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1、 分类号 _ 密级 U D C _ 学位论文 基于 TRIZ的自动售货机创新设计 作 者 姓 名 ： 张 进 指导教 师 ： 赵 新 军 副 教 授 东北大学机械工程与自动化学院工业设计研究所 申请学位级别：硕士 学 科 类 别 ： 工 学 学科专业名称：机械设计及理论 论文提交日期： 2010年 6月 论文答辩日期： 2010年 6月 学 位 授 予 曰 期 ： 耷 词 答辩委员会主席：赛 评阅人：響 !:1反、私峰系 东北大学 2010年 6月 A Dissertation for the Degree of Master in Mechanical Design and Theory I
2、nnovative Design of Vending Machine on the Basis of TRIZ by Zhang Jin Supervisor： Associate Professor Zhao Xin-jun Northeastern University June 2010 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名 if#
3、 曰 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口 一 年 口 一年半口 两年 学 位 论 文 作 者 签 名 ： 导 师 签 名 : 签字曰期：义 /巧 签字曰期： , 东北大学颂士学位论文 基于 TRIZ的自动售货机创新设计 摘要 摘要 随着我国经济与科学技术的快速发展，自动化装置在人们的生活越来越多的被应 用。自动售
4、货机作为一种全新的售货方式，运用自动化技术为消费者提供了便利。目 前，自动售货机在国外已相当普及，但在国内还处于起步阶段。研究消费者需求、解 决现有自动售货机的设计问题对我国自动售货机的发展有着重要的意义。 本文首先从零售业的几次变革入手，通过与其他零售形式的分析比较，得出自动 售货机的优势以及存在的重要意义。其次，对自动售货机自身的发展史进行总结研究， 了解不同时期，自动售货机的不同形式及进化过程。在此基础上，运用 TRIZ理论的 技术系统进化原理对其进行分析，通过对相关专利的调查总结，绘制专利数 、专利级 别、性能和利润四条曲线，与技术系统进化曲线的一般模式进行比对，得出自动售货 机在我国
5、目前的发展程度，并根据技术系统进化模式，对今后核心技术的发展方向做 出预测。接着，对自动售货机的功能加以介绍，并通过问卷调查的形式了解现存的问 题，运用 TRIZ中矛盾矩阵与 40条发明原理，结合产品设计相关理论提出解决方案。 最后，结合以上研究结论对现有自动售货机进行方案创新设计，得出最终效果。 本文通过对自动售货机的发展及现存问题的研究，得出设计构想，并为自动售货 机今后的发展方向做出了预测，希望能够为自动售货机在 我国的发展提供一定的参考。 关键词： TRIZ;自动售货机；产品创新设计 东北大学颂士学位论文 Abstract Innovative Design of Vending Ma
6、chine on the Basis of TRIZ Abstract As the rapid development of Chinese economy, science and technology, more and more automated devices are applied in peoples lives. As a new sales way, vending machines using automation technology provide the consumers convenience. Currently, vending machines have
7、been very popular abroad, but their development in China is still in infancy. It is significant for Chinas vending machines development that researching consumers9 demand and solving design problems of existing vending machines. Firstly, by analyzing several transformations of retail industry and co
8、mparing vending machines with other retail forms, this paper acquires the advantages of vending machines and their important position in the retail industry. Secondly, on the basis of researching and summarizing the development history of vending machines, with the purpose of understanding the diffe
