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发明问题的解决理论(TRIZ)
时间:2016/1/15 0:00:00 来源:2016-01-15 字体:[ 超大 中型 标准 ] 人气:[1694]


 
发明问题的解决理论(TRIZ)
 

一、 TRIZ基本原理
      阿奇舒勒提出了40条发明创新原理(由于篇幅所限,不能详细介绍)作为TRIZ的基木原理。这些基本原理来源于2个发现:
      (1)技术的演化不是一个随机过程,它与需求的演化相关,并且每个工程领域的演化都对其它工程领域产生影响。任何领域的技术变革、创新与生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程,是规律可循的。  
      (2)创造性问题来自矛盾,解决矛盾有2个方法:一是在冲突参数间寻找折衷方案,一是消除矛盾。TRIZ的目标是通过消除矛盾来解决问题。

 二、 TRIZ体系结构

       1、创新的5个层次    
      TRIZ在对数百万计的发明专利分析研究的基础上,将发明创新问题分为5个层次:第一,显而易见的解决方案(占所有专利的32%);第二,次要的改善和消除一些矛盾(占所有专利的45%);第三,重要的改善和需要应用物质-场分析法(占所有专利的18%);第四,根本的改变、新概念和需要应用TRIZ算法(占所有专利的4%);第五,前所未有的新发现(占所有专利的1%)。阿奇舒勒认为,第一层次的创新,只是对现有的系统提供一些改善,并没有引起明显地变革,因此不能算是真正的创新;第一层次的创新,需要使用40项发明原理分离与解决技术上的矛盾,需要应用来自同一领域不同方向的知识;第二层次的创新,需要使用76个标准解解决物理上的矛盾,矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源并借助物理学、化学、几何学等工程学原理。第四层次的创新,需要使用TRIZ算法对初始问题进行变形以及再定义等一系列非计算性的逻辑推理,实现对问题的逐步深入分析和转化,最终解决问题。第五层次的创新,是人类开创性的,很难有明确的方法可循。因此,第一层次与第五层次的创新应该排除在TRIZ应用方法之外。创新的层次越高,使用的工具和方法也越具威力性,每一层次的创新发明也都有它自己定义的方式和解决问题的工具及方法。

 2、TRIZ体系组成    
    TRIZ体系的核心主要山5个方而组成:

  ①创新思维方法与问题分析方法    
       TRIZ中提供了如何进行系统分析问题的科学方法。如多屏幕法,资源一时间一成本(RTC)算子法,金鱼法等等。多屏幕法,能够帮助我们从结构、时间,以及因果关系等多维空间对问题进行全而、系统的分析,即该方法不仅研究问题的现状,而且考虑与之相关的过去、未来、子系统、超系统等多方而的状态;资源-时间-成本(RTC)算子法,是通过夸张的手法改变物体在资源、时间和成木等方而的参数,帮助我们想象各种可能,大大扩展思维,突破思维定势;金鱼法,首先从幻想式构想中分离出现实部分,对于不现实部分,通过引入其它资源,一些想法由不现实变为现实,然后继续对不现实部分进行分析,直到全部变为现实。

 ②技术系统进化法则   
       TRIZ中包含的技术系统进化法则主要有:提高理想度法则,完备性法则,能量传导法则,提高柔性、移动性和可控性法则,向微观系统升迁法则等。这些法则基本涵盖了各种产品核心技术的进化规律,每条法则又包含不同数目的具体进化路线和模式。由于篇幅所限,本文仅以两个法则为例,从应用的角度阐述其原理。    
    (1)完备性法则。更加完备的系统是山中一系统向多系统的进化过程,如图1所示。双色铅笔、多色圆珠笔等等,是由功能完全相同的物体组成;带摄像功能的手机是由功能不同的物体组成;又如:在矿井事故救援中,救援人员的防护服早期设计由两套系统组成,一套是冷却系统,一套是供氧装置;此后的设计是将两套系统合一为一,将冷却系统中的水换成液态氧,液体汽化有制冷作用,液氧汽化后,就可供救援人员呼吸。新的设计大大减少救援装备的体积,质量,同时也有效地利用系统内的资源并降低了系统成本。依据这个进化原则,系统首先由多个同一性质的系统组成,增强系统的单一功能,然后多个功能不同的系统结合在一起实现多个功能,最终希望由一个系统执行多个功能。

    (2)提高柔性、移动性和可控性法则。作为计算机外围设备的键盘已经是随处可见。目前常见的键盘是一个刚性整体,体积也比较大,不方便携带。在美国海军陆战队配备一种可以折叠的键盘,便于行军中携带;在一些PDA产品中,键盘就是其柔性的外包装套的一部分,展开后就是一个键盘;而现在的很多设备中,键盘是液晶触摸屏的一部分。最近,以色列一家公司推出一种虚拟激光键盘(图2),它通过将全尺寸键盘的影像投影到桌子平而上,用户在上而就可以象使用物理键盘一样直接输入文本。这些键盘的形式基本上代表其发展历程。简单分析一下,我们可以发现键盘的演变规律,即从一体化的刚性键盘到折叠式键盘、到柔性键盘、到液晶键盘、再到激光键盘。如果我们将键盘核心技术的这种演变过程抽象出来,会发现它是按照刚性-铰链式-柔性-气体-液体-场的发展路线。其实很多产品的发展也是沿着这条路线不断进化。如轴承,它从开始的单排球轴承,到多排球轴承,到微球轴承,到气体、液体支撑轴承,到磁悬浮轴承。切割技术,从原始的锯条,到砂轮片,到高压水射流,到激光切割等等。它们在本质上基本都是沿着与键盘相似的演变路线不断发展的。

