基于改進(jìn)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(shù)的產(chǎn)品技術(shù)沖突確定方法

劉曉敏，田松齡，王自偉

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002）

0 引言

發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory of Inventive Problem Resolving，TRIZ）是產(chǎn)品創(chuàng)新的強(qiáng)有力工具，正逐漸受到各行業(yè)的重視與應(yīng)用。利用TRIZ［1］直接確定產(chǎn)品沖突問(wèn)題較為困難，因?yàn)樗唇o出確定產(chǎn)品沖突問(wèn)題的具體操作方法及步驟［2］。

為更好地解決沖突的確定問(wèn)題，Anthony［3］引入約束理論（Theory of Constraints，TOC）的思維流程，將沖突解決圖表（Conflict Resolution Diagram，CRD）用于識(shí)別產(chǎn)品的技術(shù)沖突，將必備樹(shù)（Prerequisite Tree，PRT）用于確定技術(shù)沖突；華中生等［4］分別利用 TOC的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(shù)（Current Reality Tree，CRT）與CRD確定出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題與沖突類型，最后用TRIZ工具得到解決方案，但未明確給出從CRT中得到CRD的過(guò)程。苑彩云等［5］將TOC的CRT與CRD引入工程設(shè)計(jì)，提出了用于尋找系統(tǒng)問(wèn)題根原因的邏輯推理方法，并對(duì)系統(tǒng)物理沖突的確定進(jìn)行了研究，但未給出確定技術(shù)沖突的具體方法。韋子輝等［6］在CRT的基礎(chǔ)上引入故障樹(shù)的定性定量分析算法，并與TRIZ求解工具集成，建立了多沖突問(wèn)題解決過(guò)程模型。本文將對(duì)CRT的邏輯推理進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充，通過(guò)改進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)中的CRT模型來(lái)確定產(chǎn)品的技術(shù)沖突。

1 產(chǎn)品技術(shù)沖突的確定方法

1.1 改進(jìn)的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(shù)

CRT是TOC中用于尋找系統(tǒng)根原因和核心問(wèn)題的一種工具，通過(guò)使用因果邏輯關(guān)系來(lái)描述產(chǎn)品沖突的產(chǎn)生過(guò)程［7］。傳統(tǒng)的CRT反映出特定系統(tǒng)下的因果關(guān)系鏈，從系統(tǒng)中存在的不良結(jié)果開(kāi)始不斷推斷出造成不良結(jié)果的原因，最終找到根原因和核心問(wèn)題。但某些系統(tǒng)中的不良結(jié)果可能是由好原因和不好原因或者是由各層次原因之間的正向和負(fù)向邏輯關(guān)系共同作用造成的。傳統(tǒng)的CRT可能會(huì)造成尋找根原因和核心問(wèn)題的偏差。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)CRT進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)邏輯性更強(qiáng)、各層次更明顯。改進(jìn)的CRT表述如下：

為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)CRT應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新，操作時(shí)要將不良結(jié)果與影響系統(tǒng)性能的各種技術(shù)參數(shù)看作實(shí)體。用實(shí)體的正向和負(fù)向參數(shù)來(lái)表述好原因和不好原因。用相應(yīng)的圖形符號(hào)來(lái)表達(dá)正向和負(fù)向邏輯關(guān)系，當(dāng)實(shí)體A值越大導(dǎo)致實(shí)體B值也越大時(shí)，稱二者為邏輯正相關(guān)，用符號(hào)“A→B”表示；反之，當(dāng)A越大導(dǎo)致B越小時(shí)，稱二者為邏輯負(fù)相關(guān)，用符號(hào)“A—·B”表示。

實(shí)體分根實(shí)體（Root Entities，RE）、中間實(shí)體（Intermediate Entities，IE）和最終實(shí)體（Final Entities，F(xiàn)E）三個(gè)級(jí)別［7］。FE為系統(tǒng)最終輸出實(shí)體；RE為系統(tǒng)最初輸入實(shí)體；IE為系統(tǒng)中間原因?qū)嶓w。在構(gòu)造CRT后，對(duì)實(shí)體進(jìn)行編號(hào)，改進(jìn)后的CRT如圖1所示。

