從完備性法則認識技術系統(tǒng)進化

楊得成 曹福全 孫興威 曲鳳成

(黑河學院，黑龍江 黑河 164300)

TRIZ被稱為技術系統(tǒng)進化論，TRIZ的核心思想就是技術系統(tǒng)進化法則[1]。技術系統(tǒng)自誕生之日起就踏上了進化之路，進化過程中遵循一定的客觀規(guī)律。TRIZ創(chuàng)始人G.S.Altshuller在研究已有技術系統(tǒng)進化軌跡和大量專利后，將這些客觀規(guī)律總結為三個類型，八大進化法則，一條曲線。S-TRIZ進一步總結了經(jīng)典TRIZ進化法則應用路線，如圖1所示。本文重點研究以完備性法則來展示技術系統(tǒng)進化。

圖1 S-TRIZ進化法則應用路線

一、基礎法則

在進化法則中，完備性法則、提高理想度法則和S曲線法則是系統(tǒng)進化的基礎或者說是戰(zhàn)略性法則[2]95。這些法則保證系統(tǒng)的“誕生”和“生存”，然后系統(tǒng)“慢慢成長起來”，開始或多或少地積極進化。

(一)系統(tǒng)完備性法則

系統(tǒng)是為了實現(xiàn)其功能而建立，履行功能是系統(tǒng)存在的目的。為了實現(xiàn)功能，系統(tǒng)必須具備最基本的要素，各要素之間必須存在物質、能量、信息和職能聯(lián)系[2]61。經(jīng)典TRIZ認為，完備性法則作用于系統(tǒng)建立之初，在建立一個新的技術系統(tǒng)時，重點是要通過這個系統(tǒng)實現(xiàn)某個功能。為了實現(xiàn)功能，那么必須得有作用，必須有一個“執(zhí)行裝置”作用一個“作用對象”上才能產(chǎn)生功能。實現(xiàn)了功能，也就實現(xiàn)了建立系統(tǒng)的目的?！皥?zhí)行裝置”作用于“作用對象”必須有能量的來源，因此需要有動力裝置。動力裝置必須得通過一個非常有效的途徑，把能源能量傳遞給執(zhí)行裝置，這就是傳統(tǒng)裝置。從動力裝置到傳統(tǒng)裝置到執(zhí)行裝置，要想?yún)f(xié)調做好工作，必須得有好的控制裝置，當然簡單系統(tǒng)可能是通過外部控制實現(xiàn)，但必須得有控制裝置來控制過程的運作。組成系統(tǒng)的基本要素如圖2所示。

圖2 組成系統(tǒng)的基本要素

一個可以運行的系統(tǒng)必須具備以上4個主要部分及相應功能，這樣才能正常運行[2]61。動力裝置轉換能量，傳遞裝置傳遞能量，執(zhí)行裝置執(zhí)行系統(tǒng)的主要功能，控制裝置設置和控制參數(shù)。4個部分可以分別完成4項相應的功能。如果其中一個部分能夠完成2項功能，那么系統(tǒng)只需要3個部分就能完成4項功能。同樣，系統(tǒng)也可以只有2個、1個甚至0個部分，但卻能夠完成4項功能。以自行車為例，要實現(xiàn)的是代步的功能。首先需要一個執(zhí)行裝置也就是車輪，來實現(xiàn)所需功能。車輪作用于誰？作用于路面產(chǎn)生了這樣的一個功能。車輪通過靜摩擦作用于地面的轉動使自行車前進，那么必須得有動力。自行車動力從哪來？那就是騎行者自身。通過誰傳遞的呢？從現(xiàn)在的自行車來說，主要是通過鉸鏈來傳遞能量，也就是傳遞裝置。除此之外，自行車還應該有制動、轉彎等需求，所以，需要有相應的轉向裝置及制動裝置，那么就形成了一套控制系統(tǒng)。這樣滿足了自行車系統(tǒng)具備保障最低工作能力的基本組成要素和基本聯(lián)系。

