基于AHP和TRIZ理想解的雪地救援担架优化设计

徐骁琪，程永胜

(厦门大学 嘉庚学院，福建 漳州 363105)

担架是自然灾害和突发事故中应急救援必不可少的装备，它可以帮助救援人员在灾害现场或特殊环境快速转移伤员，是从遇险环境到医疗场所之间转移伤员的重要工具。担架根据不同的结构、功能、材料特征可以分为：升降担架、走轮担架、铲式担架、负压充气垫式固定担架、真空担架、多功能担架、楼梯专业担架、担架推车及篮式担等[1]。作为救援产品，担架必须能满足不同情境下、不同路况的救援需求，在运输过程中尽量减轻伤员的痛苦，防止伤员在移动过程中受到二次伤害，并且方便救援人员进行操作。本文拟基于发生在雪地环境中的灾害对走轮担架进行优化设计。

1 TRIZ理想解的产品创新设计策略

1.1 TRIZ理论

TRIZ理论是苏联专利调查员阿奇舒勒因工作需要在阅读了海量专利之后，发现具有创意的专利都是在解决一些矛盾问题[2]，而这些矛盾的解决方法一再地被反复使用。他据此推论，大量存在的矛盾点是相同的，解决这些矛盾的原理也是客观存在的。

TRIZ理论体系非常庞大，应用面广泛，它可以解决技术冲突问题[3-5]，产生新的创意方案[5-6]，规避或增强专利[7]，助力环保产业的研究[8]等。针对不同情境的问题，TRIZ提供了多种方法，如40个发明原理、39个问题参数及冲突矩阵、分离原理、物场模型及标准解、科学效应与知识库等[9]。

1.2 理想解

理想解(ideal final result)[10-11]是TRIZ理论的重要方法，在创新设计中有着举足轻重的作用。一个产品或技术系统不断更新和迭代的过程就是追求理想化的过程，因为产品或系统随着使用深入和时间推移总会出现这样或那样的问题，这给了发明者、生产者不断改进的动力。

在TRIZ理论中，阿奇舒勒将理想度定义为：系统中有益功能的总和与系统中负向功能总和的比率。理想度的基本公式为：/=∑UF/∑HF，其中/表示理想度，∑UF表示有益功能之和，∑HF表示负向功能之和[9]。

理想解认为完全理想的物理状态是不存在的，但是经过不断改进可以实现接近理想的状态。根据公式可以得知，无限地增大分子数值，即增大有益功能之和；无限地减少分母数值，即减小负向功能之和；或者同时增大有益功能和负向功能，但是有益功能增加的速率大于负向功能，都能增大理想度数值。在实际执行过程中，去掉负向功能、增加有益功能，或者解决负向功能的问题冲突使其转化为有益功能，都是提高理想度的有效途径。理想解有四个特点，即消除原来系统的不足，未使原系统变得更复杂，保持系统原有的优点，未引入新的不足。[9]当确定了创新产品或系统以后，检查其是否达到理想化的特点，若无则重新返回优化，直到系统接近理想化特征为止。

1.3 基于AHP的功能分析

1.3.1 系统和功能

系统是由多个子系统组成，子系统之间相互联系、相互作用、相互依靠和相互制约，[12]系统和子系统都具有一定的功能，它们共同组合并完成一定的目标。

20世纪初，价值工程理论首次关注了功能这一概念。功能是产品能够给予人们的某种“属性”，例如冰箱是使用来“保鲜”食物的，电风扇是给人“降温”的。在TRIZ理论中，按照功能的效果与期望之间的差异可分为有益功能和负面功能：有益功能是指功能载体对功能对象的作用按照期望的方向，改变功能对象的参数；负面功能包括有害功能、不足功能以及过度功能。有害功能是指对载体产生了有害的作用，不足功能是指产生的作用实际功能小于期望值，过度功能是指产生的实际功能高于期望值，过度功能虽然未带来有害效果，但也不完全符合期望。[13]

1.3.2 基于AHP的系统构建和功能分析

产品不断创新和迭代的动力来源于用户需求的增长，产品的各项功能满足用户需求是一个产品成功的关键。因此在产品开发初期，围绕产品创新的目标，搜集相关的用户需求点至关重要。可通过界定功能载体是否按照期望值改变功能对象的参数来区分有益功能和负向功能，但是期望值来源于用户的需求，仅凭借设计经验无法反映用户真实需求。如带有支架的手机壳，它为有看视频或阅读需要的人带来了便利，但同时又增加了手机的重量和体积，那么它属于有益功能还是负面功能，有时候取决于用户需求。当用户对支架的需求为接近于零时，它属于过度功能。本文尝试用基于层次分析法的用户需求调研来解决这一问题。

