白仲航， 艾琳璟

（1. 河北工業(yè)大學 建筑與藝術設計學院， 天津 300132；2. 河北工業(yè)大學 國家技術創(chuàng)新方法與實施工具工程技術研究中心， 天津 300401；3. 河北工業(yè)大學 河北省工業(yè)設計創(chuàng)新與應用研究中心， 天津 300132）

隨著經(jīng)濟與技術的發(fā)展，人們在關注產(chǎn)品功能的同時更加注重用戶體驗。傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品設計只注重功能、質(zhì)量和成本等基本屬性，忽略了人機性能，導致產(chǎn)品在舒適性、可控性等方面存在不足[1]。因此，準確識別產(chǎn)品的人機工程問題，提升產(chǎn)品的人機性能具有重要意義。

對于人機工程問題的確定，常用的方法有4種。第1種是問卷調(diào)查法，即直接通過問卷結(jié)果總結(jié)產(chǎn)品的人機工程問題。第2種是實驗法。楊玲等[2-3]通過對交互式產(chǎn)品過去的交互方式與未來的交互情景進行比較，提出了一種VIP（vision in product，產(chǎn)品視覺）設計方法，用于改進產(chǎn)品交互中的問題。第3種是數(shù)學法。Jeong等[4]提出了產(chǎn)品交互風格分類法及產(chǎn)品體驗評估法，解決了交互式產(chǎn)品使用模式的設計和評估問題；Darani等[5-6]提出了一種改進的交互式遺傳算法，通過將用戶需求融入交互式產(chǎn)品設計，減輕了用戶使用產(chǎn)品時的疲勞程度。第4種是虛擬仿真法。Hovanec等[7-8]通過在仿真環(huán)境中利用虛擬人對產(chǎn)品的安全性和可靠性進行分析，確定了產(chǎn)品的人機工程問題，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品人機性能的不斷優(yōu)化。綜上，國內(nèi)外已有研究主要通過圖像分析、數(shù)學模型或虛擬仿真等方法來確定人機工程問題，缺乏對人機工程問題與產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化系統(tǒng)研究，導致人機工程問題識別不全面以及準確性低。

沖突區(qū)域是指功能模型中與問題相關的區(qū)域[9]。功能模型將產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)一體化研究，可以明確問題發(fā)生的具體空間位置，進而有效地確定正確的問題[10]。目前，沖突區(qū)域診斷方法主要有3種。第1種是基于因果鏈或因果樹的診斷方法[11]，即先通過建立功能關系模型來確定沖突區(qū)域，再建立因果鏈或因果樹來確定沖突。第2種是基于層次型功能模型的沖突區(qū)域診斷方法，即利用功能結(jié)構(gòu)中流和功能的作用關系來確定沖突區(qū)域。牛曉偉等[12-13]通過分析功能元的約束類型，完善了物質(zhì)流、能量流和信息流的進化路徑，解決了功能模型識別流的問題，提升了產(chǎn)品創(chuàng)新設計的效率和質(zhì)量。第3種是基于關系型功能模型的沖突區(qū)域診斷方法，即先利用功能關系模型確定初始沖突區(qū)域，再通過識別根原因來確定最終沖突區(qū)域。張換高等[9,14]利用功能過程模型表達與時間/順序有關的信息，并提出了一種從問題功能到問題結(jié)構(gòu)的沖突區(qū)域確定方法，解決了沖突區(qū)域分析不全面的問題。在實際應用中，3種沖突區(qū)域診斷方法往往結(jié)合使用。然而，功能模型雖可以確定產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、流程等對應的沖突區(qū)域，但未涉及人機之間的作用關系，缺乏對人機沖突區(qū)域的識別。

功能表面是組成機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最小抽象物質(zhì)單元，其不僅可以表達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面的功能特征，也可以形式化表達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何特征[15]。楊金勇[16]基于功能表面的定位功能，提出了一種可以廣義定位表達產(chǎn)品功能的模型，解決了功能結(jié)構(gòu)之間直接映射導致的病態(tài)性等問題；楊波等[17-18]將功能表面擴展并重新關聯(lián)，以構(gòu)成新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)骨架，從而完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設計。拓展研究人與產(chǎn)品的接觸功能表面有助于實現(xiàn)對人機工程問題中交互功能和內(nèi)部交互結(jié)構(gòu)的一體化分析。功能表面既是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的“橋梁”，又是人與產(chǎn)品之間的“橋梁”，拓展研究人與產(chǎn)品、產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的功能表面有助于解決功能模型中人機沖突區(qū)域的識別問題。

