石元伍，鄭孝成

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關(guān)于GQFD-TRIZ集成方法在警用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

石元伍，鄭孝成

(湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430068)

針對(duì)警用無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力需求，提出了基于灰關(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能展開(kāi)(GQFD)和發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)相結(jié)合的警用無(wú)人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)集成方法，即通過(guò)GQFD將警用無(wú)人機(jī)的任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為具體使用的性能需求以及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)及其重要度，從而由關(guān)鍵技術(shù)重要度明確改進(jìn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；應(yīng)用TRIZ理論分析設(shè)計(jì)目標(biāo)中的關(guān)鍵問(wèn)題沖突類型，利用標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)和發(fā)明原理消解對(duì)應(yīng)的沖突得到具體設(shè)計(jì)實(shí)施方案。實(shí)踐表明，該集成方法可以在調(diào)研缺少信息、小樣本分析情況下減少設(shè)計(jì)中人為因素干擾，彌補(bǔ)單一創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論的不足，具有可以快速準(zhǔn)確找到設(shè)計(jì)方向并得出可行設(shè)計(jì)方案的突出優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)城市管理環(huán)境中警用無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案實(shí)施，論證了GQFD-TRIZ集成方法的可行性。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)；警用無(wú)人機(jī)；集成方法模型；TRIZ理論；灰色關(guān)聯(lián)法

隨著無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，目前市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)產(chǎn)品具有成本低、易操縱、安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，使其在民用領(lǐng)域迅速普及，如在無(wú)人機(jī)搭載不同設(shè)備載荷后可以執(zhí)行農(nóng)業(yè)、檢災(zāi)、電力、林業(yè)、氣象、測(cè)繪、城市規(guī)劃等領(lǐng)域的復(fù)雜任務(wù)[1]。然而在國(guó)內(nèi)，無(wú)人機(jī)在軍事、警用、消防等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用國(guó)內(nèi)與國(guó)外存在差距，尤其是國(guó)內(nèi)用于城市管理環(huán)境中警用無(wú)人機(jī)還處在起步階段，因此研究聚焦城市管理環(huán)境下警用多用途無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。城市管理環(huán)境中，警察的日常處理任務(wù)主要包括：預(yù)防、制止危險(xiǎn)犯罪活動(dòng)，維護(hù)社會(huì)治安秩序，維護(hù)交通安全和秩序；組織、實(shí)施、監(jiān)督消防工作等。因此需要正確、合理的設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確得到用戶需求，并將需求轉(zhuǎn)化到警用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，把握產(chǎn)品改進(jìn)方向，得到優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)上述需求，為貫穿全流程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，將TRIZ技術(shù)創(chuàng)新方法理論與其他設(shè)計(jì)方法的集成應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢(shì)和結(jié)果。例如，劉曉敏等[2]將TRIZ與公理設(shè)計(jì)(axiomatic design，AD)集成，構(gòu)建了產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣，基于AD理論判斷矩陣是否耦合為創(chuàng)新方案的產(chǎn)生提供了選擇依據(jù)。張鵬等[3]將設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜性理論(design-centric complexity，DCC)和TRIZ集成，將TRIZ功能分解集合與DDC對(duì)應(yīng)集建立聯(lián)系，最終得到以涵蓋重復(fù)功能集、組合集和輔助組合功能集作為復(fù)雜系統(tǒng)功能分解的結(jié)果。閆洪波等[4]等選取六西格瑪設(shè)計(jì)(design for six sigma，DFSS)的質(zhì)量控制流程與TRIZ工具集成，提出了在問(wèn)題定義階段融合路線和實(shí)施步驟，得到了TRIZ與DFSS融合后可實(shí)施的創(chuàng)新方法。白仲航等[5]應(yīng)用價(jià)值工程(value engineering， VE)和TRIZ求解工具相結(jié)合，將VE中的頭腦風(fēng)暴法、功能價(jià)值分析法與TRIZ方法結(jié)合，有效解決了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題。張彩麗等[6]針對(duì)TRIZ對(duì)問(wèn)題分析確定的不足的特點(diǎn)，將質(zhì)量功能展開(kāi)(quality function deployment，QFD)結(jié)合，得到一種由QFD過(guò)程中多種設(shè)計(jì)問(wèn)題的確定與結(jié)合TRIZ的創(chuàng)新求解方法，解決了“做什么”和“怎么做”的問(wèn)題。謝健民[7]將質(zhì)量屋(house of quality，HOQ)的QFD的核心工具與TRIZ相結(jié)合，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模糊前端階段需求、技術(shù)特性以及技術(shù)沖突的決策研究提供了支撐。

