（机械电子工程专业论文）基于回收元进化的回收设计.pdf

基于回收元进化的回收设计 摘要 随着社会经济的快速发展，资源短缺、能源紧张、环境污染已经成为入类 必须面对的现实问题。产品的生产过程消耗了大量的资源和能源，废弃后如不 进行有效的处理，必将造成严重的资源浪费和环境污染。回收设计是绿色设计 的重要内容之一，它在产品设计阶段就充分考虑产品废弃后零部件及材料的回 收问题，以提高资源的回收率、降低环境污染为目标，所以回收设计曰益受到 当今社会的重视。 产品像生物一样也处于不断进化的过程中，本文研究了产品进化的定律后， 总结出了产品及回收元进化的特点，提出了进化元的概念，认为回收元的进化 影响了其回收的层次，也影响了其回收设计。在分析了回收元的回收情况之后， 认为提高回收元的回收效益，必须以回收设计原则为基础，充分考虑进化对回 收的影响，并控制回收元的进化量。 本文应用进化算法，提出了一种基于回收元进化的回收设计方法，论文最 后以手机外壳为例对这种设计方法进行了验证。 关键词：回收设计，回收元，进化，回收分析，进化算法，回收效益 d e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t yb a s e do n t h e e v o l u t i o no fr e c y c l i n ge l e m e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h es h o r t a g eo fn a t u r a lr e s o u r c e sa n d e n e r g ya sw e l la se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c a m es e r i o u sp r o b l e m se v e r y b o d y s h o u l dc o n f r o n tw i t h t h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nc o n s u m e sal o to fr e s o u r c e sa n d e n e r g y ，s o ，i fw ed o n tr e c y c l et h e mi nac o r r e c tw a y ，i tw i l lb eag r e a tw a s t eo f r e s o u r c e s w h a t sw o r s e ，i tw i l lb eab i gc h a l l e n g et oe n v i r o n m e n t d e s i g nf o r r e c y c l a b i l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fg r e e nd e s i g n ，w h i c ht a k e s a c c o u n to ft h er e c y c l i n gw h i l et h ep r o d u c ts t i l la ti t sd e s i g n i n gs t a g et oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fr e c y c l i n ga n dr e d u c ep o l l u t i o n b e c a u s eo ft h i sa d v a n t a g e ，p e o p l e s t a r tt op a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oi ta tp r e s e n t l i k el i v i n gt h i n g s ，p r o d u c t sa l s on e e dt oe x p e r i e n c et h ep r o c e s so fe v o l u t i o n t h i st h e s i ss t u d i e st h er u l e so ft h ep r o d u c t s e v o l u t i o na n ds u m m a r i z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t sa n dr e c y c l i n ge l e m e n t s e v o l u t i o na n dp u tf o r w a r d t h ec o n c e p to fe v o l v i n ge l e m e n t t h ea u t h o rt h i n k st h el e v e l so f r e c y c l i n ga n d d e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t yw e r ea f f e c t e db yt h ee v o l u t i o no fr