功能表面雖能解決人機沖突區(qū)域識別問題，但僅靠功能表面和功能模型得不到產(chǎn)品的不良功能、結(jié)構(gòu)之間的相關關系，即無法有效完成人機工程問題沖突區(qū)域的確定。可拓學[19]以形式化的方式描述客觀世界中的事、物及其關系，利用拓展、變換等來研究事物的創(chuàng)新規(guī)律。劉曉敏等[20-21]基于可拓基元理論及形式化的描述方法，完成了產(chǎn)品與生物的多層次拓展以及仿生原型的獲取，解決了產(chǎn)品設計中創(chuàng)意矛盾的問題；白仲航等[22]提出了一種集成可拓工具的裁剪創(chuàng)新方法，運用基元來表達被裁剪元件的有用功能，解決了裁剪后尋找代替資源的隨機性問題。由此可知，可拓工具和其他創(chuàng)新方法的融合可以針對性地解決某類矛盾問題[19]。

基于此，本文首先引入功能表面作為連接人與產(chǎn)品的“橋梁”，通過廣義定位原理等改進功能模型，以識別交互式產(chǎn)品內(nèi)部沖突區(qū)域和人機沖突區(qū)域；然后通過可拓表達、相關分析、蘊含分析及優(yōu)度評價等進行輔助分析，以確定有效的人機沖突區(qū)域和產(chǎn)品內(nèi)部沖突區(qū)域；最后利用標準解對不良作用進行求解，并運用優(yōu)度評價對求解方案進行篩選，以解決人機工程問題和實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設計。

1 功能表面、功能模型與可拓工具

1.1 功能表面

功能表面是產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)的信息載體[23]，其映射方式為功能—功能表面—結(jié)構(gòu)。功能表面可表示為：

其中：FS表示功能表面；M表示表面名稱；T表示表面幾何類型；F表示表面功能特征；G表示表面幾何特征[24]。

根據(jù)定位對象的不同，將功能表面分為定位表面和使定表面。依據(jù)廣義定位原理，功能表面的傳遞鏈從原動件的使定表面開始，傳遞到執(zhí)行件的使定表面后結(jié)束[25]，傳遞過程如圖1所示。

圖1 基于功能表面的產(chǎn)品功能傳遞鏈Fig.1 Product function transfer chain based on functional surfaces

1.2 功能模型

TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc，發(fā)明問題解決理論）中的功能模型分為2種：功能過程模型和功能關系模型。功能過程模型是指功能元按照產(chǎn)品的能量流、物質(zhì)流及信息流的輸入和輸出進行串聯(lián)或并聯(lián)，最終形成一個有向網(wǎng)絡圖的過程[9]。它不僅能描述產(chǎn)品系統(tǒng)中流的轉(zhuǎn)換過程，還能描述各分功能之間的關系，可為確定問題功能元提供理論基礎[25-26]。功能關系模型是由系統(tǒng)邊界內(nèi)的元件、制品、超系統(tǒng)及其作用關系組成的功能網(wǎng)絡[27]，它建立在元件分析、相互作用和功能分析的基礎上，用于表示問題功能元中各元件之間的作用關系。2種功能模型充分考慮了功能實現(xiàn)的過程和元件間的作用關系，對沖突區(qū)域的識別具有至關重要的作用。

1.3 可拓工具

可拓表達是指將事與物、特征及相應量值以三元組的形式表達[19]。相關分析是指通過定量化分析基元間的邏輯關系來表達事物間的相關關系和作用機理。蘊含分析是指以基元形式表達和分析事、物及其關系的蘊含性。蘊含系包含上位基元和下位基元，2種基元具有“與”或者“或”的關系。在蘊含系中解決矛盾問題的路徑是找到易實現(xiàn)的下位基元。優(yōu)度評價是可拓學中評價和篩選事物的基本方法[28]。該方法先建立與評價對象相關的多指標參數(shù)，再利用關聯(lián)函數(shù)定量化描述事物，最后以客觀數(shù)據(jù)來表示評定結(jié)果，從而實現(xiàn)對評價對象綜合水平的客觀了解。