為提高顧客滿意度，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，QFD工具可以幫助設(shè)計(jì)師把握用戶需求，通過(guò)HOQ分解工具對(duì)概念設(shè)計(jì)階段需求識(shí)別并確定功能結(jié)構(gòu)，再利用TRIZ尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷淼?，確定出基本設(shè)計(jì)途徑，得出求解方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。由于QFD所用的基本工具是HOQ，傳統(tǒng)的HOQ采用離散型標(biāo)度對(duì)顧客需求及相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行打分。得到的權(quán)重值的精度很低，同時(shí)傳統(tǒng)HOQ的結(jié)構(gòu)限制了多屬性評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用[8]。QFD系統(tǒng)的內(nèi)在模糊性，不能有效地處理早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的定性和模糊信息[9]。迄今為止，針對(duì)QFD系統(tǒng)中有關(guān)不確定性系統(tǒng)的研究方法主要有，模糊數(shù)學(xué)(fuzzy mathematics)、層次分析(analytic network process， ANP)、卡諾模型(KANO model)等方法[10-13]對(duì)顧客需求進(jìn)行分析和處理。

面對(duì)“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)研究問(wèn)題，引入灰色系統(tǒng)理論利用灰關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)“少數(shù)數(shù)據(jù)建?！盵14]。前期調(diào)研對(duì)用戶需求和工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的評(píng)估打分，將評(píng)估結(jié)果整理，以各項(xiàng)工程特性作為比較數(shù)列，各項(xiàng)顧客需求作為參考數(shù)列，建立灰色系統(tǒng)。利用灰色關(guān)聯(lián)度確定顧客需求與工程特性的關(guān)聯(lián)矩陣，灰色優(yōu)勢(shì)分析確定工程特性權(quán)重?；诨谊P(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量功能展開(kāi)(GreyQFD)方法，在傳統(tǒng)QFD確定用戶需求基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)灰關(guān)聯(lián)度和權(quán)值計(jì)算帶入HOQ分析進(jìn)一步排除人為因素影響[15]，最大程度得到準(zhǔn)確的需求重要度及技術(shù)特性重要度信息。并且在設(shè)計(jì)階段合理地運(yùn)用TRIZ方法有效解決無(wú)人機(jī)需求之間的復(fù)雜性矛盾，縮短設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的時(shí)間，得到一款新型警用無(wú)人機(jī)概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，以滿足用戶和市場(chǎng)的需求。

1 GQFD及TRIZ集成創(chuàng)新方法

將灰關(guān)聯(lián)分析理論、QFD與TRIZ理論結(jié)合的集成模型具體實(shí)施步驟為：

首先由前期用戶需求調(diào)研分析得到目標(biāo)產(chǎn)品主要的用戶需求及工程技術(shù)特征，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行打分評(píng)估，整理評(píng)估結(jié)果，以各項(xiàng)工程特性作為比較數(shù)列，各項(xiàng)顧客需求作為參考數(shù)列，建立灰色系統(tǒng)。根據(jù)鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析模型的基本思想，提出了一類廣義灰色關(guān)聯(lián)分析模型[16]。

步驟1. 計(jì)算得到灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣。

設(shè)X=(x(1), x(2),···,x())(1,2,···,)為用戶需求參考序列，Y=(y(1),y(2),···,y())(1,2,···,)為鍵技術(shù)性能的比較序列。并對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行零化處理0=x()–x(1)，(1,2,···,)。0= y()–y(1)，(1,2,···,)。

其中，

(1)

(2)

X與Y的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度ε為

X與Y的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度r為

X與Y的灰色綜合關(guān)聯(lián)度ρ為

計(jì)算可得灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣

若X>X1，計(jì)算用戶需求的重要度權(quán)值為

若X≥X1，計(jì)算用戶需求的重要度權(quán)值為

其中，為重要程度，通常取值為=0.5。

步驟3. 將得到的關(guān)鍵技術(shù)性能重要度及灰關(guān)聯(lián)矩陣填入HOQ，根據(jù)傳統(tǒng)HOQ方法分析出警用無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)性能及重要度排序，并根據(jù)建立的HOQ屋頂?shù)募夹g(shù)特征自相關(guān)矩陣，判斷出技術(shù)特性之間存在負(fù)相關(guān)的特征，依據(jù)負(fù)相關(guān)特征確立接下來(lái)使用TRIZ解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

