基于TRIZ理论的某型装备显控台优化设计*

贾凯翔 ，王 崴 ，瞿 珏 ，王 超 ，管维乐

（1.空军工程大学防空反导学院，西安 710051；2.解放军93861部队，湖北 孝感 432100）

0 引言

信息化条件下的战争形态和战争特点，要求武器装备必须具备快速的反应能力，在这种情况下必然使得作战人员在短时间内面对大量的信息高密度集中显示，对他们的反应速度和决策能力提出了更高的挑战。然而，传统的武器装备设计主要侧重于装备的功能和性能，忽略了人的信息处理能力和速度限制，在很大程度上制约了武器装备作战性能的发挥，因此，“以人为中心”的武器装备人机工效学设计具有重要意义。

指控舱显控台是防空反导装备指控舱中的核心组成部分，其主要设备为显示器以及控制面板，主要结构由台体、台面和台上结构3部分组成。显控台的人机工程设计主要考虑以下几个方面内容：操作人员的舒适性、显示器界面信息的可视性、操作面板的可操作性以及作业空间的适人性。另外，由于显控台体积大、重量大，在运输过程中造成了很大的困扰。针对以上问题，本文基于TRIZ理论的冲突解决原理，对显控台进行创新设计，改善其人机功效以及可运输性，同时为今后显控台的改进设计提供实验平台、理论依据，增强其人操作时的舒适度，以及其快速反应能力。

1 TRIZ理论分析

TRIZ，即发明问题解决理论，是在研究多学科领域原理的基础上形成的理论体系。该理论在论述发明创造、实现技术创新方面，是目前最全面系统的新理论［1-2］。该理论的应用加快了人们创造发明的进程，提升了创新产品的质量［3-4］。

TRIZ理论将发现和消除产品设计过程出现的矛盾作为产品创新设计问题的核心［5］，而产品的创新及优化设计以满足市场及人的需求为目标，所以这个矛盾也就成为了阻碍科技进步以及市场需求的矛盾。可以通过TRIZ理论中的39个标准参数对矛盾进行准确的定义，利用TRIZ理论中的冲突矩阵解决技术矛盾，利用分离原理解决物理矛盾，从而达到产品创新的目的，进而满足市场和人的需求。如图1所示。

TRIZ是人们发现问题和解决问题的有效途径，随着时代的发展而发生变化，例如美国某公司对TRIZ理论进行了发展和扩展，将39个工程参数扩展到了48个［6-7］，将创新原理也扩展到了77个，国内也对TRIZ进行了针对特定领域的改造，文献［7-8］针对机械领域TRIZ领域的应用提炼出了25个工程参数和20个发明原理，而台湾学者则将TRIZ中的通用参数转化为更具有管理意义的管理学通用参数［7］。然而，无论TRIZ怎么变化，它的核心思想总结下来有以下3点：1）问题的矛盾点以及解决思想具有通用性；2）解决矛盾的方法数量不多且可以供人学习掌握；3）本领域问题的解决方法往往来自其他领域［9］。

2 TRIZ在显控台设计中的实际运用

2.1 现有显控台的问题分析

目前在指控舱显控台的设计与评价过程中，控制元件的布局、指示灯以及显控台结构尺寸等这些装置的设计，以及评价往往是借鉴飞机、潜艇的界面设计原则或者凭借设计者个人的主观经验和感觉来进行的，然后，强制的进行训练使操作人员去适应这些装置，更多的偏向于“人适机”，而忽略了“机宜人”。虽然通过训练，操作人员可以完成对系统的操作与使用，但这必然是要以牺牲更多的信息处理过程为代价的，尤其是遇到紧急突发情况，在对信息的处理过程中，操作人员很容易做出最“自然的”反应。如果这个反应与系统设置的不一致，就更容易导致误操作，对武器装备造成致命的影响。总而言之，在指控舱显控台的设计中，缺乏对人机工效学方面考虑的设计必然会降低了操作人员对信息的获取、分析、判断、决策和执行能力，从而影响操作的准确性和快速性，进一步影响武器装备的战斗力、安全性和作战效能。另外，现有显控台往往是整体式设计，体积和重量都偏大，容易造成运输不便。显控台模型如图2所示。

2.2 确定技术冲突

产品功能、外观等改进时所存在的技术冲突用TRIZ冲突解决原理予以解决，典型的有冲突解决矩阵［10］。

在利用TRIZ原理进行产品设计的过程中，首先要对产品存在的问题进行分析，确定其理想优化功能、恶化功能，以及建立其冲突矩阵；然后利用TRIZ理论对该冲突矩阵进行求解得到其相应的发明原理，并得出一般解；设计人员通过研究其发明原理，同时根据自身灵感和经验得到所需的特殊解，最终完成产品设计［11］。

