LED燈具的TRIZ物-場分析模型及其簡化表達(dá)法

黃振永　裴雪丹　王利利　薛竣文　蘇秉華

摘? 要：物-場分析法是TRIZ理論中的一種重要的問題描述和分析工具，通過建立LED燈具的功能模型過程，可以利用物-場分析模型的一般解法（6種）提升創(chuàng)新LED燈具的工作效率。該文概述了物-場分析模型的基本思想，分析了“三角形”表達(dá)法和“啞鈴式”表達(dá)法的缺點，利用TRIZ的技術(shù)矛盾矩陣表提出了一種物-場分析模型的簡化表達(dá)法——表格法，并指出了表格法的優(yōu)缺點及其彌補(bǔ)方案。以LED燈具為研究對象，探索了物-場分析表格法模型的應(yīng)用：（1）有效的完整模型;（2）不完整模型及其解法;（3）作用有害的完整模型及其解法;（4）作用不足的完整模型及其解法。表格法是TRIZ物-場分析模型的行之有效的簡化表達(dá)法，能提升創(chuàng)新的工作效率和拓寬創(chuàng)新思路。

關(guān)鍵詞：照明設(shè)計? LED燈具? TRIZ? 物-場分析模型? 表格法

中圖分類號：TB858.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0001-04

TRIZ，源自俄文：теории решения изобретательских задач，用英語標(biāo)音可讀為：Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，縮寫為：TRIZ。國內(nèi)學(xué)者多直譯為：發(fā)明問題（的）解決理論，也常音譯為：“萃智”或者“萃思”，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之義，是前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）和他的研究團(tuán)隊，通過分析大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來的創(chuàng)新工具[1]。科技創(chuàng)新離不開創(chuàng)新工具。科學(xué)的創(chuàng)新工具能提升創(chuàng)新工作的效率和質(zhì)量。LED技術(shù)是當(dāng)前熱門的研究主題之一[2-8]，該文以LED燈具為研究對象，利用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾矩陣表尋找并提出一種物-場分析模型的簡化表達(dá)法——表格法，探索了物-場分析表格法模型在LED燈具創(chuàng)新中的應(yīng)用。

1? 物-場分析模型概述

物-場分析法是G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）于1979年提出的解決問題方法。所謂物-場分析法，是指從物質(zhì)和場的角度來分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法。阿奇舒勒對大量的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：一個技術(shù)系統(tǒng)如果想發(fā)揮其有用的功能，就必須至少構(gòu)成一種最小的系統(tǒng)模型。這個最小的技術(shù)系統(tǒng)模型應(yīng)當(dāng)具備3個必要的元素：兩種物質(zhì)和一個場，即三要素（物質(zhì)S1——工件、物質(zhì)S2——工具、場F——能量）。關(guān)于物場模型的表達(dá)方式，早期的學(xué)者提出了“三角形”表達(dá)法和“啞鈴式”表達(dá)法，如圖1和圖2所示[1]。

2? 現(xiàn)有表達(dá)法的缺點分析與創(chuàng)新

三角形表達(dá)法和啞鈴式表達(dá)法存在的典型缺點有：

（1）在Word文檔中或WPS中繪制、修改（尤其是擴(kuò)展）模型比較麻煩。

（2）如果圓圈中輸入文字太多，那么圓圈直徑要么變得很大、要么變成橢圓，橫向尺寸變大。

（3）沒有表達(dá)出最小的技術(shù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的“功能”。

（4）占用面積大、行數(shù)多。

鑒于現(xiàn)有兩種表達(dá)法存在的缺點，該文使用TRIZ理論中技術(shù)矛盾矩陣表來尋找簡化物-場分析模型表達(dá)法的思路如下。

（1）選擇技術(shù)矛盾通用參數(shù)。

想要改善的參數(shù)：生產(chǎn)率（提升繪制物-場分析模型的效率）。

想要惡化的參數(shù)：靜止物體的面積（減小繪制物-場分析模型的占用面積）。

（2）查技術(shù)矛盾矩陣表找到發(fā)明原理的代號。

通過查找經(jīng)典的39×39規(guī)格的技術(shù)矛盾矩陣表，找到行（對應(yīng)改善的參數(shù)）與列（對應(yīng)惡化的參數(shù)）交叉單元格中的發(fā)明原理的代號是：10號，35號，17號，7號。