步驟4. 使用TRIZ理論解決沖突，對(duì)HOQ中存在的負(fù)相關(guān)技術(shù)特征進(jìn)行識(shí)別分析，設(shè)想出方案將矛盾明晰化。將設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ中使用39個(gè)通用工程參數(shù)描述的問(wèn)題矛盾，將得到的沖突矛盾歸納為技術(shù)矛盾或物理矛盾。技術(shù)矛盾借助矛盾矩陣尋找對(duì)應(yīng)的40條發(fā)明原理解決，物理矛盾使用分離原則找到解決此類矛盾對(duì)應(yīng)的具體發(fā)明原理[18]。由于最終得到的發(fā)明原理較多，根據(jù)HOQ中分析得到的技術(shù)性能重要度確定設(shè)計(jì)的關(guān)鍵領(lǐng)域，并結(jié)合得到的全部發(fā)明原理篩選出最有效用的原理，運(yùn)用到最終的方案中得到創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。GQFD及TRIZ集成模型如圖1所示。

2 結(jié)合GQFD和TRIZ的警用無(wú)人機(jī)概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確提取警用無(wú)人機(jī)使用需求，且考慮到用戶需求的多樣性和模糊性，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)、市場(chǎng)調(diào)查同類型產(chǎn)品，以及對(duì)城市一線警察及專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查獲取用戶之聲，分析警用無(wú)人機(jī)在城市使用場(chǎng)景中的主要用戶需求[19]。經(jīng)過(guò)匯總，提煉城市警用無(wú)人機(jī)的主要用戶需求歸納為：空中巡邏1、通訊指揮2、跟蹤打擊3、消防救援4、綜合保障5、偵察6。關(guān)鍵技術(shù)性能要求歸納為：長(zhǎng)續(xù)航1、機(jī)動(dòng)靈活2、多用途載荷3、信息采集4、堅(jiān)固穩(wěn)定5、攜帶輕便6。

得到主要的警用無(wú)人機(jī)需求和關(guān)鍵技術(shù)性能，然后請(qǐng)相關(guān)20名專業(yè)設(shè)計(jì)人員對(duì)城市警用無(wú)人機(jī)的用戶需求X和關(guān)鍵技術(shù)性能Y分別進(jìn)行打分。將打分結(jié)果進(jìn)行匯總，得到需求及技術(shù)評(píng)估表(表1)。打分標(biāo)準(zhǔn)采用1~9分對(duì)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)重要度進(jìn)行打分，9分為最重要，1分為最不重要。根據(jù)公式可以計(jì)算出警用無(wú)人機(jī)需求X和關(guān)鍵技術(shù)性能Y的灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣。

步驟1. 將警用無(wú)人機(jī)用戶需求設(shè)為參考序列為1，2，3，4，5，6，鍵技術(shù)性能作為比較序列為1，2，3，4，5，6。通過(guò)式(1)~式(4)計(jì)算得到最終灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣，即

表1 需求及技術(shù)特評(píng)估表

步驟2. 計(jì)算相應(yīng)用戶需求的絕對(duì)權(quán)值排序?yàn)?/p>

從而可以得出：；然后根據(jù)式(7)，取=0.5，計(jì)算得到X的絕對(duì)權(quán)值：=(1.5，3.5，2.5，0.5，5.5，4.5)。

步驟3. 將絕對(duì)權(quán)值與灰色綜合關(guān)聯(lián)矩陣填入HOQ，根據(jù)傳統(tǒng)的HOQ方法可以得出城市警用無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)性能Y重要度及排序，以及之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從圖2可以看出城市警用無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)性能重要度排名為：機(jī)動(dòng)靈活、長(zhǎng)續(xù)航、多用途載荷、堅(jiān)固穩(wěn)定、攜帶輕便、信息采集。因此，在概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)解決使用無(wú)人機(jī)以下幾個(gè)問(wèn)題：靈活機(jī)動(dòng)滿足出警需要的問(wèn)題；使用過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的問(wèn)題；具有多功能的模塊執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的問(wèn)題。當(dāng)然還需考慮到無(wú)人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固飛行穩(wěn)定，且有良好的圖像等其他信息的采集能力的二級(jí)需求，其他功能如：與警用業(yè)務(wù)系統(tǒng)高度融和，通訊數(shù)據(jù)高度安全等因素也要被考慮。這是未來(lái)進(jìn)一步研究警用無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向。

