TRIZ理論在我國農(nóng)業(yè)裝備領域的應用現(xiàn)狀及展望

李明曦，羅 輝，戴健華

(1.湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所，湖南 長沙410125；2.永州職業(yè)技術學院智能制造與建筑工程學院，湖南 永州425000；3.湖南省農(nóng)業(yè)科學院，湖南 長沙410125)

0 引言

2020年11月3日，黨的十九屆五中全會通過的《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》正式對外發(fā)布。其中明確提出強化農(nóng)業(yè)裝備支撐，表明中央高度重視農(nóng)業(yè)裝備對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的支撐作用。目前，我國農(nóng)業(yè)正在經(jīng)歷由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要轉型時期，農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展水平是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度和可持續(xù)發(fā)展水平的主要指標[1]。在保障國家糧食安全與農(nóng)業(yè)勞動力日漸緊缺雙重時代背景下，農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化發(fā)展顯得尤其重要。農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化指的是綜合運用先進裝備制造、智能感知、互聯(lián)網(wǎng)和計算機仿真等技術針對農(nóng)業(yè)中廣泛存在的作業(yè)對象種類繁雜易損傷、作業(yè)環(huán)境復雜、作業(yè)方式多樣等問題進行定制化解決的發(fā)展方式，而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化最有效的途徑就是進行創(chuàng)新設計[2]。

1 TRIZ理論體系和設計方法

1.1 TRIZ理論簡介

蘇聯(lián)科學家、教育家根里奇·阿奇舒勒(ALTSHULER G S)帶領研究團隊于1946—1980年研究分析了超過200萬份發(fā)明專利和創(chuàng)新案例，總結出了包括適用于實現(xiàn)有效創(chuàng)新的經(jīng)驗式理論、一般解題步驟及40個發(fā)明原理的一套方法論，并命名為“TRIZ”(發(fā)明問題解決原理)[3]。1980年以來，TRIZ作為創(chuàng)新方法一般理論廣泛應用于各個領域并取得豐碩成果[4-6]。通過不斷地應用和迭代，專家學者們根據(jù)TRIZ理論將各種技術矛盾與物理矛盾進行轉化并歸納為固定的一般參數(shù)。TRIZ作為一種指導創(chuàng)新的方法論，系統(tǒng)性地揭示了創(chuàng)新發(fā)明這一活動的內(nèi)在原理和基本規(guī)律，其突出優(yōu)點就是能將現(xiàn)實情況中的特殊矛盾進行一般化、標準化處理，并且適用于各種技術領域的創(chuàng)新。

傳統(tǒng)創(chuàng)新方法如思維導圖、頭腦風暴、逆向分析和大量試錯等可以在一定程度上對問題主要矛盾進行描述和定義，但是缺乏指導解決問題的思路與方法，而TRIZ理論可以準確定義問題并快速找到最優(yōu)解，即以最小的系統(tǒng)消耗實現(xiàn)最大的系統(tǒng)功能[7]。

1.2 TRIZ主要概念

TRIZ理論包含3個主要概念：沖突、理想度、演化方式。

沖突是指在一個技術系統(tǒng)里面由于期望特征明顯不兼容而產(chǎn)生的創(chuàng)造性問題，主要包含物理沖突和技術沖突。

理想度是指一個技術系統(tǒng)趨近于以最小的成本實現(xiàn)最大的功能并產(chǎn)生最小的有害影響這個理想狀態(tài)的程度?？梢杂霉奖硎鰹?/p>

理想度=實現(xiàn)的功能/(成本+有害影響)

演化方式指的是一個技術系統(tǒng)朝著其最大理想度情況進化發(fā)展的過程。每個技術系統(tǒng)為了實現(xiàn)特定的功能都有其發(fā)展規(guī)律，演化方式可以幫助開發(fā)者分析預測，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的最大理想度。