2 基于功能表面的功能模型及其可拓表達

2.1 功能表面與功能模型之間的聯(lián)系

在功能過程模型中，每個功能元對流的轉(zhuǎn)換都需要功能關系模型中對應元件及場的作用來實現(xiàn)。當功能元的作用對象為物質(zhì)流時，功能元直接對應功能關系模型中的元件（物質(zhì)）；當功能元的作用對象為能量流或信息流時，功能關系模型中的元件會作為功能載體來轉(zhuǎn)換能量流或信息流。

結(jié)合功能過程模型與功能關系模型可以表達產(chǎn)品功能與各元件之間的相互作用關系，但無法表達人機交互作用關系。而功能表面既可以表示元件與元件之間的作用表面，又可以表示人與產(chǎn)品的實際接觸表面。利用功能表面可以精確定位人與產(chǎn)品以及元件之間的作用表面。功能表面與功能模型之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 功能表面與功能模型之間的聯(lián)系Fig.2 Connection between functional surfaces and functional models

由圖2可知，功能過程模型包含人的功能元NA、產(chǎn)品功能元N1、功能表面以及流之間的轉(zhuǎn)換；功能關系模型包含實現(xiàn)人的功能元NA的操作部位NA1、實現(xiàn)產(chǎn)品功能元N1的所有元件、人與產(chǎn)品的實際接觸表面Na1和Na2以及元件間作用表面Nb1和Nc1。當功能過程模型中的作用對象為物質(zhì)流時，人的功能元NA、產(chǎn)品功能元N1和功能表面直接對應功能關系模型中的操作部位NA1、所有元件和所有功能表面；當功能過程模型中的作用對象為能量流或信息流時，以功能關系模型中的操作部位NA1、所有元件及功能表面作為功能載體，實現(xiàn)對能量流或信息流的轉(zhuǎn)換。

2.2 基于功能表面的功能過程模型及其可拓表達

功能過程模型描述了產(chǎn)品功能元及其流轉(zhuǎn)換的關系，通過對比實際輸出流和期望輸出流的差異來確定問題功能元。為確定人機工程問題中的問題功能元，在功能過程模型中的產(chǎn)品功能元的基礎上加入人的功能元，并用功能表面連接人的功能元與產(chǎn)品功能元，構(gòu)建基于功能表面的功能過程模型，如圖3所示。其中，人的功能元、產(chǎn)品功能元及功能表面構(gòu)成人機功能元?；诠δ鼙砻娴墓δ苓^程模型分為人機交互部分（由人機功能元構(gòu)成）和產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)（由產(chǎn)品功能元構(gòu)成）兩部分，這2個部分具有串聯(lián)或并聯(lián)的關系。通過構(gòu)建改進的功能過程模型，可以表達傳統(tǒng)功能過程模型未涉及的人機交互部分，進而確定人機工程問題中的問題功能元及問題功能元的類型。

圖3 基于功能表面的功能過程模型Fig.3 Functional process model based on functional surfaces

在基于功能表面的功能過程模型中，問題功能元采用基元理論中的事元表達。通過對功能元的可拓化分析，確定備選問題功能元和問題輸出流，從而為最終問題功能元的分析和確定奠定基礎。問題功能元A可表示為：

式中：Oa為功能元中的動作；can為動作特征；van為動作特征量值。

2.3 基于功能表面的功能關系模型及其可拓表達

針對傳統(tǒng)的功能關系模型無法表示人機功能元對應的物理結(jié)構(gòu)及操作部位的問題，將操作部位作為系統(tǒng)中的元件加入功能關系模型。為更好地確定人機工程問題的沖突區(qū)域，將元件間的作用關系精確到元件功能表面間的作用關系，構(gòu)建基于功能表面的功能關系模型，如圖4所示。其中，功能表面信息包含表面的名稱、幾何類型、功能特征及幾何特征。通過構(gòu)建基于功能表面的功能關系模型，分析人與產(chǎn)品和產(chǎn)品內(nèi)部之間的不良作用關系。

