3.7.3 基于TRIZ与质量功能展开集成的创新设计理论与方法
3.7.3.1 质量功能展开理论
质量功能展开（quality function deployment，QFD）是由日本学者赤尾洋二首次提出的。他把综合质量功能展开定义为通过系统化的方法识别顾客需求，把这些顾客需求转化为产品的替代质量特性来确定产品设计质量，将所确定的设计质量展开到产品、服务的功能组件的质量上，并将其体现在产品或服务的制造工序的相互关系中。QFD的核心思想是产品从可行性分析到投产，都应该将市场的需求作为驱动，着重把市场的需求转换成产品开发的各类信息，QFD使用的基本工具是“质量屋”（house of quality，HOQ），主要关注产品的规划及问题的预防，而不是产品具体参数的设计。也就是说，QFD只能解决“做什么”，而TRIZ用于解决“怎么做”。因此，一些学者致力于TRIZ理论与QFD理论集成应用方面的研究。
TRIZ理论可以应用于质量功能的各个阶段，TRIZ能够在相关矩阵中拓展质量功能。埃伦（Ellen）博士尝试将TRIZ中的某些工具引入QFD中，同时对引入QFD中的TRIZ工具进行归类；特林科（Terninko）将QFD与TRIZ的理想解相结合；山科（Yamashina）、李（Lee）先后集成了QFD和TRIZ，并利用“质量屋”将顾客的需求映射到质量特性的改善中，运用TRIZ理论中的矛盾矩阵、物质-场分析和效应知识库分别将零部件质量特性进行改善，使新产品的设计和技术的创新更加有效；华中生、汪炜考虑到用上述方法改进后的零件之间可能会产生新的负相关问题，由此提出了改进的QFD-TRIZ集成方法。
檀润华等指出运用QFD中的第一个质量屋，通过功能分析可以创建第二个质量屋，由敏感矩阵的负相关项来明确设计冲突和类型，且用TRIZ中冲突解决原理来解决冲突；管虹翔为提升QFD对问题表述的准确度，引入了“相关关系”，并与TRIZ结合提出了基于相关QFD的技术评价、需求评价、质量屋群评价方法及产品设计模型，提高了产品的开发速度；穆建华主要从信息和应用集成角度对QFD和TRIZ的理论集成进行研究，创建了信息集成模型和应用集成模型，同时把模型分为信息收集与分析和具体实施应用两个阶段；廖枝平运用TRIZ理论的冲突矩阵及40条发明原理来处理产品设计过程中存在的技术冲突，提出了一个简化的质量屋模型，从而使创新理论对中小型企业更具可操作性与实用性；王浩伦等针对大规模定制生产模式下的企业产品创新能力不足的问题，提出了一种以QFD和TRIZ为基础的产品创新流程。
质量功能展开是采用一定的规范化方法将客户或市场的要求转化为设计要求、零部件特性、工艺要求和生产要求的多层次演绎分析方法。QFD利用HOQ的核心，将需求分解并映射到特征上，把边界条件的模糊语句映射到具体的设计参数上。质量屋技术特性的冲突可以分为两个方面，首先是不同技术特性之间的冲突，这类冲突可以通过质量屋的屋顶进行技术特性的自相关分析，从而导出矛盾并有效解决；另一类是同一技术特性不同用户需求之间的冲突，即由于用户需求的多样性，不同用户需求会要求同一技术特性表现出不同甚至相反的特点，使得技术特性目标值无法给予定义。质量屋（HOQ）的结构借助于建筑上的称谓，其一般结构由左墙、右墙、天花板、房间、地板、屋顶和地下室7个部分10个功能组成（见图3-28）。
左墙：表示客户需求（CR）和客户需求基本重要度。如图3-28所示，客户需求①是质量屋的左墙输入信息，通常被称为客户的声音，代表客户对产品的愿望、期望或者诉求等。对于客户需求的获取方式主要有焦点小组座谈、深度访谈及历史数据资料的收集等。客户需求基本重要度②是当顾客需求被明确之后，客户需要从自身角度出发，利用数据化的方法对各项的重要性进行评估。在传统的QFD中，对于客户需求基本重要度的评估方法主要是1～5比例标度法，5代表对于顾客而言该项需求最为重要，而1则表示最不重要，客户需求基本重要度确定的准确与否将影响产品设计与开发的效果。假设客户需求及其重要程度为K，则满足式
