基于TRIZ理论的行李箱安全装置优化设计

张茹

（太原师范学院，山西 晋中 030619）

行李箱是出行时用于携带物品的箱包，大致可分为软质行李箱和硬质行李箱，属于行李的类型之一。目前，行李箱的使用已经走进千家万户，因此，在诸如动车、高铁、飞机等交通工具上还具备专门放置行李箱的储存空间和行李托运功能。但随着人们生活质量的提高和思维方式的转变，致力于经用、耐摔功能的传统行李箱已经不能满足人们的要求，而对行李箱安全、材质、外观等属性的提升则被逐渐提上议事日程，特别是传统行李箱安全系数较低的问题亟待解决。目前，国内针对行李箱安全装置的研究还鲜有涉及，因此设计一款具有较高安全性，且不失实用性和便捷性的行李箱具有一定实际意义。

TRIZ理论是“发明问题解决理论”的俄文首字母缩写，该理论基于各种标准知识、面向发明的核心问题，所提炼和总结出的解决方法和指导原则，是阿奇舒勒建立的一套体系化、实用化的发明解决问题的方法[1-3]。TRIZ设计方法核心思想是技术进化原理，由矛盾矩阵、40个发明原理、76个标准解及若干分析求解方法和工具构成其主要技术体系，从发明创新的原理角度出发，给出了正向设计过程中创新思维的运行机制，对复杂产品的创新设计有很好的指导作用[4]。

1 行李箱安全装置的发展现状与需求分析

1.1 发展现状

早期的行李箱多以木质材料制成，后来行李箱的材料趋向更为轻便的硬塑胶或布质，直到智能化旅行箱的设计，其功能多样，例如USB对外充电、GPS定位防丢，遥控器操控等[5]。

当前，国内市售行李箱比较普遍的安全装置是行李箱配备的安全锁。常见安全锁有以下3种。

1）普通密码挂锁（包括多拨式和转盘式）。多拨式密码锁是最简单的密码锁，使用多个拨圈，当拨圈转到正确的密码组合时，锁便可以开启。相比较而言，行李箱中转盘式更加常见，是全机械结构的密码锁，三位数字即可构成密码，操作比较简单且具有安全性。

2）行李箱自带的密码锁头，与普通密码挂锁的工作原理类似，但由于锁头与箱体融合成为一体，因此外观更加协调，易于携带且不会造成锁头丢失。

3）独立的TSA密码锁，也称为海关锁。这种密码锁是海关对转关行李和物件进行安全监测时保证行李箱不被强制破箱而设置的国际通用密码锁，操作与普通密码锁无异，最大的特点是可识别性，主要用于保证货物安全。当前虽然也有指纹智能锁的提出，通过指纹录入和识别来保证行李箱的安全性，并通过NFC模块达到与手机的结合，但由于技术要求较高，至今尚未普及[6]。

1.2 需求分析

针对当前行李箱安全装置的使用，可发现市面上该装置仍以密码锁为主，虽然也有部分行李箱拥有固定装置（例如在行李箱上安装刹车轮），但这也主要是为了防止行李箱的滑移，而针对行李箱箱体的安全防护并未得到保障[7-11]。特别是当用户离开自己行李箱时，行李箱的安全系数就会大大降低，给用户造成行李丢失的困扰。因此，设计一款增加箱体安全性且兼具便捷性、实用性的行李箱具有一定实践意义，同时也可以填补这一市场空缺。

本文将结合TRIZ理论，从多方面分析行李箱目前存在的问题，并有针对性地运用系统理论对行李箱安全装置的设计、安装和应用问题进行解决，并对装置优化后的可行性进行分析，做到设计与生产的融合，解决行李箱目前存在的安全隐患问题[12-13]。首先，本文从系统功能和因果链分析着手，将问题转化为工程技术参数，再使用技术矛盾、物质—场分析法、物理矛盾来进行求解，针对行李箱的具体分析流程，见图1。

图1 行李箱分析流程Fig.1 Flowchart of luggage analysis

2 基于TRIZ的问题分析与求解

2.1 问题分析

2.2.1 系统功能分析

系统功能分析是指通过分析当前系统组件和功能之间及超系统之间的作用关系，能够确定技术上的矛盾和功能上的限制。功能属性分析是寻找创新切入点与简化现有系统最实用的工具，一个完整的功能属性分析是进行系统创新的关键步骤[14-18]。本文对行李箱系统功能的分析将通过建立组件模型、结构模型来逐步建立功能模型[19-21]，具体步骤如下。