1.3 TRIZ工具

TRIZ理論中的主要工具與技術：40個發(fā)明原理、76個標準解、效果數(shù)據(jù)庫、分離原理、沖突矩陣、技術系統(tǒng)演化方式、IFR和理想度、類比推演、功能分析、物場模型、系統(tǒng)資源分析、九屏圖分析法、創(chuàng)造性方法(STC算子、小人法、金魚法)和ARIZ(發(fā)明問題解決算法)[8]。

1.4 TRIZ解題步驟

TRIZ理論一般解題步驟如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解題步驟Fig.1 Problem solving steps by TRIZ theory

2 具體應用

我國較早對TRIZ理論進行應用研究的相關學者有檀潤華[9-10](河北工業(yè)大學)、牛占文[3，11](天津大學)、馬懷宇[12](清華大學)、成思源[13-14](廣州工業(yè)大學)等，研究工作致力于對工程技術領域的產(chǎn)品進行改進和創(chuàng)新設計，試圖探索TRIZ理論在國內(nèi)工程創(chuàng)新領域應用的一般方法及內(nèi)在規(guī)律。

近年來，專家學者們越來越關注TRIZ理論在農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域的研究工作[15]。

2.1 耕作機械

王建鋒等[15]運用TRIZ理論中的沖突解決理論、發(fā)明原理及物場分析工具對懸掛鏵式犁和花生脫殼機進行創(chuàng)新設計，降低了泥土對犁鏵的粘連率，提高了花生的出果率。李慶達等[16]運用TRIZ理論中的九屏幕法、IFR(最終理想解)、技術沖突和物場模型等方法進行對比分析，研制出觸土部件磨損試驗臺，為觸土部件設計和加工提供數(shù)據(jù)支持。宋發(fā)成等[17]應用TRIZ理論工具將翻土犁的創(chuàng)新設計過程一般化，采用物場模型及標準解系統(tǒng)對一般解進行特殊化，再尋找可用資源得到具體設計方案。張建敏等[18]運用TRIZ理論中的功能分析、沖突矩陣及對應的發(fā)明原理對旋耕機進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計，提供可靠度較高的設計思路，降低了旋耕機的產(chǎn)品開發(fā)風險。

2.2 收獲機械

權龍哲等[19]運用TRIZ理論中的物場模型及沖突演化原理實現(xiàn)了對玉米根茬收獲系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，解決了系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)的低效、損失和可靠性不足等問題。李金川等[20]運用TRIZ理論中技術沖突分析、沖突矩陣、發(fā)明原理等工具設計制造了一種能一次性完成破土、挖掘、輸送、分離和收集等工作，并不易損傷果實表皮的旋轉分離式寶塔菜聯(lián)合收獲機，實現(xiàn)了寶塔菜的機械化收獲。曹衛(wèi)彬等[21]運用TRIZ理論中的物場模型、沖突矩陣及對應的發(fā)明原理設計出了一種紅花花球采收裝置，解決了花球分布不均造成的機械采收效率低等問題。李金鳳等[22]運用物場模型功能分析與沖突解決原理等TRIZ理論工具對豌豆割曬機的切割輸送和割曬系統(tǒng)分別進行創(chuàng)新設計，成功設計并研制出國內(nèi)第1臺豌豆割曬機。

2.3 其他機械

鄭芳媛等[23]運用沖突矩陣及對應的發(fā)明原理針對農(nóng)用噴霧器開關上存在的結構復雜、維修難等問題進行創(chuàng)新設計，得出最優(yōu)解決方案。羅金海等[24]利用技術進化理論、物場模型、物理沖突理論及系統(tǒng)裁剪等TRIZ理論工具針對方草捆撿拾壓捆機喂入裝置進行創(chuàng)新設計，提出了4種方案經(jīng)對比評價確定最優(yōu)方案。顏華等[25]采用TRIZ理論中有效作用的連續(xù)性原理和空間分離原理完成了旱地高速移栽機的改進工作，提高了工作性能，驗證了TRIZ理論在農(nóng)機設計中的可行性。馬賽等[26]運用因果分析、功能分析、物場模型和沖突演化等TRIZ理論工具對D型打結器托架進行優(yōu)化創(chuàng)新設計，開闊了設計思路，提高了設計方案的可行性。李芮等[27]采用沖突矩陣將氣吸式排種器的缺陷進行沖突演化，再結合對應的發(fā)明原理對排種器進行改進與創(chuàng)新，加快了創(chuàng)新進程，提高了創(chuàng)新效率。