根据TRIZ理论创新设计一般流程，先将矛盾用39个工程参数进行标准化描述，在此基础上建立冲突矩阵。针对上述问题的解决方案：1）将原显控台拆分为台体、台面、台上结构3部分，台上结构又分为键盘，上显示器，下显示器，左小面板，右小面板5个小部分；2）显控台桌面、操作面板以及显示屏设计成距离、高低、角度可调以满足多数人的操作习惯；3）将显控台操作面板设计为可拆卸式，以满足多种布局形式的操作面板可替换。但在满足上述要求的情况下，会造成整个显控台结构的复杂性增加，同时可能影响到整个系统的稳定性和可靠性。从而构成了“能满足多数人操作习惯和系统多用性”和“显控台结构的复杂性、可靠性、稳定性降低”的技术冲突。将其转化为TRIZ理论的39个通用工程参数［12-13］。即，12号形状（指物体的外部轮廓或系统的外貌，此例中为改善的参数）；35号适应性、通用性（指物体适应外部环境变化的能力以及应用于各种环境的能力，此例中属于改善的参数）；13号结构的稳定性（指系统的完整性及系统的组成部分之间的关系。此例中为恶化的参数）；27号系统的可靠性（指系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力。此例中为恶化的参数）；36号装置的复杂性（指系统中元件数目及多样性，通过掌握系统的难易程度度量其复杂性，此例中为恶化的参数）［14］。

2.3 确定发明原理

对显控台设计过程中所遇到的技术冲突，可通过查询TRIZ理论提供的矛盾冲突解决矩阵予以解决［14］，如表 1 所示。

表1 矛盾冲突解决矩阵

针对显控台现有基本情况分析以及设计中要解决的问题，结合以上矛盾矩阵的发明原理，可得出其中1、15、24号发明原理具有可行性。所以可将其作为显控台设计的指导思想［15-16］。

表2 显控台创新设计发明原理

具体发明原理实际应用方案如下：1号分割原理：1）为使原显控台满足各基础部件易于更换，拆卸需要，将其整体分割为键盘，上显示器，下显示器，左小面板，右小面板5个小部分；2）将键盘设计为可拆卸式，已满足多重键盘的可替换。

15号动态特性原理：将原显控台的台面以及显示器设计为高度，俯仰角度可调，满足大多数人的操作习惯。

24号中介原理：1）将原本固定不动的显示器通过显示器支架与支撑杆相连，以满足显示器高低，俯仰角度可调；2）将桌面与升降机相连，以满足桌面的高低可调［17］。

2.4 显控台设计方案的确定

根据以上TRIZ发明原理，可构思出显控台需满足：1）上下显示屏、左右小面板的角调整范围应在0°～30°之间；2）支撑座的高度变化范围在700mm～900 mm之间；3）操作面板的伸缩范围在±200 mm之间；4）操作面板下方的支撑座应为开放口，方便操作面板各按键走线，满足面板下方可布线，面板可更换的要求；5）操作面板和支撑座之间为键盘；6）支撑座以下应用隔板包裹，如图4所示；7）升降机的承载能力在100 kg左右；8）人在站立姿势时能够轻松点击小面板上的按键，确保小面板在可点击的范围内；9）坐姿状态时，保证支撑座以下有足够的容膝空间；10）整个台体保持稳定，避免人在点击小面板以及触摸屏时平台的晃动现象。

显控台具体结构由小面板悬挂板、显示器支架、显示器、防尘罩、面板基座、操作面板托盘、升降机、散热孔、水平丝杠机构、竖直导轨、升降机丝杠机构、侧面封装板、底盘、脚轮组成，具体结构图如图3和下页图4所示。

显控台优化设计的目的是适应不同人体形态的操作员完成操作任务，使其能够在正常的视野范围、舒适的操作区域，可快速、准确完成操作任务；另一方面，还要减少其在运输车中的占地面积，改善装载的方便性。本显控台优化设计基本能够满足上述需要。另外本显控台优化设计还能够模拟和复现装备的操控方式，满足操作测试、显示测试的基本需求，最终可对测量人体的各种生理参数提供平台支持。为之后的显控台优化设计提供实验平台和理论依据。显控台效果图如图5和图6所示。

通过实际验证分析，优化后的显控台结构稳定，操作性更强，对于显控台的人机工程学实验也具有较大的意义。在运输方面，也摆脱了传统大型装备运输时占用空间大、不易于装卸等问题。满足优化设计要求。

3 结论

本文以某型显控台的优化设计为例，分析了现有显控台在实际操作中“宜人性”、运输方面存在的问题，并且基于TRIZ理论的基础上，利用39个工程参数和40条发明原理解决了设计过程中的实际技术冲突。对显控台进行了分割式设计，将各元件模块化，以满足操作的各项参数可调，为今后的显控台优化设计提供了实验平台以及理论依据。同时，验证了TRIZ冲突解决原理在创新设计领域的可行性，为今后的更多产品创新设计提供了十分重要的理论依据。

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