(二)能量傳遞法則

1.保證能量有效傳遞

在任何一個技術系統(tǒng)內(nèi)部，都需要有能量的傳遞和轉換，保證能量傳遞到技術系統(tǒng)的各個裝置。如果能量不能有效流通于整個系統(tǒng)，那么某個裝置就不能獲得能量，系統(tǒng)不能工作，以致整個技術系統(tǒng)無法正常實現(xiàn)其相應的功能。控制裝置設置和控制著能量流、物質流及信息流的流向和流量?！澳芰俊笔且粋€廣義的概念，包括流通于系統(tǒng)中的物質流和信息流。能量傳遞過程如下圖3所示。

圖3 能量傳遞過程

2.優(yōu)化能量傳遞路徑

通過完備性法則認識能量傳遞法則，其核心為技術系統(tǒng)在演進過程中不斷優(yōu)化能量傳遞的路徑。一是縮短能量在系統(tǒng)內(nèi)流經(jīng)的路徑，二是減少能量損耗，三是減少能量轉換次數(shù)。比如第一種方式，系統(tǒng)不再包括傳遞裝置，動力裝置直接與執(zhí)行裝置相連。“動力裝置”與“執(zhí)行裝置”共同完成“傳遞能量”的功能。在這種情況下，能量在系統(tǒng)內(nèi)流經(jīng)的路徑是最短的。以電動腳踏車為例，腳踏車沒有了傳遞裝置，動力裝置直接與執(zhí)行裝置(車輪)相連。如圖4所示。

圖4 優(yōu)化能量傳遞路徑

(三)提高理想度法則

提高理想度法則是系統(tǒng)進化的黃金法則，系統(tǒng)進化的方向提高理想化程度。系統(tǒng)誕生之后就進入了生長期，在其建立時可能并不十分理想，因此可借助完備性法則，逐漸完善系統(tǒng)各部分，實現(xiàn)一個提高理想度的過程。

系統(tǒng)在進化過程中，要發(fā)展任何一個子系統(tǒng)，它不是靜態(tài)的，是要往提高理想度的方向發(fā)展。不僅僅是實現(xiàn)功能的理想度，也要符合人(用戶)的理想，符合人的使用功能發(fā)展方向。從宏觀上來看，整個系統(tǒng)運行效率越來越高，耗費越來越低，有用功能越來越多，有害功能越來越少，甚至把有害功能轉化成有用功能。具體來說，提高理想度，就是系統(tǒng)內(nèi)部資源的不斷優(yōu)化。如果系統(tǒng)內(nèi)部資源沒有充分優(yōu)化利用，而借助外部資源，系統(tǒng)就肯定不是最理想的系統(tǒng)。內(nèi)部資源存在什么地方？存在于執(zhí)行裝置、傳動裝置、動力裝置、控制裝置，以及各部分之間的聯(lián)系之中，如圖5所示。這里包括物質資源、能量資源、信息資源等各種資源，也就是“能量流”。

圖5 提高理想度法則

執(zhí)行裝置通過提升效率、質量，降低有害成本來提高理想度。傳動裝置最好是簡化，越簡單越好，傳遞的中間環(huán)節(jié)越小越好，越少越好，動力直接傳遞給執(zhí)行裝置最好。動力裝置也要優(yōu)化，包含其使用能源來源的優(yōu)化、利用能源利用率的優(yōu)化、產(chǎn)生動力成本的優(yōu)化等?？刂蒲b置理想度主要是往自動化控制、發(fā)展。因此，通過完備性法則認識提高理想度法則，核心就是內(nèi)部資源的優(yōu)化。

二、成長法則

在進化法則中，矛盾產(chǎn)生及克服法則、協(xié)調失調法則、子系統(tǒng)不均衡法則、動態(tài)化法則及向微觀級進化法則是系統(tǒng)成長階段法則。這個階段最重要的是確定技術系統(tǒng)進化的促進因素——系統(tǒng)中產(chǎn)生的矛盾，此時矛盾產(chǎn)生及克服法則開始工作。但不是用工具去簡單發(fā)現(xiàn)矛盾，矛盾必須解決，而不利用系統(tǒng)資源就無法解決。然后開始“打磨”系統(tǒng)，其他法則開始工作。限于篇幅，本文只簡要討論協(xié)調失調法則在系統(tǒng)成長過程的主要作用機制。

