1. 引言
近几年，随着世界经济一体化步伐的加快和基础设施的不断完善，贸易与交通更加便捷顺畅，冷链物流发展迅猛，制冷设备的需求数量和应用领域也在不断扩大。囊括了家用、商用、工业三大场景，涉及冰箱、冷柜、饮水机、食品展示柜、饮料柜、冰箱、储藏柜、自动售货机、制冰机、冷库用制冷机组、冷藏车制冷系统、冷藏集装箱、医用冷柜、冷(盐)水机组、速冻设备、工业制冰设备等产品。2019年，我国制冷设备行业销售额为1985亿元，同比增长2.4%。随人们生活方式的变革，对速冻食品、冻干脱水干果的需求更加旺盛，2019年食品加工制冷设备市场规模达到了30.1亿元，增速为5.4% [1]。同时，由于休闲娱乐和体育健身的追求更加多样化，制冰、造雪等设备的需求也逐渐增加。然而机遇与挑战并存，产品总是赋予了一定的时代特征，节能环保要求越来越高，高精度、低噪声、智能化、小体积的制冷设备成为时代的新要求，产品的更新换代已摆在人们面前。
辽宁作为装备制造业的大省，拥有制冷设备生产企业上百家，产品几乎覆盖了家用、商业、工业用的所有领域。在制冷设备生产上，具有比较完整的产业链，主要集中在沈阳和大连，具有明显的地缘优势，可以形成良好的群聚效应，在生产准时化和资源共享方面具有先天优势。但产品在中低端市场徘徊，同质化明显，缺乏竞争力。在东北的第二次振兴中，辽宁要抓住难得的历史机遇，确定科学的思维模式，选择合理的开发路径，以智能化、数字化、网络化为方向，实现制冷设备等各种装备的改进和创新，走科技发展的道路。有鉴于此，本文从效率和成本的角度出发，借助市场调查法，使用质量屋和矛盾矩阵等分析工具，研究了QFD与TRIZ集成创新的方案，并以半导体制冷设备的创新过程验证了方案的可行性。实践证明，在设计阶段，准确地使用开发工具就可起到事半功倍的作用，可以融通开发路径，提高开发的效率和效果，为经济发展提供强劲的动力。
2. QFD与TRIZ概述
QFD (Quality Function Deployment，质量功能展开)是日本著名质量管理大师水野滋和赤尾洋二提出的产品开发理论，是一种由客户主导的，促进产品开发和把控产品质量的过程方法。需求转化是该方法论的关键部分，产品开发者能够借助质量屋(HOQ)把用户的需求一一对应转化为设计、部件、工艺等技术需求，最终形成创新方案。
TRIZ (Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ发明问题解决理论，俄语)是前苏联科学家阿奇斯勒，在分析了无数发明专利后，总结出一套发明问题解决的系统化方法和标准。用TRIZ解决问题时，首先要把待解决的问题转化为TRIZ标准问题，然后根据TRIZ标准问题的分类，对应使用TRIZ中的理论求出通用解 [2]，再用具体化专业知识选择最终解决方案。与传统的创新设计方法不同，TRIZ总结了多个领域解决问题的过程步骤和方法，突破了个人知识水平的局限性，借助系统化的流程解决问题，从而可以防止思维误区的影响。
3. 基于QFD/TRIZ理论的创新模型
质量和功能是QFD特性展开的两方面 [3]。将QFD特性展开运用到半导体制冷设备的设计实践中，需要将主观的需求通过具体的数量形式体现出来。质量展开，就是在设计过程中，把客户的需求融入进来，保证最终的产品方案切实符合客户需求。而功能展开，就是对已知的客户需求进行分类，并转变为具体的技术参数，对所有的已知信息进行加工，作为产品采购、设计等全寿命过程的依据。
运用TRIZ理论解决实际问题时，利用冲突矩阵、分离原理进行冲突分析，能够处理设计中的冲突问题，并进行创新 [4]。
遗憾的是，单独用TRIZ理论处理问题时有两个缺陷：一是无法准确辨识冲突，二是无法对冲突进行精准的定位。因此，衔接这两种理论，构建新的QFD/TRIZ集成模型(如图1)，才更好地解决问题。
在产品开发的不同阶段，QFD和TRIZ都充分展示了各自的优势和功用，QFD可以清晰刻画需求是什么，问题是什么，TRIZ指明了创新的方向在哪里。因此，本文通过矛盾矩阵，拓展了设计者的创新思维空间，克服了个人经验和知识的束缚，在明确和有限的原理中发掘解决方案，实现了QFD与TRIZ的柔性对接。可以准确地找到问题，并正确地解决问题，有助于节省产品质量优化过程中的时间和成本，提升工作效率，实现了创新的一体化。
Figure 1. QFD/TRIZ Integrated Model
图1. QFD/TRIZ集成模型
应用QFD/TRIZ集成模型创新的具体实施步骤为：
步骤1：建立QFD质量屋，确立创新设计核心问题。
先建立QFD质量屋，通过问卷调研、专家访谈两种方法相结合来明确用户需求。用数字1，2，3，4，5表示客户需求的重要性，进行需求重要性评价。数字越大表示重要程度越高。
以5，3，1，0为比例标度，建立设计特性和客户需求相关矩阵。并根据公式(1)计算各个产品设计特性分值：
(1)