1.2 技術(shù)沖突在改進(jìn)CRT中的表現(xiàn)形式

傳統(tǒng)的TRIZ工具在尋找技術(shù)沖突時(shí)是根據(jù)使用者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷技術(shù)沖突在系統(tǒng)中發(fā)生的位置。傳統(tǒng)的CRT建立在邏輯基礎(chǔ)之上，可避免工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的主觀論斷。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，不可避免地造成人為搜索技術(shù)沖突的局限性，計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入恰好解決了這一問(wèn)題。傳統(tǒng)的CRT僅限于描述，邏輯關(guān)系和層次表述不夠準(zhǔn)確，難以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)的CRT在很大程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，其主要表現(xiàn)形式有：

（1）一個(gè)中間實(shí)體IE存在一個(gè)輸入實(shí)體A和一個(gè)輸出實(shí)體B，若A和B分別為正、負(fù)向參數(shù)（邏輯相關(guān)性相同），或A、B分別與中間實(shí)體IE邏輯相關(guān)性相反（參數(shù)性能相同），則這兩個(gè)輸入、輸出實(shí)體A與B間存在技術(shù)沖突，如圖2所示。

（2）對(duì)實(shí)體 M，若存在兩個(gè)參數(shù)性能相同的輸出實(shí)體A與B，且A、B都與實(shí)體M的邏輯相關(guān)性相反，則實(shí)體A與B間存在技術(shù)沖突；對(duì)實(shí)體M，若存在兩個(gè)參數(shù)性能相反的輸出實(shí)體A與B，且A、B都與實(shí)體M的邏輯相關(guān)性相同，則實(shí)體A與B間存在技術(shù)沖突，如圖3所示。

（3）對(duì)實(shí)體Q，若存在兩個(gè)參數(shù)性能相反的輸出實(shí)體A、B（邏輯相關(guān)性相同），如圖4所示，則A的輸出實(shí)體E（A與E邏輯相關(guān)性相同、參數(shù)性能相反或邏輯相關(guān)性相反、參數(shù)性能相同）與B間存在技術(shù)沖突。

通過(guò)查找沖突邏輯圖表中是否存在以上3種形式，即可確定出產(chǎn)品存在的技術(shù)沖突。

1.3 基于圖論的技術(shù)沖突搜索算法及計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

在圖論中，用頂點(diǎn)表示事件，用邊表示事件間的特定關(guān)系。樹(shù)是指任意兩個(gè)頂點(diǎn)間有唯一確定有向邊或無(wú)向邊的圖。如果把一個(gè)樹(shù)圖中的多余邊（環(huán)路）全部刪除，即構(gòu)成當(dāng)前樹(shù)圖的生成樹(shù)。樹(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、描述和存儲(chǔ)。TOC中的CRT是樹(shù)在概念設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的應(yīng)用。

基于圖論中有向生成樹(shù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)方法，提出一種鄰接參數(shù)矩陣（Adjacency－Parameter Matrix，APM）。APM能較好地為改進(jìn)的CRT構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（1）鄰接參數(shù)矩陣APM

技術(shù)系統(tǒng)有N個(gè)實(shí)體，鄰接參數(shù)矩陣APM為N×N方陣。

（2）技術(shù)沖突深度優(yōu)先搜索算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

本文提出了一種技術(shù)沖突深度優(yōu)先搜索算法（Algorithm for Depth First Technical－Conflict Searching，ADCS）流程。該流程的實(shí)現(xiàn)方式如下：

當(dāng)鄰接參數(shù)矩陣APM 中APM（m，m）×APM（m，i）×APM（i，n）×APM（n，n）＜0（m，n，i∈（0，10））時(shí)，ADCS算法實(shí)現(xiàn)對(duì)第一類技術(shù)沖突的搜索（實(shí)體m和實(shí)體n之間存在技術(shù)沖突）。

