基于TRIZ沖突矩陣的單目標問題快速求解方法研究

楊 帆, 張彩麗, 任工昌

(1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

發(fā)明創(chuàng)造理論TRIZ(俄文теории решения изобретательских задач 的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫)是由前蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在分析、研究了4余萬份高水平專利之后，發(fā)現(xiàn)了隱藏在不同領(lǐng)域發(fā)明專利背后的知識——即發(fā)明、創(chuàng)新是有規(guī)律的，這些規(guī)律在不同領(lǐng)域被反復(fù)應(yīng)用.阿奇舒勒在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套解決發(fā)明創(chuàng)造問題的流程[1].

沖突矩陣是TRIZ創(chuàng)新理論解決實際問題的有效工具[1,2]，但是沖突矩陣在應(yīng)用過程中將實際沖突問題的兩個參數(shù)轉(zhuǎn)換為39個通用工程參數(shù)描述的TRIZ標準技術(shù)沖突，由于現(xiàn)實技術(shù)參數(shù)千變?nèi)f化，39個工程參數(shù)過于抽象，一般很難準確描述，從而制約TRIZ沖突矩陣在創(chuàng)新設(shè)計中的有效運用.

但是實際應(yīng)用時，一般能夠相對比較準確地描述沖突雙方的一個方面，也就是說能夠比較準確的映射出沖突雙方的一個參數(shù).即設(shè)計的某一目標比較明確，由該目標引發(fā)的其他可能出現(xiàn)的問題尚不明確，這種情況在設(shè)計中比較常見，但是TRIZ理論對于這種情況如何實施創(chuàng)新設(shè)計，并未給出解決方案.本文對于這種單目標問題利用TRIZ沖突矩陣進行快速求解的方法進行了研究.

1 TRIZ沖突矩陣解題流程

TRIZ中的技術(shù)沖突是指當技術(shù)系統(tǒng)的某一參數(shù)得到改善時常常會引起另一些參數(shù)或者特性的惡化[1-3].由于實際沖突參數(shù)千差萬別，TRIZ將設(shè)計中的具體參數(shù)抽象為描述性能的39個抽象的通用工程參數(shù)，并從全球250萬份發(fā)明專利中提煉出解決問題的40個基本發(fā)明原理，TRIZ理論將工程參數(shù)之間的沖突和發(fā)明原理之間建立起相互對應(yīng)關(guān)系，形成39×39沖突矩陣.圖1是沖突矩陣的局部截圖.

圖1 沖突矩陣組成示意圖(局部截圖)

圖中橫向排列參數(shù)表示惡化參數(shù)，縱向排列參數(shù)表示改善的參數(shù)，矩陣元素提供推薦使用的40個發(fā)明原理序號，提示設(shè)計者最有可能成功解決問題的原理和方法.圖中空白處表示的是對應(yīng)參數(shù)不存在沖突或者暫時尚未找到合適的發(fā)明原理解決這類技術(shù)沖突.

TRIZ沖突問題求解時，首先將實際技術(shù)沖突轉(zhuǎn)換為39個工程參數(shù)描述的TRIZ標準問題，然后借助圖1所示的沖突矩陣表查找解決問題的發(fā)明原理，得到創(chuàng)新設(shè)計的方向.

也就是說，利用沖突矩陣的主要流程就是確定技術(shù)系統(tǒng)期望改善的通用工程參數(shù)、確定可能惡化的工程參數(shù)，查找沖突矩陣獲取推薦的發(fā)明原理，以推薦的發(fā)明原理作為解決問題探索的方向，進入方案設(shè)計.圖2是開發(fā)的輔助工具軟件運行截圖.

圖2 計算機輔助沖突矩陣解題軟件運行截圖

如圖2所示，當某一技術(shù)系統(tǒng)期望改善的參數(shù)抽象為通用工程參數(shù)4(靜止物體的尺寸)，而同時避免惡化的工程參數(shù)抽象為通用工程參數(shù)27(可靠性)，則通過查找沖突矩陣表，得到解決該技術(shù)沖突時TRIZ推薦的發(fā)明原理為15、29、28.這些發(fā)明原理給出了創(chuàng)新設(shè)計的方向、提示和指導(dǎo)，有可能成為問題解決的突破口.