步骤1：将行李箱组件拆分为超系统组件（行李、人、地面、力场、固定物）、系统组件（拉杆、箱体、滑轮、把手）和子系统组件（密码锁、拉链），基于此建立组件模型，见图2。

图2 行李箱系统功能组件分析Fig.2 Analysis of the Functional Component of the Luggage System

步骤2：在步骤一的基础上对行李箱各个系统间相互作用的关系进行分析，进而建立组件关系模型，见图3。

图3 行李箱系统功能组件关系Fig.3 Relationship Diagram of the Function Components of the Luggage System

步骤3：基于关系矩阵建立功能模型，见图4。

图4 行李箱系统功能关系模型Fig.4 Function Relation Model of Luggage System

通过对系统功能的分析可以发现，行李箱具备储存并运载行李物件的能力，并能够通过密码锁的形式来保障行李的安全，但当人离开行李，需要将行李箱固定于某一地点时，其装置有限、安全性能不足。

2.2.2 因果链分析

因果分析也是TRIZ理论中重要的分析工具，能够发现问题产生的根本原因并寻找解决问题的薄弱点。因果链分析是全面识别工程系统的分析工具，可以在功能组件分析的基础上挖掘出造成该问题的深层原因[22]，建立初始问题和底层问题的逻辑关系，便于寻找到更多解决问题的突破口。根据行李箱构建的因果链，见图5。

图5 因果链分析Fig.5 Causality chain analysis

通过因果关系链可发现，行李箱安全系数低主要是普通锁作用不佳和行李箱本身固定装置的缺失所导致的。由此可进一步产生以下5组主要的矛盾冲突。

1）如何做到锁与行李箱的一体化；

2）如何在有限的空间内增加安全装置；

3）如何在安装安全装置的同时保障制造过程的简易化；

4）如何在增加安全装置的同时减少质量负担；

5）如何与场景搭配具有附加功能。

2.2 问题求解

根据上文中总结出的矛盾冲突，可根据矛盾类型运用TRIZ理论将问题进行转化，并进行问题求解。

2.2.1 箱体与安全锁一体化问题

物质–场模型是TRIZ重要的分析工具，是指将一个技术系统分成两个物质于一个场或一个物质与两个场，用一个三角形来表示每个系统所实现的功能。物质–场表征模型能直观地表现系统问题，采用76个标准解来使问题得到改善或解决，将具体问题定义并将问题模型化，这是通过符号来表达技术系统变换的一种建模技术[23-27]。当前行李箱系统中，可建立物场模型见图6。目前市面上普通锁只能对行李箱内部物品进行保护，但对行李箱整体的保护指数并不高。

图6 物质–场分析箱体与安装装置一体化Fig.6 Integration of material-field analysis box and installation device

因此，针对这种情况，解决方案即在行李箱上新增一个安全装置来随时固定行李箱，以新增的安装装置S3与S2共同作用，从而在力场的条件下使S3对S1产生充分作用。但在此基础上，还需通过分析技术矛盾来确定安装位置的最优解，从而降低生产成本和使用者的操作难度。

2.2.2 利用技术矛盾优化安全装置一体化问题

矛盾是TRIZ的基础概念之一，针对TRIZ问题中所产生的矛盾，TRIZ理论不主张调和或折中，而是主张解决[28]。TRIZ理论首先采用39个通用工程参数对技术矛盾进行问题描述，将冲突矛盾转化为工程参数，并利用这39个工程参数构造矛盾冲突矩阵，最终筛选出发明创新原理，再结合专业知识，可找到解决具体技术矛盾的方法，进而达到产品创新设计的目的[29-30]。

在行李箱系统中，达到箱锁一体化的具体要求如下。

1）结构简单；

2）易于用户操作；

3）储物、移动和安全功能兼备；

4）保证箱体不丢失，同时保证行李箱内行李的安全；

5）可固定后充当座椅。

在此基础上进一步规范问题描述，将以上5个条件归纳为矛盾TC1、TC2与TC3。

TC1：如果（IF）在行李箱中增加安全装置，（THEN）那么就能提高安全锁在不同环境中的适应能力，（BUT）但是行李箱自身的结构就会变得复杂。

TC2：如果（IF）在行李箱中增加安全装置，（THEN）那么就能增强行李的安全系数，（BUT）但是行李箱自身质量会变大，不利于使用者操作。

TC3：如果（IF）在行李箱中增加安全装置，（THEN）那么就能强化行李箱的防盗功能，（BUT）但是行李箱自身形状会发生变化，影响正常储物和移动功能的使用。

接下来，就将上述问题与TRIZ的39个通用工程参数进行对应。改善的通用工程参数为NO.35（适应性及多用性），恶化的参数为NO.36（装置的复杂性）、NO.2（静止物体的重量）和NO.12（形状）。根据对应的工程参数建立矩阵，见表1。

