基于TRIZ理論的計算機輔助創(chuàng)新設計及應用研究＊

徐起賀，劉永勛

（河南機電高等?？茖W校 機械工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

創(chuàng)新設計是新產(chǎn)品、新工藝開發(fā)過程中最能體現(xiàn)人類創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)，它需要設計者具有多領域的專業(yè)知識和良好的綜合分析能力。目前常用的許多CAD／CAPP／CAM 軟件，雖然在產(chǎn)品的輔助分析、設計、工藝編制以及制造自動化等方面發(fā)揮了很大的作用，但是產(chǎn)品和工藝的妥協(xié)設計卻依然比比皆是。因為新產(chǎn)品、新工藝開發(fā)更重要的是通過思考、推理和判斷來解決的創(chuàng)新活動［1］，而不是通過數(shù)據(jù)計算所能解決的。只有通過創(chuàng)新，才能為社會提供功能更多、品種更全、性能更好的新產(chǎn)品。

目前新產(chǎn)品的發(fā)展方向是：以機電一體化等為特征的許多高新技術(shù)大量融入新產(chǎn)品中，產(chǎn)品日趨多功能化、智能化、人性化；產(chǎn)品生命周期短、成本低、便于制造。這就要求在新產(chǎn)品開發(fā)中要有較為成熟的創(chuàng)新理論和工具作為支撐，于是計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)（Computer Aided Innovation，CAI）應時而生。計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)是進行新產(chǎn)品開發(fā)的一項重要技術(shù)，它是以起源于蘇聯(lián)的發(fā)明問題解決理論TRIZ為基礎，與本體論、現(xiàn)代設計方法、計算機軟件技術(shù)及多領域?qū)I(yè)知識結(jié)合而形成的創(chuàng)新技術(shù)，不僅在產(chǎn)品研發(fā)過程中能提供有效的指導，而且還能實現(xiàn)動態(tài)擴充和自我完善，已經(jīng)成為企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)、實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的必備工具。因此，CAI與CAD、CAPP、CAM 一起構(gòu)成新產(chǎn)品開發(fā)必不可少的工具。

1 計算機輔助創(chuàng)新設計軟件

目前基于TRIZ 理論開發(fā)的計算機輔助創(chuàng)新設計軟件，根據(jù)功能多少、用途不同及結(jié)構(gòu)組成情況有數(shù)十種之多，軟件所用開發(fā)語言大多以英文為主，也有以俄文、中文等其他語言開發(fā)的軟件，國外主要以美國公司開發(fā)的軟件為代表，如美國的Ideation International公司開發(fā)了Innovation Work Bench（IWB）、Invention Machine 公司開發(fā)了TechOptimizer、億維訊公司開發(fā)了Pro／Innovator；國內(nèi)以河北工業(yè)大學創(chuàng)新設計團隊開發(fā)的Invention Tool軟件為代表［2］。這些軟件是產(chǎn)品研發(fā)中解決技術(shù)沖突、實現(xiàn)創(chuàng)新設計的良好工具，在國內(nèi)外很多研發(fā)機構(gòu)及各類企業(yè)中獲得了廣泛的應用。其中美國的TechOptimizer創(chuàng)新軟件由六個功能模塊構(gòu)成：1）問題分析定義模塊。問題分析定義模塊的主要作用是功能分解和產(chǎn)品分析，并詳細說明通過什么方法能夠提高產(chǎn)品的性能；2）整理模塊。整理模塊主要用來完善產(chǎn)品分析模塊，其方法是在保證產(chǎn)品的有用功能不受影響的情況下，通過去除產(chǎn)品中的一些部件和特征，來改進或消除產(chǎn)品中的有害功能；3）特征轉(zhuǎn)換模塊。特征轉(zhuǎn)換模塊是在完善產(chǎn)品分析的基礎上，把一個部件或特征的功能轉(zhuǎn)移到需要改進的構(gòu)件或特征上；4）工程學原理知識庫。工程學原理模塊儲存了大量的物理、化學等不同學科的原理，并配有通俗易懂的解釋和應用該原理解決問題的專利介紹，通過功能檢索可以進行查詢；5）創(chuàng)新原理模塊。創(chuàng)新原理模塊即為TRIZ理論中的40個發(fā)明問題解決原理，用來解決不同工程領域的各種技術(shù)沖突；6）系統(tǒng)改進與預測模塊。該模塊首先利用TRIZ 中的物質(zhì)—場分析方法建立問題的模型，然后利用預測樹來改變模型中作用的方式、強度等，對問題的改進提供不同的探索方向；與此同時，還可以對技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行預測，從而為產(chǎn)品的創(chuàng)新提供正確引導。在利用TechOptimizer軟件進行產(chǎn)品改進過程中，由于該軟件具有豐富的知識庫支持，因此與傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法相比，用它來解決產(chǎn)品研發(fā)中的技術(shù)難題更加有效，能夠幫助設計者迅速找到完成所需功能的有效方法。在TechOptimizer軟件的使用過程中，需要緊密結(jié)合的是Knowledgist軟件，它主要用來進行知識獲取，即應用人工智能中強大的語義處理技術(shù)，在浩瀚的信息海洋中，以極高的效率查詢相關的信息，然后對這些信息進行概括和總結(jié)，構(gòu)建針對某一問題的知識庫，從而為產(chǎn)品創(chuàng)新提供具有重要價值的最新信息。應用這種軟件，可以加快知識獲取的速度，并能優(yōu)先發(fā)現(xiàn)新的市場需求，從而針對這一需求快速進行新產(chǎn)品開發(fā)。