2 單目標問題創(chuàng)新求解

2.1 沖突矩陣應(yīng)用發(fā)明原理的統(tǒng)計分析

如前所述，沖突矩陣中推薦的發(fā)明原理是對大量專利解決問題的思路、方法進行統(tǒng)計、分析、抽象取得的成果.這就意味著統(tǒng)計分析技術(shù)在沖突矩陣中扮演了重要的角色.國際著名TRIZ研究學(xué)者Mann統(tǒng)計出整個矩陣中每一個發(fā)明原理的使用頻次[4-6]，如表1所示.

表1 沖突矩陣發(fā)明原理使用頻次統(tǒng)計

Mann從發(fā)明原理應(yīng)用頻次統(tǒng)計及其分析的400萬份發(fā)明專利得出，人類創(chuàng)新活動絕大多數(shù)使用的發(fā)明原理恰恰就是使用頻次最高的幾個發(fā)明原理[5,6].也就是說，使用頻次高的發(fā)明原理能夠解決絕大多數(shù)發(fā)明創(chuàng)造問題.既然沖突矩陣來源于統(tǒng)計分析，而且Mann的分析結(jié)果也確實揭示了發(fā)明原理在實際中發(fā)揮的作用及其地位[4].這也就意味著對于標準沖突矩陣進行再次統(tǒng)計分析是有意義的.

2.2 單目標沖突問題快速求解策略

所謂單目標沖突問題是指試圖基于TRIZ沖突矩陣實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，而工程師明確一個或者若干個獨立的期望改善的設(shè)計目標，卻對此引發(fā)的產(chǎn)品的其他性能、參數(shù)的影響尚不明確，因此難以準確描述沖突雙方的情況.

標準沖突解決需要指定沖突雙方參數(shù)，用改善的參數(shù)確定矩陣的行，用避免惡化的參數(shù)確定矩陣的列，行列交集處是可能解決問題的發(fā)明原理.單目標沖突意味著只知道行數(shù)值(明確期望改善的參數(shù))或者僅僅知道列值(明確期望避免惡化的參數(shù))，而不知道沖突的另外一方.仔細分析沖突矩陣表，可發(fā)現(xiàn)表中任意一行都是與某一參數(shù)期望改善時所涉及的發(fā)明原理[5]；每一列都是避免某一參數(shù)惡化所涉及的發(fā)明原理.那么在某一行頻繁出現(xiàn)的發(fā)明原理一定是能夠解決該參數(shù)改善時使用比較多的發(fā)明原理；同樣，那么在某一列頻繁出現(xiàn)的發(fā)明原理一定是能夠解決該參數(shù)避免惡化時使用比較多的發(fā)明原理.

因此對于單目標沖突創(chuàng)新設(shè)計可以按照如下策略搜索可能解決問題的發(fā)明原理：

(1)將具體設(shè)計目標轉(zhuǎn)化為期望改善某一個通用工程參數(shù)；

(2)統(tǒng)計沖突矩陣中對應(yīng)行的每一個矩陣元素，獲取該行40個發(fā)明原理出現(xiàn)的相應(yīng)頻次；

表2給出了每一個期望改善的設(shè)計目標對應(yīng)的40個發(fā)明原理使用頻次.

表2 單目標設(shè)計發(fā)明原理使用頻次統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對照沖突矩陣可以看出，與某一參數(shù)相關(guān)的發(fā)明原理出現(xiàn)頻次越高，說明解決與該參數(shù)相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計問題時，對應(yīng)的發(fā)明原理達成目的的可能性就越高，該原理就是創(chuàng)新設(shè)計優(yōu)先采用的發(fā)明原理[7-10].