9、rent forms and evolutionary processes of vending machines in different periods， this paper analyzes the evolution of vending machines using TRIZs evolution theory of technical system. By surveying and summarizing the relevant patents, this paper draws four curves of patents, patent level, performanc
10、e and profits, and by comparing them with the general pattern of evolution curve of technical system, this paper acquires the current development level of vending machines in China. According to the evolution model of technical system, this paper predicts the future development direction of core tec
11、hnology. Thirdly, introducing the functions of vending machines and understanding the existing problems by the way of questionnaire survey, this paper proposes their solutions using the TRIZs contradiction matrix, 40 inventive principles and the relevant theory of product design. Finally, combining
12、the above conclusions, this paper makes some innovative designs for the existing vending machines and obtains the final effects. By researching on the development and existing problems of vending machines, this paper obtains the design ideas and forecasts the future direction of vending machines. Th
13、e author hopes that it can provide references for the development of vending machines in China. Key words： TRIZ; vending machines; product innovative design; 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明 . I . III Abstract . V 第 1 章绪论 . 1 1.1课题的研究背景及现状 . 1 1.1.1课题的研究背景 . 1 1.1.2国内外研究及使用现状 . 1 1.2研究运用的基本理论综述 . 6 1.2.1 TRIZ
14、 的起源 . 6 1.2.2 TRIZ的基本原理和方法 . 7 1.2.3 TRIZ的现实应用及发展前景 . 8 1.3课题的研究目的及意义 . 9 1.4课题的研究思路及方法 . 9 第 2章自动售货机的进化演变 . 11 2.1零售形式发展进化 . 11 2.1.1人类历史上的几次零售革命 . 11 2.1.2自动售货机在零售业中的优势 . 13 2.2自动售货机的产生与发展进程 . 14 2.2.1自动售货机的产生 . 14 2.2.2自动售货机的售货种类 . 18 2.3结算形式的进化 . 21 2.2.4自动售货机的社会应用价值 . 23 2.4本章小结 . 24 第 3 章基于 T
15、RIZ的自动售货机技术成熟度分析与预测 . 25 3.1技术系统进化理论 . 25 3.1.1技术系统 . 25 3.1.2技术系统进化论 . 26 3.2技术系统进化模式 . 26 3.2.1进化模式一：技术系统生命周期 . 26 3.2.2进化模式二：提高理想度 . 27 3.2.3进化模式三：子系统的不均衡进化 . 28 3.2.4进化模式四：增加系统的动态性和可控性 . 29 -VII- 东北大学硕士学位论文 目录 3.2.5进化模式五：通过集成增加系统功能，再逐渐简化系统 _ . 29 3.2.6进化模式六：子系统协调性进化 . 29 3.2.7进化模式七：由宏观系统向微观系统进化
