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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (4): 87-91  DOI: 10.11991/yykj.201705001
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引用本文  

杨静. 基于三角模糊数TOPSIS与TRIZ的产品设计研究[J]. 应用科技, 2017, 44(4), 87-91. DOI: 10.11991/yykj.201705001.
YANG Jing. Study of product design of TOPSIS and TRIZ based on triangular fuzzy number[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(4), 87-91. DOI: 10.11991/yykj.201705001.

基金项目

国家社会科学基金项目(13BG068);陕西省社会科学基金项目(2015J069);陕西省体育局项目(16097)

通信作者

杨静, E-mail:411959862@qq.com

作者简介

杨静(1974-),女,讲师

文章历史

收稿日期:2017-05-02
网络出版日期:2017-06-05
基于三角模糊数TOPSIS与TRIZ的产品设计研究
杨静    
咸阳师范学院 设计学院, 陕西 咸阳 712000
摘要:针对当前产品需求评价和创新设计中存在的问题,提出了一种集成逼近理想解排序法(TOPSIS)与发明问题的解决理论(TRIZ)的产品设计方法,应用TOPSIS法,结合三角模糊数对产品需求进行综合评价,根据评价指标重要度的排序结果确定产品设计要解决的关键问题,应用TRIZ的系列参数与发明原理解决产品设计的创新问题,提出具体的产品设计方案。基于三角模糊TOPSIS与TRIZ的设计方法,集TOPSIS的评价优势与TRIZ的创造优势于一体,为产品创新设计提供了完整的评价和创新流程。通过插座设计实例验证了该方法的可行性和实用性。
关键词三角模糊数    逼近理想解排序法    评价    发明问题的解决理论    矛盾矩阵    产品    创新    设计    
Study of product design of TOPSIS and TRIZ based on triangular fuzzy number
YANG Jing    
College of Design, Xianyang Normal University, Xianyang 712000, China
Abstract: For the existing problems in the product demand evaluation and innovation design, a method of product design integrating technique for order preference by similarity to ideal solution(TOPSIS)and theory of inventive problem solving(TRIZ)is presented. Combined with triangular fuzzy number and the application of TOPSIS method, a comprehensive evaluation of product demand is made. The key problem to be solved in the design of the product is determined by the order of importance of evaluation index, the TRIZ series parameters and inventive principles are applied to solve problems of innovation of product design, thereby to propose specific product design plan. Based on the design method of triangular fuzzy TOPSIS and TRIZ, integrating TOPSIS's evaluation advantage with TRIZ's creative advantage to provide complete evaluation and innovation process for product innovation design. The feasibility and practicability of the proposed method is verified by an example of socket design.
Key words: triangular fuzzy number    TOPSIS    evaluation    TRIZ    contradiction matrix    product    innovation    design    

在产品设计前期,对产品需求的调研和评价往往具有复杂性和模糊性,难以定量计算[1-2],以致后期设计的产品无法真正体现用户需求,会直接影响到新产品研发的成功率。另一方面,多数企业在进行产品创新设计时,经常只凭借负责人或设计师的个人主观想法进行产品设计[3],设计方法缺少科学性和创新性,无法设计出符合用户需求的最优产品设计方案。本文提出了一种基于三角模糊数TOPSIS与TRIZ的产品创新设计方法,将TOPSIS的产品需求评价与TRIZ的创新设计有效结合,在产品的创新设计方面进行了探索和研究,旨在提高产品创新质量。

1 TOPSIS-TRIZ模型

TOPSIS是运筹学中一种多目标、多属性的高效评价方法[4-5]。TRIZ是一种系统化的创造方法学,为发明创造提供强大的创新工具和方法,能有效提高创新成功率[6-10]。TOPSIS-TRIZ模型的思路是:首先运用TOPSIS确定产品评价指标的重要度,具体包括:建立产品评价指标原始矩阵,进行无量纲化处理,构建评价标准化矩阵,计算出每个产品评价指标与正理想解和负理想解的距离,根据产品评价指标与最优值的相对接近度,确定产品评价指标的重要程度。其次,根据TOPSIS对产品评价指标的重要度进行排序,确立产品创新的具体方向,将设计中存在的问题转化为TRIZ问题,并运用TRIZ的发明原理解决矛盾冲突,拓展创新思维,形成详细的产品创新设计方案。

2 TOPSIS-TRIZ模型的应用流程 2.1 应用TOPSIS确定产品评价指标的重要度

1) 构造评价矩阵。对于n个产品评价指标G1, G2, …, Gn,由f个评价者H1, H2, …, Hf展开综合评价,其评价值构成的评价矩阵如表 1所示。

表 1 评价矩阵

2) 将每一个评价数值用三角模糊数表示,例如xij=(aij, bij, cij)。

3) 转化模糊群体评价结果为清晰值[11]。对于三角模糊数,其清晰型归一化评价值为

${x_{ij}} = ({a_{ij}},2{b_{ij}},{c_{ij}})/4$

由此得到清晰值矩阵:

$X = {({x_{ij}})_{n \times f}}$

4) 对原始数据进行无量纲化处理,得到规范化评价矩阵:

$Y = {({y_{ij}})_{n \times f}}$

式中:${y_{ij}} = {x_{ij}}/\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {x_{_{ij}}^2} } ;i = 1,2, \cdots n;j = 1,2, \cdots ,f$

5) 求解加权规范评价矩阵。若评价者的权重为w=(w1, w2, …, wf),wj为第j个评价者的权重,而且$\sum\limits_{i = 1}^n {{w_j} = 1} $,则加权规范评价矩阵为

$R = {({r_{ij}})_{n \times f}}$

式中rij=wj×yij

6) 确定矩阵R的正理想解向量R+和负理想解向量R

$\begin{array}{*{20}{l}} {{R^ + } = \left\{ {r_1^ + ,r_2^ + , \cdots r_f^ + } \right\} = \left\{ {(\max {r_{ij}}\left| {j \in {U^ + }),(\max {r_{ij}}} \right|j \in {U^ - })} \right\}}\\ {{R^ - } = \left\{ {r_1^ - ,r_2^ - , \cdots r_f^ - } \right\} = \left\{ {(\max {r_{ij}}\left| {j \in {U^ + }),(\max {r_{ij}}} \right|j \in {U^ - })} \right\}} \end{array}$

其中U+={效益型性}, U={成本型性}。

7) 计算每个产品评价指标与正理想解和负理想解的距离:

$\begin{array}{l} V_i^ + = \sqrt {\sum\limits_{j = 1}^f {{{({r_{ij}} - r_j^ + )}^2}} } \\ V_i^ - = \sqrt {\sum\limits_{j = 1}^f {{{({r_{ij}} - r_j^ - )}^2}} } \end{array}$

8) 计算每个产品评价指标和最优值的相对接近度,即

${D_i} = V_i^ - /(V_i^ + + V_i^ - ),(i = 1,2, \cdots n)$

9) 将相对接近度从大到小进行排序,Di值越大,越靠近于1,表示第i个产品评价指标的重要度越高;Di值越小,表示第i个产品评价指标的重要度越低。

2.2 应用TRIZ进行产品创新设计

依据TOPSIS法求解出的产品评价指标的重要度排序结果,确定产品创新设计要解决的关键问题,应用39条工程参数将这些问题转化为TRIZ问题,甄选这些问题的冲突类别,查询TRIZ的40个发明原理[12],挖掘恰当的发明原理,并对这些原理进化拓展和深化,形成完整的产品创新设计方案。TRIZ的产品创新流程见图 1

图 1 TRIZ的产品创新设计流程
3 TOPSIS-TRIZ在插座设计中的应用

以东莞一家企业的插座设计项目为例进行详细分析。该企业缺乏科学的设计研发和管理体系,不能对产品做出有效的设计评估和设计创新,导致前期研发的插座产品市场反馈不佳。针对企业设计研发存在的问题,采用TOPSIS-TRIZ模型设计的系列插座产品投放市场后,销售额有了显著提升。

3.1 应用TOPSIS法对插座评价指标进行评价

为了使产品评价指标能最大化地满足用户需求,针对插座制作调查问卷,对268位用户进行调研,获取246份有效问卷。在对调研数据进行统计和归纳的基础上,专家组根据相关产品设计的评价标准,进行科学筛选,确定造型、结构、材质、色彩、装饰、可靠、便携、多用这8项设计评价指标作为插座创新设计的主要评价指标。构建语言变量与三角模糊数的对应关系,求得三角模糊数的清晰型归一化评价值,见表 2。8位专家根据表 2的评价标准,对插座评价指标的重要度进行评价,评价结果见表 3

表 2 评价语言变量与相应的三角模糊数
表 3 插座评价结果

表 3的数据进行无量纲化处理,获得规范化评价矩阵,见表 4。由于8位专家的专业水平接近,因此专家的权重值差异可忽略不计,求解加权规范评价矩阵这一步可以省略。

表 4 评价结果的规范化评价矩阵

比较表 4中规范化后的评价结果,确定正理想解和负理想解:

$\begin{array}{l} \begin{array}{*{20}{c}} {{R^ + } = \left\{ {r_1^ + ,r_2^ + , \cdots r_f^ + } \right\} = }\\ {\left\{ {{\rm{0}}.{\rm{471}},{\rm{0}}.{\rm{471}},{\rm{0}}.{\rm{448}},{\rm{0}}.{\rm{629}},{\rm{0}}.{\rm{509}},{\rm{0}}.{\rm{512}},{\rm{0}}.{\rm{514}},{\rm{0}}.{\rm{460}}} \right\}} \end{array}\\ \begin{array}{*{20}{c}} {{R^ - } = \left\{ {r_1^ - ,r_2^ - , \cdots r_f^ - } \right\} = }\\ {\left\{ {{\rm{0}}.{\rm{060}},{\rm{0}}.{\rm{145}},{\rm{0}}.{\rm{230}},{\rm{0}}.{\rm{018}},{\rm{0}}.{\rm{073}},{\rm{0}}.{\rm{073}},{\rm{0}}.{\rm{066}},{\rm{0}}.{\rm{016}}} \right\}} \end{array} \end{array}$