利用改進的功能關系模型進行分析，確定初始沖突區(qū)域。初始沖突區(qū)域中的問題元件P用基元理論中的物元表達，不良作用D用事元表達，可分別表示為：

其中：Op為元件；cpn為元件特征；vpn為元件特征量值；Od為作用；cdn為作用特征；vdn為作用特征量值。

3 人機工程問題沖突區(qū)域的確定與不良作用的求解過程

3.1 基于相關分析的問題功能元確定過程

1.基于改進功能過程模型的初始問題功能元的確定。

利用改進的功能過程模型來確定人機工程問題的初始問題功能元，具體步驟如下。

1）構(gòu)建產(chǎn)品系統(tǒng)的總功能模型，以確定系統(tǒng)總功能。

2）建立基于功能表面的功能過程模型。將人機工程問題的總功能分解到功能元，然后按照功能元與能量流、物質(zhì)流、信息流的輸入和輸出關系，建立基于功能表面的功能過程模型。

3）確定初始問題功能元。通過分析改進功能過程模型中每個功能元的實際輸出流與期望輸出流的差異，將存在差異的功能元視為初始問題功能元。

2.基于可拓表達的備選問題功能元的確定。

對初始問題功能元進行可拓表達，進而確定備選問題功能元和問題輸入流，步驟如下。

1）初始問題功能元的可拓表達。利用事元表達初始問題功能元，并分析初始問題功能元的原理、結(jié)構(gòu)以及與人的作用關系。備選問題功能元產(chǎn)生的原因包括：①問題功能元輸入流的屬性問題；②原理解中功能元實際執(zhí)行流轉(zhuǎn)換的能力不足或出現(xiàn)有害輸出流；③人機功能元對應的原理解不符合人機交互設計準則；④人為誤操作。

2）確定備選問題功能元和問題輸入流。若問題輸出流是原理、結(jié)構(gòu)等因素導致的，則確定該功能元為備選問題功能元；若問題輸出流是輸入流導致的，則在改進功能過程模型中轉(zhuǎn)換到上一個功能元，并判斷轉(zhuǎn)換后的功能元是原理、結(jié)構(gòu)問題還是輸入流問題；若問題輸入流是超系統(tǒng)輸入的，則停止轉(zhuǎn)換問題功能元。

3.基于相關分析的最終問題功能元的確定。

由于備選問題功能元之間存在復雜的相關關系，不能直接有效地確定最終問題功能元，因此須先分析備選問題功能元的相關關系，再確定最終問題功能元，步驟如下。

1）構(gòu)建備選問題功能元的相關分析網(wǎng)。通過相關分析得到備選問題功能元的相關關系，確定備選問題功能元選項。

2）確定最終問題功能元。從產(chǎn)品本體、人機交互以及人本體三方面分析所有備選問題功能元選項，并結(jié)合問題表象選擇發(fā)生可能性最大、不易控制且舒適度低的功能元為最終問題功能元。

3.2 基于功能表面和蘊含分析的沖突區(qū)域確定過程

1.基于改進功能關系模型的初始沖突區(qū)域的確定。

利用改進的功能關系模型來確定最終問題功能元的初始沖突區(qū)域，步驟如下。

1）構(gòu)建基于功能表面的功能關系模型。

2）根據(jù)產(chǎn)品問題功能元和人機問題功能元的表象，確定初始沖突區(qū)域。若最終問題功能元僅為人的功能元，則默認是人為誤操作，不屬于研究范圍。

2.基于蘊含分析和優(yōu)度評價的最終沖突區(qū)域的確定。

由于沖突區(qū)域的產(chǎn)生原因存在復雜的因果關系，須先對初始沖突區(qū)域進行可拓表達，再運用蘊含分析確定最終沖突區(qū)域，具體步驟如下。

1）沖突區(qū)域的可拓表達。采用物元、事元分別表達初始沖突區(qū)域中的問題元件和不良作用，分析初始沖突區(qū)域是否涉及其他元件并判斷是否需要轉(zhuǎn)換沖突區(qū)域。若轉(zhuǎn)換了沖突區(qū)域，則須重新對轉(zhuǎn)換的沖突區(qū)域進行可拓表達。

2）確定備選根原因。通過構(gòu)建蘊含分析圖，確定備選根原因。

3）確定最終沖突區(qū)域。利用優(yōu)度評價分析備選根原因的優(yōu)先級，基于優(yōu)度值大小確定最關鍵的問題，即最終沖突區(qū)域。最終沖突區(qū)域的衡量指標根據(jù)備選根原因?qū)θ说挠绊懗潭群彤a(chǎn)品性能提升程度來選擇。

