付曉莉 - 許 橋 楊樹峰 - 張 斌

(中原工學(xué)院，河南 鄭州 451191)

饅頭機(jī)生產(chǎn)線作為饅頭批量化生產(chǎn)的主要方式，是傳統(tǒng)面食的新制造工藝[1]。面對食品加工生產(chǎn)線行業(yè)逐漸壯大發(fā)展的現(xiàn)狀，客戶對饅頭機(jī)生產(chǎn)線的品質(zhì)和造型提出了更高的要求。因饅頭機(jī)生產(chǎn)線存在設(shè)備流程操作復(fù)雜、造型設(shè)計(jì)缺乏特色的現(xiàn)象，需借助多學(xué)科理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)造型、功能的優(yōu)化配置。蘇建寧等[2]運(yùn)用AHP/QFD/TRIZ對玫瑰花蕾采摘機(jī)進(jìn)行整體功能要求的設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)過程的客觀性。Vinodh等[3]運(yùn)用ECQFD、AHP與TRIZ集成模式對汽車部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品在競爭中的可持續(xù)發(fā)展。Leonardo[4]利用QFD與TRIZ對模具進(jìn)行開放式設(shè)計(jì)，以提升材料和能源的利用率。王軍等[5]基于可拓創(chuàng)新法與TRIZ理論優(yōu)化營地手推車，提高了手推車?yán)寐?，獲取了手推車折疊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新解決方案。辜俊麗等[6]基于AHP與TRIZ理論，以殘障人士的輪椅為設(shè)計(jì)案例進(jìn)行研究，驗(yàn)證了多理論結(jié)合運(yùn)用的合理性。

綜上，多學(xué)科理論的結(jié)合可有效避免設(shè)計(jì)過程中的偏差。針對現(xiàn)有饅頭機(jī)生產(chǎn)線現(xiàn)狀，文章擬利用AHP對用戶需求進(jìn)行重要度分析[7]；通過TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與AHP參數(shù)快速轉(zhuǎn)換，構(gòu)建TRIZ矛盾矩陣完成方案求解，運(yùn)用TRIZ物—場分析法解決作業(yè)過程存在的問題，確定饅頭機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)最佳方案，并導(dǎo)入模糊評價(jià)法對方案進(jìn)行定量評估[8-9]，旨在推動食品生產(chǎn)線領(lǐng)域造型研究的發(fā)展。

1 基于AHP與TRIZ的創(chuàng)新流程

AHP與TRIZ設(shè)計(jì)模式以提高設(shè)計(jì)流程的效率為目的，通過精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)需求解決具體問題，使求解過程變得有據(jù)可依，保持精度的同時(shí)提升問題解決效率。

AHP與TRIZ融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

(1) 通過對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立AHP需求層次模型對產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行分析。

(2) 根據(jù)問卷調(diào)查、專家打分引入1～9標(biāo)度法[10]量化相鄰評價(jià)指標(biāo)，建立判斷矩陣；運(yùn)用Matlab計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；再通過檢驗(yàn)判斷矩陣一致性，從而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)區(qū)域。

(3) 將AHP獲取的參數(shù)與TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換；分析產(chǎn)品矛盾沖突，確定具體解域以建立矛盾矩陣，定位最佳解域；并將其導(dǎo)入物—場模型進(jìn)行具體分析，確定3個(gè)設(shè)計(jì)方案。

(4) 利用模糊評價(jià)法，對3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行專家評價(jià)，確定最佳設(shè)計(jì)方案。

2 饅頭機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

2.1 AHP評價(jià)層級建立

2.1.1 建立層次模型 基于產(chǎn)品用戶的行為觸點(diǎn)[11]重要度進(jìn)行分析排序，確定設(shè)計(jì)需求三層級：美觀性、功能性及人機(jī)交互，建立饅頭機(jī)層次模型。主要研究目標(biāo)為饅頭機(jī)生產(chǎn)線的造型設(shè)計(jì)，造型設(shè)計(jì)滿足使用功能，同時(shí)注重人機(jī)交互。得到饅頭機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)評估指標(biāo)體系如圖2所示。

(1) 美觀性：造型是對功能的體現(xiàn)，同樣作為企業(yè)品牌形象的展示。以色、形、質(zhì)三要素準(zhǔn)確把握美觀性設(shè)計(jì)的核心，塑造自身品牌設(shè)計(jì)特色。因此，以上3個(gè)要素作為美觀性層級的評價(jià)指標(biāo)。