16、. 29 3.2.8进化模式八：提高系统的自动化程度 . 30 3.2.9进化模式九：系统的分割 . 30 3.2.10进化模式十：改善物质结构 . 30 3.2 J1进化模式十一：系统元件的一般化处理 . 30 3.3技术成熟度预测 . 30 3.3.1技术成熟度预测方法 . 31 3.3.2技术进化与创新 . 32 3.4自动售货机技术成熟度分析及预测 . 34 3.4.1自动售货机技术成熟度分析 . 34 3A2技术预测 . 39 3.5本章小结 . 41 第 4章自动售货机现存问题分析 . 43 4.1自动售货机 . 43 4.1.1自动售货机结构与功能划分 . 43 4.1.2自动售
17、货机外观介绍 . 44 4.2自动售货机现存问题调查及分析 . 44 4.2.1现存问题调查 . 45 4.2.2调查问卷数据分析 . 45 4.2.3分析结果分类总结 . 54 4.3本章小结 . 55 第 5 章基于 TRIZ理论的自动售货机创新设计求解 . 57 5.1 57 5.1.1矛盾的定义 . 57 5.1.2矛盾的分类 . 57 5.2技术矛盾及其解决原理 . 58 5.2.1 39项标准参数 . 58 5.2.2 40条发明创造原理 . 58 5.2.3矛盾解决矩阵 . 58 5.2.4技术矛盾的解决过程 . 59 5.3物理矛盾及其解决原理 . 60 5.3.1物理矛盾的定
18、义及表述 . 60 5.3.2分离原理 . 61 -VIII - 东北大学颂士学位论文 目录 5.4基于矛盾解决原理的现有问题分析 . 61 5.4.1现有问题分类 . 61 5.4.2基于矛盾矩阵的技术矛盾求解 . 62 5.4.3基于分离原理的物理矛盾求解 . 64 5.5创新方案构想 . 65 5.5.1 方案一 . 65 5.5.2 方案二 . 66 5.5.3方案三 . 68 5.5.4方案四 . 70 5.6本章小结 . 71 第 六 章 结 论 . 73 参考文献 . 75 Pft . 77 m m . 79 -IX- 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 第 1 章绪论 1.1
19、课题的研究背景及现状 1.1.1课题的研究背景 随着科学技术的发展，电子信息技术在当今社会的应用越来越广泛。商业服务业 应用的自动化装置不断增多，计算机管理系统的开发、发展，顾客的自助化服务领域 不断拓宽。自助化的发展是与自动化相伴随的。商品经营上的一手钱一手货，一项服 务的提供或获得须经服务员与顾客的直接接触才能完成，这些传统的商业、服务业劳 动特征正在淡化和演变。以钱（硬币，或是相当于钱的专用卡）为中介，当机器与消 费者的指令信息实现沟通时，消费者就可取得某些商品、服务的使用价值。 现代社会，很多地方要求消费者自己动手，实现消费。洗衣店洗衣服，通过高速 公路收费站、到银行取款、查询交通线路
20、、预订车票、到收费停车场停车、汽车加油 和冲洗、检票、在图书馆查阅图书资料、还有用餐等，都较普遍采取顾客自我 服务形 式。随着自动化水平的提高，自助机具设计越来越先进，更多的是考虑了为消费者提 供便利，可以这样说随着社会的发展，越来越多的场合，只要自己动手，就能 “ 丰衣 足食 ” ，实现消费。 自动售货或称无人售货是一种新颖的售货方式，其特征就是机器取代了人、取代 了商店。尽管目前能够通过自动售货机销售的商品种类仍然十分有限，但是，它的优 势是可以安置在任何地方，并能够突破营业时间的限制，为人们随时提供诸如香烟、 饮料、报纸、胶卷、包装食品等具有习惯性购买的商品。 1.1.2国内外研究及使用
21、现状 (1)国外自动售货机发展情况 国外出现和使用自动售货机已有多年的历史。说起自动售货机，就不得不说起有 “ 自动售货机王国 ” 之称的 F1本。据史料记载，日本首次出现自动售货机是在 1888 年 1，至 20世纪 60年代初期自动售货机开始在 R本发展起来。 1964年东京奥运会是 售货机在円本得以迅速发展的契机，为了满足来自欧美游客购买饮料的需要和习惯， 东京的街头巷尾和旅馆陈放了数量众多的售货机。这一年，円本自动售货机的应用量 达到 23.7万台。此后的 15年间，円本售货机应用数量以两位数的年增长率高速增长， 到 1979年已有 420多万台。 80年代，由于售货机数量基数已经相当
22、大，增长速度变 缓。 90年代，日本售货机数量趋于饱和，应用量一直在 540万台上下徘徊， 1998年和 1999年分别增加到 550万台和 554万台， 2003年保持为 552万台。 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 自动售货机的商品销售额的增长也是十分迅速的， 1964年不到 800亿円元， 1974 年超过 1万亿日元，到 2000年已经猛增到 7.11万亿 1=元， 2003年略有回落，为 6.94 万亿日元。据日本自 动售货机工业协会的统计，到 2006年底，全日本共有 551万台自 动售货机，通过自动售货机获得的销售收入可达 7万亿日元 21。 自动售货机包括两大部分，一部分
23、是销售商品的售货机，如饮料售货机和香烟售 货机等；另一部分是自动服务机，如兑钞机、租赁机、计时收费机等。商品售货机的 数量和销售额远多于自动服务机。如 2001年，日本的商品售货机共有 434万台，占总 量的 78%;销售额为近 7万亿日元，占总额的 98.7%。自动服务机有 121万台，占总 量的 22%;销售额为 951亿日元，仅占总额的 1.3%。 各种包装良好的饮 料，如瓶装、杯装、纸盒装等饮料尤其是罐装饮料，都是非常 适合采用自动售货机销售的商品，饮料售货机数量和销售额因此也在种类售货机高居 首位。2001年饮料售货机销售额为 2.82万亿日元，占总额的 40%左右。 在闩本全部饮料