计算8个指标与正理想解的距离Vi+和与负理想解的距离Vi,求出8个指标的综合评价指Di,如表 5所示。

表 5 产品评价指标的综合评价

对产品评价指标的综合评价指数Di从高到低进行排序,可确定产品评价指标的重要度排序为:造型、便携、多用、色彩、结构、材质、装饰、可靠。

3.2 应用TRIZ进行插座创新设计

在TOPSIS评价的基础上,结合插座产品的实际情况,专家组决定以重要度排在前4位的产品评价指标——造型、便携、多用、色彩作为重点设计对象,给予创新和改进。其中,造型创新的重点为造型设计和色彩设计,功能创新的重点为便携设计和多用设计。

3.2.1 插座的造型创新设计

矛盾分析:TOPSIS评价显示,造型设计在重要度排序中位列第一,色彩设计位列第四。这说明在生活质量和审美水平普遍提高的今天,人们对插座的造型有了更高的要求,普遍希望插座的造型更美观,插孔数量更多。而当插座的造型变复杂以后,插座的长度等线性尺寸会明显变大或加长,加工制造的难度就会随之提升。造成该矛盾的2对TRIZ工程参数为:“12形状”与“3静止物体的长度”、“12形状”与“32可制造性”。查找TRIZ矛盾矩阵表,得到解决问题的发明原理如表 6所示。

表 6 造型创新设计的发明原理

分析表 6的发明原理,选择原理1、7、14、17、32对插座造型进行创新设计。应用17号改变维数原理,用多层排列代替单层排列,设计出图 2的立式插座。与传统平面插座相比,该立式插座的插头数量明显增多、造型美观、占据空间小。插座的每层都有一个独立的控制开关,按下开关,指示灯亮,则此层通电;灯灭,则不通电,可有效节能节电。应用1号分割原理,对插座的底部进行分割,设计收线盘,将插座电源线收纳缠放,让插座的外观整齐干净。同时在插座的上方分割出一部分设计专用提手,可避免在移动插座时直接接触插孔,提高了插座的安全性。

图 2 立式插座

运用14号曲面原理,打破常规的长方形设计,运用仿生设计方法,对插座进行曲面设计,模仿宝相花的形态设计出图 3所示的宝相花插座。360度全方位的插孔分布,节省空间,可以容纳大号插头或电源适配器,有效地防止了插头过宽引起的无法同时使用等问题;在每个插座的中间设计了一个开关键,使用方便,安全有保障。运用32号色彩变化原理,赋予插座粉、黄、蓝、紫等明亮色彩,形成缤纷绚丽、生机盎然的外壳色彩风格。

图 3 宝相花插座
3.2.2 插座的功能创新设计

矛盾分析:TOPSIS评价显示,便携设计在重要度排序中位列第二,多用设计位列第三。伴随智能生活的普及,新型的电子产品、数码产品、家用电器的种类和数量快速增加,插孔的样式也日益新颖化和多样化,这就对插座的功能提出了更多元化、更人性化的需求。但是,伴随插座功能的复杂化,插座的维修难度也随之提高。造成这对矛盾的TRIZ工程参数为:“35适应性及通用性”和“34可维修性”。查找TRIZ矛盾矩阵表,得到的发明原理见表 7

表 7 功能创新设计的发明原理

分析表 7的发明原理,确定原理1、7、16可用来实现产品功能的创新设计。如图 4所示的魔方造型插座,即集成原理1、7、16设计而成。运用原理1,采用模块化设计,打破常规,将插座分割设计成独立的小模块插座,体积小巧、便携性强。运用原理7,将多个插座随意嵌套设计,采用立体集成结构,打破了传统插座的横向插孔排布方式,摆脱了插座线材的缠绕状态,使插头不再拥挤,大幅提升了空间利用率。同时,魔方插座可灵活组合与搭配,进而衍生出多变的造型,呈现出丰富的视觉层次,令插座的使用和操作充满趣味性与把玩性。运用原理16,采用超出常规的思路进行设计,给每个插座增加3个USB插孔,轻松兼容多种电子设备,手机、平板、相机等都可使用。

图 4 魔方插座
4 结论

1) 针对产品调研评价信息模糊、用户需求多样、创新设计思路单一的现状,将三角模糊TOPSIS与TRIZ结合进行产品创新设计;

2) 构建一个科学的产品创新设计体系,集三角模糊数、逼近理想解排序法和TRIZ的优势为一体;

3) 有效提高了产品评价的准确性,提升了产品创新设计的水平;

4) 加快了由用户需求转换化为产品设计方案的研发过程,以降低后期生产制造风险,切实提高产品质量。

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