系統(tǒng)剛一開始建立的時候，實現(xiàn)的功能是協(xié)調的。后來發(fā)現(xiàn)其實現(xiàn)功能時效率、成本、耗能等都存在著這樣或那樣的問題，即失調。要不斷通過對內(nèi)部資源的優(yōu)化應用，對內(nèi)部構件的改進來實現(xiàn)內(nèi)部協(xié)調，逐漸使系統(tǒng)優(yōu)化，向理想度更高的方向發(fā)展，主要包括形式協(xié)調、節(jié)律協(xié)調、材料協(xié)調、參數(shù)協(xié)調，這就是內(nèi)部協(xié)調的過程。凡是發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部的就是內(nèi)部協(xié)調，但在內(nèi)部協(xié)調的同時，還需要外部協(xié)調，外部協(xié)調是系統(tǒng)跟周圍環(huán)境的協(xié)調、系統(tǒng)與超系統(tǒng)的協(xié)調，超系統(tǒng)發(fā)生變化的時候，就要實現(xiàn)外部協(xié)調。因此，通過完備性法則認識協(xié)調失調法則，核心是技術系統(tǒng)進行內(nèi)部協(xié)調到外部協(xié)調的動態(tài)過程。協(xié)調失調過程如圖6所示。

圖6 協(xié)調失調過程

以手機為例，手機最初的功能是傳送和接收信息的功能。為了實現(xiàn)基本功能，手機需要屏幕、外殼、電池、按鍵等系統(tǒng)組件，需要將模擬信號轉換成數(shù)字信號等，包括后來新增短信功能，這都是在手機內(nèi)部協(xié)調。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，人們有了移動上網(wǎng)的需求。這時，為了適應移動上網(wǎng)，手機內(nèi)部各種部件，包括屏幕、電池、鍵盤、天線、存儲等，都需適應移動上網(wǎng)的要求而發(fā)生改變。為了獲得更好移動上網(wǎng)交互體驗，屏幕操作經(jīng)過了手寫、觸摸屏、多點觸摸，屏幕顏色色階指數(shù)經(jīng)過了單色、256色、4096色、65536色。屏幕材質經(jīng)過了STN、TFT、TFD、UFB和OLCD。屏幕的物理尺寸越來越大，屏幕分辨率由最初的128×128，發(fā)展到現(xiàn)在的1920×1080。當前，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)有了更高效率的傳輸速率，從2G發(fā)展到3G、4G，到目前5G時代。為了適應5G網(wǎng)絡，手機的屏幕分辨率必須達2K以上，數(shù)據(jù)交換量越來越大，手機存儲也需相應提高，為了適應萬物互聯(lián)，手機作為中心控制端，手機提供的接口需越來越豐富。這都是在手機外部進行協(xié)調。

三、成熟法則

在進化法則中，向超系統(tǒng)進化法則是系統(tǒng)“成熟”法則。系統(tǒng)自身資源進化消失是此階段主要特征，系統(tǒng)同其他系統(tǒng)聯(lián)合，轉向超系統(tǒng)，進一步發(fā)展資源。

通過內(nèi)部協(xié)調、外部協(xié)調提高了手機的理想度。內(nèi)部協(xié)調是內(nèi)部通過協(xié)調失調這個過程打磨系統(tǒng)，使這個系統(tǒng)向理想度高的程度發(fā)展。系統(tǒng)通過內(nèi)外協(xié)調方式協(xié)調到一定程度的時候，系統(tǒng)的內(nèi)部資源已全部耗盡，沒有更好的外部資源補充進來的時候，就需要向超系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)進入了“成熟期”。在系統(tǒng)整個協(xié)調的過程中，向微觀級進化、動態(tài)性和可控性的進化、子系統(tǒng)的不均衡進化，這都是造成協(xié)調失調的原因。當前系統(tǒng)資源一旦耗盡了以后，就要向超系統(tǒng)轉化。自身的系統(tǒng)終結了，新的系統(tǒng)產(chǎn)生，這就是超系統(tǒng)進化法則。