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   六西格玛理论包括六西格玛改进(improve for six sigma,IFSS)和六西格玛设计(design for six sigma,DFSS)。六西格玛改进是对现有产品或流程的改进,消除缺陷以达到六西格玛的质量要求[1]。而六西格玛改进存在“五西格玛墙”的瓶颈,六西格玛设计就此产生,六西格玛设计是对新产品或新流程的设计,使其在低成本下实现六西格玛水平[2]。典型的 DFSS 流程分为 Define(定义)、Measure(测量)、Analyze(分析)、Design(设计)和 Verify(验证)5 个阶段,即 DMADV 流程。 DFSS 从设计源头控制品质,按照合理的流程,准确把握和理解客户需求,是达到六西格玛质量的最佳选择。

   TRIZ 是基于知识的、面向设计者的发明创新TRIZ 与六西格玛设计集成创新及问题定义阶段融合应用研究。

   问题系统化解决方法学,是系统化、体系化、图形化、程式化的创新方法理论。

   在大量工程问题被解决的过程中,发现技术人员在解决实际工程问题时,无法正确选择解决问题的路径,无法准确快速地识别关键核心问题。技术创新路径选择错误导致解决问题失败、成本过高、可实施性差;核心关键问题识别错误导致解决错误的问题,无法以低成本根除问题。为了破解上述技术创新面临的两大障碍,需继续加强TRIZ 与 DFSS 的融合创新研究。目前,人们对TRIZ 和 DFSS 的融合创新研究少且浅,只是探讨了两者结合的可能性,以及简单应用 TRIZ 解决DFSS 中出现的冲突矛盾问题(即仅将 TRIZ 解决问题的工具应用在 DFSS 产生概念方案的阶段中)。而实际过程中,企业也无法很好地运用 2 个理论进行产品设计,其原因就在于对创新路径的确定和关键问题的识别存在缺陷。本文将 TRIZ与DFSS 进行框架融合,并重点在DFSS 定义阶段融合TRIZ 分析问题的工具,对技术创新进行深入识别和分析,消除存在的缺陷,为后续进行技术创新提供一定的参考。

1、 TRIZDFSS融合的可行性

    TRIZ 与DFSS 都是技术创新的方法理论和实施工具,通过以下3个方面论述两者融合的可行性。(1)TRIZ 与 DFSS 优势互补。表 1 列出了TRIZ 与DFSS 的优劣对比。由表 1 可知:TRIZ 与DFSS 分别侧重于定性分析和定量分析,两者融合将形成优势互补,取长补短,有助于企业完成技术创新,解决工程问题。而在问题分析方面,DFSS侧重于需求分析,即客户“要什么”,提供产品设计的真正技术需求;TRIZ 侧重于关键问题分析,即设计人员需要“做什么”,提供解决问题的核心关键问题。两者在分析问题阶段形成强强联合,能够完成在问题分析阶段客户“要什么”和设计人员“做什么”这两个基本问题,明确设计方向,为将来的设计奠定基础。

 

 
 
 

 

(2)TRIZ 与 DFSS 思想逻辑相似,有融合的可行性。图 1 和图 2 分别为TRIZ 解决问题的形式以及六西格玛分析问题的原理。由图 1 和图 2 可以看出,TRIZ 与 DFSS 分析解决问题的思想逻辑是相似的,以各自特有的形式转化问题,从不同角度解决问题,能够更好地分析问题的本质,更快地解决问题。

 

 
 
 

 

(3)两者融合是系统进化发展的必然趋势和结果。TRIZ 中的技术系统进化定律是核心理论之一。TRIZ 与 DFSS 融合符合技术系统向提高理想化水平以及向复杂系统进化的定律。系统产生之初是以最简单的形式出现,复杂度和理想度均低。当系统遇到瓶颈,便发展成更复杂的系统以突破瓶颈。DFSS 正是由六西格玛改进发展而来。早期DFSS 包含质量功能展开、新QC 七工具等工具,而后加入了卡诺(KANO)分析、实验设计等工具,理论体系趋于复杂,进而形成了现在较为完整和理想的DFSS 体系。随着DFSS 的发展,对其使用效率、准确性和创新性也提出了更高的要求,因此 DFSS 与 TRIZ 的结合是系统发展进化的必然结果。

 