e c y c l i n ge l e m e n t s a f t e r a n a l y z i n gt h er e c y c l i n gc o n d i t i o no fr e c y c l i n ge l e m e n t s ，t h ea u t h o rb e l i e v e si fw e w a n tt og e tm o r eb e n e f i tf r o mr e c y c l i n g ，w es h o u l dt a k et h ed e s i g n i n gr u l e sa st h e b a s i s ，a n dt h o r o u g h l ya n a l y z et h ee f f e c to fe v o l u t i o no nr e c y c l i n g ，o fc o u r s e ，w e s h o u l dc o n t r o lt h ed e g r e eo fe v o l u t i o na sw e l l b a s e do ne v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ，t h et h e s i sc o m e su pw i t han e w r e c y c l i n g m e t h o dd e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t yb a s e do nt h ee v o l u t i o no fr e c y c l i n ge l e m e n t ，a tt h e e n do ft h et h e s i s ，t h ea u t h o ru s e st h ec o v e r so fc e l l p h o n e sa si l l u s t r a t i o n so ft h i s m e t h o d k e yw o r d s ：d e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t y ，r e c y c l i n ge l e m e n t ，e v o l u t i o n ，a n a l y s i so f r e c y c l i n g ，e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ，b e n e f i tf r o mr e c y c l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 玉先 签字日期：m 年i 阴叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 魍王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 危 签字日期：砷年妒月日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 导师魏剐 签字日期：a s 产牛且手蛔 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师刘志峰教授的悉心指导下完成的。导师渊博的知识、严谨的 治学态度、开阔的视野、敏锐的洞察力和勤奋的工作作风永远是我学习的目标。 导师令人敬佩的正直品格、平易近人的处世方法是我终生学习的榜样。两年半 的研究生生活，刘老师不仅在学习上对我耐心指导，生活上也给予我无微不至 的关怀，这些都让我获益匪浅，在此向导师表示我最深切的谢意和由衷的敬意! 在此，感谢刘光复老师、宋守许老师和王淑旺老师，他们在我学习期间给 予了极大的关心和帮助! 感谢潘君齐师兄、黄海鸿师兄、戚赞徽师兄和张雷师兄，你们在学习和科 研上都给予我很大的支持和帮助! 感谢莫兴波、刘红、彭战争、李辉、陈言东、胡张喜、江俊、王志礼、孔 祥明等师兄弟们在生活和学习上给予我的支持和帮助! 感谢我的母亲和姐姐，多年以来她们在物质和精神上都给予我无私的支持， 没有她们的支持，我不可能完成学业，由衷的感谢和祝福她们l 感谢所有关心和支持我的入! 王 虎 2 0 0 7 年4 月合肥工业大学 第一章绪论 1 1 回收设计的研究背景 回收设计是产品绿色设计的主要内容之一，它要求在产品设计时充分考虑 产品零部件及材料回收的可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结 构工艺性等与回收有关的一系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分 有效利用、环境污染最小的一种设计思想和方法“1 。随着我国经济的快速发展， 环境和资源问题严峻，回收设计越来越受到重视。回收设计可以提高资源的利 用效率，降低能源的消耗，由此减少环境的污染，而且还可以使我国制造的产 品满足国际上相关法规的要求，化解国际绿色贸易壁垒，提高产品的市场竞争 力。 1 1 1 环境的挑战 环境的污染伴始终随着人类工业的发展。