（3）發(fā)明原理釋義。

10號對應(yīng)的發(fā)明原理是：預(yù)操作原理。35號對應(yīng)的發(fā)明原理是：參數(shù)變化原理。17號對應(yīng)的發(fā)明原理是：維數(shù)變化原理。7號對應(yīng)的發(fā)明原理是：嵌套原理。

（4）給出創(chuàng)新方案。

表格可以看作是一個單元格嵌套在另一個單元格中的集合，通過改變某些個單元格的邊框參數(shù)（邊框的線形樣式）表達(dá)物-場分析模型中的不同作用效果。因此提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

另選一對技術(shù)矛盾通用參數(shù)來驗證。

想要改善的參數(shù)：可維護(hù)性（提升修改物-場分析模型的效率）。

想要惡化的參數(shù)：靜止物體的面積（減小物-場分析模型的占用面積）。

通過查找經(jīng)典的39×39規(guī)格的技術(shù)矛盾矩陣表，找到行列交叉單元格中的發(fā)明原理：16號（不足或過度作用原理），25號（自服務(wù)原理）。

利用16號發(fā)明原理只改變表格中某些個單元格的參數(shù)，并不改變?nèi)繀?shù);通過單元格的拆分、合并改變單元格的大小、位置、特征（邊框的線形樣式）。也能提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

再選一對技術(shù)矛盾通用參數(shù)來驗證。

想要改善的參數(shù)：形狀（降低繪制物-場分析模型的復(fù)雜度）。

想要惡化的參數(shù)：適應(yīng)性及多用性（犧牲復(fù)雜系統(tǒng)的繪圖適應(yīng)性）。

通過查找經(jīng)典的39×39規(guī)格的技術(shù)矛盾矩陣表，找到行列交叉單元格中的發(fā)明原理：1號（分割原理），15號（動態(tài)化原理），29號（氣壓液壓結(jié)構(gòu)原理）。

利用1號發(fā)明原理把大的表格分割成不同的功能區(qū)，只改變表格中某些個單元格的參數(shù)，并不改變?nèi)繀?shù)。也能提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

綜上分析，雖然三個思路選擇的技術(shù)矛盾通用參數(shù)并不同，但都能殊道同歸得出一致的創(chuàng)新方案：用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

該文提出一種物-場分析模型的簡化方法——表格法（英譯為“Table Method”）。如表1和表2所示，“FUN”所在單元格為“功能”區(qū)?！癋”所在的單元格為“場”區(qū)。“S1”和“S2”所在的單元格分別表示“物質(zhì)1”區(qū)和“物質(zhì)2”區(qū)。

物-場分析表格法模型的突出優(yōu)點是：

（1）一目了然地表達(dá)出了該最小技術(shù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能。

（2）結(jié)構(gòu)緊湊、占用行數(shù)少、面積少，利于排版。

（3）編輯、修改、擴(kuò)展（通過拆分、合并單元格來實現(xiàn)）時操作方便。

物-場分析表格法模型的缺點是：

（1）忽略了箭頭及其方向，不能清晰地表示誰對誰發(fā)生作用。其實也不用擔(dān)心，因為作用是相互的，如果A對B發(fā)生作用，那么B對A就會發(fā)生反作用。彌補(bǔ)方案：表格法事先約定兩種物質(zhì)存在相互作用。

（2）多引入了一個元素（FUN，即“功能”），給繪圖帶來了麻煩。換來的好處是可以一目了然地表達(dá)出該最小技術(shù)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能是什么。

3? 物-場分析表格法模型的應(yīng)用

3.1 有效的完整模型

LED燈具能夠正常工作時的物-場分析模型屬于“有效的完整模型”。為便于理解表格法，先構(gòu)建物-場分析三角形模型的功能描述性模型如圖3所示，共有3個要素：S1為桌面（也可以視為正在閱讀的書面）;S2為LED燈具為F：電場，且作用是有效的。圖1可以視為LED燈具的物-場分析三角形模型的符號化模型。等效的LED燈具的物-場分析表格法模型如表3和表4所示。

3.2 不完整模型

當(dāng)LED燈具不能照明時，如沒有電（電池沒電或市電停電）、LED燈珠壞掉了、LED驅(qū)動電源壞掉了，此時的物-場分析模型屬于“不完整模型”，用“？ ”表示缺少（能產(chǎn)生正常作用的）元素（如表5、表6所示）。