整理上述研究，對所使用TRIZ理論工具做統(tǒng)計分析如表1所示。

表1 TRIZ理論工具使用情況統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical analysis on use of TRIZ theoretical tools

上述研究表明，TRIZ理論在農(nóng)業(yè)裝備領域的應用已經(jīng)逐漸成為熱點，但所實現(xiàn)的創(chuàng)新設計都是在較高原始積累的基礎上簡單理論的應用，尚未出現(xiàn)較為完備的適用于農(nóng)業(yè)裝備領域的創(chuàng)新理論體系與實用工具，尤其是在大田糧油作物及丘陵山地特色農(nóng)業(yè)裝備領域，應用TRIZ理論進行創(chuàng)新設計的成功案例實為鮮見。鑒于此，針對農(nóng)業(yè)裝備領域創(chuàng)新設計的研究工作亟待開展。

3 不足之處

從TRIZ理論引入至今，其在各個領域的應用研究熱度正在持續(xù)穩(wěn)步增長，其潛在的應用價值和研究潛力仍然不可估量。然而，TRIZ理論應用于農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域尚處于初級階段，專家學者們對于如何將TRIZ理論與農(nóng)業(yè)裝備設計二者進行有機融合依然在進行著試探性的工作[28]。這與“十四五”規(guī)劃中對農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展目標是極不匹配的。

(1)國內(nèi)農(nóng)業(yè)裝備行業(yè)缺乏自主研發(fā)能力，主要體現(xiàn)在對農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計理論和方法融合的欠缺。目前主要農(nóng)機產(chǎn)品通過生搬硬套等方式進行仿制，或者由于原材料性質(zhì)、加工方式達不到要求，存在質(zhì)量參差不齊、適應性不強等現(xiàn)象。破解農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)內(nèi)耗過大、低端產(chǎn)品大量存在等問題的有效手段之一是聯(lián)合行業(yè)龍頭企業(yè)推進創(chuàng)新設計方法在農(nóng)業(yè)裝備領域的運用。加強自主研發(fā)意識、提升創(chuàng)新設計能力是當前農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一個重要難題。

(2)支撐農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計的基礎數(shù)據(jù)庫尚未建立。成熟的工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的是設計階段，優(yōu)秀的設計決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞及活力期的長短。TRIZ理論在農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計中應用不僅以其強大的科學性、原則規(guī)律通用性為基礎，更需要強大的農(nóng)業(yè)裝備設計基礎數(shù)據(jù)庫和深度知識庫做支撐。德國、日本等農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度較高國家在這方面工作走在世界前列，所開發(fā)的農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品相對成熟。中國目前面向農(nóng)業(yè)裝備領域基礎數(shù)據(jù)庫建設與深度知識挖掘工作仍然處于起步階段，呈點狀分布。

(3)以TRIZ為主的產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論在農(nóng)業(yè)裝備領域存在推廣難、應用難等問題。通用的產(chǎn)品創(chuàng)新設計基本原理和方法在工業(yè)化產(chǎn)品的設計創(chuàng)新工作中會受到更多的關注，而通常所使用的計算機輔助設計(CAI)系統(tǒng)更多是用來解決所有工程領域的一般技術問題[29]。由于農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域具有其特殊性，因此一般創(chuàng)新理論方法在該領域的應用很難推廣。

