張茹

（太原師范學(xué)院，山西 晉中 030619）

行李箱是出行時用于攜帶物品的箱包，大致可分為軟質(zhì)行李箱和硬質(zhì)行李箱，屬于行李的類型之一。目前，行李箱的使用已經(jīng)走進千家萬戶，因此，在諸如動車、高鐵、飛機等交通工具上還具備專門放置行李箱的儲存空間和行李托運功能。但隨著人們生活質(zhì)量的提高和思維方式的轉(zhuǎn)變，致力于經(jīng)用、耐摔功能的傳統(tǒng)行李箱已經(jīng)不能滿足人們的要求，而對行李箱安全、材質(zhì)、外觀等屬性的提升則被逐漸提上議事日程，特別是傳統(tǒng)行李箱安全系數(shù)較低的問題亟待解決。目前，國內(nèi)針對行李箱安全裝置的研究還鮮有涉及，因此設(shè)計一款具有較高安全性，且不失實用性和便捷性的行李箱具有一定實際意義。

TRIZ理論是“發(fā)明問題解決理論”的俄文首字母縮寫，該理論基于各種標準知識、面向發(fā)明的核心問題，所提煉和總結(jié)出的解決方法和指導(dǎo)原則，是阿奇舒勒建立的一套體系化、實用化的發(fā)明解決問題的方法[1-3]。TRIZ設(shè)計方法核心思想是技術(shù)進化原理，由矛盾矩陣、40個發(fā)明原理、76個標準解及若干分析求解方法和工具構(gòu)成其主要技術(shù)體系，從發(fā)明創(chuàng)新的原理角度出發(fā)，給出了正向設(shè)計過程中創(chuàng)新思維的運行機制，對復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用[4]。

1 行李箱安全裝置的發(fā)展現(xiàn)狀與需求分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

早期的行李箱多以木質(zhì)材料制成，后來行李箱的材料趨向更為輕便的硬塑膠或布質(zhì)，直到智能化旅行箱的設(shè)計，其功能多樣，例如USB對外充電、GPS定位防丟，遙控器操控等[5]。

當前，國內(nèi)市售行李箱比較普遍的安全裝置是行李箱配備的安全鎖。常見安全鎖有以下3種。

1）普通密碼掛鎖（包括多撥式和轉(zhuǎn)盤式）。多撥式密碼鎖是最簡單的密碼鎖，使用多個撥圈，當撥圈轉(zhuǎn)到正確的密碼組合時，鎖便可以開啟。相比較而言，行李箱中轉(zhuǎn)盤式更加常見，是全機械結(jié)構(gòu)的密碼鎖，三位數(shù)字即可構(gòu)成密碼，操作比較簡單且具有安全性。

2）行李箱自帶的密碼鎖頭，與普通密碼掛鎖的工作原理類似，但由于鎖頭與箱體融合成為一體，因此外觀更加協(xié)調(diào)，易于攜帶且不會造成鎖頭丟失。

3）獨立的TSA密碼鎖，也稱為海關(guān)鎖。這種密碼鎖是海關(guān)對轉(zhuǎn)關(guān)行李和物件進行安全監(jiān)測時保證行李箱不被強制破箱而設(shè)置的國際通用密碼鎖，操作與普通密碼鎖無異，最大的特點是可識別性，主要用于保證貨物安全。當前雖然也有指紋智能鎖的提出，通過指紋錄入和識別來保證行李箱的安全性，并通過NFC模塊達到與手機的結(jié)合，但由于技術(shù)要求較高，至今尚未普及[6]。

1.2 需求分析

針對當前行李箱安全裝置的使用，可發(fā)現(xiàn)市面上該裝置仍以密碼鎖為主，雖然也有部分行李箱擁有固定裝置（例如在行李箱上安裝剎車輪），但這也主要是為了防止行李箱的滑移，而針對行李箱箱體的安全防護并未得到保障[7-11]。特別是當用戶離開自己行李箱時，行李箱的安全系數(shù)就會大大降低，給用戶造成行李丟失的困擾。因此，設(shè)計一款增加箱體安全性且兼具便捷性、實用性的行李箱具有一定實踐意義，同時也可以填補這一市場空缺。

本文將結(jié)合TRIZ理論，從多方面分析行李箱目前存在的問題，并有針對性地運用系統(tǒng)理論對行李箱安全裝置的設(shè)計、安裝和應(yīng)用問題進行解決，并對裝置優(yōu)化后的可行性進行分析，做到設(shè)計與生產(chǎn)的融合，解決行李箱目前存在的安全隱患問題[12-13]。首先，本文從系統(tǒng)功能和因果鏈分析著手，將問題轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)參數(shù)，再使用技術(shù)矛盾、物質(zhì)—場分析法、物理矛盾來進行求解，針對行李箱的具體分析流程，見圖1。

