科學效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系研究

葛標標，楊春燕

（1. 廣東工業(yè)大學 可拓學與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

可拓學是以矛盾問題為研究對象，以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法的一門新學科[1-2]。在可拓學中，解決矛盾問題的工具是可拓變換，運用可拓變換可以將不可知問題變?yōu)榭芍獑栴}，不可行問題變?yōu)榭尚袉栴}，從而形成解決問題的方案[1-2]。由于相關(guān)網(wǎng)的普遍存在，當對某個對象實施可拓變換進行創(chuàng)新或解決矛盾問題時，會導致與其相關(guān)的其他對象發(fā)生傳導變換，傳導效應具有正效應和負效應之分[1-2]。有些問題，直接實施主動變換可能無法解決，此時可以充分利用相關(guān)網(wǎng)和傳導變換去解決。因此，必須重視對傳導變換及傳導效應的研究，使其成為幫助人們創(chuàng)新和解決矛盾問題的重要工具。文獻[3]運用可拓學中的基元理論，對復雜系統(tǒng)中的相關(guān)關(guān)系傳導變換進行研究；文獻[4]對于基元中某特征量值累積多次主動變換后，才會引起傳導變換的問題進行深入研究；文獻[5]將過程元與可拓集合理論相結(jié)合，提出了過程元在可拓變換下的傳導過程元的概念。

科學效應庫作為TRIZ中How to模型的問題解決工具[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)功能到原理的映射。科學效應(簡稱為效應)是科學效應庫的主要知識資源，能夠描述在科學原理和系統(tǒng)屬性控制下輸入量和輸出量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[7]。文獻[8]針對物理效應難以選擇的問題，提出了一種物理效應施加前后的組合狀態(tài)的表示方法；文獻[9]為了加快計算機輔助生態(tài)創(chuàng)新設(shè)計，提出了基于TRIZ科學效應庫與案例推理協(xié)同的方法；文獻[10]提出了一種對物理效應重新分類的方法。根據(jù)可拓學與TRIZ各自的特點，學者們對二者的集成化進行了研究。文獻[11]將可拓學中的拓展變換應用到效應推理中，將推理過程分為流拓展變換和效應拓展變換兩個階段，最終獲得創(chuàng)新解；文獻[12]將TRIZ第二類標準解用可拓變換具體地一一表達出來；文獻[13]將TRIZ中的40條發(fā)明原理用可拓變換逐個表達，驗證二者之間相互關(guān)聯(lián)；文獻[14]將可拓學與TRIZ相結(jié)合，為低碳設(shè)計提出一種新的模型；文獻[15]在可拓學與TRIZ差異性的基礎(chǔ)上，提出二者結(jié)合的矛盾問題解決方法，但是對科學效應內(nèi)容的可拓學表達研究尚未涉及。

本文針對TRIZ中科學效應使用過程的模糊性以及選擇的不確定性，提出基于可拓變換、傳導效應的形式化表達方式，重點研究了物理效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系，驗證了該研究方法的可行性。

1 可拓變換、傳導效應與科學效應簡介

1.1 可拓變換與傳導效應

在可拓學中，創(chuàng)新與解決矛盾問題的工具是可拓變換，包括主動變換和傳導變換[1-2]，變換對象可以是基元、復合元、準則或論域。由于本文研究的科學效應都是對物體而言的，因此下面只介紹物元的主動變換、傳導變換與傳導效應。

1) 主動變換

設(shè)物元M0，將M0主動實施某一變換改變?yōu)榱硪粋€同類物元M或多個同類物元M1,M2,···,Mn的變換，稱為對象M0的主動變換，記作：φM0=M或φM0={M1,M2,···,Mn}。

主動變換是主動實施的可拓變換，主要變換方法包括基本變換方法和可拓變換的運算方法等[1]?；咀儞Q方法包括置換變換、增刪變換、擴縮變換、分解變換和復制變換。

在解決復雜問題時，僅僅使用基本變換方法可能不能有效地解決，需要多種變換的組合才能解決問題?？赏貙W提出了可拓變換的運算方法，其中包括積變換方法、與變換方法、或變換方法和逆變換方法。具體參見文獻[1-2]。

