豫文化视角下基于Pareto/TRIZ集成理论的多功能梳子创新设计*

王秀红，梁帅鹏，韩心雨，许向前，李平平，韩光平

（1.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450015；2.南京航空航天大学，江苏 南京 211106）

当前，全球新一轮科技革命孕育兴起，正在深刻影响世界发展格局，深刻改变人类生产生活方式。加强科技产业界和社会各界的协同创新，促进各行各业与本土文化的开放合作，是科技发展为人类社会进步发挥更大作用的重要途径。

当下商品的发展遵循： 功能趋向多样化、体积趋向便携化，技术趋向集成化、价值趋向综合化，而文化则永不失色的核心。在具备超额功能的同时，实现资源的节约与充分利用，亦是迎合精益生产与绿色发展的精髓。

生活用品的创新常源于日常生活，就功能而言，传统梳子功能单一，且常伴随着电吹风，卷发器等其他工具的同时使用； 就外观而言，单调的外形及色彩令人感到视觉疲劳。因此，一款集梳、吹、卷功能于一体的具有展现地方特色文化的梳子，不但总体积缩小，原材料降低，而且能极大地迎合大众当下快速的生活节奏、丰富人们对地方文化的了解。

1 Pareto/TRIZ 集成理论

Pareto 遗传算法[1-3]是基于多目标优化的一种遗传算法，它是一种总体最优化的计算。具有智能式搜索、渐进式优化的特征，黑箱式的运算结构和并行式运算形式能够进行全局最优解搜索，通用性比较强。但由于其对新空间的探索能力有限，所以桎梏了可能存在的空间之外的最优解。

TRIZ 理论[4-5]是解决问题发明的理论，主要解决如何用科学的思想指导人们在发明创新过程中的所遇到的创新、技术、物理冲突，为解决创新过程中的矛盾提供了坚实的科学理论基础和实践可能性。但由于该套理论容易忽略主体及其个性，所以易导致丢失关键信息。

Pareto 遗传算法与TRIZ 理论的结合使两者有效互补，前者的空间局限性搜索有效弥补了后者的个性丢失，后者的跳脱性搜索有效补偿了前者的搜索空间狭小，是以两者的结合更加完善了产品创新设计体系，更有助于产品设计。根据创新产品设计需求，构建多目标函数与约束条件，采用数学建模软件MATLAB 编制主函数，然后用工具箱进行Pareto最优解 （集）[6]的计算，得到多目标关系曲线，结合专业人士的意见确定最终关键参数的数值。结合TRIZ 发明创造解决原理中的39 个工程参数和40 个冲突矩阵，把功能用工程参数进行描述，从而确定冲突解决原理，寻求通用解，最后结合具体问题找到具体的特定解，解决产品创新过程中的技术冲突问题。两者的具体结合流程见图1。

图1 Pareto 遗传算法和TRIZ 理论集成流程图

2 多功能梳子概念设计

生活节奏的加快使人们亲赖于产品的高效性，而人们在追求多功能一体化产品的同时亦热衷于对文化魅力的追求[7]。中华文化对产品创新有很大的促进作用[8]，且越发与创新设计紧密结合。图2 中的传统梳子，其结构简单、功能单一，已不能满足快速的生活节奏。考虑到产品来自于生活的实际需求，而在使用梳子时一般还存在 “洗头发” “吹干头发” 和“给头发塑型” 等功能。故笔者结合 “梳头发” “吹干头发” 和 “给头发塑型” 3 个功能对梳子进行重新结构设计。

图2 传统梳子的结构图

2.1 TRIZ 矛盾矩阵提供设计思路

TRIZ 矛盾矩阵集成39 个工程参数与40 个发明原理。通过对原始问题的抽象、提炼，得到具体工程参数之间的矛盾，可描述为需要改善的参数与可能恶化的参数。然后根据矛盾矩阵查找相应的发明原理，给问题的解决提供思路与方向。下面对本产品设计进行矛盾分析，表1 为部分矛盾矩阵表。

表1 部分矛盾矩阵表

矛盾1： 多功能梳子欲实现商业应用，必然考虑产品制造与产品质量，而产品制造直接影响着产品质量，产品质量又由产品结构的稳定性决定。所以欲改善的参数是32 号，可能恶化的参数是13 号。通过表1 可知，可参考的解决问题发明原理为11，13，1。经专家筛选确定使用矛盾解决原理为1 号发明原理： 分割。考虑到分割，得到将整体分割成部件。应用到本设计，有将各功能部件可以拆离与合并的思路。同时，产品亦便于维修。

矛盾2： 多功能梳子必须具有实操性，但在迎合实操性时可能会导致其可靠性被动恶化。故选择改善参数33 号与恶化参数27 号，通过表1 可知，可参考的解决问题发明原理为17，27，8，40。经过专家筛选确定使用矛盾解决原理为17 号维数变化与40 号复合材料。考虑维数变化，应用到本设计可将单控制开关制成多维度旋转开关； 考虑复合材料，不同部位选择合适的复合材料以迎合发热器件耐热性，手柄器件舒适性及外观材料美观性。

矛盾3： 添加新功能促使适应性及多用性得到优化，但功能的集成化必然导致设备复杂性恶化。故选择改善参 数35 号与恶化参数36 号并查找矛盾矩阵表，通 过表1 可知，可参考的解决问题发明原理为15，29，37，28，经过专家筛选确定使用矛盾解决原理为15 号发明原理： 动态化。考虑到动态化，得到各功能可以动态控制，即根据不同需求调换不同功能。应用到本设计，有将各功能分开控制的思路。

