TRIZ與可拓學(xué)的關(guān)系研究

江 帆， 盧浩然， 戴杰濤， 劉 征

(1.廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所， 廣東 廣州 510006)

TRIZ(為俄文“發(fā)明問題解決理論”拉丁文標(biāo)音Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫)理論是Altshuller于1946 年提出的發(fā)明問題解決理論[1].該理論總結(jié)出各種技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進化所遵循的規(guī)律，以及解決各種沖突的創(chuàng)新原理和法則，建立了一個由解決技術(shù)沖突實現(xiàn)創(chuàng)新的各種方法和算法組成的,并整合多種學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則的理論體系.運用這一理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品.

可拓學(xué)是楊春燕等[2]于1983年首創(chuàng)的一門新興學(xué)科，主要以形式化的模型，探究事物的可拓性以及開拓規(guī)律與方法，并用以解決矛盾問題.相對于TRIZ理論，可拓學(xué)研究的矛盾更具一般性，并在研究對象和研究目標(biāo)上具有更為寬廣和系統(tǒng)化的理論基礎(chǔ).

面對兩種成體系的創(chuàng)新方法，人們可能會問：這兩種方法是否有關(guān)系？針對此問題，有不少學(xué)者進行了相關(guān)工作，仇成等[3]對TRIZ理論和可拓學(xué)在矛盾分類、研究對象、理論基礎(chǔ)和方法體系等方面進行了差異比較，在哲學(xué)思想、基元理論與物質(zhì)-場理論、40條創(chuàng)新原理與可拓原理方面分析了它們之間的聯(lián)系，但缺乏更細致的比較，如具體使用流程等.還有一些學(xué)者利用TRIZ理論與可拓學(xué)融合進行產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)設(shè)計，僅僅是將TRIZ理論作為前處理或者后處理的一個工具，沒有深入它們在技術(shù)進化、矛盾分析與求解和領(lǐng)域解評價方面的實質(zhì)融合.同時，很多學(xué)者研究了可拓學(xué)在各個方面的應(yīng)用，特別是在矛盾解決方面更具一般性，但也存在“使用步驟比較復(fù)雜，有數(shù)學(xué)表達式，感覺需要一定的理論基礎(chǔ)”等方面的不足.翟章宇[4]對可拓學(xué)與TRIZ矛盾問題作了比較研究，主要就差異比較、內(nèi)在聯(lián)系、功能應(yīng)用等方面進行比較，提到了二者的互補性，但還缺少對兩個體系的各個工具的應(yīng)用比較.周賢永等[5]采用可拓變換方法對TRIZ發(fā)明原理進行了形式化描述，拉開了可拓學(xué)描述TRIZ工具的序幕.李蘇洋等[6]比較了TRIZ與可拓創(chuàng)新方法解決矛盾問題的流程與具體案例，得出二者有異曲同工之妙的結(jié)論.江帆[7]對TRIZ理論與可拓學(xué)進行了比較系統(tǒng)的比較與融合研究，初步搭建了二者的集成方式，但對二者的關(guān)系分析還不夠深入，如兩者工具的實質(zhì)聯(lián)系，能否統(tǒng)一融合等.兩種創(chuàng)新方法的集成也有很多學(xué)者進行研究，如趙燕偉等[8]探討了TRIZ與可拓學(xué)的集成思路，但還缺少較具體的融合思路和路徑.周賢永[9]對TRIZ與可拓學(xué)進行了融合研究，江帆等[10-14]也給出了很多TRIZ與可拓結(jié)合的應(yīng)用案例.因此，繼續(xù)深入研究TRIZ理論與可拓學(xué)在求解流程和具體求解方法方面的細致比較，對TRIZ理論、可拓學(xué)的研究與應(yīng)用具有重要價值，為我國技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供方法論的支撐.

1 各自求解流程的關(guān)系研究

對于創(chuàng)新問題求解(如矛盾問題)，這兩種方法均有一個規(guī)范化的求解流程(圖1).

圖1 兩種創(chuàng)新方法的求解流程Fig.1 Solution flow of two kinds of innovative methods

TRIZ理論中，有一個總的ARIZ算法，主要是針對復(fù)雜問題，實際中應(yīng)用不同的求解工具時，流程有些區(qū)別，但總體是三步走：問題描述、問題分析與求解和方案評價.由圖1可見，對于技術(shù)矛盾問題(TRIZ理論中矛盾類型的一種)，首先是對矛盾問題進行描述，并找到矛盾雙方對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，然后查詢矛盾矩陣，得到推薦的發(fā)明原理，并對這些發(fā)明原理進行分析，建立矛盾問題的解決方案，如果無法建立矛盾的解決方案或者推薦的發(fā)明原理不合適，需要重新對矛盾雙方進行描述，之后重復(fù)這一個過程，直到建立符合要求的解決方案.

可拓創(chuàng)新方法有統(tǒng)一的求解流程：建模、拓展、變換、選優(yōu).以矛盾問題中的不相容問題為例，首先找到矛盾的目標(biāo)和條件，分別建立基元模型(一般情況下是目標(biāo)事元與條件物元的矛盾)，之后分別對目標(biāo)事元與條件物元進行拓展，根據(jù)拓展的路徑進行變換，建立矛盾問題的解決方案，最后對方案進行優(yōu)選.