2) 傳導變換與傳導效應

傳導變換是由于主動變換的實施而引起的相關(guān)對象發(fā)生的被動變換。下面介紹物元的傳導變換與傳導效應。

1.2 TRIZ中科學效應的類型及表達

科學效應是各個領(lǐng)域的定律和原理，它是物體或系統(tǒng)實現(xiàn)某種功能的“能量”和“作用力”,一般采用輸入輸出關(guān)系來描述[6]。現(xiàn)代TRIZ中認為，輸入與輸出形成效應；統(tǒng)一的發(fā)明思想(Unified Structured Inventive Thinking，USIT)中認為，輸入與輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成效應；德國人Pahl和 Beitz認為，輸入與輸出經(jīng)過變換形成效應；統(tǒng)一的TRIZ(簡稱U-TRIZ)中認為，兩個屬性相互作用形成效應[16]。但對科學效應的這些研究，都沒有形式化定量化地表述效應中輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

科學效應可以分為：物理效應、化學效應、幾何效應和生物效應等[16]。下面以部分物理效應為例，描述其輸入與輸出關(guān)系，如表1所示。

表1 部分物理效應的表達Table 1 Expression of some physical effects

2 科學效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

TRIZ中科學效應庫解決問題主要是根據(jù)解決問題所需要的功能，查找實現(xiàn)該功能相應的科學效應，選擇合適的效應，得到問題的解。但是一個功能可能會對應多個效應，這些效應也并沒有給出技術(shù)系統(tǒng)具體的變換形式，所以找到合適的科學效應是非常困難的。而可拓變換能夠形式化、定量化地表述問題變換過程。下面針對目前在技術(shù)領(lǐng)域中使用比較多的物理效應，研究它們與可拓變換和傳導效應的關(guān)系，以方便在利用可拓創(chuàng)新方法進行產(chǎn)品創(chuàng)新或解決技術(shù)創(chuàng)新中的矛盾問題時應用。限于篇幅，其它科學效應與可拓變換及傳導效應的關(guān)系將另文研究。

2.1 熱膨脹效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

熱膨脹效應是指物體由于溫度改變或被加熱時有改變尺寸(如長度、面積、體積等)的趨勢[16]。下面以固體或者液體的體熱膨脹為例，介紹熱膨脹效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。線熱膨脹、面熱膨脹同理，此略。

2.2 熱雙金屬效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

熱雙金屬效應是指由兩種或兩種以上不同膨脹系數(shù)的金屬或者合金沿著整個接觸面牢固復合在一起，其具有隨著溫度變化而發(fā)生變形的特點[18]。熱敏感性作為衡量熱雙金屬對溫度敏感程度的一項重要指標，通常用比彎曲、彎曲系數(shù)、溫曲率和敏感系數(shù)4種方法表示[19]。下面以比彎曲為例介紹熱雙金屬效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

設(shè)Of為復合材料，由Oz和Ob通過機械方式復合而成，其中：Oz為線熱膨脹系數(shù)高的主動層金屬，Ob為線熱膨脹系數(shù)低的被動層金屬，且

2.3 形變效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

形變效應是指由于對物體施加了某種力，可能是拉力、壓縮力、剪力、彎曲力 或扭轉(zhuǎn)力，導致物體在形狀和尺寸上發(fā)生變化[16]。下面以對某桿件實施拉力產(chǎn)生的彈性拉伸形變?yōu)槔?，介紹形變效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