圖2 警用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品GQFD量表(部分)

步驟4. GQFD分析方法的階段識(shí)別重要的工程需求，針對(duì)負(fù)相關(guān)技術(shù)特征識(shí)別矛盾應(yīng)用TRIZ進(jìn)行無(wú)人機(jī)的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)[20]。對(duì)無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)性能的主要工程需求識(shí)別，包括進(jìn)行功能分解并確定矛盾沖突并分析確定矛盾類型為技術(shù)沖突還是物理沖突。技術(shù)沖突可以通過(guò)查詢矛盾沖突解決矩陣列表尋找對(duì)應(yīng)發(fā)明原理解決[21]，物理沖突采用分離方法，找到相反的需求解決方案。把相反的需求通過(guò)時(shí)間分離原理、空間分離原理、條件分離原理、系統(tǒng)分離原理分開(kāi)對(duì)應(yīng)[22]，這4種分離原理解釋分別對(duì)應(yīng)40條發(fā)明原理。

利用圖2基于灰關(guān)聯(lián)分析的HOQ結(jié)果，結(jié)合HOQ的屋頂?shù)玫降募夹g(shù)特征關(guān)聯(lián)矩陣，列出負(fù)相關(guān)功能有：警用無(wú)人機(jī)續(xù)航-機(jī)動(dòng)靈活、多用途載荷-續(xù)航、機(jī)動(dòng)靈活-多用途載荷、續(xù)航-便攜。面對(duì)上述的主要負(fù)相關(guān)功能，通過(guò)TRIZ理論解決矛盾沖突并將負(fù)相關(guān)功能進(jìn)行分析識(shí)別，反映在39個(gè)工程參數(shù)中獲取矛盾[23]。

利用矛盾示意圖提出方案，從設(shè)計(jì)實(shí)際出發(fā)把問(wèn)題中的矛盾凸顯，然后與對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)聯(lián)系，警用無(wú)人機(jī)矛盾示意圖如圖3所示。

圖3 警用無(wú)人機(jī)矛盾示意圖

4對(duì)負(fù)相關(guān)技術(shù)特征中根據(jù)技術(shù)性能重要度以及圖3矛盾示意圖中對(duì)應(yīng)的TRIZ問(wèn)題沖突，得出出最重要的問(wèn)題是續(xù)航-機(jī)動(dòng)靈活，在解決警用無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)會(huì)增加電池容量，而重量增加又會(huì)影響無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)靈活，將關(guān)鍵問(wèn)題轉(zhuǎn)化為“9速度”與“1運(yùn)動(dòng)物體重量”這組技術(shù)沖突。同樣警用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)靈活-多用途載荷之間增加多用途載荷會(huì)使無(wú)人機(jī)質(zhì)量變重影響其靈活機(jī)動(dòng)屬于相同矛盾，查找矛盾矩陣得到推薦發(fā)明原理：No.2，No.8，No.13，No.38。其次多用途載荷-續(xù)航互為1組矛盾，增加多用途載荷會(huì)使警用無(wú)人機(jī)重量增加導(dǎo)致無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間縮短，此問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為“15運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間”與“1運(yùn)動(dòng)物體重量”的技術(shù)沖突，得到的發(fā)明原理有：No.19，No.5，No.34，No.31。警用無(wú)人機(jī)續(xù)航-便攜之間的矛盾是增加續(xù)航電池重量會(huì)增加與無(wú)人機(jī)質(zhì)量體積輕便易攜帶的要求存在相反的需求沖突，可判斷為物理沖突，根據(jù)TRIZ中物理沖突解決辦法使用“時(shí)間分離原理”將無(wú)人機(jī)飛行和攜帶轉(zhuǎn)移的過(guò)程分離實(shí)現(xiàn)沖突化解，其中推薦發(fā)明原理為：No.6，No.10，No.11，No.15，No.16，No.18，No.19，No.20，No.21，No.29，No.34，No.37[24]。根據(jù)得到的用戶需求權(quán)重以及技術(shù)性能重要度排序，對(duì)推薦發(fā)明原理進(jìn)行整理分析，選取其中使用頻率最高以及最優(yōu)的發(fā)明原理：No.2，No.5，No.15，應(yīng)用于警用無(wú)人機(jī)概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)中具體見(jiàn)表2。

