现有技术下的低碳产品的概念设计方法研究

陈远刚

（青岛大学，山东 青岛 266071）

一、前言

大量的碳排放来自能源产品的生产和使用，引起严重的环境问题，这就使得概念设计阶段考虑减少产品的碳排放量显得十分重要。产品在使用阶段的过度碳排放往往与两类问题有关:1.交付的功能与期望的功能不匹配;2.不可持续的用户行为。为了帮助设计师建立更低碳的功能结构设计，本文提出了一种低碳概念设计方法，帮助设计师从“技术系统”和“人类使用”的角度提出低碳设计策略。该方法还包括“需求获取与分析”和“功能结构建立”。一方面，由于功能结构是一个由多种技术原理支持的“技术系统”，因此TRIZ 法则被用来研究功能结构，因为它对技术系统的演化是有效的。另一方面，提出了功能匹配的内容和方法，从功能匹配和可持续行为两个方面寻求“人用”阶段的低碳设计策略。最后，从“技术系统”和“人的使用”的角度，将所有低碳设计策略结合起来，建立低碳功能结构。

二、有关文献研究

（一）概念设计的需求获取与分析

在概念设计阶段，需求通常需要被引出、分类和优先化。为了解决这些问题，近年来研究人员采用了一些基于互联网、大数据挖掘和物联网技术的新方法。他们提出了一些收集互联网社区消费者需求信息的策略；使用流行的社交网站来支持需求获取、优先级排序和协商。同时提出了从网上购物平台的评论中挖掘用户需求的不同方法。这些研究提供了宝贵的见解和建议，但仍不能很好地支持低碳产品设计。比如，就一些生产设备或公共用能设施而言，其购买者往往是经销商而不是用户，网络点评不能很好地反映一线用户的要求。此外，上述方法通常用于处理用户的功能要求，但低碳要求是约束性要求，一般来自于立法，如“能源使用产品指令”，或标准，如“PAS 2050 指南”（BSI，2008）和“ISO/TS14067”（ISO，2013）。

（二）功能定义与功能结构建立

一般来说，功能可以从不同的角度来定义。如意图观点和系统观点。从意图的角度来看，意图观点是用户描述他们期望的需求，因此适合于产品需求的获取和分析。从系统的角度看，系统观主要应用于系统建立功能结构的阶段。在这些系统观点中，能量——物质——信号（EMS）模型是最著名的方法之一。对于这个模型，功能结构由两部分组成，第一部分是能量物质信号的输入和输出在整个系统和外部世界之间流动，其次是能量物质信号的输入和输出在每个子功能之间流动。由于能源和材料与碳排放密切相关，本研究选择EMS 模型建立功能结构。

从概念设计的角度来看，产品的生态设计受到广泛讨论。在这些研究中，TRIZ方法及其组合工具被广泛使用。例如，国外科学家整合了基于案例的推理和TRIZ 方法，维诺德等人结合了ECQFD、TRIZ、AHP 等方法来解决产品可持续设计的问题。基于新的矛盾矩阵，设计了一种名为ECA TRIZ（TRIZ 生态法）的新方法。在这些研究中，研究者主要利用矩阵和TRIZ 发明原理解决环境设计问题和产品的环境设计，而TRIZ的进化规则证明了在概念设计阶段适合功能结构。

从“人类使用”的观点出发，韦弗等人认为通过改变用户的行动和匹配功能，可以实现可持续使用。关于行为变化的方法通常有“生态信息”、“生态反馈”、“脚本”和“强制功能”。在功能匹配中，通过引进质量功能，可以将“客户需求”和“工程特性”关联起来。同样的原理也可以用于将低碳需求信息转换为功能结构设计。这意味着可以使用此方法来提高子功能优先级与需求优先级的匹配程度。但是，主要功能参数与实际需求的定量匹配有待进一步研究。

文献综述表明，到目前为止，对产品概念设计的需求和功能结构进行了大量的研究。然而，对于低碳产品的概念设计而言，需求获取和分类的效率有待提高，低碳功能结构的建立很少同时考虑“技术系统”和“人的使用”的角度。这些使得低碳概念设计难以实施。

