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

China Mechanical Engineering - - 中国机械工程 -

1,2 1 1 2

闫洪波 曹国忠 檀润华 杨泽中

1.河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心,天津, 300130

2.内蒙古科技大学机械工程学院,包头, 014010

摘要:针对目前TRIZ和六西格玛设计( DFSS)融合研究多停留在用TRIZ解决DFSS过程中存在的冲突,以及工程问题求解过程中关键问题无法识别的问题,急需将TRIZ与DFSS深入融合以解决工程实际问题。论证了TRIZ与DFSS融合的必要性和可行性;选取了DFSS的DMADV流程进行TRIZ工具的集成,构建了融合框架并阐述了其中核心关键技术;问题定义阶段是TRIZ和DFSS的重点融合阶段,提出了融合路线和实施步骤,并用柴油车辆供油系统设计实例加以验证。研究形成了一套完整可实施的TRIZ与DFSS融合创新方法,可为企业解决实际工程问题,为实现多方法融合创新应用提供新路径。关键词: TRIZ;六西格玛设计;问题识别;融合创新

中图分类号: TB472

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.13.008 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

Research on TRIZ & DFSS Integrated Innovation and Integration in

Problem Definition Phase and Applications YAN Hongbo1,2 CAO Guozhong1 TAN Runhua1 YANG Zezhong2 1.National Engineering Research Center for Technological Innovation Method and Tool,

Hebei University of Technology,Tianjin,300130 2.College of Mechanical Engineering,Inner Mongolia University of Science & Technology,

Baotou,Inner Mongolia,014010

Abstract: Aiming at the problems about current researches on integration of TRIZ and DFSS stayed at using TRIZ to solve conflicts in DFSS processes and key problems might not be identified in engineer⁃ ing problem solving processes,TRIZ and DFSS integration was needed to solve practical problems. The necessity and feasibility of TRIZ and DFSS integration were discussed. DMADV(define, measure, ana⁃ lyze, design, verity)process of DFSS was selected to conduct TRIZ tools integration,a framework was built and the core key techniques were expounded. The TRIZ and DFSS integration was focused in prob⁃ lem definition phases,integration routes and implementation steps were proposed,and the diesel fuel oil supply system design example was used to verify the method. The research formed a complete and exe⁃ cutable integrating innovation method of TRIZ and DFSS,which might solve practical engineering prob⁃ lems for enterprises and provide guidances to realize multi⁃method integrating innovation.

Key words: TRIZ;design for six sigma(DFSS);problem identification;integrating innovation引言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 。而六西格玛改进存在“五西格玛墙”的瓶

[] 1

0

收稿日期: 2018-02-26

基金项目:科技部创新方法工作专项( 2017IM010660) 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 。典型的DFSS流程分为 Define(定

[] 2

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 。

[] 3

TRIZ是基于知识的、面向设计者的发明创新

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 。

[] 4⁃5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 TRIZ与DFSS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。

表1 TRIZ与DFSS优劣比较

Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages between TRIZ and DFSS

TRIZ DFSS解决问题的创新方法,严格的设计流程,优势定性分析,定量分析,关键问题分析需求分析

缺乏创新,劣势缺乏数据支撑

无法确定解决问题方向

( 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 。

[] 6

图1 TRIZ解决问题的一般形式

Fig.1 The general form of TRIZ solving problem

图2 六西格玛分析问题的一般原理

Fig.2 The general principle of six sigma

analyzing problem

( 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

[] 7⁃8

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: ①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; ②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; ③概念验证阶段对方案进行评价筛选和实施 。

[] 9

图3 TRIZ流程框架

Fig.3 TRIZ process framework

图4 DMADV流程框架

Fig.4 DMADV process framework

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 TRIZ与DFSS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· · 表2 DMADV各阶段的六西格玛和TRIZ工具