3.3 作用有害的完整模型

由于LED燈珠是點光源，所以LED燈具如果配光不合理就往往會出現(xiàn)眩光現(xiàn)象，此時的物-場分析模型屬于“作用有害的完整模型”，如表7所示，其中用波浪線表示作用有害（如紫外線成分增多）;如表8所示，用雙線表示作用過度（如因電壓過高導(dǎo)致亮度過亮）。

3.4 作用不足的完整模型

當(dāng)照明效果不好時，如因為干電池工作了很長時間后剩余電量不足造成亮度不夠、因配光不合理造成光照度不均勻，此時的物-場分析模型屬于“作用不足的完整模型”，如表9所示，其中用虛線表示作用（效應(yīng)）不足。

4? 物-場分析模型的解法

在國際TRIZ理論中，物-場分析模型有6種一般解法。接下來說明LED燈具的物-場分析模型的解法。因為有效的完整模型是完善的系統(tǒng)，無需進(jìn)一步完善（也可以按技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化法則實現(xiàn)完善），其也是我們改善另外3種模型的目標(biāo)。

4.1 不完整模型的解法

一般解法1：補(bǔ)全元素（增加場或物質(zhì)）[1]。

當(dāng)LED燈具沒有電時（如電池沒電、市電停電），想要它實現(xiàn)有效功能，就需要增加一個元素（電場或機(jī)械場，F(xiàn)），如表10所示。解題方案：用新的干電池?fù)Q掉廢舊的干電池;接通公共市電或離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng);通過機(jī)械運(yùn)動（如手搖式、握力式、風(fēng)力式）發(fā)電。

當(dāng)LED燈珠壞掉了、LED驅(qū)動電源壞掉了，想要它實現(xiàn)有效功能，就需要增加一個元素（物質(zhì)1或物質(zhì)2），如表11所示。解題方案：增加能正常工作的燈珠（S1）或增加能正常工作的LED驅(qū)動電源（S2）。

4.2 作用有害的完整模型的解法

一般解法2：增加第三種物質(zhì)S3，用來阻止有害作用[1]。

雖然LED是公認(rèn)的綠色、節(jié)能的光源，但是散熱性能對LED照明效果有重要的影響：（1）降低LED燈珠的壽命;（2）改變LED的光譜。當(dāng)LED燈具的散熱效果不佳時，就會產(chǎn)生有害作用——過熱容易燒壞LED燈芯，從而降低LED燈珠的壽命，想要它實現(xiàn)有效功能，就需要增加第三種物質(zhì)S3。解題方案：增加第三種物質(zhì)（S3），比如空氣動力散熱器、水冷散熱器或散熱鋁基板（片）。同時，當(dāng)LED燈芯溫度變化時導(dǎo)致LED的光譜發(fā)生改變。即當(dāng)LED燈具的散熱效果不佳時，就會產(chǎn)生有害作用——非白光照明對眼睛閱讀有害，想要它實現(xiàn)有效功能，就需要增加第三種物質(zhì)S3。解題方案：增加第三種物質(zhì)（S3），比如恒溫控制器。雖然增加的第三種物質(zhì)不同，但是實現(xiàn)的功能是一樣的（減少或阻止有害作用），所以物-場分析模型是一致的，如表12所示。

一般解法3：引入另外一個場F2來抵消原來場的有害效應(yīng)[1]。

正如前述，散熱性能是LED燈具的重要性能。小功率的LED燈靠自帶的鋁基板可以實現(xiàn)散熱，但是大功率的LED燈就需要配備附加的散熱系統(tǒng)才能減少或阻止有害作用。解題方案：對大功率的LED燈具而言，引入另一個場（風(fēng)場，F(xiàn)2）和第三種物質(zhì)（電風(fēng)扇，S3）。當(dāng)夜深看書時，光太亮?xí)X得赤眼不舒服（即作用過度）。解題方案：引入另一個場（機(jī)械場，F(xiàn)2）和第三種物質(zhì)（PWM調(diào)制器，用來調(diào)節(jié)亮度大小，S3）。雖然增加的第三種物質(zhì)和場不同，但是實現(xiàn)的功能是一樣的（減少或阻止不利的作用），所以物-場分析模型是一致的。對應(yīng)的物-場分析模型如表13所示。