2、 TRIZ与DFSS的集成研究

2.1 TRIZ与DFSS理论框架

  TRIZ 解 决 问 题 的 基 本 流 程 框 架 见 图 3。 DFSS核心模式的DMADV流程框架见图 4。

    由图 3 可以看出,TRIZ 解决问题的过程分为 3个部分:问题分析阶段经过功能分析、因果分析、资源分析等对问题的根本原因和求解资源进行挖掘;问题解决阶段分别根据矛盾模型、物场模型、功能模型选择发明原理、标准解或效应知识库进行问题求解,形成概念方案;概念验证阶段对方案进行评价筛选和实施。

 

 
 
 

 

    由图 4 可以看出,DMADV 流程中,定义阶段主要任务是收集客户需求、识别问题和确定设计方向,测量阶段量化客户需求并转变为关键质量特性(critical to quality,CTQ),分析阶段主要产生概念方案,设计阶段是对概念方案进行详细设计,最后验证阶段验证设计方案的可行性。其基本流程仍可分为问题分析(定义、测量)、问题解决(分析、设计)和方案验证(验证)3 个部分,与 TRIZ 流程框架大体相似。

2.2 TRIZDFSS的集成

   在研究融合可行性和理论框架结构的基础上,探讨 TRIZ 与 DFSS 的集成。对比图 3 和图 4可知,TRIZ 与 DFSS 的流程框架均可分为问题分析、问题解决和验证三大部分。在技术创新设计的不同阶段,二者都有各自的工具,能够相互融合。表 2 列出了在 DFSS 的 DMADV 各阶段中用到的六西格玛工具和可以集成的TRIZ工具,并据此得到TRIZ与DMADV集成框架,见图 5。

(1)定义阶段。使用客户之声(voice of cos tumers,VOC)、卡诺分析、关键质量特性(CTQ)等 DFSS 工具识别并分析客户需求,确定客户“要什么”;使用功能分析、因果分析、资源分析等TRIZ 工具,找到要解决的关键问题,确定技术人员“做什么”;将“要什么”和“做什么”相结合,确定设计的最终理想解(idea final result,IFR),即设计方向,这是整个设计流程的基础与关键。

 

 
 
 

 

 
 
 

 

(2)测量阶段。使用质量功能展开(quality function deployment,QFD)等 DFSS 工具,量化客户需求并将 CTQ 转变为具体设计指标;若测量数据存在困难,可以运用TRIZ 中用于检测与测量的第四类标准解来解决。测量阶段将需求量化为六西格玛性能指标,确定设计目标,作为最后验证设计方案的标准之一。

(3)分析阶段。主要运用TRIZ 工具对问题进行解决,产生若干概念方案;对所有概念方案进行多方面评价,结合失效模式与影响分析(failure mode and effect analysis,FMEA),确定最佳概念方案。

(4)设计阶段。根据概念方案进行产品详细设计,形成具体方案。可运用实验设计(design of experiments,DOE)、稳健性设计等DFSS 工具,同时可借助TRIZ 中的效应知识库或进行专利分析,为方案的具体设计提供指导帮助。

(5)验证阶段。经过试生产和测试,判断结果是否满足客户需求,是否解决关键问题,是否达到测量阶段得出的设计目标。若满足要求,即完成设计;否则回到分析阶段,重新产生概念方案。该阶段可以参考TRIZ 中技术系统进化法则,验证设计的准确性。

    企业要解决创新问题,不仅需要TRIZ 这一发明问题解决理论,知识的收集和整理也相当重要。解决的渠道主要有 3 个:企业的领域知识库、技术人员的技术储备及公开的知识库(包括专利平台、数字知识库、互联网知识库等),这些知识的运用可穿插在产品设计的各个阶段。TRIZ 中的效应知识库也属于公开知识库的一种,可运用在DMADV流程的分析阶段和设计阶段中。运用知识库时,首先针对关键问题,确定技术主题,提取关键词,然后进行专利或知识的检索,将检索信息导出,经过数据采集、筛选和规范化,分析和评估现有技术和解决方案,从中发现可利用的技术和知识,为概念方案的提出和方案的具体设计提供切实有效的帮助。

对于以上的融合框架路线,可根据实际情况选择性地使用其中的步骤和思想,旨在尽可能提高解决问题的可能性和效率,从而得到最佳的设计方案。

 

3 、TRIZ与DFSS定义阶段融合

3.1 定义阶段的重要性

    图 6所示为DMADV流程各阶段之间的联系。由图 6 可以看出,定义阶段产出的关键质量特性(CTQ)输入到测量阶段,量化成为设计目标,作为最后验证阶段的标准;定义阶段产出的关键问题输入到分析阶段,针对关键问题进行创新解决,形成概念方案,并输入到设计阶段形成具体方案,最后到验证阶段结合设计目标进行方案验证。

