基于QFD-TRIZ 理论的医疗垃圾转运系统设计

韩雨欣 刘宏越 胡昌格

（天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

在智能化的时代发展下，医疗垃圾处理的科技创新方面仍有待提升[1]。目前在医疗垃圾转运设备工作中仍以医护工作人员参与为主，污染感染风险较高[2]。医疗垃圾产生区域广泛，处理及运输环节复杂，例如需通过尾气处理装置等[3]，因此智能医疗成为当下的主要诉求[4]。在此情况下需寻求医疗垃圾转运设备工作系统更智能化、更高效安全的创新方法。文章通过QFD 与TRIZ 理论的综合运用，以得到医疗垃圾转运设备的工作系统优化方案。

1 QFD 与TRIZ 理论概述

QFD 理论是将使用者需求转为设计功能的理论，将使用者需求作为出发点，驱动功能质量展开的方法，计算使用者需求权重，输入使用者需求信息，提出工程措施，针对各项使用者需求逐一列出，再分析需求与工程措施的关系程度、工程措施重要程度，最后分析市场竞争能力及对每项工程措施的实现水平。而解决QFD 理论技术措施之间的矛盾，需结合TRIZ 理论。

TRIZ 理论提供系统化、专业化的剖析，建立创新思路和新的设计方 向[6]。TRIZ 理论中，由39 个工程参数和40 个发明理论构成的矛盾矩阵表是常用的工具[7]。TRIZ 理论将QFD 功能质量屋的技术措施矛盾转化，得出问题解决方法，形成使用者需求与解决途径一体的综合模型，运用流程如图1 所示。

图1 QFD-TRIZ 综合模型运用流程

2 医疗垃圾转运系统现状

医院楼内外区域的医疗垃圾转运工作与医疗服务活动关系密切，医疗垃圾转运设备的运行与医院内医护人员及病人之间也会互相影响[8]。机器视觉技术在垃圾转运系统中发挥重要作用。一些医疗垃圾转运设备可自主分类运输医疗垃圾，实现无人值守垃圾转运[9]。

现存医疗垃圾转运设备工作系统运转流程如图2 所示。医疗垃圾转运设备工作系统主要包含垃圾运输过程、垃圾分类及使用者操作环节。

图2 现存医疗垃圾转运工作系统图

在垃圾转运工作系统中，工作流程较为明确，但人工参与环节依然较多，影响工作效率且存在感染风险。例如，在楼内工作人员收集垃圾过程中，首先需耗费大量时间前往垃圾产生区域，再按照医疗垃圾类别打包分类，最后将楼内垃圾转运至院内设备中。医疗垃圾高效地清洁与利用，可优化处理流程[10]。医疗垃圾的处理方式、收集与运输细节需按照国家标准执行。每种垃圾需根据不同专业方法进行处置[11-12]。医疗垃圾具有强传播性、毒害性等危险的特点[13]。在医疗垃圾收集过程中，需预防医疗垃圾混合或渗漏的危险，结合设备的智能分拣功能保证使用者卫生安全，发生意外需能自主上报相关部门[9，14-15]。室内至室外转运过程是医疗垃圾转运系统至关重要的环节，在遵守上述标准的前提下，设备工作系统需不断更新补充垃圾种类与性状，并及时自动生成转运流程报告。

3 基于QFD-TRIZ 理论的医疗垃圾转运系统设计思路

3.1 构建医疗垃圾转运系统质量屋

3.1.1 使用者需求分析

使用者需求来自于使用医疗智能转运设备的用户，通过调研11 名医院使用者对医疗垃圾转运设备工作系统的实际使用，进行使用者的人机工学层级需求分析。

其中位于医院室内区域的使用者，通过对使用者与设备交互过程的观察及问答，得出使用感受；通过对垃圾收集、归位轨迹观察，确定流程是否符合操作规范；通过记录使用者投放垃圾的过程，确定设备分类识别是否明晰。

整理使用者室外操作智能垃圾箱过程中，观察使用者与智能垃圾箱装卸动作，确定垃圾箱高度对使用者的影响；询问使用者操作垃圾回收界面规范程度，操作界面是否美观整洁，操作引导的重要性及界面是否符合操作规范；询问使用者对转运设备外观的印象；询问维修人员在设备存放区域对转运设备的维修过程的感受；询问管理者在设定设备轨迹、设备智能突发状况处理及垃圾处理进度方面的诉求。

根据使用者在医疗垃圾转运设备使用中的需求进行整理，归纳为五类二层级需求，16 个三层级需求。如表1 所示，通过11 名医院使用者对三层级需求的打分，得到需求的1～5 级重要度并计算出权重系数。

表1 使用者需求层级表及权重系数

由上表可知，使用者在智能垃圾箱高度、突发状况处理、操作引导、符合操作规范及工作状态安全五个方面的需求权重系数最高，为得出技术措施提供重点实际观察方向。

3.1.2 使用者需求质量屋分析

构建QFD 功能质量屋，将医疗垃圾转运设备工作系统使用者人机工学方面需求放入左墙进行分析。依据最高权重系数的五个方面，观察并总结医疗垃圾转运设备工作系统的技术措施。功能角度，垃圾识别及智能分类、行驶路径及安全可靠性为设计重点；人机交互角度，操作界面与使用者交互动作、操作界面布局规划为关注重点；造型角度，整体设备造型及配色为设备在运行时为使用者及医患关注点。将得出的16 个使用者需求与案例中总结的11 项技术措施填入质量屋，分析使用者需求与技术措施之间的关系，量化两者的关系程度Rij及工程措施之间的相关程度，如图3 所示。