從兩者的求解流程看到，都是第一步相對重要，TRIZ理論中針對不同問題類型，求解流程是有細微差異的，而這種差異對計算機處理來說，會增加求解的復(fù)雜性.而可拓創(chuàng)新方法的求解流程始終是四步走，便于計算機處理.

從實質(zhì)分析，二者的求解流程是一致的，TRIZ理論中的問題描述是建模過程，而分析求解也類似可拓創(chuàng)新方法的拓展與變換過程，最后都有優(yōu)選.從它們求解流程的實質(zhì)看到，可拓創(chuàng)新方法的流程歸納得更一般、更底層，有助于創(chuàng)新問題的定量求解，獲得優(yōu)異的解決方案.

2 各自具體求解方法的關(guān)系研究

2.1 各自建模方法的關(guān)系研究

TRIZ理論中，各類問題求解時，建模方法是不同的，如對應(yīng)技術(shù)矛盾問題，是通過填表法，如表1所示，而對應(yīng)物場問題，則是建立物場模型，如圖2所示.

表1 傘的技術(shù)矛盾

圖2 鉆孔的物質(zhì)-場模型
Fig.2 Substance field model of drilling hole

可拓創(chuàng)新方法建模是統(tǒng)一用基元描述，不管問題類型，都可以用物元、事元、關(guān)系元或更復(fù)雜的參變量基元、復(fù)合基元等描述，如式(1)所示，或如表2所示的表格形式描述.基元模型構(gòu)建要遵守一定的規(guī)則.

(1)

表2 事元實例

從二者建模方法可見，TRIZ理論中對問題的識別很重要，要根據(jù)不同的問題類型，采取不同的描述方式，而可拓創(chuàng)新方法則高度統(tǒng)一，用基元模型即可針對不同問題.

進一步分析發(fā)現(xiàn)，不管是TRIZ理論中哪種問題的描述，也一樣可以用基元模型描述，如下面的實例.

例1，表1中列出了傘的技術(shù)矛盾，是傘的抵抗暴雨能力與攜帶難度的矛盾，這個矛盾問題用基元描述如式(2)所示.

P=(G1∧G2)*L

(2)

L=(雨傘，遮雨半徑，70 cm).

例2，對于圖2的鉆孔的物場模型，也可以用基元模型描述.

(1)物場模型中的各個物質(zhì)，可用物元描述：

(2)物場模型的相互作用，可以用事元描述：

當(dāng)然可以舉出更多實例，限于篇幅，這里僅給出兩個實例.從這些實例看到，基元模型可以方便地描述不同問題，這樣有利于建模方式的統(tǒng)一.

2.2 各自拓展方法的關(guān)系研究

TRIZ理論中，通常是將問題分析與求解合并在一起，故這里僅把TRIZ理論有明顯拓展痕跡的多屏幕法、STC算子法、資源分析法和因果分析法與可拓創(chuàng)新方法中的拓展方法進行比較.

多屏幕法與STC算子法有明顯的拓展路徑，多屏幕法是沿時間和空間兩個方向拓展思維，STC算子法是沿尺寸、時間、成本等三個維度拓展思維.其拓展也有一定的規(guī)則，如多屏幕法中子系統(tǒng)、超系統(tǒng)、子系統(tǒng)的過去和子系統(tǒng)的未來等，STC算子法中向某個參數(shù)的無窮大或無窮小方向，規(guī)則相對較少，比較容易識記與操作.

可拓創(chuàng)新方法中的拓展方法相對較多，如發(fā)散樹方法、相關(guān)網(wǎng)方法、蘊含系方法、分合鏈方法和共軛分析方法等，都有嚴(yán)格的規(guī)則，需要理解這些規(guī)則后才能進行拓展操作.

同樣，這些TRIZ的拓展方法也可用可拓創(chuàng)新方法中的拓展方法實現(xiàn)，如下面的實例，見圖3、表3.

圖3 掛鐘的STC算子法發(fā)散Fig.3 STC operator method of wall clock

對 象特 征量 值量值拓展掛鐘尺寸22.5 cm10 m,0.001 mm制造時間300 s100 h,40 s成本20元2 000元,3元工業(yè)機器人總體尺寸2 m30 cm,5 mm重量60 kg2 kg,30 g驅(qū)動方式自身關(guān)節(jié)驅(qū)動外部驅(qū)動

例3和圖3所示的掛鐘STC算子法發(fā)散實例，可采用表3所示的拓展分析描述，后續(xù)通過簡單的置換變換就可以得到與STC算子法發(fā)散一樣的結(jié)果.

從上述實例看到，TRIZ的發(fā)散方法與可拓創(chuàng)新方法中的拓展方法有對應(yīng)關(guān)系，TRIZ的發(fā)散方法可以用可拓創(chuàng)新方法中的拓展方法實現(xiàn).