表1 阿奇舒勒矛盾冲突矩阵表（部分）Tab.1 Altshuller conflict matrix (partial)

根据矛盾矩阵，可以找到组建的矛盾对所对应的创新发明原理为：M35–36=[15,29,37,28]，即15（动态化原理）、29（气动与液压结构）、37（热膨胀）、28（机械系统的替代）。M35–2=[19,15,29,16],即19（周期性动作）、15动态化原理、29（气动与液压结构）、16（不足或超额行动）。M35–12=[15,37,1,8],即15（动态化）、37（热膨胀）、1（分割）、8（重量补偿）。

针对行李箱系统的特殊性，将原理与矛盾进行配对后，最终具有可行性的发明原理为原理1（分割）、原理15（动态化）、原理36（变相），具体可见表2。

表2 技术矛盾发明原理Tab.2 Principle of technological contradiction invention

根据表格中的发明原理及创新方向的确定，采用方案如下。

1）1号分割原理。在将行李箱的组件进行有效分割的基础上加入安全装置，这样可以节省使用空间。通过上文对行李箱进行系统分析后，经筛选可用于分割并能与锁一体化的组件包括把手、滑轮和拉杆。

2）15号动态化原理。将安全装置与行李箱相结合，并转为动态形式，使其能够根据环境的不同进行位置和方向上的调整，增强锁的实用性与适应性。

3）36号变相原理。将行李箱箱体固定在某个位置时，充当临时座椅，即使在晃动的车厢内也能保证行李箱的稳定性。

根据上述原理可以对安全锁位置和形态进行确定，接下来将根据锁在不同位置产生的效果进行方案设计。

方案1：将安全锁与把手相结合。根据分割原理，可以将行李箱把手进行拆解。行李箱把手分为正把手和侧把手，把手主要作用为短距离提拉行李，因而把手长度较短，若将安全装置加入其中则不利于用户的操作，同时由于组件较小，也不利于厂家生产制作。它只能保证箱体不丢失，无法保证行李箱内物品安全，仍然可通过锐利物划开拉链。

方案2：将安全锁与滑轮相结合。行李箱滑轮共有4个，位于箱底，将滑轮与安全锁相结合也可以保证整个行李箱的安全性，但由于行李箱滑轮较小，所以给装置的设计与生产带来较大难度。同时，由于滑轮安装在行李箱底部，不便于用户用锁，特别是对老人、儿童与肢体障碍人士这些特殊群体的使用具有局限性。滑轮锁的主要功能是防止箱体滑动，但不能根本阻止行李箱人为挪动。

方案3：将安全锁与拉杆相结合。行李箱的拉杆与箱体相连接，主要作用是配合滑轮以最省力的方式达成行李箱方向的改变和位置的转移，市面上的大多数拉杆都具有上下升降移动功能，将安全装置加入其中会具有较强的灵活性，以拉杆为中心进行操作也符合用户的日常使用习惯。运用分割原理可以将拉杆设计为可拆卸式组件，手动调整锁的松紧，由于拉杆整体较大且结构简单，为加入安全装置提供了充足的设计和生产空间，但不足之处在于拉杆只能上下移动，因此安全装置对环境的适应能力欠佳。将行李箱安全装置锁于栏杆或座椅旁会阻碍周围人的行动。

将3种方案综合考虑材料回收性、安全性，生产可能性进行草图设计。用户出行的需求为方便、高效、安全，由上文可知方案1、方案2不方便用户使用，并且不便于生产，而方案3符合用户操作习惯，并在设计和结构上符合生产的条件。

综上所述，只有方案3的可行性较高。方案3操作安全锁的舒适度高，并且不会影响为用户提供临时座椅的使用功能，因而确定将安全装置与行李箱拉杆相结合。但将拉杆与安全装置相结合缺乏对环境的适应性，即进一步产生矛盾4为只能竖直上下移动的拉杆操作空间比较有限，不能充分适应多样的环境条件，还需要该系统具备水平转动能力以增强其应变性。

2.2.3 利用物理矛盾解决安全装置对环境适应性不足的问题

物理矛盾是指一个技术系统中对同一个元素所产生的相反需求。物理矛盾解决问题的方式为：通过因果链分析来提取物理矛盾，然后用分离原理来尝试解决并构建方案模型，最终通过原理解决矛盾。而TRIZ理论中解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离[31]。