2.3 基于聚類算法的單目標沖突快速求解

按照前述非標準沖突快速求解策略，可以得出按照頻次排序的40個發(fā)明原理統(tǒng)計結(jié)果表.用戶可以按照頻次高低依次嘗試使用.但是相比于比較習(xí)慣的沖突矩陣中推薦的4個左右發(fā)明原理，使用起來仍感不便.

本文引入聚類分析方法，將前述搜索策略得到的每一個期望改善的參數(shù)所涉及的40個發(fā)明原理的使用頻次依其自然分布特性進行聚類劃分.并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫.其中單目標改善設(shè)計發(fā)明原理推薦表的主要字段為“參數(shù)編號”、“優(yōu)先應(yīng)用創(chuàng)新原理”、“較多應(yīng)用創(chuàng)新原理”、“推薦應(yīng)用創(chuàng)新原理”、“可以應(yīng)用創(chuàng)新原理”4大類.表3是39個工程參數(shù)單個目標參數(shù)期望改善時的符合思考習(xí)慣的推薦使用發(fā)明原理結(jié)果.

表3 單目標改善設(shè)計發(fā)明原理推薦表

根據(jù)單目標改善設(shè)計發(fā)明原理推薦表提供的信息，設(shè)計人員面對實際問題時，若能根據(jù)實際問題特點給出期望改善參數(shù)的通用工程參數(shù)描述，則可查找數(shù)據(jù)庫中單目標改善設(shè)計發(fā)明原理推薦表，迅速獲取表中推薦的優(yōu)先應(yīng)用創(chuàng)新原理，如果優(yōu)先推薦發(fā)明原理尚不能解決問題，則依次嘗試表中推薦的較多應(yīng)用發(fā)明原理、推薦應(yīng)用發(fā)明原理中的每一個發(fā)明原理，直到問題最終得以解決.以下是基于TRIZ沖突矩陣的單目標問題快速求解設(shè)計流程，如圖3所示.

圖3 單目標問題快速求解設(shè)計流程

3 案例分析

早期的飛機機翼都是平直的，但由于其翼端寬，會給飛機帶來阻力，嚴重地影響了飛機的飛行速度.尤其是進入噴氣式時代的高速飛行狀態(tài)下，“激波”現(xiàn)象使機翼表面的空氣壓力發(fā)生變化，飛機阻力驟然劇增，形成所謂的“音障”.為了突破“音障”，研制新型機翼成為解決問題的辦法.德國人發(fā)現(xiàn)，把機翼做成向后掠的形式，可以延遲“激波”的產(chǎn)生，緩和飛機接近音速時的不穩(wěn)定現(xiàn)象.但是，向后掠的機翼相比于平直機翼，在同樣的條件下產(chǎn)生的升力小，這對飛機的起飛、著陸和巡航都帶來了不利的影響，浪費了很多燃料.

能否設(shè)計一種適應(yīng)各種飛行速度，具有快慢兼顧特點的機翼呢？這成為當時航空界面臨的最大課題.本文借助機翼發(fā)展史中的變革，應(yīng)用本文提出的解決方案，驗證其可行性.

如果使用標準技術(shù)沖突來分析該問題，必須準確提煉面臨問題及其對應(yīng)的2個沖突參數(shù).2個參數(shù)中的任意一個抽象不準確，TRIZ沖突矩陣給出的發(fā)明原理可能會暗示完全不同的設(shè)計方向.

但是將技術(shù)需求中強烈期望改善的某一指標相對準確地映射到39個通用工程參數(shù)中的某一個還是比較容易實現(xiàn).對于前述問題進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，實際上一種能夠廣泛適應(yīng)于不同飛行階段的機翼設(shè)計是解決問題的關(guān)鍵，即期望機翼設(shè)計的“適用性及多用性”性能得到改善，對應(yīng)通用工程參數(shù)35(適用性及多用性).