當(dāng)鄰接參數(shù)矩陣APM 中APM（m，m）×APM（i，m）×APM（i，n）×APM（n，n）＜0（m，i，n∈（0，10））時(shí)，ADCS算法實(shí)現(xiàn)對(duì)第二類技術(shù)沖突的搜索（實(shí)體m和實(shí)體n之間存在技術(shù)沖突）。

當(dāng)APM 中APM（m，m）×APM（i，m）×APM（i，j）×APM（j，j）×APM（j，n）×APM（n，n）＜0（m，i，j，n∈（0，10））時(shí)，ADCS算法實(shí)現(xiàn)對(duì)第三類技術(shù)沖突的搜索（實(shí)體m和實(shí)體n之間存在技術(shù)沖突）。

由圖1得到的圖5為改進(jìn)CRT的ADCS算法流程。

2 改進(jìn)的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(shù)在工程中的應(yīng)用流程

圖6為改進(jìn)的CRT在工程中的應(yīng)用流程圖，在第3，4，6階段無(wú)法進(jìn)行相關(guān)操作的情況下，需要返回第1步重新構(gòu)建改進(jìn)的CRT系統(tǒng)邏輯沖突圖表。在針對(duì)產(chǎn)品沖突問(wèn)題時(shí)，首先利用改進(jìn)的CRT構(gòu)造出技術(shù)系統(tǒng)的邏輯沖突圖表，并生成對(duì)應(yīng)的APM；然后利用MATLAB用戶圖形界面（Graphic User Interface，GUI）模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) ADCS算法的可視化操作，搜索出技術(shù)沖突所在的實(shí)體；最后利用39個(gè)工程參數(shù)和沖突矩陣來(lái)解決技術(shù)沖突。

3 工程實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 構(gòu)建改進(jìn)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(shù)系統(tǒng)沖突邏輯圖表

近年來(lái)，飲食業(yè)油煙污染問(wèn)題逐漸受到重視。油煙成分復(fù)雜，包含多種對(duì)人體有害的成分，必須對(duì)其進(jìn)行處理。目前，市場(chǎng)上新出現(xiàn)一種紫外光凈化油煙技術(shù)，其原理是利用波長(zhǎng)為185nm的真空紫外光（Vacuum Ultraviolet，VUV）直接照射油煙，產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑來(lái)氧化有機(jī)物［8］，經(jīng)過(guò)2～3s的凈化，可達(dá)到較高的凈化率。該技術(shù)凈化過(guò)程如圖7所示，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，在市場(chǎng)上已得到初步的應(yīng)用。

3.2 生成鄰接參數(shù)矩陣及搜索沖突實(shí)體

基于MATLAB GUI模塊，利用ADCS算法實(shí)現(xiàn)了與紫外光油煙凈化機(jī)系統(tǒng)性能相關(guān)的實(shí)體來(lái)構(gòu)造該產(chǎn)品的CRT和APM，其可視化操作界面如圖8所示。

利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)沖突搜索可視化操作GUI界面，如圖9所示。

3.3 確定系統(tǒng)技術(shù)沖突

由圖9可知，當(dāng)延長(zhǎng)管道以使光解氧化反應(yīng)充分時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積變大，記為沖突1；減小風(fēng)機(jī)功率可以使管道內(nèi)壓力損失減小，卻會(huì)導(dǎo)致油煙外溢增大，記為沖突2；增大風(fēng)機(jī)功率，將有助于減少油煙外溢，卻會(huì)導(dǎo)致油煙凈化機(jī)振動(dòng)、噪音增大，記為沖突3。

利用TRIZ創(chuàng)新工具求解技術(shù)沖突是一種切實(shí)有效的方法。TRIZ中的39個(gè)工程參數(shù)的描述如表1所示［9］。

表1 39個(gè)工程參數(shù)

