需要重点解决的问题：该罐装产品外壳是双层注塑技术采用一次成型技术，这样容器内容积比较小，且制造难度非常大，制造成本很高；产品最后经过高温杀菌后的外观不合格品率高，劣质成本居高不下，给公司带来很大损失，这是成本与可制造性的矛盾；容器内置锥体的强度与热传导性之间的矛盾。公司针对该产品目前存在的问题对产品进行了重新设计，以降低制造成本、提高顾客满意度。
3.2.2 概念设计（Concept）
1）降低容器壁的制造成本
为了防止对流过程中热量的损失，容器壁采用双层注塑，这样虽然降低了成本，但由于工艺要求注塑边缘突起部位要求达到一定的厚度，这使得该自加热容器的可使用容积减小（见图1）。
需要加强的特性：易于制造性（32）；需要减弱的特性：装置的复杂性（36）
矩阵表的行表示变差的特性，列表示变好的特性，行列交叉中的数字表示发生矛盾冲突时所对应的解决方法。对照TRIZ矛盾矩阵（见表2），可利用的原理有：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体（27），复制（26），分割（1）共三种原理。将TRIZ的解决原理应用在技术冲突中，一次性注塑成形并符合工艺要求的边缘凸起尺寸是很困难，利用分割原理将制造流程为分两个步骤——注模、冲压凸缘到合适的尺寸，现在关键的问题是如何在降低成本的基础上通过第二道工序使得凸缘达到工艺要求的尺寸。在实验过程中发现重叠部分、罐盖沟边、罐身沟之间的接口是比较吻合而紧密的，通过显微镜测量分析、浸泡实验、微漏分析、接种包装实验等方法对接口质量进行了验证。
2）解决由冷却造成外壳变形
高温高压杀菌过程（Retort process），在生产饮料罐装以后，整个产品需要进行高温高压杀菌，然后再将产品冷却到一定温度后才算完成产品的生产。如图6所示，A是双层外壳的缝合处，高温高压杀菌加热的过程中，整个密封产品内部气压增大，当杀菌后冷却的过程内部气压减小，这样会使容器外部变形，影响产品质量。
消毒冷却过程中，存在如下矛盾：希望释放蒸汽以结束高温消毒过程；但不希望由于容器存在缺陷而使蒸汽减少。这是一个非常典型的物理冲突问题，根据TRIZ解决物理冲突的诸多原理，选择时间分离的原理。将高温冷却的过程分步骤进行，对温度T、气压力P进行适当的控制达到有效防止外观变形的目的。
3）提高热传导率
在客户购买该产品后，拉动引擎开始对内装饮料进行加热。圆锥体在4：40分时达到最高温度，而内装饮料在8分钟时达到最高温度，中间存在一个时间差，这就说明在热源与被加热的饮料之间存在着热阻抗。热力学的不平衡现象主要是由于构成圆锥体壁的聚丙烯热量过饱和造成的。这种热过饱和在某种条件下有可能导致圆锥体破裂。这里存在的技术矛盾是：
需要增强的特性：强度（14）；将会恶化的特性：温度（17）
依据TRIZ矛盾矩阵可得创新原则为：采用复合材料（40）。根据原则40，现将原来标准的聚丙烯中加入某种碳纤维成份制成一种新型的复合材料，经实验测定，该种复合材料的热传导率比改进前的聚丙烯热传导率提高了很多，而且稳定性又好。温度随时间上升的时间序列图如图7所示。
3.2.3 优化、验证阶段（Optimize，Verify）
在概念设计阶段，应用TRIZ理论提供创新性设计方案, 但是在具体的产品结构参数选择等方面还需要借助DOE、Taughi、MCA等方法的集成选择质量特征值,具体的设计过程基于专业性、保密性等方面的考虑，本文暂不作详细阐述。
4 结束语
六西格玛设计中重要部分的概念设计也是近年来新出现的设计方法,与传统方法不同,概念设计专门解决设计前期任务。由于前期设计要在大量不确定的条件下为新产品开发寻找到一个完美的解决方案,难度非常大,也是设计中一个簿弱环节。TRIZ 理论与概念设计相结合,可以比较圆满地解决这个难题。在实际应用中间，大家也可能会发现，除了概念设计之外，TRIZ也可以帮助解决很多方面的问题，本文重点阐述了TRIZ在概念设计中的应用，仅为抛砖引玉。
参考文献：
[1]赵晓云，王志陵.六西格玛设计在新品开发中的应用研究之一.上海质量，2007.5
[2]Michael S. Slocum and Amir H.M. Kermani，Integrating TRIZ Into Six Sigma
[3]何益海.产品六西格玛设计研究
[4]乔杜里著.六西格玛设计[M].方海洋、魏青江译.北京：机械工业出版社，2003.
[5]马彦辉，何桢.基于QFD、TRIZ和DOE的DFSS集成模式研究.设计与研究
[6]许乃尘，孙海良，张红兵.TRIZ理论与产品概念设计（续五），制冷空调与电力机械
（作者单位：上海朱兰质量研究院）
摘自《上海质量》2008年第2期