按照本文給出的改善參數(shù)使用發(fā)明原理聚類分析結(jié)果，查找優(yōu)先使用發(fā)明原理結(jié)果如表4所示.

表4 改善參數(shù)涉及發(fā)明原理聚類結(jié)果

從表4中可以看出，根據(jù)矩陣中與期望改善參數(shù)35相關(guān)的所有的沖突中(一定涵蓋我們尚不知道的沖突的另外一方，即惡化參數(shù))，按照發(fā)明原理的使用頻次，1、15、35號發(fā)明原理遙遙領(lǐng)先，成為優(yōu)先使用的發(fā)明原理.

其中原理15(動態(tài)化).動態(tài)化原理包括以下幾個方面的主要方法：

(1)調(diào)整或者自動調(diào)整物體，使其在各階段、各動作的性能最佳；

(2)將物體分割為既可變化又可以相互配合的數(shù)個組成部分；

(3)使不動的物體可動或可自適應(yīng)；

(4)動態(tài)化應(yīng)用.

根據(jù)原理15動態(tài)性給出的啟示，將飛機的機翼做成活動部件.起飛和降落過程中使用平直翼，在低速飛行中可得到較大的升力，從而縮短跑道的長度，借此節(jié)約了能量；而高速飛行過程使用三角翼可以輕易地突破音障，減輕機翼的受力，提高飛機在高速飛行強度，也降低了能量的消耗.

世界上第一架應(yīng)用變后掠翼戰(zhàn)斗轟炸機F111正是基于這種設(shè)計思想設(shè)計成功的.戰(zhàn)斗機處在起飛階段，機翼呈平直狀，獲得較大的升力，良好的低速特性.在云層之上高速飛行，兩翼后掠減小阻力，從而減小了能耗，延遲“激波”的產(chǎn)生，緩和飛機接近音速時的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使飛機能夠達到更高的速度.該飛機可在不同的速度之下采用不同的后掠角，以適應(yīng)當前的飛行速度.是創(chuàng)新設(shè)計的典型案例.圖4是低速飛行和高速飛行F111的機翼形狀.

圖4 變后掠翼戰(zhàn)機不同動作機翼形狀

為了驗證本文提出方法的正確性，現(xiàn)在借助標準TRIZ沖突矩陣應(yīng)用再來尋找解決問題的發(fā)明原理.前述問題抽象的TRIZ標準沖突參數(shù)是速度提高和運動物體能耗增加之間的矛盾.查找沖突矩陣表，得到的發(fā)明原理如圖5所示.

圖5 沖突矩陣查找結(jié)果

標準TRIZ沖突矩陣應(yīng)用結(jié)果給出的可能解決問題的發(fā)明原理為8、15、35、38.而最后實際采用的也恰恰是15號發(fā)明原理.兩種方法驚人的相似，甚至是不謀而合.

這表明，兩種方法獲取的優(yōu)先使用的發(fā)明原理具有共同之處，實際可用的發(fā)明原理幾乎完全相同.因此本文提出的快速求解方法是可行的.

4 結(jié)束語

本文對TRIZ沖突矩陣進行深入剖析，提出沖突矩陣表統(tǒng)計分析的實用意義.針對工程設(shè)計領(lǐng)域常見的單目標設(shè)計問題，給出了基于TRIZ沖突矩陣的創(chuàng)新設(shè)計流程，并通過實例說明該方法的有效性.實際應(yīng)用情況表明，本文提供的快速創(chuàng)新求解方法可以有效幫助設(shè)計人員解決產(chǎn)品設(shè)計中的沖突問題，加速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程，可以在實際中發(fā)揮重要作用.

但是TRIZ沖突矩陣應(yīng)用的關(guān)鍵還是在于應(yīng)用沖突矩陣前如何科學(xué)的將實際問題轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)描述的TRIZ問題，以及通過沖突矩陣獲取推薦的發(fā)明原理后，如何有效、快速產(chǎn)生可行解而非概念解.這個問題也恰恰是本文下一階段研究的內(nèi)容.

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