 

 
 
 

 

    定义阶段是一切的出发点,是产品技术创新的源头和根基,做好定义阶段的工作对于整个流程来说至关重要。在定义阶段分别要识别出关键质量特性(客户需求)和关键问题,即客户“要什么”和技术人员“做什么”的问题。只有准确把握客户需求和关键问题,才能为技术创新确定正确的创新路径。DFSS 和 TRIZ 的工具分别侧重于以上两个基本问题,在定义阶段能够做到强强联合。

3.2 融合路线

   在定义阶段确定产品类型,收集并分析市场和客户需求,明确产品项目规模,发现问题并明确设计方向,制定产品计划和方案。图 7 为 TRIZ与DFSS在定义阶段重点融合的流程图。

 

 
 
 

 

    在定义阶段,DFSS 的主要工作是收集和确定待开发产品的客户需求,进行需求分析,确定客户 “要什么”。首先通过调查问卷、走访等方式了解客户之声,收集市场及客户的需求,然后运用卡诺模型进行需求分析,最后根据客户需求分析的结果,确定产品的关键质量特性。

    而客户关键质量特性的实现,通常会存在阻碍,无法达到所希望的需求,这个需求的反面(即产品无法实现该需求功能)就是技术创新将会面临的问题。该问题仅为表现出来的问题,TRIZ 的主要工作是对发现的问题进行深入分析,找到需要解决的关键问题,确定设计人员“做什么”。应用TRIZ 中的功能分析和因果分析,对技术系统和产生的问题进行分析,找到问题的关键所在,即解决问题的突破口;资源分析利于寻找解题资源,减少设计成本和难度。结合客户关键质量特性及关键问题,确立技术创新的最终理想解,明确设计方向。

    在产品技术创新的过程中,客户的参与有着非常重要的作用。技术创新是从客户需求出发寻找设计解的过程,只有准确把握客户需求,给客户带来能够满足需求的技术创新产品,才能赢得客户青睐,获得市场认可。

    客户需求分析中,卡诺模型是一个重要的工具,以分析客户需求对客户满意的影响为基础,体现了产品性能和客户满意之间的非线性关系。在卡诺模型中,将需求分为 5 种属性,分别为必备属性、期望属性、魅力属性、无差异属性和反向属性,每种需求对应的需求具备程度与客户满意度的关系见图 8。

 

 
 
 

 

    由卡诺模型确定的客户需求属性,确定关键质量特性。一般取期望需求为关键质量特性,这是客户最希望得到的,即客户需求的痒处,是体现竞争能力的需求。在满足必备需求的前提下,处理好期望需求,满足客户最迫切的需求,对技术创新起到关键作用。

    确定关键质量特性后,从中发现产品技术创新将面临的问题。通过TRIZ 功能分析、因果分析工具,对发现的表面问题进行深入分析和挖掘,找到关键问题所在;并通过资源分析,寻找解题资源,降低设计问题的难度和成本。

3.3 实例分析

   为了更好地说明 TRIZ 与 DFSS 在定义阶段的融合,以“柴油型车辆供油系统”的设计作为案例进行说明。

(1)针对目标客户(柴油车辆的使用人员)走访调查访谈,获取客户对于柴油型车辆供油系统的需求。共获得 7 种需求:保证基本供油及柴油

雾化功能;能够在较宽温度范围尤其是低温环境下正常供油;智能控制;节省燃料;寿命长;维护成本低;抗破坏能力强。以上收集的需求即为客户之声,分别称为需求 1、需求 2、…、需求 7。针对这些需求,设计 KANO 调查问卷,将结果填入 KANO 评价表,并通过以下公式分别计算客户满意度(Better)Si和不满意度(Worse)Di:

 

 
 
 

 

式中,A为魅力需求;O为期望需求;M为必备需求;I为无差异需求;i为需求序数。

    并作出卡诺模型的四分位图,从而确定该需求的属性。以需求“能够在较宽温度范围尤其是低温环境下正常供油”为例,共发放调查问卷 500 份,回收 489份,回收率 97.8%,统计数据见表 3。根据式(1)和式(2)计算需求的 BetterWorse 系数,得到 S2=91%,D2=56%。其他需求同理,分别得到各需求的 BetterWorse 系数,绘制卡诺模型四分位图,其中分界线为系数均值,见图 9。确定需求和需求为期望属性。由于需求的 Bet ter 系数远高于需求,最后选择需求,即设计的柴油车辆供油系统“能够在较宽温度范围尤其是低温环境下正常供油”作为关键质量特性,得到了客户“要什么”。提取关键质量特性的反面并适当转换表达,找到产品技术创新中将面临的问题——供油系统无法在低温环境下正常供油。由于项目实施地区为内蒙古,冬季气温很低,供油系统经常出现无法供油的情况而导致柴油发动机无法运转,这事实上是高寒地区柴油车辆面临的主要问题[16]。通过卡诺模型分析得出需求的 Better 系数最大,同时反映了该主要问题,这是客户最需要解决的问题。