(2) 功能性：饅頭機(jī)生產(chǎn)線作為功能性設(shè)備，在造型設(shè)計(jì)中將功能性納入評價(jià)指標(biāo)?，F(xiàn)有饅頭機(jī)生產(chǎn)線存在操作流程復(fù)雜且連續(xù)性不強(qiáng)的問題，通過簡化操作步驟、增強(qiáng)設(shè)備緊密性來保證操作流程的完整，實(shí)現(xiàn)功能與形式的和諧。

圖1 基于AHP與TRIZ的設(shè)計(jì)流程Figure 1 Design process based on AHP and TRIZ theory

(3) 人機(jī)交互：饅頭機(jī)生產(chǎn)線需要與人配合完成，實(shí)現(xiàn)以人為中心的交互設(shè)計(jì)思路[12]。以行為驅(qū)動設(shè)計(jì)提升饅頭機(jī)生產(chǎn)線的可操作性[13]，考慮設(shè)計(jì)以下指標(biāo)：人機(jī)操作舒適度、界面交互適配性和設(shè)備流程便捷。推進(jìn)食品加工生產(chǎn)線對于人機(jī)交互尺度的考量。

2.1.2 構(gòu)建矛盾矩陣 引入1～9標(biāo)度法量化相鄰評價(jià)指標(biāo)，如表1所示。根據(jù)調(diào)查饅頭機(jī)生產(chǎn)線工人、設(shè)計(jì)人員及饅頭消費(fèi)者，共發(fā)放60份問卷，回收有效問卷55份；獲取評價(jià)數(shù)據(jù)，構(gòu)建判斷矩陣；運(yùn)用Matlab計(jì)算求解，得到判斷矩陣最大特征值及對應(yīng)特征向量；運(yùn)用一致性比率CR判斷是否合理，計(jì)算各層級指標(biāo)權(quán)重，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

2.1.3 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 由表2可知，饅頭機(jī)生產(chǎn)線基準(zhǔn)層重要程度由高到低為人機(jī)配合、功能性、美觀性。通過對每層級關(guān)鍵要素分析，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表3所示。

人機(jī)交互基準(zhǔn)層用戶細(xì)節(jié)關(guān)注度由高到低為：界面交互適配性、人機(jī)操作舒適度和設(shè)備流程便捷，對于人機(jī)交互來說設(shè)備操作細(xì)節(jié)要符合人機(jī)習(xí)慣；功能性層級中用戶對設(shè)備關(guān)聯(lián)度較重視，兼顧操作流程的完整性；美觀性層級中用戶側(cè)重于形態(tài)結(jié)構(gòu)簡單和材料使用壽命，整體造型滿足功能前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型美觀升級。因此對饅頭機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需充分考慮表3中數(shù)據(jù)。

圖2 饅頭機(jī)生產(chǎn)線需求層次模型Figure 2 Demand hierarchy model of steamed breadmachine production line

表1 1～9標(biāo)度及含義Table 1 1～9 scale and meaning

表2 單排序權(quán)重、綜合權(quán)重及第2，3層級一致性檢驗(yàn)

表3 各層級重要因素的確定

2.2 矛盾矩陣構(gòu)建與40條發(fā)明原理應(yīng)用

通過對設(shè)計(jì)目標(biāo)滿足饅頭機(jī)生產(chǎn)條件進(jìn)行分析，若要進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)則存在4對矛盾:人機(jī)操作舒適性與設(shè)備間故障率的矛盾、操作流程的簡化與設(shè)備間復(fù)雜度的矛盾、設(shè)備安全運(yùn)行效率與外部適應(yīng)能力間的矛盾、造型創(chuàng)新與設(shè)備運(yùn)行時(shí)長的矛盾。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以上矛盾中一方的改善勢必會造成另一方的惡化，因此判斷為技術(shù)矛盾并進(jìn)行通用工程參數(shù)轉(zhuǎn)換，如表4所示。建立矛盾矩陣，對應(yīng)最佳的解域如表5所示。