2.2 遗传算法确定设计参数

选择梳子的体积和风量作为主要讨论的参数。由于不同用途的梳子长度不同，体积很难确定，因此考虑梳子的横截面积来代替梳子的体积。

选择梳体和梳把两处最大的横截面积，梳体处半径由R1表示。风量的大小有很多影响因素，但对于确定的系统，风量的大小可近似看成风叶大小，这里以风叶旋转一周形成的面积来代替风量大小，其半径用R2表示。综合以上分析可知，梳体横截面半径R1和风叶旋转面半径R2为设计变量。横截面积的大小和风量的强弱为优化目标。用数学模型表示为

式中： V 为梳子横截面积，F 为风机横截面积，R1，R2分别为梳体和风机的半径。

结合人因工程学相关知识，得知持握工具的直径一般为30～40 mm，因此梳体横截面的半径R1应该设计为15～20 mm，风叶横截面积半径R2应该大于R1。考虑到产品的美观度，设计R2最大为R1的2 倍，并在运算结果范围中选取，其数学表达式为

根据建立的数学模型，在MATLAB 中进行编程求解得到一组无差别的帕累托 （Pareto）前沿解集，见图3。结合一些相关专业人士的意见，从中确定关键参数R1=17 mm，R2=27 mm。

图3 Pareto 前沿解集

2.3 豫文化提升特色价值

现代设计中，是否具有独特的文化内涵成为鉴定一款产品优秀与否的重要标准[9]。但文化与产品的融合必须找到合适的契合点[10]，将产品与文化的结合分为3 个方面： 观赏性、功能性和互动体验性，然后采取相应的包装、材料、工艺等手段填充完善。本多功能梳子采取河南开封地方文化对行契合，首先明确开封的文化特征： 开封市是八朝古都，历史底蕴深厚，有节庆文化资源、饮食文化资源、民俗文化资源、历史文化资源[11]。结合上述观点，给出如下设计思路： 观赏性，新式梳子应具备美感，在不妨碍正常功能的同时充分体现开封的地方文化； 功能性，在满足既定功能的基础上尽可能便携； 互动体验性，在实现功能目标的同时要有一定的趣味性。

3 结构模型方案生成

该梳子采用阻燃材料，模型设计可拆分为3 节： 手柄节、风扇节、梳子节，且每节均采用螺纹旋接的方式进行组装，拆卸方便。

3.1 梳子结构模型

手柄节包括开关、可拆卸充电便捷电池、手柄外壳。图4 中可拆卸充电便捷电池放进手柄节模型外壳内，形成图5 所示样品，而图6 手柄节模型下视图中设有一个按钮，控制加热与吹风功能，整个手柄节模型通过自带的外螺纹与风扇节的内螺纹进行螺旋组装。

图4 可拆卸充电便捷电池

图5 手柄节模型

风扇节包括扇叶、马达、外壳。图7 为电吹风的风扇和马达，可以组装进外壳，模型见图8，通过自带的两个内螺纹可连接手柄节与梳子节。

图7 风扇和马达模型

图8 风扇节模型

梳子节包括布满通气孔的梳梁、普通梳齿、卷发梳齿，发热弹簧，梳子节头，见第43 页图9 与图10。具体工作流程： 开关断开时，可以当作普通梳子使用； 当开关闭合后电吹风吹出风从左往右进入套筒并经过发热弹簧产生热风，热风到达并撞击最右端后反向进入套筒外夹层，然后从通气孔喷出。图10 最右端梳子节头内还安置有温控开关，当温度过高时，自动断开回路，有效避免温度过高给人体造成伤害。

图9 梳子节模型

图10 多功能梳子截面图

3.2 效果分析

结构上： 该多功能梳子通过螺纹旋接手柄节、电吹风节、梳子节、梳子节头，便于组装、拆卸，有效降低了装置的复杂性。该多功能梳子更换配件方便，整体可靠性有效提高，且可根据喜好更换不同样式的手柄皮套，图11 模型带有清明上河图样式手柄皮套。多孔式梳梁结构能显著减轻梳子质量。电吹风入风口设计在手柄底端开关处，可有效避免头发卷入电吹风造成不必要危险。

图11 带有清明上河图样式手柄皮套梳子模型

功能上： 该多功能梳子能够集梳、吹、卷于一体，体积娇小，便于携带。多孔式梳梁能在卷发时使热风与头发充分接触，提高卷发效率； 当仅用吹风功能时，可将梳子节的节头螺旋拆下，此时吹风将从梳子节头口吹出，成为一个小型电吹风，且能调节热风。

外观上： 图11 中清明上河图皮套附着在手柄上，能极大增强观赏性及提高文化传播能力。还可更换不同文化样式的皮套，具有很大的文化传播价值与商业价值。

该多功能梳子由多个开关控制，具体电路控制布局见图12。具体使用方法如下： 按压总开关和至少一个加热器件电路正常工作，同时可以通过旋转总开关和启动不同数量的加热器件分别调节风扇功率的大小和热风温度的高低，最后还有温度感应开关，当温度过高时，整个电路自动断开。

图12 多功能梳子内部电路图

3.3 参数补充

通过调查分析当前市面上的梳子、卷发器、电吹风等性能参数，提出了参数补充的建议，见表2。

表2 多功能梳子参数补充

4 结束语

将Pareto 遗传算法和TRIZ 理论两者结合能够快速找到设计方向及大致思路，有效解决产品创新设计中常见的思维惯性问题，极大拓展了寻找问题及解决问题的求异性、开放性和效用性。本文在方法论的基础上将二者集成，在确定尺寸参数的基础上，由矛盾矩阵展开设计思路，最后进一步对必要参数进行补充。运用该集成方法创新设计的多功能梳子紧扣时代大众需求，集梳、吹、卷功能于一体，在商业性、实用性、文化性等方面均有很大价值。此外，该方法对同类型产品的创新设计有极大的参考价值。