4.3 作用不足的完整模型的解法

一般解法4：用另外一個場F2代替原來的場F[1]。

原來的場F：電場，用直流供電，比如用干電池供電或用可充電電池供電，由于這類電池的電容量有限，所以有效照明時間不長，且隨著工作時間變長，LED燈具的亮度會逐漸降低。解題方案：（1）換用新的場F2：電磁場，用交流轉(zhuǎn)直流的供電方式，把LED燈具的驅(qū)動電源插頭直接插入市電插座中就可以長時間照明了。（2）換用新的場F2：機(jī)械場，用人工機(jī)械運(yùn)動（如手搖式、握力式、風(fēng)力式）發(fā)電解決臨時性持續(xù)照明需求。對應(yīng)的物-場分析模型如表14所示。

一般解法5：增加另外一個場F2來強(qiáng)化有用效應(yīng)[1]。

在大的房間內(nèi)，一盞LED燈具不足以照亮整個房間時，需要增加一個或多個光場;當(dāng)一個LED燈珠因功率小不足以獲得大功率照明效果時，也需要增加一個或多個光場;當(dāng)需要無影照明效果時，也需要增加一個或多個從不同的方向照明的光場。對應(yīng)的物-場分析模型如表15所示。

一般解法6：引入第三種物質(zhì)S3并增加另一個場F2來強(qiáng)化有用效應(yīng)[1]。

當(dāng)LED燈具配光不合理時，光照度就會不均勻，如果想獲得更均勻的照明效果，則需要引入第三種物質(zhì)S3并增加另一個場F2來強(qiáng)化有用效應(yīng)。解題方案：引入第三種物質(zhì)（如LightTools設(shè)計軟件，S3）和另一個場（信息場，F(xiàn)2），即用照明仿真軟件設(shè)計良好的配光方案及其LED燈具。對應(yīng)的物-場分析模型如表16所示。

5? 結(jié)語

科技創(chuàng)新離不開創(chuàng)新工具，TRIZ理論是國際公認(rèn)的創(chuàng)新工具。鑒于現(xiàn)有的TRIZ理論中物-場分析模型——三角形表達(dá)法和啞鈴形表達(dá)法有顯著的缺點，該文利用TRIZ理論中技術(shù)矛盾矩陣表，從三個思路殊道同歸找到了簡化物-場分析模型的表達(dá)方法——表格法。該文以LED燈具為研究對象，探索了物-場分析表格法模型的應(yīng)用及其解法。研究表明：表格法是TRIZ物-場分析模型的行之有效的簡化表達(dá)法，能提升創(chuàng)新的工作效率和拓寬創(chuàng)新思路;表格法的優(yōu)點顯著，占用面積少、繪圖方便、系統(tǒng)的功能一目了然。

參考文獻(xiàn)

[1] Li M F， Zhao Y X.Theory and application of TRIZ innovative thinking and method[M].Beijing： Machinery Industry Press，2016：150-164.

[2] Huang Z T， Ji Y F.Efficient user access and lamp selection in LED-based visible light communication network[J].Chinese Optics Letters，2012，10（5）：50602-50606.

[3] Liu Z J， Liu P， Yu F H.Parametric optimization method for the design of high-efficiency free-form illumination system with a LED source[J].Chinese Optics Letters， 2012，10（11）：112201-112205.

[4] Yuan K， Yan H M， Jin S Z.Integral colorimeter based on compound LED illumination[J].Chinese Optics Letters，2014，12（2）：23302-23305.

[5] Yuan K， Yan H M， Jin S Z.LED-based spectrally tunable light source with optimized f itting[J].Chinese Optics Letters，2014，12（3）：32301-32303.

[6] Chen C， Zhang X H， Rao J H.Optical design for an LED-based handheld underwater wireless optical communication system[J].Chinese Optics Letters，2015，13（2）：20801-20804.

[7] Jean Armstrong.Optical domain digital-to-analog converter for visible light communications using LED arrays[J].Photonics Research，2013，1（2）：92-95.

[8] Simon J. Herr， Karsten Buse， Ingo Breunig.LED-pumped whispering-gallery laser[J].Photonics Research，2017，5（6）：34.