設(shè)Og為某桿件，且

根據(jù)領(lǐng)域知識和可拓學中的相關(guān)規(guī)則可知：物元Mg1,Mg2,Mg3具有如下單向與相關(guān)關(guān)系

再根據(jù)主動變換與傳導變換可知，若實施主動變換φg=φg1∧φg2，使

該傳導變換屬于同對象異特征基元間的傳導變換，其傳導效應為

2.4 磁致伸縮效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

磁致伸縮效應是指磁性物質(zhì)在磁化過程中因外磁場條件的改變而發(fā)生幾何尺寸可逆變化的效應[21]。下面以縱向磁致伸縮效應為例，介紹磁致伸縮效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

設(shè)Om為磁場，Od為某磁性物體的磁疇，Oo為某磁性物體，且

2.5 壓電效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

壓電效應是指某些物體受到外力作用發(fā)生機械應變時，在體內(nèi)產(chǎn)生電場，該電場使物體兩端產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為壓電效應[23]。壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。利用壓電材料可實現(xiàn)機械振動和交流電的互相轉(zhuǎn)換。下面以壓電陶瓷材料的正壓電效應為例，介紹壓電效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

正壓電效應是指當壓電材料受到某個固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某2個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，材料又恢復到不帶電的狀態(tài)[23]。

設(shè)Ot為物體某種壓電陶瓷材料，Otz為某種壓電陶瓷材料的內(nèi)部正電荷，Otf為某種壓電陶瓷材料的內(nèi)部負電荷，且

根據(jù)壓電陶瓷壓電應變常數(shù)d33的定義[24]，可得壓電陶瓷壓電應變數(shù)常d33與傳導效應之間的關(guān)系為

2.6 相變效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

相變效應是指物體從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程[16]。下面以水的相變效應為例，介紹相變效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

設(shè)Os為超系統(tǒng)，Oy為液體，且

該傳導變換屬于異對象異特征基元間的傳導變換，其傳導效應為

2.7 形狀記憶效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系

形狀記憶效應是指具有一定形狀的固體材料，在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后，即加熱到一定溫度，材料又恢復到變形前的形狀的現(xiàn)象[26]。下面以單程記憶效應為例，介紹形狀記憶效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。

設(shè)Ox為某種形狀記憶合金，且

2.8 建立物理效應與可拓變換和傳導效應的關(guān)系的一般方法

綜上所述，建立物理效應與可拓變換和傳導效應的關(guān)系的一般方法如下：(1) 根據(jù)物理效應的內(nèi)容建立物元模型；(2) 由領(lǐng)域知識和物元相關(guān)規(guī)則，可得到物元之間的相關(guān)關(guān)系，形成相關(guān)鏈；(3) 根據(jù)主動變換與傳導變換知識，對相關(guān)網(wǎng)中某物元實施主動變換，會得到一系列的傳導變換；(4) 根據(jù)傳導效應的計算方法，計算出第n次傳導變換的傳導效應；(5) 根據(jù)領(lǐng)域知識中衡量物理效應的計算方法，建立其與傳導效應的換算關(guān)系。

其他類型的物理效應、化學效應和幾何效應等，也可以采取同樣的方法研究它們與可拓變換、傳導變換的關(guān)系。

3 總結(jié)

TRIZ中總結(jié)出的科學效應，對于解決產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新中的矛盾問題具有非常重要的作用?？赏貙W中的可拓變換包括主動變換與傳導變換，是用形式化方法解決矛盾問題的重要工具，傳導效應是衡量傳導變換的效果的定量化指標。本文重點研究了科學效應中的物理效應與可拓變換、傳導效應的關(guān)系。利用可拓變換和傳導效應，可以準確而詳細地描述各種物理效應的主要內(nèi)容，以便人們理解各物理效應產(chǎn)生的機理以及輸入與輸出量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，也為結(jié)合物理效應與可拓變換解決工程技術(shù)領(lǐng)域的矛盾問題提供依據(jù)和方法，具有一定的普適性。同時，本文的研究為發(fā)現(xiàn)新的科學效應提供了一種新的形式化思路，也為進一步開發(fā)面向可拓智能設(shè)計的可拓知識庫打下良好基礎(chǔ)。