CAI工具的形成已經(jīng)有了十多年的歷史，它的發(fā)展過程主要歷經(jīng)了下面幾個階段：

（1）TRIZ 理論的萌芽—成型期。其時間為1946～1986年，在此期間主要是少數(shù)發(fā)明家在使用TRIZ。

（2）TRIZ理論的日趨完善期。其時間為1986～1992年，在此期間TRIZ 理論逐漸進入了實際的工程化應用期，主要使用者是一些專家及學者。

（3）早期CAI軟件的形成期。其時間為1992～2000年，在此期間TRIZ 理論與IT 技術(shù)相結(jié)合，逐漸形成了早期的CAI軟件。同時，出現(xiàn)了新的理論體系即本體論，并逐漸取得一些新的研究成果。該時期的使用者主要是受過TRIZ 訓練的技術(shù)人員。

（4）先進CAI理論基礎的形成期。其時間為2000年至今，在此期間TRIZ 理論與本體論相結(jié)合，為先進CAI軟件的形成打下了基礎。同時，軟件的易用性取得了很大的改善，通常受過高等教育的技術(shù)人員都可以方便地使用。

現(xiàn)代CAI技術(shù)的出現(xiàn)具有重大的意義和深遠的影響，它把過去只有專家、學者才能使用的高深技術(shù)，把過去需要熟知創(chuàng)新理論才能學好的傳統(tǒng)CAI軟件，變成了易學好用的計算機輔助創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新能力拓展平臺。使得人們無需熟知創(chuàng)新理論，只要受過高等教育和工程訓練，就能在這樣的平臺上來培養(yǎng)創(chuàng)新意識，直至做出發(fā)明創(chuàng)造。為人們開展創(chuàng)新活動提供了極大的方便，也加速了TRIZ理論的傳播和應用。