整个2 0 世纪，虽然人类社会取得 了空前的经济繁荣，但却造成了地球环境的急剧恶化。工业的发展使得全球每 年产生大量的废水，废气、废渣，其中制造业产生的废弃物占绝大部分。当今 社会，电子产品更新换代越来越快，产品报废后没有很好的回收利用，导致废 弃物急增，这些废弃物又会对环境造成巨大隐患，严重威胁着人类的生活环境 和健康。 ( 1 ) 固体废弃物污染 固体废弃物主要来源于人类的生产和消费，产品在生产制造过程中会产生 废弃物，产品使用结束后也会被淘汰形成废弃物。固体废物主要包括有机污染 物、无机污染物( 包括对动、植物有害的元素及其化合物，如铜、镍、钴、锰、 锌、砷、硼等) 、工业及城市的固体废物、大气沉降物等。这些废弃的固体若 没有得到妥善的处理，不仅会造成自然资源的巨大浪费，而且还会对生态和生 活环境造成严重的污染。固体直接废弃到自然界后，一些有害成分会渗入土壤， 不断聚集，导致土壤变质，失去利用价值。有毒物质还会通过土壤进入水体， 直接污染江河湖海和地下水，然后会通过植物吸收进入食物链，最终会威胁人 类健康。 目前我国每年产生的工业废物和生活垃圾达l o 亿多吨，呈逐年上升趋势。 2 0 0 3 年，工业危险废物产生量1 1 7 l 万吨，较上年增长1 7 1 ，约有3 0 0 0r i n g 工业 危险废物被排放到环境中心1 。废弃物在逐年增长，可是我国处理废弃物的能力 却相当落后，处理方式主要是焚烧和填埋，无害化处理仅2 0 ，污染情况相当 严峻。 ( 2 ) 水污染 人类的活动使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染。 目前，每年有4 5 0 0 亿吨废水、污水流入江河湖海，污染了5 5 万亿立方米的淡水， 这相当于全球径流总量的1 4 以上，全球几乎一半的河流被严重污染，由于水资 源的严重污染，全球有1 1 亿人得不到安全卫生的饮用水。海洋的污染也不能忽 视，污水、废渣、废油和化学物质源源不断地流入大海，而且人类还不断的向 海洋倾倒化学和放射性废物。由于污染，海洋生物大量减少，鱼类灭绝速度加 快，其中某些被污染的鱼类直接进入人类的食物链，直接威胁着人类的身体健 康。被污染的地表水和土壤水由于下渗，污染物进入地下，导致地下水也被严 重污染，很多城市由于地下水被污染而导致缺水。我国河水污染情况非常严峻， 中国水利部对全国7 0 0 余条河流约1 0 万公里河长的水资源质量进行了评价，结果 表明目前已有4 6 5 的河水受到污染；1 0 ，6 的河水严重污染，水体已丧失使用 价值；9 0 以上的城市水域污染严重h 1 。与此同时，陆源污染正在毒化近海海域， 2 0 0 5 年我国就向近海排放废污水3 1 7 亿吨，主要入流污染物约1 4 6 3 万吨“1 。 ( 3 ) 大气污染 随着人类经济活动和生产的迅速发展，大量的废气、烟尘物质被排入大气， 严重影响了大气环境的质量，人口稠密的城市和工业区域情况更加严重。在工 业化过程中。产生了二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化物、光化学烟雾 和卤族元素等大量有害气体，这些气体进入大气经过一系列作用后形成酸雨， 致使江河及土壤酸化，鱼类减少甚至灭绝，森林发育受到影响。随着大气中二 氧化碳浓度的增加，造成地球的温室效应，导致地球气温的上升。 人类大量使用氯氟烃化合物造成臭氧层的破坏，2 0 0 0 年1 0 月，南极上空的 臭氧空洞面积达到2 9 0 0 万平方公里，这是迄今观测到的最大的臭氧空洞。臭氧 层的破坏会给地球生物带来危害，紫外线对生物的直接照射会造成多种疾病， 甚至诱发皮肤癌。 目前中国大气环境十分严峻，主要表现为煤烟型污染，城市大气环境中悬 浮颗粒物浓度超标，酸雨、二氧化硫和烟尘污染严重，而且污染程度逐年增高。 2 0 0 5 年监测的5 2 2 个城市中，只有4 2 的城市达到国家环境空气质量一级标准， 5 6 1 j 6 的城市达到二级标准，3 9 7 的城市处于中度或重度污染”1 。 1 1 2 能源和资源的挑战 ( 1 ) 能源的紧张 当今人类使用的能源主要是石油、天然气和煤炭，它们约占现在使用能源 总量的8 5 。二战以后，石油和天然气的消耗快速增长，据国际能源机构预测， 2 0 0 0 2 0 3 0 年间，全球一次能源消耗年均增长约1 7 ，目前全球能源消费总量约 为9 0 亿吨，预计2 0 3 0 年将需要相当于1 5 3 亿吨原油的一次能源。全球石油消耗年 均增长约1 6 ，预计到2 0 3 0 年石油消耗量将达到1 2 亿桶每天；天然气的消耗增 长最快，预计在2 0 3 0 年需求量将增加一倍以上。有专家预测，全球的煤还能使 用2 0 0 多年，石油还能使用约4 0 年左右，天然气大约还能使用6 0 年左右，全球能 源将越来越紧张。 2 0 世纪末期，发展中国家经济发展迅速，对能源的需求量巨增，亚洲一些 国家对能源需求的份额也快速增长。我国现在已经成为全球第二大石油消费国， 每年需要进口大量的石油，石油对外依赖度逐年提高。据估计，我国石油可开 采储量仅2 0 几亿吨，只能够开采10 几年，天然气储量超过6 0 0 0 亿立方米，可 以开采3 0 几年，我国煤炭可供开采也将不足1 0 0 年。