對(duì)于沖突1，提高油煙凈化率（RE14－P）與系統(tǒng)體積增大（FE1－N）的沖突，描述為性能提高參數(shù)：No.39生產(chǎn)率或No.4靜止物體的長(zhǎng)度；惡化參數(shù)：No.8靜止物體的體積。

對(duì)于沖突2，減小管道壓力損失（IE8－N）與油煙外溢增大（FE3－N）的沖突，描述為性能提高參數(shù)：No.22能量損失、No.27可靠性；惡化參數(shù)：No.31物體產(chǎn)生的有害因素。

對(duì)于沖突3，減少油煙外溢（FE3－N）與噪音增大（FE2－N）的沖突，描述為性能提高參數(shù)：No.23物質(zhì)損失、No.27可靠性；惡化參數(shù)：No.31物體產(chǎn)生的有害因素。

3.4 沖突的TRIZ求解過(guò)程

沖突的TIRZ求解主要是通過(guò)查找沖突矩陣，得到相應(yīng)的發(fā)明原理序號(hào)，再由該序號(hào)的發(fā)明原理選出適合實(shí)例的原理解，分析如下：

對(duì)工程參數(shù)No.39和No.8之間的沖突，查找沖突矩陣得到發(fā)明原理No.10：預(yù)操作。在相關(guān)文獻(xiàn)［8，10］中發(fā)現(xiàn)，在紫外光分解有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)中，增加污染物濕度有利于凈化污染物，其原理是由于紫外光照射水蒸汽產(chǎn)生更多的自由基等強(qiáng)氧化劑。新啟示為：可在紫外光凈化區(qū)增加一個(gè)加濕器，以提高氧化反應(yīng)效率。

對(duì)工程參數(shù)No.4和No.8之間的沖突，查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理No.14：曲面化，即用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替直線運(yùn)動(dòng)，采用離心力。新啟示為：將油煙前處理階段的油脂過(guò)濾網(wǎng)改為慣性分離的曲線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖10所示，使用該結(jié)構(gòu)后，壓降減小且無(wú)需經(jīng)常更換濾網(wǎng)，減少維護(hù)成本；在紫外光分解油煙裝置之后增加一個(gè)旋風(fēng)分離單體，使其內(nèi)部的螺旋運(yùn)動(dòng)取代直線運(yùn)動(dòng)，以延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還使氣體排出之前多了一個(gè)氣液分離的過(guò)程，這樣可減少在凈化階段添加的加濕器對(duì)氣體濕度的影響。

對(duì)工程參數(shù) No.22和 No.31，以及 No.27和No.31之間的沖突，查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理No.35：參數(shù)變化。新啟示為：集煙罩安裝高度及結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同條件進(jìn)行改變，將集煙罩設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以便根據(jù)油煙發(fā)生源的具體位置進(jìn)行高度調(diào)整；同時(shí)在集煙罩側(cè)邊設(shè)計(jì)一對(duì)活動(dòng)擋板以改變集煙罩的結(jié)構(gòu)，可減少油煙外溢。當(dāng)油煙量較大時(shí)將擋板打開(kāi)，煙量較小時(shí)可將其關(guān)閉，以減少空間占用，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

對(duì)工程參數(shù)No.23和No.31之間的沖突，查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理No.1：分割，即將一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分。新啟示為：由于功率較大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音也較大，可考慮用兩臺(tái)功率較小的風(fēng)機(jī)來(lái)取代一臺(tái)大功率風(fēng)機(jī)，以減小產(chǎn)生的噪音。

