基于可拓优度评价的生态设计方法模型

柳和青　罗莉　陈哲

关键词：生态设计 创新理论 可拓优度评价 TRIZ 层次分析法

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）08-0128-04

引言

20世纪九十年代联合国环境署对环境问题综合性分析得出解决环境问题的根本应当在产品本身，强调在产品诞生到淘汰的周期中寻求生态与社会经济之间的平衡关系，对环境问题的思考应当映射到产品开发的整个过程[1]。由此，产品生态设计得到关注，引起一波热潮。早期产品生态设计大部分是以夸张的手法对废品再利用，以此让人们关注环境问题。这类作品的具有强烈的震慑效果，造价昂贵难以批量化生产，继而无法改变用户行为，也不能起到保护环境、解决环境问题的作用。

产品生态设计不应该局限于表现形式与材料上，更需要融入环境因素的科学结构化方法进行设计。2007年Garrette Clark提出产品的30%到80%的环境影响可以在设计概念阶段确定，这表明在在产品概念设计早期融入生态指标，运用科学结构化的方法模型更有助于设计出生态环保的产品，以应日常生活使用。

一、产品生态设计原则

1990年“生态设计”一词首次出现在关于生态友好型产品开发的相关项目手册中。这意味着设计师有意识地尝试在产品周期的全过程考虑环境因素，运用逐步逼近的方法设计出生态良性产品，探索其与传统设计不同的独特原则。

产品生态设计具有系统性。其本质即是站在系统化的视角上，将整个产品看作一个功能整体，分析和把握产品各子系统的内部结构、特征，以及彼此之间的相互联系与影响，其最终目标是要求目标系统能够实现特定功能[2]。基于产品生态设计的系统性，作为子系统之一要与自然系统、社会系统之间实现动态平衡[1]。其次生态设计具有周期性。周期性针对产品寿命，要综合考虑产品整个生命周期过程，提高产品重复利用率，延长产品寿命 [1]。不仅如此产品生态设计还需要综合性考虑产品制作成本、产品使用功能、材料环境影响、产品回收报废等多元化要素。在设计过程中需要利益相关者参与，以宏观多元化的视角考虑设计问题。

融合生态设计独特的原则，产业生态学衍生出一种实用与生态设计的新型工具，即生命周期评价法，此类生态设计方法，需要参与者具有强大的理工科知识、配合科学实验检测、结合设计工程师的深厚工作经验，因而难以适用于日用小产品或批量化的生产工业链中。为突破这一应用空缺，高效的结构化设计方法模型显得尤其重要。

二、设计原理与方法

用于创新设计的方法繁多，选用其中的TRIZ理论与可拓学为生态设计方法论基础。TRIZ 理论是由前苏联的著名审核员盖瑞迟·阿奇舒勒联合专业研究团队提出，该理论是基于团队多年对数万例世界顶尖专利的分析研究。该理论提出产品创新的核心是解决设计中的矛盾，有效解决发明问题[3]。可拓学是一门跨领域，涉及范围广泛的学科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于分析和解决矛盾问题的学科[4]。

TRIZ理论具有很强的可操作性，分析方法自下而上;可拓学自上而下更具有一般性、客观性。两者可以相互补充作为一种新的设计方法理论。刘征等提出一种基于发明问题解决理论融合规则推理和案例推理的产品生态设计方法，并通设计案例验证该方法的有效性[5]。受此启发，本文将结合可拓学基元模型与优度评价辅助TRIZ功能分析，研究结构化的产品生态设计方法模型，并进行生态设计测评。

三、产品生态设计方法模型

基于可拓学优度评价的产品生态设计方法模型是在传统的设计流程中融入生态设计原则，使设计的全过程中考虑环境因素。在模型中借助可拓学基元理论与TRIZ功能分析对产品进行系统化分析，综合生态设计原理提出设计方案，运用可拓学优度评价对方案进行测评，判断方案的环境友好度。主要设计方法模型流程图如图1所示。该设计方法模型，结合可拓学数学模型的基础上融入环境因素，相比于传统的理论创新方法更具有系统性与结构性。

四、设计方法实践—以削皮器为例

工业革命时代机械化生产投入应用，大量产品涌入市场形成饱和，出现产品飞速迭代、经济危机、环境污染等一系列难题。这一难题至今仍然需要解决，在可以大批量投入生产的同时尽可能减轻环境压力，设计出符合大众需求、社会需求的产品。本文将提出的设计方法模型应用于日常可大批量生产的产品——削皮器，在传统设计流程中融合生态设计原则，借助创新设计理论对其进行分析与方案测评，确定其可批量性、生态性与商业价值性。

（一）产品定位

国内最大的互联网购物平台“淘宝”对削皮产品的数据分析可知（如图2所示）， 对于削皮器类产品，市场需求大、用户基数大、价格低廉且多数为大批量机械化生产。从日常认知出发，产品适用人群为大部分女性（少部分男性暂不考虑），产品功能主要是对外皮需要处理的瓜果蔬菜进行削皮、切丝、切片等。