通過查詢40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理并結(jié)合饅頭機(jī)生產(chǎn)線自身的功能特性，提出4對矛盾沖突的解決方向。對于沖突1，為滿足人機(jī)使用的舒適度，增加有效操作范圍，通過對生產(chǎn)線操作維度的改變來降低失誤率，擬采用第17條發(fā)明原理；沖突2為簡化饅頭機(jī)操作流程、提升運(yùn)行效率，可以提取設(shè)備中有用的功能來改善整體設(shè)備復(fù)雜程度，對應(yīng)發(fā)明原理第2條；沖突3為增強(qiáng)設(shè)備間的運(yùn)行安全，需加強(qiáng)設(shè)備內(nèi)外環(huán)境的聯(lián)系來提升應(yīng)變能力，選擇第24條發(fā)明原理設(shè)計(jì)；饅頭機(jī)生產(chǎn)線造型創(chuàng)新表現(xiàn)可通過改變曲面、運(yùn)動軌跡，使設(shè)備間聯(lián)系更緊密同時(shí)減少運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)用第14條原理設(shè)計(jì)。具體原理應(yīng)用及初步方案設(shè)計(jì)見表6，矛盾解決方案示意圖如圖3所示。

2.3 矛盾分析下的饅頭機(jī)生產(chǎn)線物—場模型應(yīng)用

針對技術(shù)矛盾問題，應(yīng)用39個(gè)通用工程參數(shù)及40條發(fā)明原理來解決，但在實(shí)際問題中需引入物—場模型理論[14]，以物質(zhì)和場的角度分析饅頭機(jī)生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)存在的問題。當(dāng)饅頭機(jī)生產(chǎn)線由直線轉(zhuǎn)換為環(huán)形，產(chǎn)生閉環(huán)造成修理人員對機(jī)器維修困難及總開關(guān)放置的不便。

表4 設(shè)計(jì)沖突與通用工程參數(shù)轉(zhuǎn)化

表5 TRIZ矛盾矩陣簡表

表6 發(fā)明原理應(yīng)用及創(chuàng)新方案

圖3 矛盾解決方案示意圖Figure 3 Schematic diagram of conflict resolution

引入物—場模型進(jìn)行分析，得出該物—場模型屬于有害模型，利用物—場分析中一般解法3，引入1個(gè)場F2來抑制原來場F的有害作用，重建物—場分析的三角模型表達(dá)兩者間的關(guān)系。

改進(jìn)方案：由于沖突2中抽取出運(yùn)輸?shù)墓δ埽蓪⑦\(yùn)輸機(jī)由原有的2臺改進(jìn)為1臺。針對饅頭機(jī)環(huán)形生產(chǎn)線原有8臺機(jī)器改進(jìn)為7臺，以和面機(jī)與擺盤機(jī)間空出區(qū)域促成環(huán)形中心與外部環(huán)境的聯(lián)系。保證機(jī)器維修與總開關(guān)放置的便捷，方案解決流程如圖4所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證AHP與TRIZ結(jié)合的模糊評價(jià)法的可行性，將其運(yùn)用于饅頭機(jī)生產(chǎn)線創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。由于人機(jī)配合因素在產(chǎn)品的使用體驗(yàn)上非常重要，因此，對于饅頭機(jī)生產(chǎn)線的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需提供更符合人機(jī)工學(xué)的優(yōu)選方案。如設(shè)備在高度一定的情況下，控制面板要求符合人眼視覺特性，功能艙門大小、設(shè)備操作平臺尺寸的設(shè)計(jì)符合人體動態(tài)尺寸等。依據(jù)文中階段各要素權(quán)重值排序結(jié)果對饅頭機(jī)生產(chǎn)線造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到3個(gè)造型設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

方案A1整體以圓潤的弧形為主要設(shè)計(jì)表現(xiàn)，設(shè)備罩殼采用圓角設(shè)計(jì)，塑造一種流暢簡潔的風(fēng)格，圓潤的造型雖更美觀，但在設(shè)備間同等體量運(yùn)輸帶的設(shè)置，影響操作者工作效率，易產(chǎn)生疲勞；方案A2整體主要以曲面、圓角為設(shè)計(jì)元素，其設(shè)計(jì)風(fēng)格飽滿、有張力，安全性較高，但作為機(jī)械設(shè)備硬朗的美觀性相對較差；方案A3設(shè)備造型以直線、圓角和斜角為元素，結(jié)合方案A1和方案A2設(shè)計(jì)一種硬朗中帶有圓潤的設(shè)計(jì)風(fēng)格，對于運(yùn)輸帶的進(jìn)一步改善，便于使用者操作，能夠?qū)︷z頭機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行安全性與美觀性的均衡考慮。