Tab.2 Tools of DFSS and TRIZ in each phase

of DMADV

DMADV Define Measure Analyze Design Verify流程定义测量分析设计验证

试验设计六西卡诺分析、需求分析、试生产、

QFD、( DOE)、

格玛VOC、可靠性分析、加速测试、

CTQ稳健性设计、

工具CTQ FMEA过程模型

公差设计

矛盾矩阵、

发明原理、

分离原理、

IFR

物场模型与标

功能分析、技术系统进TRIZ准解、效应知识库

因果分析、标准解化法则、工具功能模型与效(专利分析)

资源分析AFD

应知识库、

……

技术系统进化

法则

……

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)

图5 TRIZ与DMADV集成框架

Fig.5 Integrated framework of TRIZ and DMADV

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。

图6 DMADV各阶段之间的联系

Fig.6 The links between stages of DMADV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

[] 10

与DFSS在定义阶段重点融合的流程图。

图7 定义阶段融合路线

Fig.7 Definition phase fusion course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 。

[] 11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 。

[] 12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。

图8 卡诺模型

Fig.8 KANO model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 。

[] 13

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: ①保证基本供油及柴油雾化功能; ②能够在较宽温度范围尤其是低温环境下正常供油; ③智能控制; ④节省燃料; ⑤寿命长; ⑥维护成本低; ⑦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 :

[] 14

Ai + Oi

Si = ( 1) Ai +++ Oi Mi Ii

Mi + Oi

Di = ( 2) Ai +++ Oi Mi Ii i= 1,2,…, n

式中, A为魅力需求; O为期望需求; M为必备需求;为无I差异需求;为需求序数。i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② “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②的 Better⁃Worse 系数,得到S2= 91%, D2= 56%。其他需求同理,分别得到各需求的Better ⁃ Worse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

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需求②和需求④为期望属性。由于需求②的Bet⁃ ter系数远高于需求④ ,最后选择需求② ,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

表3 需求②的KANO评价表

Tab.3 KANO evaluation table of demand ②

不提供此功能

喜欢理所当然中立可以接受不喜欢喜欢1 45 50 97 245

供理所当然0 4 1 4 12

此中立0 4 4 1 7

功可以接受2 1 0 4 5

不喜欢1 0 0 1 0

图9 卡诺模型四分位图

Fig.9 KANO model interquartile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 。通过卡诺模型分析得出需求②的 Better 系

[] 16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 ,作用对象是柴油,超系统组件包括冷空气

[] 17

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

表4 相互作用分析表

Tab.4 Interaction analysis table

油箱油管柴滤油泵歧管油嘴柴油冷空气蜡油箱- + - - - + + + +油管+ - + - - - + + +柴滤- + - + - - + + +油泵- - + - + - + + +歧管- - - + - + + + +油嘴+ - - - + - + + +柴油+ + + + + + - + +冷空气+ + + + + + + - +蜡+ + + + + + + + -

图10 功能模型图

Fig.10 Functional model 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。

图11 因果链分析图

Fig.11 Causal chain analysis

表5 资源分析

Tab.5 Resource analysis

资源名称类别可用性柴油、油箱、输油泵、油管、柴油滤清器、喷油嘴、物质

系可用

进油歧管、蜡、传感器等资源

内能量

重力场、热场、压力场、相位能、振动场、动能等可用部资源

信息源温度、压力、流量、液位、密度等可用

资源冷空气、热空气、水箱、冷却水、控制系统、物质

系可用

液压系统等资源

外能量

光能、热能、风能、电能等可用部资源

信息源重力、阻力等可用

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。 1.主油箱 2.副油箱 3.热交换器 4.出油三通电磁阀

5.回油三通电磁阀 6.副油箱出油管 7,8.主油箱出油管

9.副油箱回油管 10.主油箱回油管 11.主回油管

12.输水管路 13.柴油滤清器 14.温度传感器

15.温控开关 16.截止阀

图12 新供油系统原理图

Fig.12 The schematic of the new oil supply system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。

本研究重点放在了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。

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(编辑 胡佳慧)

作者简介:闫洪波,男, 1981年生,副教授、博士。研究方向为知识创新及工程应用。发表论文50余篇。E ⁃ mail:[email protected]。杨泽中(通信作者),男, 1993年生,硕士研究生。研究方向为创新设计。E⁃ mail:[email protected]

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