对现有产品数据分析的基础上，附加生态设计原则，提出对削皮器的新定位。要保持原有的功能系统，在此基础上符合用户行为，避免不必要伤害。兼顾商业价值性，减少对环境的影响，此外要符合生态标准，延长产品生命周期，提高重复利用率。

（二）用户分析

削皮器类产品的目标用户群体主要为十八岁以上女性，在厨房、餐厅等场所使用。女性用户在选取厨房用具时，首要标准是产品的实用性与价格，其次是外觀与色彩，最后是材质与使用寿命。对于小型产品，价格因素占据百分之七十的占比。

以日常生活中的案例为主，一般通过高价采购的商品出现各种问题，客户会通过售后或维修等方式进行修正，尽力使产品能够在寿命有效期内发挥最大的能动性;相反如果是一件低廉的小商品，客户不会为了“小”事而特意修理，会选择购买新的替代品。身边经常会有这样的现象，这类下意识行为也使得这些批量化生产的廉价商品快速迭代，增加环境压力。由此，通过用户分析与产品分析，借以改变削皮刀的行为方式与结构，迫使人们意识到“小”产品对环境改良也具有“大”意义。在选择产品时，除比较这产品的价格、功能质量外，也需要被动考虑环境因素与产品生命周期[6]。

（三）产品分析

借助TRIZ理论与可拓学基元模型对产品进行系统化解构，明晰产品痛点、产品环境问题与使用方式，为后续方案设计提供方向。运用TRIZ功能层次分析对产品进行解构：削皮器为一个产品系统，其超系统为人手，目标对象为需要削皮的瓜果蔬菜。其子系统为刀片与器身，特征结构为刀片接口、把手。结合功能层次建立基元模型。

基元是用形式化的方式展现事物相关参数的模型，包括物元、事元和关系元，基元一般由对象O，特征C和量值V三元组组成，可以用一维或多维的形式表现事物的各个参数，其一般表达式为：

M=（O，C，V） （1）

由此结合层次分析建立基元模型，其系统为：

M₁=[削皮器，功能，削皮动力，手动重量，轻材质，塑料]

超系统：

M₂=[人手，手指数，5状态，正常]

目标：

M₃=[瓜果蔬菜，形状，不规则球体，重量，不等]

子系统：

M₁₁=[刀片，形状，长方形材质，不锈钢属性，锋利]

M₁₂=[器身，长度，≥掌长宽度，≤掌宽形状，长柄状]

结构特征：

M₁₂₁=[刀片接口，形状，圆柱形数量，2个状态，可传动]

M₁₂₂=[把手层，形状，圆柱体功能，增大摩擦]

建立功能事元与关系元：

A₁=[握持，支配对象，M₁施动对象，M₂方式，横握效果，一般]

A₂=[削皮，支配对象，M₁接受对象，M3方式，滑动效果，略差]

A₃=[支撑，支配对象，M₁₁接受对象，M₁₂₁方式，拼接效果，略差]

R₁=[内嵌关系，前项，M₁₂₁后项，M₁₂联系方式，形状配合]

从多元因素对产品进行分析。对产品事元的分析了解其主要材质为塑料，成本低、可批量加工生产。该产品作为日常消耗品，需求巨大，产量多，在面对国内“限塑令”的号召下，其材质选择需要考究。在设计方案中，应当考虑产品材料对环境的友好性以及后续回收的程度。

基元模型对产品组件的分析，在事元与关系元中可以了解削皮刀传统握持方式固定，效果一般;削皮行为方式几乎固定为刀动手持，容易在移动过程中出现误伤等情况，效果略差;刀口与刀身支撑功能略差，刀口连接效果略差，意味产品关键功能组件易损坏，没有回收与利用价值。综上可以清晰了解产品结构功能弱，导致产品寿命短被淘汰;产品使用行为单一，容易对用户造成非必要伤害。由此，该产品可以从产品材料、结构与行為方式上进行改良设计。通过基元模型对产品的结构分析配合功能模型图，将产品系统与超系统之间的利害关系直观地进行展示，如图3所示。

（四）方案分析

行为设计。基于出现的问题提出设计方案。削皮刀为日常生活用品，结合用户的反馈，可知使用削皮刀时，湿润的手难以握持住物体，以至于经常会在使用过程中伤害到用户。针对这一问题，本文改变传统的握持方式。将刀口固定于平台之上，避免器身移动;将刀动手持的行为方式，改变为手持物体被动削皮，避免了刀的移动可能带来的危险。保持原有系统功能，提高用户体验感。

结构设计。杨教授提出产品生态设计是将“从摇篮到坟墓”转为“从摇篮到摇篮”[7]。在结构中重用特定组件，赋予产品有机会恢复重复装配的质量，同时也要从承载特性、装配、拆卸及后续回收的复杂性角度，对不同连接方式进行比较评估。设计方案中将产品结构设计为可拆卸替换款式，不同款式的刀口可满足不同削皮、切片、削条等功能需求。方案中改变传统刀口与器身的连接方式，同样设计的可替换式刀片可以循环利用、重复购买，即可恢复最佳的产品质量。