层次分析法(AHP, analytic hierarchy process)[14]是系统化、数学化和模型化的决策方法，它将决策问题用有序的层次结构表示，按照分解、比较、判断、总和的系统思维方式，对备选方案进行优劣排序和评价。[15]层次分析法的使用流程，如图1所示。

图1 层次分析流程图Fig.1 Flow chart of hierarchical analysis

表1 功能分析Tab.1 Functional analysis

1.4 基于AHP和TRIZ理想解的创新设计流程

在TRIZ理论中，典型的过程一般分为三个步骤：问题识别，问题解决，概念验证。[9]本文基于AHP和TRIZ理想解的设计流程，详见图2。由图2可知，第一阶段：根据课题搜集用户的需求指标，建立需求指标分析矩阵，采集相关用户对于需求指标的期望程度值，用层次分析法分析得出各用户期望值权重，用户需求指标转换成可执行的技术指标，同样对技术指标的实际实现值进行量化，然后根据调研数据结果进行功能分析。第二阶段：分析矛盾冲突类型，选择相对应的解决方法或原理，找到TRIZ中相对应的解决策略，形成概念方案。第三阶段：根据理想解的特征，判断创新方案是否可行，若否，返回第二阶段，重新选择解决策略[16-17]。

图2 基于AHP和TRIZ理想解的设计流程Fig.2 Design flow based on AHP and TRIZ ideal final results

2 雪地救援担架创新设计实例

2.1 雪地担架设计调研

担架是灾难救援中必不可少的救援必需用具，雪地救援担架是针对在雪地中发生的灾难如雪崩、雪地运动受伤等情况下，普通的担架无法快速行进而进行的创新设计。救援类产品的使用性能是最重要的技术指标。本文通过访谈和问卷调查，向专业救援人员以及部分用户进行调研，获取32项需求，排除相似性的需求，再根据亲和图法分层建立各层用户需求，如图3所示。系统最终目标为雪地救援担架A，第二层子系统分别为功能性B1、安全性B2、稳定性B3和操作性B4，第三层子系统是各项具体的用户需求。

图3 雪地救援担架层次分析Fig.3 Hierarchical analysis of snow rescue stretchers

表2 目标层判断矩阵Tab.2 Target layer judgment matrix

表3 功能性准则判断矩阵及权重Tab.3 Functional criteria judgment matrix and weight

按照层次分析法的要求对所得结果进行一致性检验，一致性检验结果如表2，CR值均小于0.1，一致性检验通过，说明所获得数据的有效性。最后将各单独的用户需求指标权重乘以上一层需求指标的权重，得到各项用户需求指标的综合权重，并排序，然后根据传统担架的技术标准、设计经验等将各项用户需求指标根据技术实施的经验转换成技术指标，如表4所示。接着邀请专业的担架生产相关技术人员对各技术指标的可实现性与期望值进行比对，依照理想解的规则对各项功能进行划分。

表4 用户需求综合权重及相对应的技术指标Tab.4 Comprehensive weight of user demand and corresponding technical indexes

2.2 功能分析

据上述调研结果的排序，B12、B45、B46虽然没有带来有害作用，但是用户期望值均低于0.01，说明用户对这些功能没有需求，它的实际功能远高于期望值，属于过度功能，对这几项技术指标进行裁减。另外，技术指标B23和B41属于用户期望值较高的指标，然而其中一个指标对另外一个指标会产生有害作用，B23使用硬度高的骨架材料可能导致产品重量变大，不符合B41质量轻的用户需求。技术指标B33和B43、B45也存在一个指标对另一个指标具有损害作用的情况，B43可缩放或折叠结构、可升降的结构可能导致结构松动。用户期望值指标B42移动速度快需要优化，因普通担架在雪地中无法快速行进，原因是传统滚轮式的担架在雪地上无法行走，而人力担架在雪地上行走缓慢，所以该技术指标实际值与用户的期望相差甚远，属于不足功能需要优化。