3.3 人機工程問題的不良作用求解

人機工程問題的沖突區(qū)域可能是產(chǎn)品內(nèi)部的沖突區(qū)域，也可能是人機沖突區(qū)域。利用標準解對人機工程問題的沖突進行求解，具體步驟如下。

1）將最終沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換為標準物質(zhì)-場模型，分析其物質(zhì)與場的作用關系，判斷不良作用類型。3種不良作用類型分別為不完整作用、非充分作用以及有害作用。

2）利用標準解對不良作用進行求解。不完整作用采用1.1類標準解求解；非充分作用采用1類或2類標準解求解；有害作用采用1.2類標準解求解。

3）得到初始解后，利用3類/5類標準解來改進和完善設計方案，并對設計方案進行優(yōu)度評價，得到最終的創(chuàng)新設計方案。

人機工程問題的沖突區(qū)域確定與不良作用求解過程如圖5所示。

4 應用實例

電動割草機是一種用于割除灌木、雜草和收割莊稼的便攜式農(nóng)業(yè)機械。據(jù)調(diào)研，用戶在使用電動割草機時經(jīng)常會出現(xiàn)上肢疲勞、腰部疼痛等問題?，F(xiàn)采用基于功能表面驅(qū)動與可拓工具的沖突區(qū)域確定方法對電動割草機的人機工程問題進行分析和解決。電動割草機實物如圖6所示。

圖6 電動割草機Fig.6 Electric lawn mower

4.1 問題功能元的確定

1）確定割草機的總功能，如圖7所示。

圖7 電動割草機總功能Fig.7 Overall function of electric lawn mower

2）建立基于功能表面的功能過程模型。先將割草機總功能分解到功能元，并建立其功能樹，如圖8所示。隨后，基于割草機的功能元，先分析割草機的人機交互作用以得到人的功能元，再建立基于功能表面的割草機功能過程模型，如圖9所示。在割草機工作過程中，用戶先按壓機頭旋轉(zhuǎn)按鈕以調(diào)整刀頭的角度，再打開開關，同時握住手柄、輔助手柄以及調(diào)速按鍵，最后移動手柄以切割雜草/樹枝。

圖8 電動割草機功能樹Fig.8 Functional tree of electric lawn mower

圖9 基于功能表面的電動割草機功能過程模型Fig.9 Functional process model of electric lawn mower based on functional surfaces

3）確定初始問題功能元。當割草機工作一段時間后，可能會出現(xiàn)草坪/樹枝修剪不整齊，操作者上肢、腰部疲勞等問題。確定“割好的草坪/樹枝”為問題輸出流，即“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元出現(xiàn)了問題，由此確定該人機功能元為初始問題功能元。

4）對“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元進行可拓分析，分析其實現(xiàn)原理、結(jié)構(gòu)以及與人的作用關系，并對其進行可拓表達，可表示為：

由初始問題功能元的可拓表達式可知：①“移動手柄”功能元出現(xiàn)問題，屬于人為失誤；②執(zhí)行“割草/樹枝”功能元的機構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項1；③“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機構(gòu)不滿足人機交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項2。

5）確定備選問題功能元、問題輸入流。若“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元的輸入流為問題輸入流，則問題功能元轉(zhuǎn)換到其上一個功能元，即“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機功能元以及“按壓機頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機功能元。對轉(zhuǎn)換的問題功能元進行可拓表達，表示為：

構(gòu)建上述備選問題功能元的相關分析網(wǎng)，以分析備選問題功能元的相關性，并結(jié)合問題功能元的可拓表達，確定備選問題功能元選項。割草機備選問題功能元的相關分析網(wǎng)如圖10所示。

圖10 電動割草機問題功能元相關分析網(wǎng)Fig.10 Correlation analysis network for problem function elements of electric lawn mower