2 創(chuàng)新能力拓展平臺CBT／NOVA

美國億維訊公司（IWINT）是專門從事CAI技術(shù)研究及相關工具開發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)，該公司在TRIZ理論的研究與應用軟件的開發(fā)上取得了卓越的成就。公司開發(fā)的CAI技術(shù)包括兩大軟件平臺：計算機輔助創(chuàng)新設計平臺（Pro／Innovator，The Computer－Aided Innovation Solution）和創(chuàng)新能力拓展平臺（CBT／NOVA，Computer－Based Training for Innovation）。計算機輔助創(chuàng)新設計平臺將發(fā)明問題解決理論TRIZ、本體論、解決技術(shù)難題的創(chuàng)新技法、設計方法學、軟件技術(shù)和自然語言處理技術(shù)融為一體，成為設計者解決創(chuàng)新問題的有效工具。Pro／Innovator軟件內(nèi)置的創(chuàng)新方案庫，是基于本體論和語義處理技術(shù)，在對世界900萬件發(fā)明專利進行系統(tǒng)分析的基礎上構(gòu)建起來的，是目前世界上最大的創(chuàng)新方案庫，功能十分強大。利用其來自專利的創(chuàng)新方案庫和強大的綜合分析工具，設計人員在不同工程領域的產(chǎn)品概念設計階段，能夠拓寬思路，消除思維定式，根據(jù)市場需求，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工藝中存在的不足，并快速解決產(chǎn)品創(chuàng)新中的核心問題，最終提出切實可行的創(chuàng)新方案。它含有問題分析、方案生成、方案評價、成果保護和成果共享等內(nèi)容，是快速、高效解決問題的良好軟件平臺?，F(xiàn)舉一個應用該軟件的有趣實例：曾有用戶提出“如何清潔船用發(fā)動機的冷卻水過濾器”的問題，結(jié)果Pro／Innovator的創(chuàng)新方案庫提出的解決方案是“爆米花”。“爆米花”與“清潔船用發(fā)動機的冷卻水過濾器”有什么聯(lián)系？這就是TRIZ理論與本體論的妙處，應用瞬時的壓力差，使米粒膨化，這就是爆米花原理的本質(zhì)。因此應用這一原理，不同領域的許多相似問題都可以解決。例如，1）利用瞬時壓力差可以打破物體的外殼。迅速批量剝除松子、葵花籽和花生的殼；迅速批量去除青椒的籽和蒂。2）利用瞬間壓力差使人造寶石沿內(nèi)部原有的微裂紋分割。3）清除下水管道中的淤泥。

創(chuàng)新能力拓展平臺［3］是專門用于拓展創(chuàng)新能力的培訓平臺。通過培訓平臺的學習，使用者可以在較短的時間內(nèi)激發(fā)創(chuàng)新潛能，掌握創(chuàng)新技法，能夠運用創(chuàng)新思維及方法，拓展和提高自身的創(chuàng)新能力，從而能產(chǎn)生創(chuàng)造性的解決方法來解決實際問題。CBT／NOVA 所提供的培訓內(nèi)容涵蓋了當今世界先進、實用的創(chuàng)新理論和技法，以培養(yǎng)全新的思維方式，創(chuàng)造性地解決實際創(chuàng)新問題；還提供有豐富權(quán)威的創(chuàng)新能力測試題庫，并能夠自動生成創(chuàng)新能力測試試卷。其創(chuàng)新理論和技法主要來源于發(fā)明問題解決理論TRIZ 中的40 個創(chuàng)新原理、物—場分析法、技術(shù)進化法則、ARIZ算法、76種創(chuàng)新問題標準解法等。

CBT／NOVA 提供了“理論→實例→練習→測試”的系統(tǒng)化培訓流程，對各項創(chuàng)新理論和技法的培訓遵循“認識→理解→應用”的步驟。它可以根據(jù)各專業(yè)的特點，為不同課程定制教學平臺，還可以方便地添加科研中積累的知識和經(jīng)驗，加速知識的傳遞和共享；用戶可以隨時通過網(wǎng)絡進行學習，自主安排學習進程。主要用于企業(yè)員工創(chuàng)新能力拓展、企業(yè)智力資產(chǎn)儲存和共享、高校創(chuàng)新教育體系的教學、相關機構(gòu)創(chuàng)新能力認證培訓等方面。

3 計算機輔助創(chuàng)新設計應用

有桿抽油方法是目前應用最廣的一種抽油方法。其中的游梁式采油機適合于在全天候狀態(tài)下工作，由于其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，因而得到了廣泛的應用。游梁式抽油機中采用鋼絲繩作為韌性連接，把驢頭和抽油桿連接起來，從而將抽油機的動力傳給處于井下的深井泵。如圖1所示［4］，鋼絲繩的上部嵌在驢頭上，下部懸掛懸繩器，與抽油桿連接。