在过去的2 0 多年里，我国经 济年均增长率接近1 0 ，而能源的增长率却大大落后经济的增长，这肯定会影响 经济的发展，从2 0 0 3 年以来，我国大部分地区都出现过电荒、煤荒、和油荒， 能源短缺已经开始制约着我国经济的发展了。 ( 2 ) 资源的枯竭 经济的发展需要大量的能源和资源，而全球资源形势不乐观，这导致国际 社会对资源的争夺更加激烈。最近几年，全球石油价格上升很快，铁、铜、铝、 铅、锌、镍、钨、金等重要矿产价格也不断上升，资源问题已成为全球关注焦 点。按目前全球矿产的开采水平，很多矿产资源将面临短缺，有资料表明，大 多数矿产已证实储量可供利用2 0 至4 0 年，其中铜矿还可以利用3 0 年。 随着我国经济的发展，特别是十五计划开始后，我国对能源、重要矿产资 源的需求量大幅度攀升，煤炭、钢铁、铜等矿产品已成为世界第一消费大国。 2 0 2 0 年我国g d p 将是2 0 0 0 年的四倍，经济的增长需要矿产资源的支持，以现在我 国矿产品的储量来算，2 0 2 0 年我国4 5 种主要矿产中仅有9 种可以保证，1 0 种基本 保证，铁、锰、铜等2 1 种矿产不能保证，钾盐、金刚石等5 种矿产将会出现短缺 抽】 1 。1 3 循环经济发展的需要 我国现在已经成为“世界工厂”，很多工业产品产量已经处于世界前列， 而且我国正处于工业化和城市化进程中，这些促使我国经济的发展对能源、资 源的需求急剧增长，这就造成了经济发展同资源供给的巨大矛盾。与此同时， 我国经济发展对生态系统也造成了巨大破坏，工业污染、城市水污染、大气污 染以及固体废弃物不断增长，生态环境持续恶化。长期以来，我国都是沿用“高 投入、高消耗、高污染”的发展模式，重视发展的速度和数量，而不重视发展 的效益和质量，重视资源开发，而不重视开发后环境的保护，这完全违背了经 济发规律和自然规律，这是造成我国生态环境恶化的主要原因。我国必须大力 发展循环经济，努力追求经济增长与资源、环境相协调的发展模式，在促进经 济发展的同时，保护我们的环境。 循环经济遵循减量化( r e d u c e ) 、再利用( r e u s e ) 和再循环( r e c y c l e ) 原则，简称3 r 原则。它追求的不是简单的降低资源消耗，而是要使资源尽可能 得到高效利用和循环利用，从而达到提高资源利用效率的目的。绿色设计和绿 色制造就是一种遵循循环经济的生产模式，它能改进能源和资源的使用方式， 使经济同资源和环境协调发展，而回收设计就是绿色设计的主要内容之一。 l - 2 回收设计的研究现状 回收设计是2 0 世纪9 0 年代开始发展起来的，是绿色设计的重要组成部分， 是实现产品废弃之后资源再利用的有效方法。经过一段时间的发展，产品的绿 色设计和回收设计都取得了一些成果，以下从绿色设计和回收设计两个方面论 述。 1 2 1 绿色设计 ( 1 ) 绿色设计的概念和特点 绿色设计g d ( g r e e nd e s i g n ) ，通常也称为生态设计e d ( e c o l o g i c a ld e s i g n ) 、 生命周期设计l c d ( l i f ec y c l ed e s i g n ) 或环境意识设计e c d ( e n v i r o n m e n t a l c o n s c i o u sd e s i g n ) 。其基本思想是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施 纳入产品设计之中，将环境性能作为产品设计目标和出发点，力求产品对环境 的影响为最小。所以绿色设计的定义即在产品整个生命周期内，把产品环境属 性( 自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等) 作为 设计目标之一，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和 质量等因素的一种设计方法。绿色设计的主要特点包括以下四个方面：( a ) 减缓地球上矿物资源的消耗；( b ) 减少了大量垃圾处理所造成的棘手问题；( c ) 有利于环境保护，维护生态系统的平衡( d ) 绿色设计是并行闭环设计。 ( 2 ) 绿色设计与传统设计的比较 绿色设计与传统的设计在设计依据、设计人员、设计工艺和技术等方面都 存在着很大的不同，表l 为绿色设计与传统设计的比较。 表i 1 绿色设计与传统设计的比较 比较因素传统设计绿色设计 设计依据单一地根据用户对产品提出除传统设计考虑以外还考 的功能性能、质量及成本要虑环境效益和生态环境指 求来设计标 设计人员很少或根本没有考虑到有效要求设计人员在产品设计 资源的再生利用以及对生态阶段必须考虑降低能耗、资 环境的影响源有效利用和环境保护 设计技术或工艺在制造和使用过程中很少或在产品制造和使用过程中 没有考虑到产品废弃后回收可拆卸、易回收。不产生或 处理 很少产生毒副作用以及产 生的废弃物最少 设计目的以需求作为主要设计目的 为需求和环境设计，满足可 持续发展的要求 产品普通产品 绿色产品 4 ( 3 ) 绿色设计的体系结构 图i 2绿色设计的体系结构 1 2 2 回收设计的研究 国外，h o n g c h a oz h a n g ”1 在回收工艺规划决策中考虑了成本影响、环境影 响和材料的再生，提出了一种材料回收管理决策的系统框架模型：m a n b i rs s o d h i 分别从废旧产品的制造者、回收商和材料处理商的角度建立了回收的经济 性模型。