由備選問題功能元的可拓表達和相關分析可知：①“調(diào)節(jié)擋位”功能元出現(xiàn)問題，屬于人為誤操作；②“調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”功能元對應的機構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項3；③“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機構(gòu)不滿足人機交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項4；④“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機功能元以及“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元為串聯(lián)關系，操作者既要調(diào)節(jié)擋位，又要移動手柄，產(chǎn)品使用不滿足人機交互順序，將其列為備選問題功能元選項5；⑤“按壓機頭旋轉(zhuǎn)按鈕”功能元出現(xiàn)問題，導致機頭角度沒調(diào)節(jié)好，屬于人為誤操作；⑥“調(diào)整刀頭角度”功能元對應的機構(gòu)出現(xiàn)問題，將其列為備選問題功能元選項6；⑦“按壓機頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機功能元出現(xiàn)問題，屬于產(chǎn)品機構(gòu)不滿足人機交互要求問題，將其列為備選問題功能元選項7；⑧“按壓機頭旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整刀頭角度”人機功能元以及“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元為串聯(lián)關系，但兩者不是同時進行，相互影響小，不作為備選問題功能元選項。

6）確定最終問題功能元。根據(jù)上述分析結(jié)果，匯總割草機的所有備選問題功能元選項，如表1所示。

表1 電動割草機的備選問題功能元Table 1 Alternate problem function elements of electric lawn mower

通過分析割草機備選問題功能元的產(chǎn)生可能性、可控性以及人機交互的舒適度，結(jié)合問題表象判斷備選問題功能元選項2和5是導致人體疲勞以及切割效率低的主要問題功能元，由此確定最終問題功能元為“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元以及“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機功能元。

4.2 沖突區(qū)域的確定

確定的最終問題功能元為“移動手柄、割草/樹枝”人機功能元以及“調(diào)節(jié)擋位、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩”人機功能元?；谏鲜鰡栴}功能元，建立基于功能表面的割草機功能關系模型，如圖11所示。

圖11 基于功能表面的電動割草機功能關系模型Fig.11 Functional relationship model of electric lawn mower based on functional surfaces

利用所構(gòu)建的割草機功能關系模型，初步確定初始沖突區(qū)域：刀頭與雜草/樹枝之間的不良作用、手與手柄之間的不良作用。對初始沖突區(qū)域中的元件和不良作用進行可拓表達，分別表示為：

通過對初始沖突區(qū)域的可拓分析，得到?jīng)_突區(qū)域涉及以下問題：1）刀頭材料、角度以及幾何形狀等導致容易卷草；2）雜草自身較為柔軟，切割后容易倒在刀頭上，影響后續(xù)切割；3）伸縮桿較長，不易控制整機高度和角度；4）人手要承受整機重量；5）操作動作不易控制力度；6）受到割草機作業(yè)時振動的影響。基于上述分析，構(gòu)建割草機初始沖突區(qū)域的因果蘊含分析圖，如圖12所示。圖中：B=（刀頭，切割效率，低）；B1=（刀頭，結(jié)構(gòu)，易卷草）；B2=（草，受力，易倒）；B3=（刀頭，高度和角度，不易控制）；B4=（刀頭，形狀，易卷草）；B5=（刀頭，角度，易傾斜）；B6=（伸縮桿，長度，過長）；B7=（刀頭，受力，不均）；B8=（手，施力，過度）；B9=（手柄、輔助手柄，承受重量，過大）。

圖12 電動割草機初始沖突區(qū)域的因果蘊含分析圖Fig.12 Causal containment analysis diagram of initial conflict zones of electric lawn mower

經(jīng)過因果蘊含分析可知，造成割草效率低的關鍵問題為B2、B4、B5、B6、B9，采用優(yōu)度評價法對上述5個關鍵問題進行評價，篩選出最關鍵的問題。

1）確定衡量指標。根據(jù)割草機的使用情況和專家建議，得到4個最具代表性的指標。設衡量指標集J={J1,J2,J3,J4}={切割效率，舒適度，可控性，性能提升度}。

2）確定權重系數(shù)。采用德爾菲法評價割草機設計方案的衡量指標。確定4個衡量指標的權重系數(shù)分別為：α1=0.4，α2=0.3，α3=0.1，α4=0.2。

3）首次評價。首次評價的目的是去除不滿足必要條件的對象。由于雜草的屬性不屬于人機工程問題研究范圍，且不滿足可控性的要求，因此將問題B2排除。

4）建立關聯(lián)函數(shù)并計算關聯(lián)度。假定割草機的切割效率、舒適度、可控性和性能提升度對應的量值區(qū)間均為[0, 10]，量值越大，說明衡量指標的特征越明顯。通過分析得到4個關鍵問題的衡量指標的量值，如表2所示。