在野外工作過程中，鋼絲繩將受到較大的交變載荷及自然環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生銹蝕或斷裂等失效情況，從而影響抽油機的正常工作。通常情況下，由于現(xiàn)場沒有專用的維護工具，因而常用的維護方法是人工給鋼絲繩涂抹黃油，但工人在高空作業(yè)時存在不安全因素，且在停井時間較長的情況下，將導致井下作業(yè)條件的惡化。因此，為保證游梁式抽油機高效工作，鋼絲繩的及時保養(yǎng)成為關鍵因素之一。上述情境中已經(jīng)出現(xiàn)了沖突，對鋼絲繩進行及時潤滑成為解決沖突的關鍵。其概念設計的重點是提出鋼絲繩潤滑裝置的功能原理方案。

圖1 抽油機中的鋼絲繩潤滑問題

通過對現(xiàn)有的解決方案進行分析可知，用人工方式給鋼絲繩涂抹黃油，既存在人身安全隱患，又費時費力?，F(xiàn)選取39個工程參數(shù)中的兩個，對此沖突進行描述。目前的潤滑流程易于組織，即為操作流程的方便性，選取改善的參數(shù)為No.33，但同時產(chǎn)生了安全隱患及井下作業(yè)情況的惡化，即為作用于物體的有害因素，選取惡化的參數(shù)為No.30，如圖2所示。

圖2 沖突的標準化

在沖突矩陣中，推薦有四條發(fā)明原理來解決此技術(shù)沖突，這些發(fā)明原理分別是“分離”原理、“自服務”原理、“機械系統(tǒng)替代”原理和“惰性環(huán)境”原理。其中，“自服務”原理的內(nèi)容是，使一個物體通過附加功能產(chǎn)生自己服務于自己的功能，利用廢棄的材料、能量與物質(zhì)。該原理為沖突的解決提供了有益的啟示。抽油機在運行過程中，若能自己完成鋼絲繩的潤滑功能，就能形成比較理想的工作情況。在TRIZ理論中，有七種潛在的資源類型，它們是物質(zhì)、能量／場、可用時間、可用空間、物體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能和參數(shù)。現(xiàn)對游梁式抽油機的運行系統(tǒng)進行資源分析，充分利用廢棄的物質(zhì)、能量或資源，并注意尋找系統(tǒng)中的隱性資源。其中，存在于超系統(tǒng)中的重力場以及系統(tǒng)中游梁產(chǎn)生的周期運動，是進行自服務潤滑的關鍵資源。

根據(jù)以上分析，可在驢頭的上部安裝一個潤滑容器，利用游梁的運動來調(diào)節(jié)其位置和潤滑油的滴油速度。在游梁運動的一個周期中，當驢頭處于最低點時，鋼絲繩處在豎直位置，于是在重力場的作用下，油滴可沿著鋼絲繩流到底端。如圖3所示，利用系統(tǒng)自身運動的周期性，能夠?qū)櫥墓?jié)奏進行控制。通過發(fā)明原理的應用，最終完成了鋼絲繩潤滑裝置的原理創(chuàng)新，該方案在工程實際中具有良好的效果。

圖3 鋼絲繩潤滑裝置原理示意圖

4 結(jié)束語

在信息化帶動新型工業(yè)化的形勢下，針對建設以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新體系的重大需求，利用計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)解決產(chǎn)品研發(fā)中的難題顯得尤為重要。計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)不僅填補了CAX領域的空白，而且為制造類企業(yè)信息化技術(shù)提供了新的應用，也為知識工程、產(chǎn)品策劃、概念設計、方案設計、先進工程環(huán)境（AEE）等具體的信息化項目提供了新的解決方案，大大加速了產(chǎn)品創(chuàng)新的進程。

［1］徐起賀.現(xiàn)代機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計集成化方法研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學報［J］.2005（3）：102－105.

［2］徐起賀，戚新波.TRIZ創(chuàng)新理論實用指南［M］.北京：北京理工大學出版社，2011.

［3］謝里陽.現(xiàn)代設計方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］高常青.TRIZ——發(fā)明問題解決理論［M］.北京：科學出版社，2011.