 

 
 
 

 

 
 
 

 

(2)对“供油系统无法在低温环境下正常供油”这个问题用TRIZ 工具进行深入分析。先是功能分析,包括三步:组件分析、相互作用分析和建立功能模型。分析柴油型车辆供油系统,组件包括油箱、油管、柴油滤清器、输油泵、进油歧管和喷油嘴[17],作用对象是柴油,超系统组件包括冷空气和蜡。建立相互作用分析表(表 4),其中“+”代表两个组件之间存在相互作用,“-”代表不存在相互作用。根据相互作用分析表建立功能模型,绘制功能模型图(图 10)。由图 10 可以看出,冷空气对柴油进行冷却,从而生成蜡,与柴油一起存在于整个供油系统回路中,对组件产生堵塞的有害功能;同时冷空气对整个系统产生冷却功能,令产生的蜡无法融化,存在于整个系统回路,造成供油不畅。

 

 
 
 

 

(3)对问题“供油系统无法在低温环境下正常供油”进行因果分析,绘制因果链图(图 11),找出关键问题。由图 11 可以看出,末端原因为柴油属性和冷空气环境温度低导致柴油结蜡。而通过客户走访,虽然可通过更换抗冻柴油来达到柴油不结蜡的要求,但其成本昂贵且更换不便,无法从根本上解决问题。结合功能模型,最后确定关键问题为“环境温度低导致柴油结蜡”。由此找到问题的入手点和突破点——隔绝或消除冷空气带来的低温以防止柴油结蜡,即得到设计人员需要“做什么”,从而确定了产品技术创新的路径。对供油系统进行资源归类,分为系统内部资源和系统外部资源,并分析其资源可用性(表 5)。利用这些可用资源能够为问题提供解题资源。

 

 
 
 

 

(4)确定最终理想解 IFR:柴油车辆供油系统不受环境温度的影响始终可以正常供油。这是最理想的系统,是柴油车辆供油系统的设计方向。至此,定义阶段结束。

针对关键问题进行TRIZ 解决,建立矛盾模型和物场模型,应用发明原理、物场模型与标准解等工具,并参考效应知识库和进行专利分析,设计出了一套新的柴油车辆供油系统概念方案,见图 12。

 

 
 
 

 

     主油箱储存高标号的 0 号柴油,副油箱储存低标号柴油(如-35 号柴油)。冬季启动车辆时,使用副油箱内的低标号柴油启动车辆。发动机正常运转后,产生的热量经预热水管进入主油箱、油管和柴油滤清器中的热交换器并对其加热。车辆发动一段时间后,供油系统内部温度上升,温度传感器检测主油箱温度是否达到预定值,若达到则断开温控开关,关闭预热回路,并通过三通电磁阀由副油箱切换到主油箱,即由低标号柴油供油转为 0号柴油供油。此时,供油系统预热完毕,整个系统内温度能够维持在较高的水平,系统正常运转,从而实现冬季使用 0 号柴油进行供油。当主油箱内温度下降到预定值以下,温控开关闭合,继续对主油箱及油管、柴滤等进行加热,确保供油系统的温度维持在正常水平。当车辆准备熄火时,为防止温度降低导致 0 号柴油结蜡,手动控制三通电磁阀,切换至低标号柴油,使其流经整个系统回路后,方可熄火。此时整个供油回路充斥低标号柴油,确保下一次能够正常启动车辆。

    根据定义阶段的融合路线,正确确定了客户的需求和产品设计的关键问题,为柴油车辆供油系统的设计提供了一定帮助。该融合以客户需求为出发点,为产品创新设计指引了正确的方向道路,避免了不必要的设计弯路,节约了设计成本,提高了设计效率。