對(duì)工程參數(shù)No.27和No.31之間的沖突，查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理No.2：分離，即將一個(gè)物體中的“干擾”部分分離出去。新啟示為：基于空間的分離，將產(chǎn)生噪音的風(fēng)機(jī)置于室外，可減小噪音對(duì)工作環(huán)境的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)TRIZ沖突求解過(guò)程中系統(tǒng)技術(shù)沖突的確定問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的CRT方法，將CRT中的實(shí)體與邏輯關(guān)系進(jìn)行分類，用于構(gòu)造產(chǎn)品沖突邏輯圖表。根據(jù)所提出的技術(shù)沖突在CRT中的存在形式，再由構(gòu)造技術(shù)系統(tǒng)中改進(jìn)的CRT模型確定出產(chǎn)品存在的技術(shù)沖突?；趫D論中有向生成樹(shù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)方法，提出了APM。APM能較好地為改進(jìn)的CRT構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。提出了一種技術(shù)沖突深度優(yōu)先搜索算法ADCS，并利用 MATLAB GUI模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ADCS算法的計(jì)算機(jī)可視化操作。將提出的一系列方法及程序應(yīng)用于紫外光油煙凈化機(jī)產(chǎn)品沖突問(wèn)題的確定與求解，獲得了較好的效果。該研究對(duì)其他產(chǎn)品技術(shù)沖突問(wèn)題的識(shí)別、確定及求解提供了一種可行的有價(jià)值的參考，也大大提高了對(duì)產(chǎn)品沖突求解的效率，減少了人為主觀因素的影響。

［1］ TAN Runhua.Theory of inventive problem solving［M］.Beijing：Science Press，2004（in Chinese）.［檀潤(rùn)華.發(fā)明問(wèn)題解決理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.］

［2］ CAVALLUCCI D.Integrating altshuller's development laws for technical systems into the design process［J］.Annals of the CIRP，2001，50（1）：115－120.

［3］ ANTHONY Rizzo.Tools from the theory of constraints［EB／OL］.［2012－01－02］.http：／／www.triz－journal.com 1997.

［4］ HUA Zhongsheng，COULYBALY Solomani，WANG Wei.TOC ＆ TRIZ based product design method and its application［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2006，12（6）：817－822（in Chinese）.［華中生，顧立白，汪 煒.基于TOC與TRIZ的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（6）：817－822.］

［5］ YUAN Caiyun，LIU Yingmei，TAN Runhua.Study on improvement design of products based on TOC and TRIZ ［J］.Journal of Machine Design，2006，23（10）：17－21 （in Chinese）.［苑彩云，劉英梅，檀潤(rùn)華.基于TOC和TRIZ的產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（10）：17－21.］

［6］ WEI Zihui，TAN Runhua.Research on multi－contradictions problem solving in product design ［J］.Chinese Mechanical Engineering，2010，21（3）：263－267（in Chinese）.［韋子輝，檀潤(rùn)華.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中多沖突問(wèn)題解決過(guò)程研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（3）：263－267.］

［7］ LUKE 段 .A conceptual design tool for engineers：an amalgamation of theory of constraints，theory of inventive problem solving and logic［D］.Norfolk，Va.，USA：Old Dominion University，2002.

［8］ WANG Zidong，MA Yongliang.Experimental study on removal of low concentration benzene with UVC ［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2009，3（7）：1284－1288（in Chinese）.［王子?xùn)|，馬永亮.利用 UVC去除低濃度苯的實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（7）：1284－1288.］

［9］ LIU Xiaomin，TAN Runhua，YAO Ligang，et al.Actualization process for product innovation in the phase of fuzzy front end［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2008，15（8）：1457－1462（in Chinese）.［劉曉敏，檀潤(rùn)華，姚立綱，等.模糊前端階段產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，15（8）：1457－1462.］

［10］ CHENG Zhuowei，WEI Yingying，JIANG Yifeng，et al.Removal characteristics and intermediates analysis ofα－pinene photo－degradation by vacuum ultraviolet ［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2010，61（10）：2679－2687（in Chinese）.［成卓韋，魏瑩瑩，蔣軼鋒，等.真空紫外光解α－蒎烯的去除特性和產(chǎn)物分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2010，61（10）：2679－2687.］