1 ；y h i r o s h i g e 等开发了基于回收成本的评价系统r e m ( r e c y c l a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d ) ”；t a k a y u k in i s h i 等人认为可回收性就是可回收再利用 部分占产品整体的质量比，并分析了电视机的可回收性“；文献 1 2 认为产品 的回收策略与产品的设计周期、使用寿命、技术周期、退化原因和材料种类等 因素有关；国外一些大学和研究机构在开发拆卸回收设计的分析评估软件1 3 , 1 4 | 文献 1 5 中提出了群( c l u m p ) 的概念，认为群是具有共同应用特性的零部件的集 合或子装配体或者是一个模块，有利于产品的拆卸和回收。 国内，文献 1 6 提出了面向拆卸与回收的设计指南；文献 1 7 在拆卸与回 收设计的研究过程中，提出了适合我国国情的产品设计和回收策略，同时也研 究了产品结构的可拆卸性以及拆卸回收的经济性评估；文献 1 8 针对现有大量 废弃产品的回收和再利用问题，提出了产品再生生态链、重构基因、基于产品 再生生态链的多生命周期等新概念，用以指导产品的回收设计：文献 1 9 认为 产品是回收元的集合，提出了基于回收元的回收设计方法；文献 2 0 在产品设 计开发中采用模块化技术，利用a h p 方法解决机电产品设计决策的多目标问题， 有易于产品的回收；文献 2 1 将绿色设计思想与模块化设计方法结合起来，提 出了绿色模块化设计方法，利用功能准则和绿色准则对模块进行划分，保证产 品的功能属性和环境属性，有利于产品的拆卸和回收；文献 2 2 讨论了产品回 收理论中的产品结构层次性和回收策略层次性，提出了退役产品的层次性回收 方法；文献 2 3 在产品的回收过程中，融合了产品回收的经济性、环境性和回 收不确定性，建立了回收经济性分析模型和环境性分析模型，提出一种产品回 收性能评估的方法。 文献 2 4 认为产品像生物那样是在不断进化的；文献 2 5 认为产品的进化 和突变是由市场和机遇所推动的；文献 2 6 认为产品进化有一定的规律，具有 代表性的为t r i z 理论中的进化规律；文献 2 7 以生物演进为观点，同时以t r i z 中的演进规则与发明法则为工具，建立一可行的绿色产品发展程序。 1 3 本文的主要研究内容 回收设计是为了加强产品的环境属性，提高产品的回收率，减少产品回收 对环境的污染，使产品回收效益最大化。科学技术的发展，使机电产品更新换 代不断加快，这导致了产品的回收效果发生改变，产品废弃后无法重新使用， 只能作为材料回收或填埋处理。某些机电产品从其诞生到现在已经发生了很大 的变化，如照相机、电视、计算机等，其实产品是在按一定的规律不断的进化 的。本文以产品回收元为基础，研究了产品进化的规律，总结了回收元的进化 特点，归纳了回收元的进化与回收设计的关系，提出了一种回收设计的方法。 本论文的研究内容如下： ( 1 ) 生物是进化的，产品从发明后也在不断的进化，这种进化是按一定的 模式进行的。在分析了这些进化模式后，本文总结出了产品进化的特点。 ( 2 ) 回收元是产品的基本单元，它的进化决定了产品的进化。回收元有自 己的进化定律和进化特点，而且回收元进化的速度是有快慢的，根据模糊综合 评价法可以判断出回收元进化的快慢，再以手机外壳为例判定其进化速度。 ( 3 ) 回收元的回收效益是多种因素决定的，对回收元的回收进行分析，有 利于优化回收过程，提高回收收益，降低回收成本，最终为回收元的回收设计 提供参考。 ( 4 ) 回收元按一定的规律不断进化，这种进化最终影响了其回收的效益。 为了提高回收元的回收效益，以回收设计原则为基础，控制回收元的进化量， 结合进化算法建立了一种基于回收元进化的回收设计方法。 ( 5 ) 以手机外壳为例，分析了外壳的设计要求，应用新的回收设计方法对 外壳进行回收设计。 8 第二章产品的进化 2 1 生物进化论 进化( e v o l u t i o n ) 就是指生物在变异、遗传与自然选择作用下的演变发展， 是物种淘汰和物种产生的过程。生物进化可以分成三个层次：微进化，是指生 物个体中基因的改变；新种生成，是指旧物种进化成新物种；大进化，是指一 个类型进化成另一个类型。 大约3 0 多亿年前，地球在一定的条件下形成了原始生命，之后生物不断的 进化，形成了当今丰富多彩的物种世界。生物进化论是生物学最基本的理论之 一，由查尔斯罗伯特达尔文提出的，他在著作物种起源中论证了以下 两个问题：生物在进化以及生物进化的动力是自然选择。 ( 1 ) 生物在进化 其实在达尔文之前，生物进化已是铁证如山，只是迫于当时社会的压力而 没有产生多大的影响。而达尔文在前人研究的基础上，通过自己的观察和思考， 发现了生物是进化的。 达尔文于1 8 3 1 年底随贝格尔号进行了环球航行，途经了大西洋、南美洲和 太平洋，一路上他详细考察了地质、植物和动物情况，采集了无数的标本并做 了大量的观察笔记。在环球航行时，有三组事实让达尔文相信生物是进化的： 第一：生物种类的连续性。达尔文在南美洲挖到了一些古犰狳的化石，这 些化石与当地存活犰狳的骨架非常相似，只是块头要大得多。