（j∈1，……，m）的客户需求称为核心客户需求，其中
是平均客户需求重要度。
图3-28 质量屋的一般结构
右墙：表示市场竞争性分析和客户需求最终重要度。图3-28中③表示市场竞争性分析。在此步骤中，需要对本企业待开发或改进的产品与竞争对手相同或者相类似的产品进行比较分析，以明确该产品在各项顾客需求方面的竞争优势与竞争劣势。市场竞争性分析的结果能帮助产品开发者对产品在市场上明确一个定位，同时了解顾客的满意程度。市场竞争性分析通常采用1～5标度方法对每项顾客需求与竞争对手进行评估，通过评估能够明确产品或服务的改进方向。④为客户需求最终重要度，在明确了解顾客需求的基本重要程度及每项顾客需求的市场竞争性分析结果后，通过将重点改进的顾客需求设定水平提升率的方式，突出其竞争优先度，并将其与基本重要度相乘，以获得包含市场竞争信息的CR最终重要度。
天花板：表示产品技术特性与识别。图3-28中⑤为技术特性（TC），是所设定的技术标准，通过该技术标准去满足相应的TC，被称为质量屋的“HOW”，即TC如何满足指定的技术标准。TC是产品设计开发人员用技术术语的角度理解顾客的需求。其必须是量化且可测量的，只有这样才能被应用于产品的设计与开发中。
屋顶：以工程措施关系矩阵，即技术特性及其自相关矩阵⑥表示，实现客户需求的若干技术措施和设计要求。TC之间的关系可能表现为正相关（向相同方向变化）、负相关（向相反方向变化）及不相关三种形式来定性地描述工程特征之间的相关影响关系，“+”表示正相关，“-”表示负相关，即两个技术措施之间存在冲突。正相关关系帮助我们识别TC之间的紧密联系，从而避免重复的劳动。负相关关系代表TC之间可能需要有权衡的改进。在QFD中分别使用0、1、3及9等数字表示TC之间存在的不相关、弱相关、中等相关及强相关等。
房间：表示客户需求与技术特性（CR-TC）的关系矩阵（图3-28中⑦），它描述了客户需求和技术特性之间的关系程度。CR-TC关系矩阵是质量屋的核心内容之一。QFD中经常使用0、1、3、9或0、1、3、5等标度表示CR与TC之间的关系强弱，0表示不相关，1表示弱相关，3表示中等程度相关，5或者9代表强相关。若以关系矩阵R来描述客户需求与实现该需求的技术措施之间的关系程度，则Rij为第j种技术措施对于实现第i种客户需求的重要程度。
地板：表示TC基本优先度（图3-28中⑧）。通过CR最终重要度及CR-TC关系矩阵的计算，将相应的CR最终重要度与CR和TC之间的关系数值进行乘积并加总，得到TC的基本优先度。TC基本优先度的计算包含CR的影响。假设技术措施指标及其重要度为T，则将满足式Tj≥
（j∈1，……，m）的客户需求称为核心客户需求。其中
是平均技术措施重要度。
地下室：表示技术竞争性分析和TC最终优先度。图3-28中⑨代表技术竞争性分析，主要包括将所识别的TC与竞争对手进行比较以识别相关优劣势，进一步设定相应的改进目标项。在QFD中通常使用1～5标度方法描述TC各项的竞争程度，1表示该TC项的实现程度最弱，5表示该TC项被充分实现。图3-28中⑩为TC最终优先度，是质量屋中最后的输出结果，它是通过TC基本优先度及技术竞争性分析的计算得到的。TC最终优先度的计算能够帮助企业产品开发团队识别包含顾客需求重要度的技术特性优先度，对优先度较高的技术特性进行重点关注。
美国供应商协会的苏利万（Sullivan，1986）通过研究提出了ASI模式（称为四阶段模型）。ASI模式利用四个矩阵的形式将产品开发的步骤分为产品规划、零部件展开、工艺计划和生产计划四个阶段，在四个阶段中由顾客需求和技术特性构成的产品规划矩阵是最基础的也是最重要的，后续零部件规划、工艺规划及生产规划等矩阵展开步骤均与其相似。ASI模式的结构能够较好地展现出QFD的基本思想，且使用方便，因此在实际应用中，根据下一道工序就是上一道工序客户的原理，四个阶段均建立质量屋，而上一阶段质量屋的天花板主要项目转换为下一阶段的质量屋的左墙，形成瀑布式的分解过程，将客户需求逐步、逐层地展开为设计要求、零件特性、工艺要求和生产要求，从而达到质量控制的目的，如图3-29所示。