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

2 基于TRIZ的問題分析與求解

2.1 問題分析

2.2.1 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析是指通過分析當前系統(tǒng)組件和功能之間及超系統(tǒng)之間的作用關(guān)系，能夠確定技術(shù)上的矛盾和功能上的限制。功能屬性分析是尋找創(chuàng)新切入點與簡化現(xiàn)有系統(tǒng)最實用的工具，一個完整的功能屬性分析是進行系統(tǒng)創(chuàng)新的關(guān)鍵步驟[14-18]。本文對行李箱系統(tǒng)功能的分析將通過建立組件模型、結(jié)構(gòu)模型來逐步建立功能模型[19-21]，具體步驟如下。

步驟1：將行李箱組件拆分為超系統(tǒng)組件（行李、人、地面、力場、固定物）、系統(tǒng)組件（拉桿、箱體、滑輪、把手）和子系統(tǒng)組件（密碼鎖、拉鏈），基于此建立組件模型，見圖2。

圖2 行李箱系統(tǒng)功能組件分析Fig.2 Analysis of the Functional Component of the Luggage System

步驟2：在步驟一的基礎(chǔ)上對行李箱各個系統(tǒng)間相互作用的關(guān)系進行分析，進而建立組件關(guān)系模型，見圖3。

圖3 行李箱系統(tǒng)功能組件關(guān)系Fig.3 Relationship Diagram of the Function Components of the Luggage System

步驟3：基于關(guān)系矩陣建立功能模型，見圖4。

圖4 行李箱系統(tǒng)功能關(guān)系模型Fig.4 Function Relation Model of Luggage System

通過對系統(tǒng)功能的分析可以發(fā)現(xiàn)，行李箱具備儲存并運載行李物件的能力，并能夠通過密碼鎖的形式來保障行李的安全，但當人離開行李，需要將行李箱固定于某一地點時，其裝置有限、安全性能不足。

2.2.2 因果鏈分析

因果分析也是TRIZ理論中重要的分析工具，能夠發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因并尋找解決問題的薄弱點。因果鏈分析是全面識別工程系統(tǒng)的分析工具，可以在功能組件分析的基礎(chǔ)上挖掘出造成該問題的深層原因[22]，建立初始問題和底層問題的邏輯關(guān)系，便于尋找到更多解決問題的突破口。根據(jù)行李箱構(gòu)建的因果鏈，見圖5。

圖5 因果鏈分析Fig.5 Causality chain analysis

通過因果關(guān)系鏈可發(fā)現(xiàn)，行李箱安全系數(shù)低主要是普通鎖作用不佳和行李箱本身固定裝置的缺失所導(dǎo)致的。由此可進一步產(chǎn)生以下5組主要的矛盾沖突。

1）如何做到鎖與行李箱的一體化；

2）如何在有限的空間內(nèi)增加安全裝置；

3）如何在安裝安全裝置的同時保障制造過程的簡易化；

4）如何在增加安全裝置的同時減少質(zhì)量負擔；

5）如何與場景搭配具有附加功能。

2.2 問題求解

根據(jù)上文中總結(jié)出的矛盾沖突，可根據(jù)矛盾類型運用TRIZ理論將問題進行轉(zhuǎn)化，并進行問題求解。

2.2.1 箱體與安全鎖一體化問題

物質(zhì)–場模型是TRIZ重要的分析工具，是指將一個技術(shù)系統(tǒng)分成兩個物質(zhì)于一個場或一個物質(zhì)與兩個場，用一個三角形來表示每個系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能。物質(zhì)–場表征模型能直觀地表現(xiàn)系統(tǒng)問題，采用76個標準解來使問題得到改善或解決，將具體問題定義并將問題模型化，這是通過符號來表達技術(shù)系統(tǒng)變換的一種建模技術(shù)[23-27]。當前行李箱系統(tǒng)中，可建立物場模型見圖6。目前市面上普通鎖只能對行李箱內(nèi)部物品進行保護，但對行李箱整體的保護指數(shù)并不高。

圖6 物質(zhì)–場分析箱體與安裝裝置一體化Fig.6 Integration of material-field analysis box and installation device