3 警用無(wú)人機(jī)概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)介紹

根據(jù)TRIZ原理解釋?xiě)?yīng)用及GQFD方法中的HOQ分析結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品特征得到警用無(wú)人機(jī)創(chuàng)新概念方案，如圖4所示。整體的警用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)分為2部分：無(wú)人機(jī)機(jī)體及無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)。創(chuàng)新加入警用無(wú)人機(jī)車(chē)載起降平臺(tái)，使無(wú)人機(jī)整體與起降平臺(tái)結(jié)合可以固定到警用車(chē)輛上，為快速出警使用無(wú)人機(jī)裝備提供便利。

表2 原理解釋?xiě)?yīng)用

圖4 無(wú)人機(jī)的起降平臺(tái)

如表2得出主要3條原理相互影響，為解決續(xù)航和與機(jī)動(dòng)靈活的主要矛盾，所示采用了No.2原理提出設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，將續(xù)航電池從無(wú)人機(jī)本身獨(dú)立出來(lái)，在無(wú)人機(jī)續(xù)航不足時(shí)只需提前返回平臺(tái)將備用電池更換即可，以此可以減輕無(wú)人機(jī)飛行負(fù)擔(dān)。在解決續(xù)航和便攜這對(duì)物理矛盾時(shí)根據(jù)No.15原理警用無(wú)人機(jī)在出警前往執(zhí)行任務(wù)地時(shí)可停放于無(wú)人機(jī)平臺(tái)內(nèi)部，而無(wú)人機(jī)平臺(tái)可類似與車(chē)頂行李箱固定與警車(chē)頂部，可以大大增加其機(jī)動(dòng)性，改變以往使用警用無(wú)人機(jī)需要搬運(yùn)及人工收放的繁瑣步驟，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的出警效率。關(guān)于無(wú)人機(jī)降落平臺(tái)系統(tǒng)可以作為警用無(wú)人機(jī)中繼站，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的快速機(jī)動(dòng)起降，且平臺(tái)自主的為無(wú)人機(jī)起降時(shí)提供智能引導(dǎo)，以確保其穩(wěn)定準(zhǔn)確起飛和回收。圖5為無(wú)人機(jī)的起降平臺(tái)部分。

圖5 城市警用無(wú)人機(jī)輔助平臺(tái)細(xì)節(jié)示意圖

(1. 警燈；2. 可開(kāi)合玻璃罩；3. 滑動(dòng)導(dǎo)軌；4. 無(wú)人機(jī)定位識(shí)別模塊(4組)；5. 底部支架卡座(固定無(wú)人機(jī))；6. 停機(jī)升降臺(tái)；7. 電池吸(取放電池)；8. 輔助電源系統(tǒng)模塊(存儲(chǔ)備用電源))

警用無(wú)人機(jī)部分針對(duì)多用途載荷和續(xù)航問(wèn)題，采用No.5原理，將多用途功能設(shè)計(jì)成可以組合在無(wú)人機(jī)上的模塊，針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行更換組合，如圖6所示在無(wú)人機(jī)下部設(shè)計(jì)快裝接口的槽13避免警用無(wú)人機(jī)功能集成過(guò)多導(dǎo)致復(fù)雜且耗電。此外考慮到警用無(wú)人機(jī)偵查的用戶需求，在無(wú)人機(jī)底部設(shè)計(jì)11，14兩組相機(jī)云臺(tái)以便獲得更全面的偵查視角，如圖6為警用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)部分。