所以他认为现今 的犰狳就是由这种已灭绝的大犰狳进化来的。 第二：地方独特物种的存在。达尔文在穿越南美大草原时，他注意到某种 鸵鸟逐渐被另一种鸵鸟所取代，这种新型鸵鸟与先前那种鸵鸟有相似之处也有 不同的地方，而且每个地区有着既相似又不同的独特物种。可以说是这些物种 有着相同的祖先，由于地理隔绝，分别进化出不同的独特物种。 第三：海洋岛屿的证据。达尔文比较了非洲佛得角群岛和南美加拉帕格斯 群岛上的生物类群，发现这两个群岛的地理环境虽然很相似，但这两个群岛的 生物类群差别却很大。实际上，非洲佛得角群岛的生物类群更接近它附近的非 洲大陆，可以认为岛上的生物来自非洲大陆并逐渐发生了进化。达尔文发现加 拉帕格斯群岛上的生物进化更加明显，组成这个群岛的各小岛环境虽然很相似， 但却有各自独特的海龟和蜥蜴，这些独特物种也是同一祖先在不同条件下进化 而来的。 ( 2 ) 生物进化的动力是自然选择 达尔文发现生物的繁殖速度是以指数增长的，理论上生物后代的数量将非 常大，但是实际上一个生物群的数量却相对稳定，这说明生物群内存在着争夺 资源的生存竞争，这样就导致了生物的后代有部分不能够存活。达尔文还认为 一个物种内的任何个体都不相同，而且每个个体都会发生变异，这些变异可能 会影响个体的生存能力，致使个体的生存能力有的很强，而有的却很弱。由于 资源有限，生物群中的个体互相竞争：生存能力强的个体能够得到更多的资源， 产生数量较多的后代并且逐渐取得了优势，这样种族得以繁衍：生存能力弱的 个体由于生存资源有限，则逐渐被淘汰。这样就出现了所谓的“适者生存”， 使物种不断适应环境的变化，而生物体也逐渐发生了变化。这个过程就被达尔 文称为自然选择。 2 2t r i z 技术进化理论 生物是在不断进化的，其实产品也是在不断进化的。要想了解产品的进化， 就需要要先了解t r i z 理论”。 2 2 1t r i z 的来源和定义 t r z i 是俄语缩写，其英文缩写为t i p s ( t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e m s o l v i n g ) ，意思是“创造性问题解决理论”。该理论是由前苏联发明家 g s a 1 t s h u l e r 9 0 立的，因此a 1 t s h u l l e r 被尊称为t r i z 之父。 a l t s h u l l e r 于1 9 4 6 年进入苏联海军的专利评审机构进行专利的评审工作， 在这工作期间，他研究了成千上万项发明专利，发现任何领域的产品改进、技 术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是 有规律可循的，如果人们掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测 产品的未来趋势。以后数十年中，a l t s h u l l e r 用了毕生的精力致力于t r i z 理论 的研究和完善，在分析了世界近2 5 0 万份高水平的发明专利的基础上，终于总结 出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾的创新原理和法 则，构建了t r i z 理论”。 s a v r a n s k y 博士是t r i z 专家，他给出了t r i z 的如下定义：t r i z 是基于知 识的、面向人的和发明问题解决理论的系统化方法学1 。 ( 1 ) t r i z 是基于知识的方法 第一：t r i z 是发明问题解决启发式方法的知识。这些知识是从全世界范 围内的专利中抽象出来的，t r i z 仅采用为数不多的基于产品进化趋势的客观 启发式方法； 第二：t r i z 大量采用自然科学及工程中的效应知识； 第三：t r i z n 用出现问题领域的知识。这些知识包括技术本身、相似或 相反的技术或过程、环境、发展及进化； 第四：t r i z 是面向人的方法，即t r i z 中的启发式方法是面向设计者的， 不是面向机器的。 ( 2 ) t r i z 是发明问题解决理论 8 第一；为了取得创新解，需要解决设计中的冲突，但解决冲突的某些步 骤是不知道的； 第二：未知的解往往可以被虚构的理想解代替； 第三：通常理想解可通过环境或系统本身的资源获得； 第四：通常理想解可通过已知的系统进化趋势推断。 ( 3 ) t r i z 是系统化的方法 第一：在t r i z 中，问题的分析采用了通用及详细的模型，该模型中问题 的系统化知识是重要的。 第二：解决问题的过程系统化，以方便的应用已有的知识。 t r i z 理论是人类已有科技知识与创新思维规律、方法的完美结合，它是对 人类创新活动规律和原理更深入和系统的揭示，为更好的创新提供了坚实的理 论和方法基础，是认识和推动人类创新活动的一个突破性成果。 2 2 2 技术进化理论及其进化模式 技术进化理论是t r i z 理论的基础，也是其核心部分。该理论发现并确认了 技术在结构上进化的趋势，总结出技术进化模式和技术进化路线。进化模式指 明了产品创新的方向，进化路线指明了产品结构迸化的状态序列，每种进化模 式都有多条进化路线，现已确定了3 5 0 多条进化路线。