材料选择。在国家大力支持下，中国南玻集团股份有限公司研发单银Low-E玻璃，取得重大成功。自此绿色玻璃作为环保材料备受欢迎，也促进了国内绿色玻璃行业的发展。玻璃材质化学性质稳定，自身不会产生任何污染，安全性极高。就以2017年为例，2017年中国废玻璃共回收近9 0 0万吨，回收率高达47%，在材料选择上，较于塑料，玻璃材料更具有生态环保的前景。由此在材料上选用玻璃，配合食品级304不锈钢以及可食用橡胶。其主要设计结构图如图4所示。

（五）评价分析

针对关键性问题提出设计方案，并明晰评价标准，将提出的设计方案与其他方案进行优度评价，以此来测评设计方案是否具有生态友好性。该评价基本过程如下所示。

①确定衡量指标。产品的好坏或优劣具有相对性，是跟一个标准衡量指标进行比对。评价一个对象的优劣必须反映出利弊的程度及它们可能的变化情况[8]。在改进设计产品生态安全的算法中，采用的标准可以是定量的，也可以是定性的。结合生态设计原则提出三类生态标准：

1. 利用再生材料进行产品设计的生态标准——材料的安全性C1、环保性C3 （可降解、使用周期长短）

2. 通过回收组件和部件进行产品设计的生态标准——产品系统模块化

3. 产品拆解工艺的生态标准——可拆卸性C₂

在此基础上结合实际生态环境的需求，兼顾商业价值标准C₄。由此，拟选择产品设计方案中的安全性C₁、环保性C₃、可拆卸性C2和商业价值性C₄为四个参数作为衡量指标。

②确定权系数。评价一个对象Oj（j=1，2，...，m）优劣的衡量指标SI有轻重之分，以权系数来表示衡量指标的重要性[9]。在计算权系数a时，选用层次分析和积法。用1-9比率标度法来确定各衡量指标之间的相互比率，并数据比例进行整理，如表1所示。

根据比例标度表1可以构造判断矩阵A为：

将判断矩阵A′隔行相加得到向量O为：

将向量O进行归一化向量O′，向量O′为所求结果权系数。其向量表达式为：

③建立关联函数，计算规范关联度。取Vi为离散数据的集合，根据衡量指标的要求，建立关联函数Li（x），设产品的安全性、可拆卸性、环保形和商业价值性的量级均为1-5级，建立简单的离散型关联函数为L_i：

将目前已经存在的两款削皮器与新设计的削皮器进行比对。第一款如图5所示，安全性一般，可拆卸性略差，环保性良好，商业价值良好，因此取得Kc₁（O₁）=3、Kc₂（O₁）=2、Kc₃（O₁）=4、Kc₄（O₁）=4; 第二款，安全性良好，可拆卸行一般，环保型略差，商业价值略差，由此评定取得Kc1（O2）=4、Kc₂（O₂）=3、Kc₃（O₂）=2、Kc₄（O₂）=2;第三款为上文中提出的设计方案，安全性良好，可拆卸性良好，环保性良好，商业价值一般。由此取得Kc₁（O₃）=4、Kc₂（O₃）=4、Kc₃（O₃）=4、Kc₄（O₃）=3。

根據上述分析，三款削皮器关于衡量指标的关联度分别为：

（六）综合分析

将上述优度评价过程中的计算数据进行整合，填入优度评价表中，可以将数据以直观的表现形式进行对比。相较于上述繁琐的数学计算过程更能客观地体现方案之间的优缺点，是优度评价方法中必不可少的一项环节。针对三个设计方案进行汇总，得到表2，削皮器优度评价表。

从用户分析中了解用户目标、用户行为;从产品分析系统明确产品结构、产品功能、产品矛盾，发现关键性问题;在方案分析中，明晰生态标准，对用户行为、产品结构、产品材料三部分进行分析，将设计全过程中融入生态理念与标准，确保最大程度的生态化;评价分析是通过可拓学优度评价的方法对提出的方案从生态指标的角度出发进行测评，通过数学模型可以将评测方式更加系统化、结构化、模型化;综合分析总结运算总过程中的各类数据，把复杂的数据以形式化的方式呈现。本文提出的产品生态设计方法模型，在对产品进行生态设计方法上提供了相对客观的形式，但在测评阶段，仍然缺乏主观的生态测评参数作为依据，因此该方法仍有改良空间。

结语

产品生态设计不仅是对环境的一种设计，也是对经济和社会问题的一种设计。产品生态设计不仅是对功能的设计，也需要平衡社会需求与商业价值。通过结合TRIZ理论与可拓学工具能够为产品生态设计所追求的系统平衡提供一种数据化方法模型。优度评价方法需要使用者能够客观、真实地进行测评，过程中无法忽略个人主观的评测，针对这部分仍具有改良的空间。本文提出的设计方法模型可以应用于其他产品设计领域中，有助于设计师系统性分析产品，结合科学有效的方式进行结构化设计。