针对矛盾4，安全装置对环境适应能力不足的问题，首先需要考虑在不同的地点可能会有不同高度的固定物，如候车厅中不同高度的座椅，那么相应地对行李箱安全装置的高度要求是不一样的，因此行李箱拉杆需要具备竖直拉伸的能力以调整高度。然而，当固定物与行李箱拉杆是平行状态时则要求行李箱安全装置具备可水平转动的能力，以扣住固定物。这就出现了一对物理矛盾，具体的矛盾分析见图7。那么可以用分离原理来解决这一矛盾，选择“时间分离原理”推荐的动态特性原理，根据用户需求的不同对其进行动态化组合设计，让安全装置既可纵向移动，也能进行90°水平转动。但具体如何转动还需通过物场分析进一步解决[32-34]。

图7 物理矛盾分析Fig.7 Physical contradictions analysis

2.2.4 利用物场分析解决安全装置水平转动的问题

根据上述矛盾4的解决方案，将行李箱拉杆与安全锁结合在一起，需要安全装置能够同时满足竖直拉伸和水平转动，因为行李箱拉杆本身固定在行李箱上，且竖直拉杆本身不具备转动能力又没有安装转动装置，所以无法水平转动。针对这一矛盾，可进一步建立物场模型（见图8），其中S1为用户，S2为安全装置，S2对S1作用不充分。

基于这种情况，则可以根据分割原理对拉杆顶端（扶手处）进行切割，将拉杆分为伸缩杆和安全锁两部分，并用静音轮将两者进行连接。用物场模型分析即新增S3静音轮来保障安全装置的水平转动，具体模型见图8。

图8 物质-场模型分析Fig.8 Material-field model analysis

综上所述，可以通过行李箱拉杆本身的伸缩功能来保证安全装置的竖直拉伸，同时通过安全锁与静音轮的组合来满足安全装置所需要的水平转动要求。

3 行李箱安全装置创新方案设计

针对上文对行李箱安全装置的分析，通过物场分析和技术矛盾找到了将安全锁与行李箱拉杆相结合的最优解，并将安全装置的可操作空间最大化，达到竖直拉伸和水平转动的双重功能，提高对不同环境的适应程度。在对行李箱安全装置的优化设计中，更多以发明原理NO.1（分割）和NO.15（动态化）的启示为主，将行李箱拉杆的结构进行解构和重组，最终设计出优化后的安装装置——“Freelock”安全锁，将“Freelock”固定在候车厅的边缘座位或栏杆上就可以保证行李箱的安全，解放双手，在解决了无人看管情况下行李箱遗失问题，具体的装置细节，见图9。

图9 优化方案设计Fig.9 Design of optimized scheme

“Freelock”安全装置由行李箱拉杆和锁两部分构成，拉杆与锁可以组合实现竖直和垂直的功能。即当用户需要拖动行李时，拉杆和锁呈直线状态，便于使用者移动行李；而当用户需要暂时离开将行李箱进行固定时，则可以将锁向下旋转90°，与拉杆垂直，从而锁在固定物上。同时，“Freelock”可根据固定物的不同进行角度调整，在安全装置向上拉出时，安全装置可进行360°旋转，装置操作简便，可快速调整行李箱摆放角度以免阻碍他人活动。

使用场景：将行李箱在移动的场景使用，如公交车、地铁、火车等运载交通工具。安全装置将行李箱紧紧固定在座椅旁边的栏杆或其他区域的栏杆充当座椅。当需要挪动位置时拉出安全锁将箱体旋转至另一侧，以便让行人正常通行，如需要再次固定将安全装置按进即可锁定角度。

在人流量密集场所使用。人们暂时离开行李箱，安全装置能防止行李箱被恶意挪动，另外，打开行李箱需要解开密码锁和安全带双重保护，只有将密码设置正确时，行李箱侧面的安全带才会弹出，以免拉链被暴力拆卸，有效防止行李箱内行李丢失，见图10。

图10 安全锁带Fig.10 Safety lock

4 结语

目前，由于人们生活品质的提高和生活方式的转变，日常出行和旅游在人们生活中越来越重要，而随着行李箱的普及，针对行李箱安全装置的设计也是至关重要的。通过TRIZ对行李箱进行矛盾分析和冲突解决，最终在矩阵和标准解中得出优化方案。优化后的行李箱安全装置能够解决用户暂时离开时行李箱和行李箱内物品的安全问题，以及在一些人员密集的场所充当座椅的功能，稳定性好，物尽其用，且生产制作成本较低，达到了理想效果，具有一定的可行性。