圖4 物—場分析解決流程圖Figure 4 Flow chart of matter field analysis solution

圖5 饅頭機(jī)生產(chǎn)線造型設(shè)計(jì)方案Figure 5 Modeling design of steamed breadmachine production line

3.2 模糊綜合評價(jià)

為有效解決方案評價(jià)中設(shè)計(jì)要素多且復(fù)雜、主觀判斷無法量化的問題，選擇食品行業(yè)專家5名，基于基準(zhǔn)層和子準(zhǔn)則層的目標(biāo)權(quán)重對3個(gè)饅頭機(jī)生產(chǎn)線造型設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)運(yùn)用模糊評價(jià)法進(jìn)行定量評估。將評價(jià)等級劃分5級，即V=(非常滿意，滿意，一般，較差，非常差)。根據(jù)專家打分生成表格(見表7)。通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出方案A1得分為81.76，方案A2得分為80.76，方案A3得分為83.26，評價(jià)結(jié)果優(yōu)劣排序?yàn)榉桨窤3>方案A1>方案A2,因此方案A3為最佳設(shè)計(jì)方案。

(1) 具體評估過程運(yùn)用一級模糊綜合評價(jià)，

Aij=wiRij，

(1)

式中：

i——不同層級，i=1,2,3;

j——不同方案，j=1,2,3;

Rij——i層級的第j方案隸屬度矩陣。

(2) 二級模糊綜合評價(jià)：

(2)

式中：

Rj——第j層級二級指標(biāo)權(quán)重矩陣；

Df——第j層二級模糊評價(jià)指標(biāo)。

3.3 最終優(yōu)化方案描述

最終優(yōu)化方案以幾何特征為系列化設(shè)計(jì)元素，采用環(huán)形加工流程，增強(qiáng)了設(shè)備間的關(guān)聯(lián)度；通過功能艙門設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程可視化，高效把控加工環(huán)節(jié)；融合機(jī)電智能化設(shè)計(jì)，簡化操作流程。其中以和面機(jī)、壓面機(jī)、成型機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、饅頭機(jī)、擺盤機(jī)為饅頭機(jī)生產(chǎn)線主要設(shè)備，通過各設(shè)備間的流程配合，實(shí)現(xiàn)饅頭的生產(chǎn)。和面機(jī)、壓面機(jī)作為生產(chǎn)前期的發(fā)酵系統(tǒng)；成型機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、饅頭機(jī)組成中期的成型系統(tǒng)；擺盤機(jī)作為最終的成品輸出系統(tǒng)；各系統(tǒng)間相互配合，構(gòu)成環(huán)形饅頭機(jī)生產(chǎn)線的整體方案，如圖6所示。

表7 產(chǎn)品綜合隸屬度

圖6 饅頭機(jī)生產(chǎn)線優(yōu)化方案Figure 6 Optimization of steamed bread machine

4 結(jié)論

以饅頭機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為例的層次分析法和發(fā)明問題解決理論結(jié)合的模糊評價(jià)系統(tǒng)，從饅頭機(jī)生產(chǎn)線的美觀性、功能性、人機(jī)交互三方面，運(yùn)用層次分析法獲取用戶的核心需求并將主觀性分析轉(zhuǎn)化為客觀數(shù)據(jù)信息；結(jié)合發(fā)明問題解決理論進(jìn)行工程參數(shù)轉(zhuǎn)化，確定矛盾沖突類型并運(yùn)用發(fā)明原理構(gòu)建產(chǎn)品創(chuàng)新初步方案，再運(yùn)用物—場分析法解決實(shí)際運(yùn)行的問題；通過對方案集進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，實(shí)現(xiàn)對方案的優(yōu)選排序，分別為80.76，81.76，83.26，得出A3為最佳設(shè)計(jì)方案。經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，食品機(jī)械專家評分與基于層次分析法和發(fā)明問題解決理論結(jié)合的模糊評價(jià)系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)果相同，方案A3最符合設(shè)計(jì)要求。綜上，評價(jià)模型的有效性與合理性，實(shí)現(xiàn)了饅頭機(jī)生產(chǎn)線最佳方案的選擇，解決了饅頭機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中定性數(shù)據(jù)與定量參數(shù)的問題，為其他方案設(shè)計(jì)提供量化參考。但在設(shè)計(jì)方案評價(jià)中專家意見存在一定的主觀因素，因此，該問題還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。