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, …, G_n，由f个评价者H₁, H₂, …, H_f展开综合评价，其评价值构成的评价矩阵如表 1所示。

2) 将每一个评价数值用三角模糊数表示，例如x_ij=(a_ij, b_ij, c_ij)。

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, …, w_f)，w_j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r_ij=w_j×y_ij。

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，D_i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；D_i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。

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。

对表 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。

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V_i⁺和与负理想解的距离V_i^－，求出8个指标的综合评价指D_i，如表 5所示。

对产品评价指标的综合评价指数D_i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。

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。

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。

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。

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。

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。