如圖5所示平臺(tái)尾部設(shè)計(jì)有幫助無(wú)人機(jī)更換電池續(xù)航的輔助電源系統(tǒng)模塊8，內(nèi)部可以存放2塊備用電池，當(dāng)警用無(wú)人機(jī)需要更換電池續(xù)航時(shí)可采用如圖7所示步驟實(shí)現(xiàn)電池更換，且換下電池可在平臺(tái)內(nèi)充電為下次無(wú)人機(jī)續(xù)航準(zhǔn)備。無(wú)人機(jī)在平臺(tái)上自主穩(wěn)定起降關(guān)鍵技術(shù)是基于UWB定位技術(shù)原理。UWB無(wú)線定位系統(tǒng)使用超窄脈沖測(cè)量飛行時(shí)間技術(shù)，位置解算算法結(jié)合底層的精確測(cè)距和計(jì)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)人機(jī)飛行定位，滿足了結(jié)合起降平臺(tái)的警用無(wú)人機(jī)的自主的智能精準(zhǔn)起降[25]。

圖6 警用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

(1. 槳葉保護(hù)；2. 槳葉；3. 頭部探照燈；4. 前后傳感器模塊；5. 無(wú)刷電機(jī)；6. GPS模塊；7. 機(jī)臂；8. 支腳指示燈；9. 減震支架；10. 底部傳感器；11. 攝像云臺(tái)1；12. 兩側(cè)傳感器模塊；13. 模塊裝備替換端口；14. 攝像云臺(tái)2；15. 電池倉(cāng)；16. 底座支架)

(a) 步驟1(b) 步驟2(c) 步驟3(d) 步驟4

使用創(chuàng)新集成方法得出的警用無(wú)人機(jī)與市面現(xiàn)有的警用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品如圖8所示進(jìn)行對(duì)比，創(chuàng)新方案彌補(bǔ)了現(xiàn)有產(chǎn)品續(xù)航時(shí)間短、不便于快速使用、體積大不便攜、放置不便、以及自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題，盡可能的考慮到了用戶需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了基于GQFD-TRIZ的產(chǎn)品集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型，并將其應(yīng)用到警用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新之中。首先使用GQFD構(gòu)建了基于灰關(guān)聯(lián)分析的用戶需求與功能需求的HOQ模型，然后借助TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解法解決了功能需求的負(fù)相關(guān)矛盾沖突，由此得到滿足用戶需求的且較為理想的警用無(wú)人機(jī)與具有中繼功能的起降平臺(tái)組合的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

(a)(b)(c) (d)(e)(f)

((a) ?？低昒AV-MX6100A；(b)哈瓦戰(zhàn)斧H-16 Tomahawk；(c)北方天途M6FA安防無(wú)人機(jī)；(d)艾特-TA100反恐無(wú)人機(jī)；(e)一電警鷹-F600；(f)科比特-獵鷹P6)

這種集成GQFD和TRIZ設(shè)計(jì)模式能夠在一定程度上彌補(bǔ)單一設(shè)計(jì)理論的不足，對(duì)城市警用無(wú)人機(jī)的需求論證具有指導(dǎo)意義，最終方案也為警用無(wú)人機(jī)裝備研制提供了有益的探索。

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Application Research on GQFD-TRIZ Integration Method in Police UAV Design

SHI Yuan-wu, ZHENG Xiao-cheng

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

Aiming at the requirements on the ability of police drones to perform tasks, this paper proposes an innovative design method for police drones based on grey relational analysis of quality function development (GQFD) and theory of inventive problem solving (TRIZ). GQFD transforms the mission requirements of the police drone into the performance requirements of the police drone and the corresponding key technologies and their importance, thereby understanding the design goals by the importance of key technologies. The paper also applies TRIZ theory to analyze key problem conflict types in design goals, and uses standard engineering parameters and the invention principle which settles conflicts to obtain a specific design and implementation plan. In practice, the integrated method can reduce the human-factor interference in the design under the condition of lack of information and a small amount of sample analysis, and make up for the deficiency of a single innovative design theory, displaying the advantages of being able to quickly and accurately find the design direction and obtain a feasible design solution. The feasibility of the GQFD-TRIZ integration method was demonstrated through the implementation of the innovative design of the police drone in the urban management environment.

innovative design; police UAV; integrated method model; theory of inventive problem solving; grey relational method

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020296

A

2095-302X(2019)02-0296-07

2018-09-18；

2018-12-07

石元伍(1971-)，男，湖北武漢人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槔夏昊O(shè)計(jì)、智能制造等。E-mail：645688909@qq.com