因此，針對這種情況，解決方案即在行李箱上新增一個安全裝置來隨時固定行李箱，以新增的安裝裝置S3與S2共同作用，從而在力場的條件下使S3對S1產(chǎn)生充分作用。但在此基礎(chǔ)上，還需通過分析技術(shù)矛盾來確定安裝位置的最優(yōu)解，從而降低生產(chǎn)成本和使用者的操作難度。

2.2.2 利用技術(shù)矛盾優(yōu)化安全裝置一體化問題

矛盾是TRIZ的基礎(chǔ)概念之一，針對TRIZ問題中所產(chǎn)生的矛盾，TRIZ理論不主張調(diào)和或折中，而是主張解決[28]。TRIZ理論首先采用39個通用工程參數(shù)對技術(shù)矛盾進行問題描述，將沖突矛盾轉(zhuǎn)化為工程參數(shù)，并利用這39個工程參數(shù)構(gòu)造矛盾沖突矩陣，最終篩選出發(fā)明創(chuàng)新原理，再結(jié)合專業(yè)知識，可找到解決具體技術(shù)矛盾的方法，進而達到產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的目的[29-30]。

在行李箱系統(tǒng)中，達到箱鎖一體化的具體要求如下。

1）結(jié)構(gòu)簡單；

2）易于用戶操作；

3）儲物、移動和安全功能兼?zhèn)洌?/p>

4）保證箱體不丟失，同時保證行李箱內(nèi)行李的安全；

5）可固定后充當座椅。

在此基礎(chǔ)上進一步規(guī)范問題描述，將以上5個條件歸納為矛盾TC1、TC2與TC3。

TC1：如果（IF）在行李箱中增加安全裝置，（THEN）那么就能提高安全鎖在不同環(huán)境中的適應(yīng)能力，（BUT）但是行李箱自身的結(jié)構(gòu)就會變得復(fù)雜。

TC2：如果（IF）在行李箱中增加安全裝置，（THEN）那么就能增強行李的安全系數(shù)，（BUT）但是行李箱自身質(zhì)量會變大，不利于使用者操作。

TC3：如果（IF）在行李箱中增加安全裝置，（THEN）那么就能強化行李箱的防盜功能，（BUT）但是行李箱自身形狀會發(fā)生變化，影響正常儲物和移動功能的使用。

接下來，就將上述問題與TRIZ的39個通用工程參數(shù)進行對應(yīng)。改善的通用工程參數(shù)為NO.35（適應(yīng)性及多用性），惡化的參數(shù)為NO.36（裝置的復(fù)雜性）、NO.2（靜止物體的重量）和NO.12（形狀）。根據(jù)對應(yīng)的工程參數(shù)建立矩陣，見表1。

表1 阿奇舒勒矛盾沖突矩陣表（部分）Tab.1 Altshuller conflict matrix (partial)

根據(jù)矛盾矩陣，可以找到組建的矛盾對所對應(yīng)的創(chuàng)新發(fā)明原理為：M35–36=[15,29,37,28]，即15（動態(tài)化原理）、29（氣動與液壓結(jié)構(gòu)）、37（熱膨脹）、28（機械系統(tǒng)的替代）。M35–2=[19,15,29,16],即19（周期性動作）、15動態(tài)化原理、29（氣動與液壓結(jié)構(gòu)）、16（不足或超額行動）。M35–12=[15,37,1,8],即15（動態(tài)化）、37（熱膨脹）、1（分割）、8（重量補償）。

針對行李箱系統(tǒng)的特殊性，將原理與矛盾進行配對后，最終具有可行性的發(fā)明原理為原理1（分割）、原理15（動態(tài)化）、原理36（變相），具體可見表2。

表2 技術(shù)矛盾發(fā)明原理Tab.2 Principle of technological contradiction invention

根據(jù)表格中的發(fā)明原理及創(chuàng)新方向的確定，采用方案如下。

1）1號分割原理。在將行李箱的組件進行有效分割的基礎(chǔ)上加入安全裝置，這樣可以節(jié)省使用空間。通過上文對行李箱進行系統(tǒng)分析后，經(jīng)篩選可用于分割并能與鎖一體化的組件包括把手、滑輪和拉桿。

2）15號動態(tài)化原理。將安全裝置與行李箱相結(jié)合，并轉(zhuǎn)為動態(tài)形式，使其能夠根據(jù)環(huán)境的不同進行位置和方向上的調(diào)整，增強鎖的實用性與適應(yīng)性。

3）36號變相原理。將行李箱箱體固定在某個位置時，充當臨時座椅，即使在晃動的車廂內(nèi)也能保證行李箱的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述原理可以對安全鎖位置和形態(tài)進行確定，接下來將根據(jù)鎖在不同位置產(chǎn)生的效果進行方案設(shè)計。