图3-29 质量功能的四阶段展开
在产品规划阶段，尽可能准确地进行定位，设计、制造可以满足客户需求的产品技术特性及其目标值，是满足客户需求的第一步。利用产品规划矩阵，分析得到满足客户需求的产品技术要求，同时分别评估客户需求和产品技术特性的竞争能力，确定技术特性的取值；零部件规划阶段，利用产品规划矩阵得到的技术需求，确定关键的零部件及其特性；工艺设计阶段，确定关键工艺步骤及其特性，从而满足产品的关键零部件特性；生产质量控制阶段，通过生产质量控制矩阵，确定为实现关键的工艺步骤而必须保证的具体生产控制参数和方法。
尽管TRIZ理论已经解决了许多设计难题并产生了巨大的经济效益，但其自身也暴露出一些弱点，其主要缺陷之一是问题不明确成为制约TRIZ应用的瓶颈。QFD问题很明确，但解决问题的方法不足。本章利用QFD寻找、确定设计过程中存在的问题，然后借助TRIZ冲突矩阵应用研究的最新成果，探索了QFD和TRIZ的几种集成模式。
3.7.3.2 基于TRIZ与质量功能展开屋顶集成的创新设计
质量屋是实现质量功能（QFD）展开的结构化工具，它提供了一种将用户需求转换成产品和零部件特征，以及分解到制造过程的框架和结构。QFD的屋顶可明晰提取负相关的技术措施，存在负相关的技术措施正是设计需要解决的冲突。简单的冲突可直接查询冲突矩阵来获取TRIZ推荐的发明原理。但是实际上在绝大部分的设计背景下，由于耦合的普遍存在，一旦出现技术措施之间的负相关，往往一种技术措施与多个其他技术措施之间都存在负相关的情况。此时不能单独考虑其中一对技术措施之间的冲突，而应该综合所有冲突，探索一揽子解决方案。因此，根据本章提出的非典型情况下发明原理的获取及TRIZ冲突矩阵的一般应用形式，提出基于QFD屋顶和TRIZ的创新设计流程，如图3-30所示。
图3-30 基于TRIZ与质量功能展开屋顶集成的创新设计流程
3.7.3.3 基于TRIZ与质量功能展开左墙集成的创新设计
设计初期，技术人员往往处于模糊状态，不能准确地描述技术措施之间的相互关系，但是已经明晰了客户核心需求及其对应的关键技术措施，此时可结合TRIZ冲突矩阵非典型情况下的发明原理来获取方法，实现基于QFD左墙和TRIZ的创新设计方法，主要设计流程如图3-31所示。
图3-31 基于TRIZ与质量功能展开屋左墙集成的创新设计流程
质量屋是QFD的核心，其主要由用户需求、工程特性、顾客需求-工程特性的关系矩阵、工程特性之间的自相关矩阵、顾客需求的计划矩阵和工程特性的设计矩阵等组成。QFD通过质量屋的构建与决策来有效地规划产品设计，保证产品设计过程始终不脱离用户需求。
在确定用户需求URi及其权重wi后，依据用户需求和产品特性进行分析并确定产品的各项设计需求，将用户需求及权重和设计需求输入QFD质量屋，对用户需求与设计需求间的相关关系度进行量化评价，构建用户需求-设计需求关系矩阵，设βij表示用户需求URi与设计需求DRj之间的相关关系大小，则设计需求DRj的重要度uj及相对重要度rj表示为：
其中，i=1，2，……，n，j=1，2，……，m；m为设计需求的数量。通过上述分析及计算，得出各项设计需求的重要度uj。
3.7.3.4 基于TRIZ与质量功能展开地板集成的创新设计
地板提供的最重要的信息是各项技术措施的重要度及关键技术。关键技术是满足客户需求贡献最大的工程措施，有助于指导设计人员抓住主要矛盾，开展稳定设计。关键工程措施的创新求解将对整个产品的创新设计产生重要影响。在不明晰关键技术措施与其他技术措施之间是否存在冲突时，也可采用本章提出的非典型情况下快速获取创新设计的思路。其实现流程如图3-32所示。
图3-32 基于TRIZ与质量功能展开屋地板集成的创新设计流程