24、零售额中，自动售货机占 23%，比 4万多家便利商店的总和（占 19%)还多，仅少于量贩店的 40%。所以，日本大型饮料生产企业都竞相购置售货机 来推销自家的商品，日本饮料生产企业拥有的售货机数量之巨大，可能是人们想象不 到的。如日本可口可乐公司是円本最大的饮料生产企业，所拥有的售货机已达 98万台 ， 售货机的销量占公司总销售量的 7成以上。三得利公司的饮料产量为 2.5亿标准箱， 售货机也已有 40万台。麒麟饮料公司产量为 14亿标准箱，有 18万台售货机。朝日饮 料产量为 1.13亿标准箱，有 17万台售货机。是否善于借助售货机推销，甚至成为外 国饮料能否打开日本市场的重要因素之一 3。
25、 美国曾经是自动售货机最发达的国家，平均每 35人拥有一台，日本的自动售货机 技术和业态就是从美国引进的。美国第一台实用型商用自动售货机的出现是在 1888 年，这些机器被用在橡胶销售地来扩大口香糖的销售额，尤其是在纽约市的高架铁 路 站台无法修建的时候。当时主要限于销售几分钱的糖果，直到 1926年，香烟自动售货 机的出现打幵了自动售卖的全新时代 4。据统计， 1972年美国自动售货机销售额约达 30亿美元， 1982年增至49亿美元，而到 1990年则激增至 250亿美元 5。按照美国 Vending Machines 的统计，1994年时全美自动售货机零售额就己达到 292.8亿美 Jj
26、. 在欧洲，自动售货机也相当普及。英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。 1942年，在食品销售中首先推广了自动售货机销售方式。 1950年，英国食品杂货行业 有 500家采用自动售货机售货。 1969年，采用自动售货机销售的商家增加到 23000家， 销售的商品种类扩展到文化用品、唱片、香烟、饮食等多个方面。进入 70年代后，约 有 40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。 1980年，全英国有 50余万台自动售货机， 年销售额达 8.81亿英镑 5。在法国，消费者通过自动售货机来购买诸如一包巧克力或 一瓶汽水已经越来越成为一项习以为常的事情了。 1996年，法国拥有自动售货机近 40 东北
27、大学硕士学位论文 第 1 章绪论 万台，销售额约为 100亿法郎 61。位于布鲁塞尔的欧洲自动售货行业协会的数据表明， 至2008年，意大利安装了 61.4万台自动售货机，法国安装了 59.3万台，而英国安装 了 56.2万台 7，德国则有 150万台自动售货机，其中一半出售香烟 6。 日本和欧美国家除了在自动售货机数量和销售额上占有世界的绝大部分份额，在 自动售货机的功能开发上也一直走在前列。 2003年， FI本松下电器公司研制成功一种 会说话的自动售货机，它能 够非常有礼貌地接待顾客。当顾客走近它时，它会用一种 甜蜜的女声表示欢迎，还会告诉顾客，所需要的商品是否已经售完，顾客投进去的钱
28、够不够等等。当顾客购完商品之后，它还会说声 “ 谢谢 ” 。美国华盛顿街头出现了第 一个 24小时营业的自动售货亭，顾客可以在这里购买到零食或者日常生活用品，另一 侧还可以租购DVD影片 只要你投钱进去，或是通过镶嵌在售货亭里的自动柜员 机用信用卡支付 8。在美国等发达国家，自动商店 （ smartstore)正在兴起。所谓自动 商店其实就是一个超级规模的 “ 自动售货机 ” ，在这台 “ 超级自动售货 机 ” 内，顾客 可以在完全自助的方式下，实现商品信息的查询、挑选、获取和货币支付。 目前国外的自动售货机已经相当普及，对自动售货机的研发内容一般包括：系统 内部销售动作实现方式的研究、资金结
29、算及销售信息统计管理的实现方式研究和功耗 节省模式的研究。对于前两项内容的研究，国外已经研究多年，并取得了一定的成果， 对环保节能等问题的研究将是目前国外着重研究的新领域 9。 (2)国内自动售货机发展情况 中国自 1993年开始从 FK韩等国引进自动售货机并投放市场，当时只能识别人民 币硬币。 1995年第一台国产自动售货机在北 京诞生。 1997年，南开戈德公司开发出 “GD 人民币智能识别系统 ” 。次年，该公司自行研制成功 “GD 自动售货机 ” ，成为我国 第一家规模生产同时识别纸币硬币自动售货机的公司。 1999年国产自动售货机形成规 模生产并批量投放市场。相对于 R本、美国等发达
30、国家，中国目前市场运营的自动售 货机数量还很少，只有十几万台。至 2000年初，中国自动售货机研发、制造和运营的 企业只有 10多家。近些年，随着中国经济的快速稳定发展和人们对自动售货形式的接 受，自动售货机的相关企业也在不断 增加，目前己达到几十家。 2006年，中国的自动售货机拥有量约为 10万台，相对于 13亿的人口，这个数字 微不足道。即使按城市人口 6亿人计算，平均每六千城市人口中才有一台自动售货机。 在其他一些国家，自动售货机的商品销售额占全国零售业的六成以上，并以每年 10% 的速度递增 种种迹象表明，中国的自动售货机产业仍处于启动阶段，原因是多方面的。 从经济发展水平来看，一般