表2 電動割草機關鍵問題衡量指標的量值Table 2 Measurement indicator values of key problems for electric lawn mower

根據(jù)關聯(lián)度Ki=(Ki(B1),Ki(B2), …,Ki(Bm))(i=1, 2, …,l)，可得關鍵問題B4、B5、B6、B9關于各衡量指標的關聯(lián)度分別為：K1=(6, 5, 7, 8)，K2=(4, 4, 6, 9)，K3=(4, 7, 8, 7)，K4=(6, 5, 5, 8)。

5)計算關鍵問題的優(yōu)度。由C(Bj)=(α1,α2, …,αl)(K1(B1),K2(B2), …,Ki(Bj))T(i=1, 2, …,l;j=1, 2, …,m)可得：C(B4)=0.63，C(B5)=0.59，C(B6)=0.77，C(B9)=1.00。

優(yōu)度越大，說明問題越關鍵。由此確定最關鍵的問題為B9，即最終沖突區(qū)域在人手與手柄、輔助手柄之間。

4.3 不良作用的求解

通過分析可知，割草機的割草效率低，有時甚至出現(xiàn)無法割到草的最終沖突區(qū)域確定在人手與手柄、輔助手柄之間。操作者通過2個手柄控制刀頭的切割高度和角度，將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)化為物質(zhì)-場模型，得到操作者與手柄、輔助手柄之間的非充分交互作用，如圖13所示。

圖13 操作者與電動割草機手柄之間的物質(zhì)-場模型Fig.13 Matter-field model between operator and electric lawn mower handle

若要解決操作者對割草機手柄的非充分交互作用，可以選擇1類或2類標準解進行求解。例如1.1.3標準解法3：在手柄不變的情況下，可以在刀頭或伸縮桿上設置1個可調(diào)節(jié)支架，在支撐割草機重量的同時可以控制切割高度，使得操作者只通過手柄即可控制切割角度，從而實現(xiàn)有效的交互作用。2.1.2標準解法15：在不添加新元件的基礎上，利用人力和驅(qū)動力共同控制割草機的移動速度和范圍。

在運用1類、2類標準解對不良作用進行求解后，利用3類標準解完善上述方案。根據(jù)3.1.1標準解法37，共得到4種可解決手與手柄之間不良交互問題的設計方案。方案Z1：在伸縮桿上添加可拆卸的支架和輔助輪，支架高度可調(diào)，割草機刀頭設置成可左右旋轉(zhuǎn)的刀頭，將輔助手柄設計為三面可抓握的手柄。方案Z2：在伸縮桿兩側(cè)添加雙輔助輪，在伸縮桿中添加電動裝置，以人力和電力共同驅(qū)動，調(diào)節(jié)切割高度。方案Z3：在刀頭下方添加輔助輪，加大調(diào)速開關的手握面積，同時設置雙鎖定開關，便于用戶調(diào)速和鎖定。方案Z4：在輔助手柄和手柄上同時加裝減振裝置，刀頭兩側(cè)添加可拆卸輔助輪。

應用優(yōu)度評價法對上述4種設計方案進行評價，以篩選最優(yōu)設計方案。

1）確定衡量指標。同樣，根據(jù)割草機的使用情況和專家建議，設衡量指標集J={J1,J2,J3,J4}={切割效率，舒適度，可控性，性能提升度}。

2）確定權重系數(shù)。采用德爾菲法評價割草機各設計方案的衡量指標。確定4個衡量指標的權重系數(shù)分別為：α1=0.4，α2=0.3，α3=0.1，α4=0.2。

3）首次評價。割草機的切割效率是必要條件，上述4種方案均滿足此條件。

4）建立關聯(lián)函數(shù)并計算關聯(lián)度。假定割草機的切割效率、舒適度、可控性和性能提升度對應的量值區(qū)間為[0, 10]，量值越大，說明衡量指標的特征越明顯。通過分析得到4個方案的衡量指標的量值，如表3所示。

表3 電動割草機各設計方案衡量指標的量值Table 3 Measurement indicator values of each designscheme for electric lawn mower

由關聯(lián)度Ki=(Ki(Z1),Ki(Z2), …,Ki(Zm))(i=1, 2, …,l)可知，設計方案Z1、Z2、Z3、Z4關于各衡量指標的關聯(lián)度為：K1=(8, 6, 5, 7)，K2=(6, 6, 4, 5)，K3=(7, 5, 8, 6)，K4=(9, 7, 6, 8)。