式中ci表示客户需求的重要度，pij表示客户需求与特性之间的相关性大小，Sj表示产品设计特性最终分数。
以产品的设计特性的最终得分Sj为依据对其进行优先度排序。
位于质量屋上方的自相关矩阵代表每个设计特性间的联系。若提高一设计特性，使得另一设计特性也提高，则认为这两个设计特性联系为正相关，记为“+”。若提高一设计特性导致另一设计特性下降，则认为这两个特性联系为负相关，记为“－”。
步骤2：分析并解决创新设计的核心问题冲突以实现创新。
用TRIZ发明原理和冲突矩阵解决设计冲突的步骤如下：先对创新设计核心问题进行处理，然后在39个通用工程参数的辅助下建立与负相关设计特性相配套的参数，从而将创新设计核心问题具化成TRIZ问题；再进行冲突分析，判断该问题的冲突类别，并选取对应的发明原理解决冲突。接下来立足于该方案的创新设计核心问题，采用对应的发明原理解决冲突，从而实现创新。
4. QFD/TRIZ集成创新模型的实例验证
半导体组成的控制回路通入直流电流时，会形成热转换效应，将这些特点作为工业冷却手段，是一项区别于传统冷却方式的高科技制冷技术 [5]。以该设计技术理论为基础，借助QFD/TRIZ集成模型，开发工业制冷设备，具体过程如下：
步骤1：构建半导体制冷设备质量屋，明确创新设计核心问题。
通过调查分析，确定顾客需求，并转换成技术特性，构建半导体制冷设备质量屋(如图2)。
Figure 2. TRIZ conflict matrix for refrigeration equipment
图2. 制冷设备TRIZ冲突矩阵
通过计算Sj确定技术特性解决的优先次序为扇面凸度、耗电功率、扇面面积、扇面材料。
分析设计特性的影响关系，发现3对负相关特性：从占用空间的角度讲，期望设计的体积小，但从散热的方面考虑又希望扇面面积大，这就形成一对矛盾；既期望好的制冷效果，又希望耗电量低，这就形成第二对矛盾；既希望噪声小，又希望成本低，这就形成第三对矛盾。
步骤2：分析并解决该方案创新设计的核心问题冲突以实现创新。
以这3对创新设计负相关设计特性为根据，一一建立它们与TRIZ通用工程参数的联系如表1。
Table 1. Design characteristics of negative correlation and corresponding general engineering parameters of Triz
表1. 负相关设计特性及其对应的TRIZ通用工程参数
要把这3对关键冲突问题转化为TRIZ问题。利用TRIZ冲突矩阵(如表2所示)和所对应的发明原理，找到解决问题的方向，解决冲突。根据专业分析，其中的下列原理适于解决制冷设备的设计问题：
先采取发明原理编号No.14曲面化原理。利用曲线、曲面或球形等获得特殊性能，在增加设备面积的同时，少量增加设备的体积。
Table 2. Technology Conflict Matrix
表2. 技术冲突矩阵
再选择发明原理No.19周期性原理和No.24借助中介物原理，即借助水的比热容大特性，将半导体制冷产生的冷气导入水中 [5]，获得温度较低的水，再用热敏电阻对水温进行温度控制，假设水温降低到一定温度，会通过信息传导，自动断开半导体开关，如果水温上升到一定温度又会连接开关，从而实现节能减排的目的。
最后选择No.09预先作用原理和No.27廉价替代品原理，即为防止设备扇叶在荷载作用下发生松动产生噪声，在施加荷载之前对连接处进行预紧，对于受震动荷载的情况，在预紧的同时还采取防松措施，如用弹性垫圈、止动垫片等，这样在不提高精度的情况下，降低噪音，达到降低成本的目的。
综上，获得创新概念为半导体制冷，水热传导系统，热敏电阻节能装置，凸面增大吹风设计，弹性垫圈等提升稳定性与降噪功能于一体的创新方案，如图3。
Figure 3. Curve: system result of standard experiment
图3. 半导体工业制冷设备图
5. 结论
通过QFD质量屋与TRIZ理论的整合，解决了设计阶段两大难题：一是如何收集产品创新的具体问题；二是应该使用哪种思维方式处理该问题。因此，该集成模型是一项系统性的创新思维模式。区别于传统制冷设备的设计，半导体制冷设备的设计，先借助QFD把客户抽象化的需求具化为关键设计要素，分析设计要素的矛盾，并根据专业知识转化为通用的工程参数，再使用TRIZ解决设计过程中遇到的矛盾冲突，最后得到新型半导体制冷设备的设计方案。在工业生产中，如使用该方案生产半导体制冷设备，降低成本，提高效率，更符合当今绿色经济的倡导，促进当地经济高质量可持续发展。
基金项目
本项目为辽宁省社会科学规划基金项目–基于QFD与TRIZ集成的辽宁装备制造业产品创新研究(L18BGL036)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。