31、认为，当一个城市的国内生产总值达到人均 4000美元 时，便可引入自动售货机产业模式了。我国自实行市场经济以来，经济发展取得了长 足的进步（如图 1.1)。 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 图 U 中国人均国内生产总值统计 Fig. 1.1 The statistical graph of Chinas per capita gross domestic product 根据中国银行总行的外汇牌价， 08年年底 100美元可以兑换 683.46元人民币，我 国 08年人均国内生产总值约为 3321美元。实际的情况也基本符合上面的说法，就我 国城市的普遍意义上而言，自动售货机还没有被广泛使
32、用的迹象，但是经济较发达的 一些省份和城市，自动售货机产业已经幵始发展。据中国国家统计局中国统计年鉴 2009的统计数据显示，至 08年年底，全国已经有 10个省份、直辖市的人均国内生 产总值超过 4000美元。比如上海、北京、广州、天 津等大城市，按照人均 GDP标准， 已达到发展自动售货机的经济条件，但现实中的自动售货机市场并未出现大范围的火 热迹象。 从自动售货机的业态形式看，虽然这种新的零售业态开始时受到普遍欢迎，但是 在发展的过程中也遇到了很多挫折。自动售货机刚被引进中国时，出于好奇心，有较 多人尝试使用，但是时间久了，消费者对自动售货机的可靠性、易操作性产生疑虑。 另外，当时的自动
33、售货机出售的商品比较单一，价格一般高于超市、便利店的同类商 品，机器只能接收硬币和小额纸币，这些都影响到消费者的选择。 从消费者角度看，自动售货机上市初 期，由于好奇、醉酒后的无聊、钱币被卡、 偷商品等原因，经常有人将儿万元的机器砸坏，商家得拿出巨额的费用来维护自动售 货机的正常运作，常常入不敷出。据统计，自动售货机在美国的人为损坏率为千分之 三，而在我国达到了百分之十，部分消费者的低素质使自动售货机的运营举步维艰。 另外更多的消费者仍然坚守传统消费观念，对这种全新的销售方式并不接受。 从外商投资方面来看，虽然国家鼓励外商投资自动售货机、便利店等国内相对缺 乏的业态，允许外资进行特许经营的试点
34、，但应声而动的外企却不多。有分析认为， 中国地域辽阔，地区间经济发 展差距大，加之各种政策的限制，会使资金回收期较长， 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 风险不小，所以固然商机无限，但外国大商号在发展自动售货机方面仍表现得相当谨 慎。 虽然自动售货机的发展苦困难重重，但很多城市和地区正在尝试着让消费者更多 的了解和接受自动售货机。在上海世博会期间，世博园区内就使用了一种可以用银行 卡支付的自动售货机，使用这种机器刷卡购买饮料非常便捷，银行卡交易过程仅需两 秒钟左右即可完成。这种自助售货机自 09年出现以来，目前在上海中心城区部分地铁 站点己投入使用，并将在全市地铁、写字楼、机场等区域全面推
35、广 11。 (3)自动售货机的技术发展 自动售货机的发展是围绕着其核心技术 “ 货币识别技术 ” 的演进而展开的。最原 始的货币识别技术是依靠物理手段进行硬币的识别，所以，早期的自动售货机是以硬 币驱动 （ coin driven)的最简单的自动售货装置。随着现代分析化学技术的发展，自 动售货机逐渐发展为通过化学手段对纸币进行识别的自动售货装置。 随着现代电子技术的快速发展，特别是近 30年来电子计算机技术和网络技术的飞 速发展，使人类的支付方式逐渐由采用有形的 货币（硬币和纸币 ） 支付转化为广泛采 用电子货币 （ electrical currency)。与此相适应，现代自动售货机也逐渐由
36、通过采用电 子货币识别方式进入了现代电子信息时代。现代自动售货机，不仅保留了硬币和纸币 的识别功能，而且可以对各种形式的电子货币进行识别，更为可喜的是，通过互联网 (internet)实现的电子数据交换 （ EDI)，将单台自动售货机独立运行的销售模式转 化为互联网服务，进而融入了整个现代自动化商业和电子商务的发展潮流中。如今， 随着采用无线网络协议 （ WAP)的移动电子商务的兴起，国内外的 许多厂家正在开发 各种可以实现移动商务功能的最新型自动售货装置，在自动售货机的交易资金结算方 式上，已由过去的投币式，逐步过渡到信用卡结算，利用无线移动工具进行结算，使 自助结算手段更加简捷。 现代自动
37、售货机是综合应用了控制论、系统论和信息论等现代科学理论的最新成 果，是集精密机械制造技术、电子技术、传感技术 /计算机技术、通讯技术、网络技 术的一体化产品，是现代高新技术发展的产物 112。 自动售货机的发展历程和方向如图 1.2所示： 东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论 图 L2自动售货机发展历程与方向 Fig. 1.2 The development history and direction of vending machines 另外，由于全球能源的紧张，人们对自动售货机的研究也开始注意节能问题。据 统计，日本自动售货机消耗的总电力是两个核反应堆总能量之和， Sakai等针对这一问 题，研究了基于模糊逻辑的自动售货机预测系统，仅仅冷却一天销售所需的罐装饮料， 利用