图3 功能质量屋构建

通过质量屋内容可得知，三对负相关技术措施中，设备工作系统中的操作界面简洁化，操作流程会受到影响，简化后可能导致操作关键步骤缺失或操作连贯性不明确；未来感的设备外观造型设计导致人机交互比例失调，如操作界面高度、设备维修口过高等情况；路径智能化会导致密封集成电路过多，如损坏可能需直接更换元件。负相关技术措施由TRIZ 理论转化并解决。

3.2 基于TRIZ 的矛盾问题转化与解决

在医疗垃圾转运设备工作系统的技术措施分析中，呈现负相关的有操作流程简洁与操作流程规范、未来感造型与人机交互比例、路径智能化与方便维修。如表2 所示，运用TRIZ 理论中的39 个通用工程参数描述冲突可对负相关的三对冲突转化，得到相应通用工程参数。选择40 条发明原理中的相应原理解决矛盾。

表2 矛盾问题转化与解决

将医疗垃圾转工作系统初步的解决方法利用理论中的功能分析、资源分析和因果分析，最终形成详细的转运设备系统设计依据。三个解决方法总结为操作步骤、人机交互环境及系统的智能化效率。

1）功能分析对应系统操作步骤优化。确保操作流程规范的前提下，简化操作步骤，多维布局，将人工监管的重复性工作步骤写入设备工作系统的程序中。如表3 所示，分为三类工作系统的操作步骤，给出对应的优化结果。

表3 功能分析

2）资源分析对应人机交互环境优化。如表4 所示，归纳医疗垃圾转运工作系统中所参与的使用者、交互场地、能量、场及信息。

表4 资源分析

3）因果分析对应工作系统的智能化效率提升。解决此问题的目的为尽量减少在医疗垃圾转运设备工作系统中人工参与环节，提高人机交互智能化效率。如图4 所示，从设备工作系统的设备移动路线、垃圾分类环节及使用者角度归纳。

图4 因果分析

4 医疗垃圾转运设备工作系统设计方案

根据QFD-TRIZ 理论的综合模型，由QFD 理论得出使用者人机工学方面需求与三对技术措施负相关，再通过TRIZ 理论找到相应解决方法，最后利用功能分析、资源分析和因果分析形成最终解决方案，优化医疗垃圾转运设备系统。

4.1 设计分析

将综合模型得出的解决方法形成最终优化方案，具体运用如下：

1）功能分析结果形成转运系统运作流程。设备信息处理流程确定设备工作轨迹及地点，垃圾处理流程确定由人工下达指令后设备进行垃圾处理与数据存储，数据回传确定在工作系统中产生的所有操作均存入总系统。

2）资源分析结果形成系统中参与工作的硬件、人员配置。使用者团队由10-15 名行政人员、专业人员组成，把控日志报告和垃圾处理环节产生的新废物类别，时刻具有最高操作权限。硬件配置为存储计算机、操作终端、30 台左右的医疗垃圾转运设备。每台设备及总存储存储时刻保持与基站联网，实时上传工作状态与日志。

3）因果分析结果形成智能化总逻辑。工作人员下达指令后，室内设备自主识别并分类医疗垃圾、智慧规划轨迹，完成工作后交由室外大型医疗垃圾转运设备统一处理。最终由工作人员批准和审核。设备、人工操作数据均回传至总系统。

4.2 方案设计

将解决方案的具体运用归纳为医院总管理、系统运作、人机交互端及数据存储四个部分。医疗垃圾转运设备工作系统如图5 所示。

图5 医疗垃圾转运设备工作系统

1）医院总管理部分。包含医院总行政层级的系统、总系统、主机数据存储中心及最高操作的权限，是医院内部行政管理最高层。垃圾转运设备工作系统的最高处置权限都由此部分管控。

2）转运系统运作部分。是转运系统内部的处置逻辑。包含设备总存储、智慧轨迹信息库、垃圾处理顺序逻辑及交互系统指令传达分析。全程智能化处理，人工介入处理确认、数据传回总系统及交互指令发送。

3）人机交互端部分。是使用者与设备的交互环节，使用者通过操作屏幕输入下达指令至转运设备。还包括转运设备的调配协同等工作分配及工作签字确认环节。

4）数据存储部分。即转运设备的数据存储。此部分可生成工作报告表格自动上传至总系统、日志报告至垃圾分类库等。

5 结论

智能时代背景下，对于医疗垃圾转运设备工作系统的智能化无人化诉求日益迫切，防范重大突发公共卫生事件的能力仍是重点。文章综合运用QFD 与TRIZ 理论，构建了完整的使用者人机工学需求及其解决方法的医疗垃圾转运设备工作流程。结果表明，高效智能的医院总管理、人机交互端、转运系统运作、数据存储等部分的设计，可减少使用者感染风险，降低医疗垃圾处理不当导致不良后果的概率，为医疗废物处理工作提供了新的解决思路。