2.3 矛盾分析与问题解决

根据TRIZ理论，已知的两个技术参数，当某一技术参数中的特性会引起另一技术参数恶化，矛盾就产生了，因此选用冲突矩阵与发明原理来解决问题[8]。首先将具有冲突的技术问题转化为TRIZ标准问题：即39个通用技术参数，B41技术参数为2号通用参数“静止物体的重量”，B23技术参数为13“对象的稳定性”；B33技术参数为13“对象的稳定”，B43、B45均为33“操作流程的方便性”。依次建立冲突矩阵，并查询相相对应发明原理，如表5所示，选择合适的发明原理作为解决方案，第一对冲突选择以具有高强度、轻质量的复合材料钛合金作为解决方案，第二对冲突改变金属材料的物理特性，增加摩擦力，以减小收缩、折叠或升降结构上的稳定性。

表5 冲突矩阵Tab.5 Conflict matrix

当技术系统的“参数属性”不明显的情况下，采用上述矛盾矩阵不能发挥作用，因为有时候矛盾是不可见的，但它又不会消失，对于结构属性明显的问题可以采用物―场分析法[9]。针对上文功能分析所指出的，用户需求指标B42可移动速度快，存在实际速度远不符合实际情况的问题，但是没有明显的参数属性，因此采用物―场分析法。首先建立物―场模型：具有静质量的物质有担架、人或者雪地摩托等(一切可以通过施力移动担架的物质)，分别用S1、S2表示，其中S1为受力体，S2为施力体，两物质中间产生的为机械场，用F1表示，为施力体向受力体施加的拉力，他们之间的互相作用存在效力不足的情况，如问题物―场模型，如图4所示。根据TRIZ原理76个标准解解法，由于担架的滚轮架在雪地上行走会产生较大的摩擦力，从而抵消了施力体对其施加的拉力，导致移动速度过慢，针对这种效应不足的情况采用S2.1.1标准解：引入物质向串联复合物―场模型转换，见图5所示。引入物质雪橇板，在担架上加入雪橇板适应雪地行走，减小摩擦力，让担架能在雪地上快速行走。

图4 问题物―场模型Fig.4 Subjectmatter-field model

图5 物―场模型解决方案Fig.5 Matter-field model solution

2.4 方案评价

利用理想解改进以后的雪地救援担架，采用雪橇板代替原来的滚轮行走使担架在雪地移动速度加快，用钛合金作为骨架材质以增加强度、减轻重量，担架的可收缩和折叠结构部件通过增加摩擦力加强了结构的牢固性。对照理想解的四个特征对新方案进行检验，该方案解决了原系统中功能实际值与用户期待值不相符的技术指标，并且没有使系统变得更复杂或引入新的不足，同时保留了担架原来的性能优点，根据理想度公式：/=∑UF/∑HF，得到理想度值更高，因此可以进一步细化方案。

2.5 方案细化

根据上文对雪地救援担架的用户期望和实际功能的匹配调研，对不符合理想解的技术指标进行优化，对照发明原理和效应库，具体优化方案如下：裁剪B12、B45、B46技术指标；优化B23和B41技术指标，根据40号发明原理，使用符合材料钛合金；优化B33和B43、B45技术指标，根据35号发明原理在金属折叠结构中采用磨砂工艺以增加摩擦力；B42技术指标，采用S2.1.1标准解：引入物质雪橇板，向串联复合物―场模型转换；其余技术指标B13、B14、B15采用现有的担架把手、悬挂拖拽绳、担架面和担架可拆分结构；B11、B22、B24采用现有担架中的睡袋和安全绳结构；B43、B44采用现有担架的折叠和升降结构；B45、B46根据现有担架尺寸(长*宽*高)为195 cm*56 cm*(60-82)cm；B22采用现有担架面的减震层结构。根据各项技术指标转换结果，方案细化模型，如图6所示。

图6 雪地救援担架方案细化模型Fig.6 Scheme refinement model of snow rescue stretchers

3 结论

TRIZ相关理论认为，解决创新问题的困难程度取决于对问题描述的标准化程度。因此引入层次分析法，搜集用户需求的相关数据，把用户需求量化，使得在系统功能分析时，对各项功能的分类有理可依，在概念设计初期问题识别的过程更客观；同时，雪地救援担架的设计过程其实也是对知识重用的过程，在设计过程中许多组件、构建都重用、引用或参考了已有的产品设计成果。因此，基于知识重用对救援担架在极端状况下扩展设计，让设计过程具有科学理论框架作为指导，是接下来研究的方向。经过TRIZ理论对雪地救援担架的创新设计，使其更能适应在雪地这一特殊环境中的救援需求，同时该方法还可以扩展运用在更多具有多功能组合型的产品优化设计中。