三、低碳概念设计的方法研究

构建低碳功能结构设计，需要从“技术系统”“人类使用”两个角度进行改进。

（一）从“技术系统”角度改进

由于温室气体的排放通常与能源消耗有关，因此通常可以认为能源流动与低碳要求直接相关。值得注意的是，人类从事体力劳动产生的碳排放量并未计算在内。例如，手动榨汁机或自行车，使用这些产品时，会有人为引起的能量流动，但这些产品不会产生碳排放。产品中的物质流和信号流通过影响能量流来影响碳排放。因此，在EMS 模型的基础上绘制功能结构后，可以从能量——物质信号流的角度对其进行系统的改进，重点是能量流。根据TRIZ 法，常见的能效改进措施如下：使用更清洁的能源；提高能量转换效率；减少能源形式转换的数量；减少能量转移的次数。通过这些措施，可以识别现有功能结构中不必要的能量损失，并提出系统的改进策略。

（二）从“人类使用”的角度改进

从“人的使用”的角度探讨低碳设计，就是要通过诱导“可持续使用”来减少碳排放。在“可持续利用”方面，从“功能匹配”和“行为改变”两个方面提出改进策略。由于对“功能匹配”的讨论较少，本研究探讨了功能匹配的具体内容，提出了一种“功能匹配”的方法，包括定性匹配、定量匹配。

在定性功能匹配方面，将现有EMS 模型用户需求项进行了比较。如果所需功能具有相应的交付功能，则标记为“Y”，否则标记为“N”。如果所交付的功能在所需的功能中不存在，请检查它是否是冗余的。最后将“N”项和高权重项作为功能结构的重点改进对象。

在定量匹配方面，设计人员需要选择权重较大且标记为“Y”的需求项，然后列出与之相关的一些参数。需要强调两点：（1）这些参数必须能够被分配一个度量数据（或区间），因为只有度量数据是定量数据；（2）这些参数在QFD 中不是EMs，因为它们是面向用户的。EMs 一般是产品的技术参数，以工程师为导向。大多数用户不熟悉EMs。例如，用户更关心的是“机器制作一个冰淇淋需要多长时间”，而不是“机器的功率或能效比是多少”。

然后将人为预设与现有产品的交付值进行对比。首要的预期值参数表示为DSi，而相应参数的传递值表示为DLi。这两个值往往可以形成一个或多个数值组，用三种方式来把它们进行匹配，如表（1）所示:

表（1）、函数参考匹配的三种类型

参数匹配度的计算公式如下：

当DSi 和DLi 两者都属于区间比例数据时，L(DSi ∩DLi)表示第1 个期望的参数和第I 个传递参数相交的总区间长度。L(DSi ∪DLi)表示第1 个期待参数和第1 个传达参数的和集合的总区间长。如果DSi 和DLi 同时属于比例数据，则将DSi 和DLi 中较小的值将分配给L(DSi ∩DLi)，将DSi 和DLi 中较高的值分配给L(DSi ∪DLi)。在经过一系列计算匹配度后，对于匹配度较低的参数进行初步审查和改进。

在“可持续利用”的行为改变上，设计师需要观察用户的行为，找出用户在使用过程中浪费能源和资源的不良行为。然后使用适当的“行为改变设计”方法或原则来改进功能结构，以抑制或消除这些不良行为。完成以上任务后，可以整合各个角度的设计策略，构建低碳功能结构。

四、总结与展望

在概念设计阶段实施低碳产品设计是一项艰巨的任务。为此，本文提出了低碳的概念设计方法。该方法分为需求获取分析和功能结构构建两个阶段。并提出了低碳设计策略和低碳功能结构。此外，重新设计的产品可以比现有产品节省更多的能源。这表明，这种方法有助于在概念设计阶段激发一些低碳设计策略。

今后的设计师的工作可在以下几个方面进行：1.建立产品的物理模型，计算实际使用情景下使用过程中的能耗和碳排放，并进一步验证本文提出的方法；2.收集产品的能耗数据和人用数据，调查能耗与人用的关系。最后，形成数据驱动的低碳概念设计方法。