(4)農(nóng)業(yè)裝備領域對TRIZ基礎理論及工具運用的教育培訓工作重視程度不夠。農(nóng)工科大類高等教育的內(nèi)容中鮮有對學生創(chuàng)新理論的學習及創(chuàng)新思維的訓練，同樣的情況也發(fā)生在農(nóng)機企業(yè)中。TRIZ理論是通過創(chuàng)新工程從業(yè)者日積月累的歸納總結升華出來的一套經(jīng)驗公式，且經(jīng)驗證是可以作為基本原理指導實際創(chuàng)新活動的一套方法論。缺乏教育的引導，以TRIZ理論為主的創(chuàng)新方法難以實現(xiàn)與農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計活動有機結合，可操作性不足，不利于產(chǎn)生高質(zhì)量的創(chuàng)新方案。

4 研究趨勢

基于TRIZ理論在我國農(nóng)業(yè)裝備領域創(chuàng)新設計研究的不足之處，針對未來農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計研究領域發(fā)展趨勢，結合實際情況，應采取教育先行、基礎研究、數(shù)據(jù)建庫、仿真模擬和政策引導相結合的方法。

4.1 教育先行

在農(nóng)工類大學本科教育階段引入以TRIZ理論為代表的創(chuàng)新設計方法課程，強化理論學習、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高創(chuàng)新意識。

4.2 基礎研究

運用TRIZ理論工具挖掘專利庫，針對農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域的深度知識獲取、基礎原理和應用機制研究展開深入探索。

4.3 數(shù)據(jù)建庫

以行業(yè)聯(lián)盟或社會團體為依托，建設開放共享的農(nóng)業(yè)裝備設計基礎數(shù)據(jù)庫，促進創(chuàng)新理論方法在農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)的應用和發(fā)展。

4.4 仿真模擬

研發(fā)針對農(nóng)業(yè)裝備領域的計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)，促進系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)裝備領域創(chuàng)新設計中的發(fā)展與應用。

4.5 政策引導

以產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展為前提，建議政府相關部門提供政策支持，從基礎研究方面尋找TRIZ理論與農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域融合的突破口，強化農(nóng)業(yè)裝備領域知識產(chǎn)權保護與激勵措施，重視人才引進與培養(yǎng)，盡快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備領域產(chǎn)業(yè)升級[30]。

根據(jù)農(nóng)業(yè)裝備領域工程實際問題，應用創(chuàng)新設計方法的一般步驟如下。首先，通過檢索相關專利和文獻搜集建立技術參數(shù)基礎數(shù)據(jù)庫，并在設計過程中不斷歸納擴充。其次，運用創(chuàng)新設計方法中的矛盾演化、類比分離等工具對關鍵難題進行抽象化、一般化，將抽象后的參數(shù)輸入農(nóng)業(yè)裝備領域定制的計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)以獲取多個可行方案。再次，建立不斷優(yōu)化的最優(yōu)方案評價系統(tǒng)對方案進行評價。最后，仿真模擬最優(yōu)方案，試制樣機驗證方案。相比于傳統(tǒng)創(chuàng)新設計方法，此方案具有開發(fā)周期短、可操作性強、可靠性好等優(yōu)點。

5 結束語

TRIZ理論經(jīng)各行業(yè)領域長期實際驗證是一套理論性、可操作性及通用性都很強的創(chuàng)新設計方法和理論且發(fā)展?jié)摿薮?。通過對近年來TRIZ理論在農(nóng)業(yè)裝備領域創(chuàng)新設計工作的總結，從基礎研究、數(shù)據(jù)庫建立、教育培訓和推廣宣傳等方面指出了TRIZ理論在農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計領域的不足，對未來農(nóng)業(yè)裝備領域創(chuàng)新設計研究趨勢進行展望并給出相應措施，提出了農(nóng)業(yè)裝備領域工程實際問題應用創(chuàng)新設計方法的一般步驟，希望能夠為廣大農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設計從業(yè)者帶來幫助，提供參考。