2.3 各自求解方法的關(guān)系研究

TRIZ理論的求解工具較多，針對不同的問題類型有不同的求解工具，如矛盾求解方法(發(fā)明原理)、標(biāo)準(zhǔn)解法、科學(xué)效應(yīng)庫方法、裁剪、小矮人法和技術(shù)進化法則等，這些求解工具有一定的聯(lián)系，但各自獨立性較強，能夠單獨針對問題進行求解.

可拓創(chuàng)新方法中，求解主要靠變換，包括基本變換、變換運算、傳導(dǎo)變換和共軛變換等，有一定的獨立性，但聯(lián)系比較大，如變換運算是在基本變換的基礎(chǔ)上進行的.

研究發(fā)現(xiàn)，TRIZ的各求解工具也是可以用可拓變換實現(xiàn)的，如周永賢[5，9]就用可拓變換實現(xiàn)了TRIZ的發(fā)明原理.接著再給出技術(shù)進化法則與裁剪的可拓變換形式.

例4，以技術(shù)進化法則中的向微觀化進化法則為例，工業(yè)機器人有向微觀化進化的趨勢，如進化成微型機器人——管道機器人、血管機器人，見圖4.用可拓創(chuàng)新方法中建模、拓展與變換就可以實現(xiàn)，其中拓展如表3所示.

圖4 工業(yè)機器人向微觀化進化Fig.4 Evolution from industrial robots to micro-robots

例5，裁剪是現(xiàn)代TRIZ中的重要工具，通過刪除問題元件，重組系統(tǒng)有用功能，達到技術(shù)系統(tǒng)簡化與產(chǎn)品優(yōu)化的目的，從而實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，如圖5所示.

圖5 牙刷的裁剪Fig.5 Trim of toothbrush

圖5可見，牙刷功能模型的裁剪過程可以用可拓變換實現(xiàn)，如表4給出刪減變換.

表4 牙刷的刪減變換

通過這些實例看到，TRIZ的求解工具是可以用可拓變換實現(xiàn)的，也證實可拓創(chuàng)新方法具有更一般性.

2.4 各自方案評價方法的關(guān)系研究

兩種創(chuàng)新方法對于某個創(chuàng)新問題求解后都會產(chǎn)生較多的解決方案，需要對這些方案進行優(yōu)選，故兩種方法都建立了評價方法.

TRIZ理論強調(diào)理想解，技術(shù)系統(tǒng)是朝著理想化方向發(fā)展，故采用理想度評價技術(shù)系統(tǒng)，理想度I描述如式(3)所示，是有用功能之和∑FU、有害功能之和∑FH及成本之和∑C的函數(shù).實際中用理想度評價技術(shù)方案存在較多不足，如有用功能、有害功能的量化問題和三個參數(shù)的量綱不一致問題等.

(3)

可拓創(chuàng)新方法建立了優(yōu)度評價方法，由選擇評價指標(biāo)、賦予評價指標(biāo)權(quán)重和建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，得到各方案關(guān)于各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，計算規(guī)范關(guān)聯(lián)度，最后得到優(yōu)度，如式(4)所示.

(4)

式中，C(Zj)為方案Zj的優(yōu)度，Zj(j=1,2,3,…,m)為第j個待評價方案，gi(xj)(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)為Zj關(guān)于MIi的規(guī)范關(guān)聯(lián)度，MIi為第i個評價指標(biāo).

從實質(zhì)看，理想度也可由優(yōu)度計算公式導(dǎo)出，即把優(yōu)度評價的權(quán)重和關(guān)聯(lián)函數(shù)調(diào)整，可得到理想度的表示.

上面從各自求解方法的對比看到，TRIZ理論的求解方法都能用可拓創(chuàng)新方法來描述，即可以通過可拓建模、拓展、變換及選優(yōu)等來實現(xiàn)，當(dāng)然，可拓創(chuàng)新方法中的很多方法也可以用TRIZ的工具來實現(xiàn)，這說明二者之間具有一致性.從本文的分析也看到，基于可拓學(xué)理論的可拓創(chuàng)新方法能夠給出更接近本質(zhì)的形式化描述，而TRIZ工具基本是定性描述，因此，可拓學(xué)的理論可以作為TRIZ方法的理論基礎(chǔ).

3 結(jié) 論

(1)TRIZ理論與可拓創(chuàng)新方法均是完整體系的創(chuàng)新方法，能夠解決各領(lǐng)域出現(xiàn)的矛盾問題，二者的求解流程有相關(guān)性.

(2)TRIZ理論來源于發(fā)明專利，有較強的實踐性；可拓創(chuàng)新方法能對世界進行普遍描述，具有普遍性.通過實證分析發(fā)現(xiàn)，TRIZ理論的各種求解方法可以通過可拓模型變換得到，故可拓學(xué)理論可作為TRIZ工具的理論基礎(chǔ).

(3)可拓學(xué)理論是TRIZ工具的理論基礎(chǔ)，并不是說誰優(yōu)誰劣，而是要說二者應(yīng)相互融合，相互借鑒，共同提高創(chuàng)新效率.TRIZ工具可以作為特殊的拓展與變換方法，而可拓創(chuàng)新方法能為TRIZ求解提供可靠的模型.