5)計算各設計方案的優(yōu)度。由C(Zj)=(α1,α2, …,αl)(K1(Z1),K2(Z2), …,Ki(Zj))T(i=1, 2, …,l;j=1, 2, …,m)可得：C(Z1)=0.98，C(Z2)= 0.84，C(Z3)=0.70，C(Z4)=0.90。

優(yōu)度越大，割草機的切割效率越高且用戶體驗越好，最終確定最優(yōu)設計方案為Z1，如圖14所示。

圖14 改進后的電動割草機Fig.14 Improved electric lawn mower

4.4 方案評價

1）舒適度評價。

利用虛擬仿真軟件Jack中的Comfort Assessment分析工具對改進前后電動割草機的使用舒適度進行對比分析，結(jié)果如圖15所示。同時，利用OWPA工具對電動割草機的作業(yè)姿勢進行對比分析，結(jié)果如圖16所示。

圖15 改進前后電動割草機的舒適度對比Fig.15 Comparison of comfort of electric lawn mower before and after improvement

圖16 改進前后電動割草機的作業(yè)姿勢對比Fig.16 Comparison of working posture of electric lawn mower before and after improvement

通過對改進前后的電動割草機進行虛擬仿真對比分析可知，由于加入了可拆卸輔助輪，操作者可以單手控制手柄進行推進式割草，無需承受割草機的重量，且還能有效控制切割高度，舒適度明顯提升，且作業(yè)姿勢也更加符合人機交互要求。

2）切割效率評價。

改進前電動割草機的整機質(zhì)量約為2.35 kg，在操作過程中人手不僅要承受整機重量，還要控制切割高度和角度，時間越久切割效率越低。加裝可拆卸輔助輪后，操作者在進行推進式切割的同時可三面抓握輔助手柄，有助于推進式切割和移動式切割交替進行，單位時間內(nèi)切割面積增大且切割速度加快，效率明顯提高。

3）可控性評價。

改進前，電動割草機的機身長度為90～120 cm，操作者不易控制刀頭的高度和角度，切割平整度較低。改進后，加裝的輔助輪有助于控制切割高度和平整度，可旋轉(zhuǎn)刀頭利于切割樹枝，三面可抓握的輔助手柄適用于不同操作姿勢，可控性顯著提高。

4）性能提升評價。

改進前，電動割草機的輔助手柄不利于橫向發(fā)力，切割效率隨時間不斷下降，切割平整度極差，刀頭不適用于垂直切割。改進后，刀頭可實現(xiàn)4個方向上的角度調(diào)節(jié)，適用于多種切割方式；同時，改進的手柄和輔助輪提升了切割效率、平整度和穩(wěn)定性，有效提高了產(chǎn)品的人機交互性能。

5 結(jié) 論

1）以人機交互為主要研究出發(fā)點，采用功能表面和可拓工具研究人機工程問題的沖突區(qū)域。一方面，相比于傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品沖突區(qū)域確定方法，所提出的方法增加了人機交互沖突區(qū)域的研究；另一方面，相比于虛擬仿真、圖像分析等方法，所提出的方法更加全面，可實現(xiàn)對人機交互和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一體化研究。

2）在功能過程模型和功能關系模型的基礎上，利用功能表面驅(qū)動，對問題功能元進行可拓表達及相關分析，使得最終問題功能元的確定更加具有方向性和邏輯性。通過功能表面構(gòu)建人機功能關系模型，并利用蘊含分析確定最終的沖突區(qū)域，提高了最終沖突區(qū)域確定的精確性。

3）將可拓學工具中的優(yōu)度評價、相關分析和因果蘊含分析等融合到基于功能表面的人機沖突區(qū)域確定過程中，提高了形式化程度，且易于算法化，為TRIZ、可拓學和功能表面的融合提供了新思路。

4）相關研究還有待開展，以進一步推進交互式產(chǎn)品的創(chuàng)新設計。如：本文將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換為物質(zhì)-場模型，主要考慮傳統(tǒng)的場對人的作用，而缺少對廣義場中其他場對人的作用關系的研究；人機工程問題優(yōu)度評價指標的深入研究等。