    某矿业公司将新供油系统应用于柴油矿用车辆,改造前冬季必须使用价格较高的抗冻柴油,年平均燃油费约为 1.22 亿元;改造后冬季可使用普通 0 号柴油,年平均燃油费约为 1.01 亿元,可节约燃油成本约 2100 万元。新的柴油车辆供油系统不受车型和地区限制,适用于各种柴油型车辆和工程设备,提高了发动机的热效率和燃油经济性,具有很好的社会效益和经济效益。

4 、结论与展望

   在论证 TRIZ 与 DFSS 融合可行性的基础上,进行了两者工具的集成和流程融合框架的构建,并针对企业在关键问题定义识别的缺陷,重点在DFSS 定义阶段进行 TRIZ 融合研究。将融合形成的设计过程提取出来,总结出了较为完整的方法步骤,把融合理论转化到方法层面,并通过实际案例加以说明。

    TRIZ 与DFSS 的融合是理论适应实际的必然发展方向,两者融合将有效帮助企业进行技术创新。形成的新理论方法可让任何产品设计人员通过学习掌握,从而使设计人员准确、高质、低成本、高效率地进行产品技术创新设计,对企业提高核心竞争力有重要意义。

    本文重点放在了 DMADV 的定义阶段,但TRIZ 与 DFSS 的 融 合 绝 不 局 限 于 此 ,尤 其 是DMADV分析与设计阶段,有待进一步深入研究。 TRIZ 与 DFSS 的融合也不仅限于 DMADV流程。由于DFSS 流程的多样化,二者的融合将朝着多样化、全面化和通用化方向发展。贺张驰咨询集团第343期六西格玛绿带培训10天圆满结束-张驰咨询

 
 


   六西格玛理论包括六西格玛改进(improve for six sigma,IFSS)和六西格玛设计(design for six sigma,DFSS)。六西格玛改进是对现有产品或流程的改进,消除缺陷以达到六西格玛的质量要求[1]。而六西格玛改进存在“五西格玛墙”的瓶颈,六西格玛设计就此产生,六西格玛设计是对新产品或新流程的设计,使其在低成本下实现六西格玛水平[2]。典型的 DFSS 流程分为 Define(定义)、Measure(测量)、Analyze(分析)、Design(设计)和 Verify(验证)5 个阶段,即 DMADV 流程。 DFSS 从设计源头控制品质,按照合理的流程,准确把握和理解客户需求,是达到六西格玛质量的最佳选择。

   TRIZ 是基于知识的、面向设计者的发明创新TRIZ 与六西格玛设计集成创新及问题定义阶段融合应用研究。

   问题系统化解决方法学,是系统化、体系化、图形化、程式化的创新方法理论。

   在大量工程问题被解决的过程中,发现技术人员在解决实际工程问题时,无法正确选择解决问题的路径,无法准确快速地识别关键核心问题。技术创新路径选择错误导致解决问题失败、成本过高、可实施性差;核心关键问题识别错误导致解决错误的问题,无法以低成本根除问题。为了破解上述技术创新面临的两大障碍,需继续加强TRIZ 与 DFSS 的融合创新研究。目前,人们对TRIZ 和 DFSS 的融合创新研究少且浅,只是探讨了两者结合的可能性,以及简单应用 TRIZ 解决DFSS 中出现的冲突矛盾问题(即仅将 TRIZ 解决问题的工具应用在 DFSS 产生概念方案的阶段中)。而实际过程中,企业也无法很好地运用 2 个理论进行产品设计,其原因就在于对创新路径的确定和关键问题的识别存在缺陷。本文将 TRIZ与DFSS 进行框架融合,并重点在DFSS 定义阶段融合TRIZ 分析问题的工具,对技术创新进行深入识别和分析,消除存在的缺陷,为后续进行技术创新提供一定的参考。

1、 TRIZDFSS融合的可行性

    TRIZ 与DFSS 都是技术创新的方法理论和实施工具,通过以下3个方面论述两者融合的可行性。(1)TRIZ 与 DFSS 优势互补。表 1 列出了TRIZ 与DFSS 的优劣对比。由表 1 可知:TRIZ 与DFSS 分别侧重于定性分析和定量分析,两者融合将形成优势互补,取长补短,有助于企业完成技术创新,解决工程问题。而在问题分析方面,DFSS侧重于需求分析,即客户“要什么”,提供产品设计的真正技术需求;TRIZ 侧重于关键问题分析,即设计人员需要“做什么”,提供解决问题的核心关键问题。两者在分析问题阶段形成强强联合,能够完成在问题分析阶段客户“要什么”和设计人员“做什么”这两个基本问题,明确设计方向,为将来的设计奠定基础。