方案1：將安全鎖與把手相結(jié)合。根據(jù)分割原理，可以將行李箱把手進行拆解。行李箱把手分為正把手和側(cè)把手，把手主要作用為短距離提拉行李，因而把手長度較短，若將安全裝置加入其中則不利于用戶的操作，同時由于組件較小，也不利于廠家生產(chǎn)制作。它只能保證箱體不丟失，無法保證行李箱內(nèi)物品安全，仍然可通過銳利物劃開拉鏈。

方案2：將安全鎖與滑輪相結(jié)合。行李箱滑輪共有4個，位于箱底，將滑輪與安全鎖相結(jié)合也可以保證整個行李箱的安全性，但由于行李箱滑輪較小，所以給裝置的設(shè)計與生產(chǎn)帶來較大難度。同時，由于滑輪安裝在行李箱底部，不便于用戶用鎖，特別是對老人、兒童與肢體障礙人士這些特殊群體的使用具有局限性?；嗘i的主要功能是防止箱體滑動，但不能根本阻止行李箱人為挪動。

方案3：將安全鎖與拉桿相結(jié)合。行李箱的拉桿與箱體相連接，主要作用是配合滑輪以最省力的方式達成行李箱方向的改變和位置的轉(zhuǎn)移，市面上的大多數(shù)拉桿都具有上下升降移動功能，將安全裝置加入其中會具有較強的靈活性，以拉桿為中心進行操作也符合用戶的日常使用習(xí)慣。運用分割原理可以將拉桿設(shè)計為可拆卸式組件，手動調(diào)整鎖的松緊，由于拉桿整體較大且結(jié)構(gòu)簡單，為加入安全裝置提供了充足的設(shè)計和生產(chǎn)空間，但不足之處在于拉桿只能上下移動，因此安全裝置對環(huán)境的適應(yīng)能力欠佳。將行李箱安全裝置鎖于欄桿或座椅旁會阻礙周圍人的行動。

將3種方案綜合考慮材料回收性、安全性，生產(chǎn)可能性進行草圖設(shè)計。用戶出行的需求為方便、高效、安全，由上文可知方案1、方案2不方便用戶使用，并且不便于生產(chǎn)，而方案3符合用戶操作習(xí)慣，并在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上符合生產(chǎn)的條件。

綜上所述，只有方案3的可行性較高。方案3操作安全鎖的舒適度高，并且不會影響為用戶提供臨時座椅的使用功能，因而確定將安全裝置與行李箱拉桿相結(jié)合。但將拉桿與安全裝置相結(jié)合缺乏對環(huán)境的適應(yīng)性，即進一步產(chǎn)生矛盾4為只能豎直上下移動的拉桿操作空間比較有限，不能充分適應(yīng)多樣的環(huán)境條件，還需要該系統(tǒng)具備水平轉(zhuǎn)動能力以增強其應(yīng)變性。

2.2.3 利用物理矛盾解決安全裝置對環(huán)境適應(yīng)性不足的問題

物理矛盾是指一個技術(shù)系統(tǒng)中對同一個元素所產(chǎn)生的相反需求。物理矛盾解決問題的方式為：通過因果鏈分析來提取物理矛盾，然后用分離原理來嘗試解決并構(gòu)建方案模型，最終通過原理解決矛盾。而TRIZ理論中解決物理矛盾的核心思想是實現(xiàn)矛盾雙方的分離[31]。

針對矛盾4，安全裝置對環(huán)境適應(yīng)能力不足的問題，首先需要考慮在不同的地點可能會有不同高度的固定物，如候車廳中不同高度的座椅，那么相應(yīng)地對行李箱安全裝置的高度要求是不一樣的，因此行李箱拉桿需要具備豎直拉伸的能力以調(diào)整高度。然而，當固定物與行李箱拉桿是平行狀態(tài)時則要求行李箱安全裝置具備可水平轉(zhuǎn)動的能力，以扣住固定物。這就出現(xiàn)了一對物理矛盾，具體的矛盾分析見圖7。那么可以用分離原理來解決這一矛盾，選擇“時間分離原理”推薦的動態(tài)特性原理，根據(jù)用戶需求的不同對其進行動態(tài)化組合設(shè)計，讓安全裝置既可縱向移動，也能進行90°水平轉(zhuǎn)動。但具體如何轉(zhuǎn)動還需通過物場分析進一步解決[32-34]。