技术进化模式( p a t t e r n s o ft e c h n o l o g i c a ls y s t e me v o l u t i o n ) 。”反映的是技术系统、组成元件、系 统与环境之间在进化过程中重要的、稳定的和重复性的相互作用，它有八大模 式”“，如下所述： ( 1 ) 技术系统的生命周期分为出生、成长、成熟、退出四个阶段 技术系统都会经历出生、成长、成熟、退出这四个阶段。在系统刚刚产生 的时候，结构比较简单，效率比较低，可靠性比较差，此时人力和物力投入不 足，系统发展比较慢；当技术系统渐渐表现出它的价值时，社会中更多的人力、 物力被投入到系统中，此时系统处于不断成长的过程中，直到达到成熟阶段； 当系统发展到一定程度时，已经没有什么改进余地了，此时技术系统将逐渐退 出。 ( 2 ) 增加理想化水平 所有的系统都在朝增加理想化水平的方向发展。理想的技术系统就是其重 量、体积和面积为零，而且还要保证系技术统能实现其功能，实际上客观世界 中不存在真正的理想系统，只能说理想的系统是所有系统发展的方向。 ( 3 ) 子系统的不均衡发展 整个系统是由各个子系统组成的，且各子系统都有自己的生命曲线和进化 路线。有时一个予系统发展了，就可能会影响别的子系统的发展，造成系统之 间的冲突；有时一个子系统发展到了极限就会制约整个系统的发展，同时欠发 9 展的子系统也会制约整个系统的发展。 ( 4 ) 增加动态性及可控性 技术系统总是朝增加动态性及可控性的方向发展，这样就会适应环境的变 化和满足各种需要。比如早期汽车的速度是靠发动机控制的，之后靠手工操纵 齿轮变速器来控制汽车速度，再后来就采用自动变速器来控制速度了。下图是 关于门的动态性不断增加的技术进化”。 图2 1 门的进化 ( 5 ) 通过集成增加系统功能 系统刚开始出现时结构都很复杂，功能也比较少，之后通过增加一些元件 或子系统来提高产品的性能，然后再集成这些产品性能，使系统简化。比如组 合音响就将a m f m 收音机、磁带机、v c l ) 机和喇叭等集成一个系统，增加了整个 系统的功能。 ( 6 ) 部件的匹配与不匹配交替出现 在此种进化模式中，系统部件为了改善整个系统的性能，换掉不匹配的部 件，使整个系统部件暂时获得匹配，部件的匹配与不匹配就这样交替出现，使 整个系统得到不断发展。以前的轿车采用板簧吸收振动，可是随着轿车的进化， 板簧与轿车的其他部分已不再匹配，后来就发明了轿车专用减振器，使的部件 之间获得暂时的匹配。 ( 7 ) 由宏观系统向微观系统进化 系统的工作组件开始是在宏观水平上发展的，而后是在微观水平上发展( 由 分子、原子、离子、电子等替代完成工作) 。加热烹调用的灶具开始采用烧木材 或采用烧煤，之后采用烧气，后来出现了电加热灶具及微波炉。 ( 8 ) 增加自动化程度，减少人的介入 技术系统还会不断增加自动化的水平，减少人的参与，这样可以提高生产 效率。如最初洗衣服用挫板，后来出现了单缸、双缸洗衣机，之后是全自动洗 衣机。 2 3 产品进化的过程 一些机电产品从其诞生到现在已经发生了很大的变化，有的甚至发生了根 本性变化，如手机、照相机、随身听、计算机、汽车等。z i m a n ，j 教授认为人 1 0 工制品存在着进化，由变异和选择的动态相互作用，新奇的生物体得以自然地 涌现，同样的，新奇的人工制品也不断的涌现。”。从产品的发展过程来看，产 品处于不断的进化之中，而且产品进化也是技术进化理论中重要的研究内容。 2 3 1 计算机的进化实例 计算机从诞生到现在，不管是外形或材料，还是功能都发生了巨大变化。 以下是以某品牌的计算机为例来说明计算机的进化n “。 1 9 7 6 年四月，该公司的第一款机型在车库里诞生，模样像打字机，主板露 在外面，屏幕只能接在电视上看，功能也很有限。如图2 。 图2 2 1 9 8 7 年，该公司计算机产品重要的一员m a c i n t o s hi i 问世。这是一台主机 和显示器分离的专业型电脑，专为印刷和图象处理领域所设计。产品还具有很 高的速度和很强的扩展性，使用6 8 0 2 0 的c p u 和6 8 8 8 1 的浮点运算处理器，可进行 3 2 位数据处理，有8 个内存插槽，支持最高6 8 m b 的内存容量，同时它还具备了6 个n u b u s 总线插槽，可安装各类数据板，如显示卡、视频卡等。如图3 。 图2 3 1 9 9 7 年，该公司推出一款名为2 0 t ha n n i v e r s a r ym a c i n t o s h 的产品。产品 表面是钛金属制成，键盘上有真皮腕垫。它还具有完整的电视、收音机功能， 支持s 端子视频输入，具有b o s e 音响系统，还有遥控器。如图4 。 图2 4 2 0 0 6 年1 月，该公司推出了一款全新产品，性能最高可达前代产品的两倍。 产品设计包括双核处理器、开箱即用的内置视频摄像头以及f r o n tr o w 多媒体体 验，配备的遥控器可以使用户在房间内自由欣赏内容。如图5 。 图2 5 以上是计算机进化的实例，很具有代表性，除此之外，手机、照相机等产 品从发明到现在也在不断进化着。 2 3 2 产品进化过程 产品的进化是多种因素决定的，比如科学技术的进步、消费市场的需求和 产品设计者的能力等等。当新的科学规律或定律被发现后，产品设计人员综合 各种因素和条件，提出产品实现的工作原理，并设计出新产品。