③技术矛盾矩阵    
       不同的发明创造往往遵循某一相似规律。在对专利研究中,阿奇舒勒发现,仅有39项工程参数在彼此相对改善和恶化,而这些专利都是在不同的领域上解决这些工程参数的冲突与矛盾。这些矛盾不断地出现,又不断地被解决。由此,他总结出了解决冲突和矛盾的40个创新原理。之后,将这些冲突与冲突解决原理组成一个山39个改善参数与39个恶化参数构成的矩阵,矩阵的横轴表示希望得到改善的参数,纵轴表示某技术特性改善引起恶化的参数,横纵轴各参数交*处的数字表示用来解决系统矛盾时所使用创新原理的编号。这就是,著名的技术矛盾矩阵(见表1)。由于篇幅所限39个工程参数和40个创新原理不能一一例举。这里,用一个例子来说明矛盾矩阵的应用方法。例如,将卫星送入太空时希望卫星的重量越轻越好,因为这将更加容易运载,同时成本也会降低。但若要减小重量,势必要缩小尺寸,卫星的性能就会受到影响。这样在使卫星更易于运载时,卫星的重量和尺寸之间就产生了矛盾。由于这一矛盾产生在卫星运动时,卫星的重量和尺寸分别对应矛盾知阵中“运动物体的重量”(要改善的)和“运动物体的尺寸”(恶化的)两个技术特性。上述两特性在矛盾知阵的交*点向我们提供了4个创新原理供参考,分别为第8,15,29和34号创新原理。8号创新原理是,配重;15号原理是,动态性改变;29号原理是气压或液压构造;34号原理是,去除且重新产生零件。矩阵所提供的创新原理既可单独采用,也可组合应用。针对具体的矛盾,可以基于这些创新原理寻求具体解决方案。

④物质-场分析标准解法   
       阿奇舒勒对TRIZ的贡献之一是,提出了物质-场描述方法与模型。阿奇舒勒认为,每一个技术系统都可由许多功能不同的子系统所组成,因此,每一个系统都有它的子系统,而每个子系统都可以再进一步地细分,直到分子、原子、质子与电子等微观层次。无论大系统、子系统、还是微观层次,都具有功能,所有的功能都可分解为2种物质和1种场(即二元素组成)。在物质-场模型的定义中,物质是指某种物体或过程,可以是整个系统,也可以是系统内的子系统或单个的物体,甚至可以是环境,取决于实际情况。场是指完成某种功能所需的手法或手段,通常是一些能量形式,如:磁场、重力场、电能、热能、化学能、机械能、声能、光能等等。图3是TRIZ的物质-场模型图。

       图中,S1及S2是物质,F为场。物质S1可以是被控粒子、材料、物体或过程,物质S2是控制S1的工具或物体,场F是用于S1与S2之间相互作用的能量,如机械能、液压能、电磁能等等。在物质-场分析法中,理想的功能是场F通过物质S2作用于物质S1并改变物质S1。当技术系统不以专业名词表达,而采用简化的物质-场模型来表示时,就可以通过有关“同类问题的模型”来分析目前系统所存在的问题。阿奇舒勒认为,这些同类问题已被早期的研究发明人员以不同的专利提出了解决方案。随着TRIZ的不断完善和发展,这一方法已被分为5种类别,共76个标准解:    
    类别一: 物质-场的建立与破坏(13种标准);    
    类别二: 物质-场的发展(23种标准);   
    类别三: 从基本系统转换到大系统或子系统,以至于微观层次(6种标准);  
    类别四: 系统内部的测量与检查(17种标准);    
    类别五: 简化与改善策略(17种标准)。    
   运用这76种标准解,就是朝着改善技术系统理想化方向的努力。任何技术系统都可以不断地朝向理想化的境界迈进,也就是说系统可以不断地变得更可靠、更简单、更有效。发明的艺术就在于如何推开迈向理想化途径中的障碍物,从根本上改善技术系统。 

 ⑤问题解决算法 ARIZ (Algorithm for lnventive Problem Solving)。
    RIZ认为,一个创新问题解决的困难程度取决于对该问题的描述和问题的标准化程度,描述得越清楚,问题的标准化程度越高,问题就越容易解决。在AR1Z算法中,创新问题求解的过程是对问题不断地描述、不断地标准化的过程。在这一过程中,初始问题最根本的矛盾被清晰地显现出来。如果方案库里己有的数据能够用于该问题,则有标准解;如果己有的数据不能解决该问题,则无标准解,有待科学技术的进一步发展。ARIZ就是处理该过程的算法。该算法主要包含6个模块:   
    (1)情境分析,构建问题模型;    
    (2)基于物场分析法的问题模型分析;    
    (3)定义最终理想解与物理矛盾;    
    (4)物理矛盾解决;    
    (5)如果矛盾不能解决,调整或者重新构建初始问题模型;    
    (6)解决方案分析与评价。   
    ARIZ算法流程如图4所示。应用ARIZ取得成功的关键是,在理解问题的木质前,要不断地对问题进行细化,直至确定了问题所包含的物理矛盾。

    从上而描述的TRIZ体系的5个方而来看,其核心思想主要体现3点:第一,无论是一个简单产品还是复杂的技术系统,其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的,即具有客观的进化规律和模式。第二,各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。第三,技术系统发展的理想状态是用最少的资源实现最大数目的功能。
 
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