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

2.2.4 利用物場分析解決安全裝置水平轉(zhuǎn)動的問題

根據(jù)上述矛盾4的解決方案，將行李箱拉桿與安全鎖結(jié)合在一起，需要安全裝置能夠同時滿足豎直拉伸和水平轉(zhuǎn)動，因為行李箱拉桿本身固定在行李箱上，且豎直拉桿本身不具備轉(zhuǎn)動能力又沒有安裝轉(zhuǎn)動裝置，所以無法水平轉(zhuǎn)動。針對這一矛盾，可進一步建立物場模型（見圖8），其中S1為用戶，S2為安全裝置，S2對S1作用不充分。

基于這種情況，則可以根據(jù)分割原理對拉桿頂端（扶手處）進行切割，將拉桿分為伸縮桿和安全鎖兩部分，并用靜音輪將兩者進行連接。用物場模型分析即新增S3靜音輪來保障安全裝置的水平轉(zhuǎn)動，具體模型見圖8。

圖8 物質(zhì)-場模型分析Fig.8 Material-field model analysis

綜上所述，可以通過行李箱拉桿本身的伸縮功能來保證安全裝置的豎直拉伸，同時通過安全鎖與靜音輪的組合來滿足安全裝置所需要的水平轉(zhuǎn)動要求。

3 行李箱安全裝置創(chuàng)新方案設(shè)計

針對上文對行李箱安全裝置的分析，通過物場分析和技術(shù)矛盾找到了將安全鎖與行李箱拉桿相結(jié)合的最優(yōu)解，并將安全裝置的可操作空間最大化，達到豎直拉伸和水平轉(zhuǎn)動的雙重功能，提高對不同環(huán)境的適應(yīng)程度。在對行李箱安全裝置的優(yōu)化設(shè)計中，更多以發(fā)明原理NO.1（分割）和NO.15（動態(tài)化）的啟示為主，將行李箱拉桿的結(jié)構(gòu)進行解構(gòu)和重組，最終設(shè)計出優(yōu)化后的安裝裝置——“Freelock”安全鎖，將“Freelock”固定在候車廳的邊緣座位或欄桿上就可以保證行李箱的安全，解放雙手，在解決了無人看管情況下行李箱遺失問題，具體的裝置細節(jié)，見圖9。

圖9 優(yōu)化方案設(shè)計Fig.9 Design of optimized scheme

“Freelock”安全裝置由行李箱拉桿和鎖兩部分構(gòu)成，拉桿與鎖可以組合實現(xiàn)豎直和垂直的功能。即當用戶需要拖動行李時，拉桿和鎖呈直線狀態(tài)，便于使用者移動行李；而當用戶需要暫時離開將行李箱進行固定時，則可以將鎖向下旋轉(zhuǎn)90°，與拉桿垂直，從而鎖在固定物上。同時，“Freelock”可根據(jù)固定物的不同進行角度調(diào)整，在安全裝置向上拉出時，安全裝置可進行360°旋轉(zhuǎn)，裝置操作簡便，可快速調(diào)整行李箱擺放角度以免阻礙他人活動。

使用場景：將行李箱在移動的場景使用，如公交車、地鐵、火車等運載交通工具。安全裝置將行李箱緊緊固定在座椅旁邊的欄桿或其他區(qū)域的欄桿充當座椅。當需要挪動位置時拉出安全鎖將箱體旋轉(zhuǎn)至另一側(cè)，以便讓行人正常通行，如需要再次固定將安全裝置按進即可鎖定角度。

在人流量密集場所使用。人們暫時離開行李箱，安全裝置能防止行李箱被惡意挪動，另外，打開行李箱需要解開密碼鎖和安全帶雙重保護，只有將密碼設(shè)置正確時，行李箱側(cè)面的安全帶才會彈出，以免拉鏈被暴力拆卸，有效防止行李箱內(nèi)行李丟失，見圖10。

圖10 安全鎖帶Fig.10 Safety lock

4 結(jié)語

目前，由于人們生活品質(zhì)的提高和生活方式的轉(zhuǎn)變，日常出行和旅游在人們生活中越來越重要，而隨著行李箱的普及，針對行李箱安全裝置的設(shè)計也是至關(guān)重要的。通過TRIZ對行李箱進行矛盾分析和沖突解決，最終在矩陣和標準解中得出優(yōu)化方案。優(yōu)化后的行李箱安全裝置能夠解決用戶暫時離開時行李箱和行李箱內(nèi)物品的安全問題，以及在一些人員密集的場所充當座椅的功能，穩(wěn)定性好，物盡其用，且生產(chǎn)制作成本較低，達到了理想效果，具有一定的可行性。