这种设计的产 品是级别比较高的一项发明，发明所依据的工作原理就是这一代产品的核心技 术。 根据t r i z 技术进化理论可知，任何产品或系统都是按生物进化的模式而进 化的，产品在某一代的进化都会经历婴儿期、成长期、成熟期和退出期四个时 期，以下用“s 一一曲线”表示一代产品的进化过程。 性 能 婴儿期成长期成熟期衰退期 图2 6 s 一一曲线 产品设计者综合各种资源设计出新产品，此时产品性能还不是很完善，有 许多需要改进的地方。而且产品还需要经过市场的检验，才能发现不足之处， 并加以改进，这段时期产品处于婴儿期。 如果产品有好的市场发展潜力，产品公司应该投入更多的人力和物力用于 该产品的开发和完善，使得产品性能不断快速增长，这段时期属于产品的成长 期。 随着产品的不断完善，产品性能改善的空问已经很小了，公司投入该产品 的人力和资金也会降低，此时产品处于成熟期。 由于产品市场的变化，消费者消费心理的改变以及产品性能增长的制约， 该产品将进入推出期，直至该产品退出市场。 一代产品可以由多种系列构成，产品虽然需要不断完善，不断推陈出新， 但同一代产品的核心技术是不会变的。产品公司在一代产品进化的四个时期中， 婴儿期是没有利润的，成长期和成熟期利润会不断增加，退出期后利润将消失。 产品公司如果想要长期的获利，就需要在产品的成熟期研究出更高一级的核心 技术，产生出新一代的产品，这样n 代产品的进化过程可以用“s 一一曲线族” 表示。 功 能 图2 7 s 一一曲线族 1 3 2 4 产品进化定律及特点 2 4 1 产品八大进化定律。“3 】 ( 1 ) 组成系统的完整性定律 产品系统不管如何进化，它都必须具备基本的组成部分和最少的功能要求。 一个完整的产品系统必须由动力装置、传动机构、执行机构和控制机构四部分 组成，如下图所式。动力装置为系统提供初始的动力，传动机构将动力装置中 的能量传递到执行机构，执行机构具体完成系统的功能，控制机构对整个系统 进行控制，以保证系统的正常工作。这四个部分的任何一个都是系统不能缺的， 否则系统就是个不完整的、不良的系统。 医而订 l i 动力装置 h 传动机构h 执行机构 图2 8 产品系统组成 如果系统的所有组成部分都是特性良好的，那么整个系统将能够起作用； 若系统至少有一个部分特性不良，那么整个系统将不起作用。例如，一台普通 的内燃机不具备水下发动的能力，所以它在水下将不起作用。 ( 2 ) 能量传递定律 能量必须可以在整个系统内自由传递，可以说整个系统是一个能量转换器， 它通过各种方法将动力装置所输出的能量传递给执行机构，这些方法就是通过 各种传动机构来实现，或者是通过各种电磁场来实现，而且整个系统的传递效 率会向逐渐提高的方向进化。 ( 3 ) 系统组成部分的周期协调定律 系统所有组成部分的振动、频率向着和谐的方向进化。比如照相机的光源 要求是连续的，其周期应该千分之一秒级的，它需要把不协调的时间变换成协 调的，使整个系统能够达到所需要的使用要求。 ( 4 ) 增加理想化水平定律 所有的产品系统都沿着理想度增加的方向不断进化，理想系统就是在保持 其功能不变时系统创新发展的物理极限。客观世界中并不存在真正的理想系统， 所有系统只是朝理想的方向发展而已。如第一台计算机重数吨，需要占用一大 1 4 空间，而目前的便携式计算机重量轻、体积小，而且具有文字处理、数学计算、 通信、绘图和播放多媒体等功能。 ( 5 ) 部件的不均衡发展定律。 系统作为一个整体在不断进化，但是各部件的进化是不同步的，发展是不 均衡的，系统越复杂，其组成部分的发展就越不均衡。一个系统各组成部分呈 不均衡发展的事实是技术系统自身矛盾运动的客观反映，也是技术系统需要不 断创新、发明与改进的客观依据。比如为了要提高货船的航行速度，就要增大 发动机组的功率，虽然发动机这个部件发展和改进了，但是船的制动器却没有 发生改进，而且改进的困难也比较大，这种部件不均衡的发展将使船提速后面 临着如何制动的问题。 ( 6 ) 向超系统传递的定律 系统发展初期总是首先趋于结构复杂化，通过增加系统元件的数量来提高 产品的性能，然后再逐渐精简形成一个超系统，在新系统上又不断的如此进化。 ( 7 ) 由宏观向微观的传递定律 系统的部件首先在宏观水平上发展的，当在宏观尺度上创新越来越困难时， 之后就在微观水平上发展。例如在电子学领域，先是应用真空管，之后是电子 管，再就是大规模集成电路。 ( 8 ) 增加物质一场的完整性定律 所谓“物质一场”指的是物质与场，可以简称为“s 一场”或“s - f ”，对于 存在不完整物质一场的系统，系统将向增加其完整性的方向进化。例如物质一场 中的场从机械或热能向电子或电磁的方向进化。 2 4 2 产品进化的特点 从产品进化的八个定律可以 导出，产品系统及其零部件是动态变化着的。 ( 1 ) 产品及部件向理想化水平方向发展，部件的体积和重量总体趋势是 由大向小的方向进化的，不过进化过程中暂时也会出现由小向大的情况。 ( 2 ) 产品系统向超系统方向传递，部件的功能和数量将不断的改变。功 能的进化是指由单功能向多功能转变；数量的进化是指整个产品部件数量不变 或增多或减少，对于单个部件来说。数量就是大于等于1 ，或者等于0 。 ( 3 ) 产品由宏观向微观方向发展，部件的形状和材料将发生变化。 ( 4 ) 产品自动化水平也不断增加，部件之间的