系统工程3-2.ppt

系统工程 C类 系统方案的创新 上海交通大学宋元斌 课程主要内容 发散思维逆向思维横向思维TRIZ方法 导入案例 司马光砸缸 司马光面对紧急险情 果断地用石头把缸砸破 救了小伙伴性命 常规的思维模式是 救人离水 运用了逆向思维 让水离人 关键是创新性地定义行动方向 目标 人水相离才是关键 发散思维 发散思维 也称为放射性思维 是指从一个目标主题出发 沿着各种不同的途径去探求解决问题的方法 解决方案过程中进行创新的思维方式之一 特点快速 短时间内快速生成尽可能多的方案 多样 沿着不同的领域和方向发散性地思考独特 逆向思考 不同寻常的 异于他人 逆向思维的类型 结构逆向功能逆向状态逆向因果逆向 逆向思维的类型 1 结构逆向 突破已有的事物的结构形式 双尖锈花针 把针孔的位置设计在针的中间 两端加工成针尖 从而使锈花的速度提高近一倍 这是一个结构逆向思维的典型实例 逆向思维的类型 2 功能逆向 突破原有事物的功能 便利贴 1968年 3M公司的西尔佛博士在研发强力胶粘剂过程中 意外发现了粘着性不强的粘胶 但可重复粘贴也不会失去粘性 然而 很多年后 才被3M公司的福莱重新翻出 开发成便利贴 从而为公司创造了巨额的利润 逆向思维的类型 3 状态逆向思维突破对事物的某一状态的常规认识 木工电刨 过去木匠用锯和刨来加工木头 都木头不动工具动 人动 人们设计发明了电 工具不动 木头动 采用了状态逆向思维 逆向思维的类型 4 因果逆向思维突破已有关事物间的因果关系 温度计 温度改变体积 反过来体积的变化推知温度的变化 发电机 从奥斯特的电能生磁 后来法拉第的磁能生电 留声机 爱迪生发现送话器听筒音膜有规律的振动 后来把震动还原为声音 发散思维案例 脱水缸转轴 一个由逆向思维而诞生的创造发明的典型例子 脱水缸设计时 有个很头疼的问题 脱水缸的颤抖和由此产生的噪声问题 工程技术人员想了许多办法 先加粗转轴 无效 后加硬转轴 仍无效 用软轴代替了硬轴脱水缸在高速旋转时 却非常平稳 脱水效果很好 轴的柔性成功地解决了颤抖和噪声两大问题 逆向思维案例 美洲银行大厦 1972年12月23日 尼加拉瓜共和国首都马那瓜发生了大地震 死亡万余人 唯独18层的美洲银行大厦竟安然屹立在震中区的一片废墟中 轰动了全球 美洲银行大厦的结构设计者是林同炎 美籍华人 著名工程结构专家 他设计的美洲银行大厦时 突破了一般常规的思维框架 突破了以刚对刚的正面思维模式 不是把设计思维放在增强结构刚度来提高抗震性方面 而是采用了逆向思维 以房屋次要构件开裂的损失来避免建筑物倒坍的设计思想采取框筒结构 在一般受力情况下 建筑物有足够的刚度来承受外力 而当受到突如其来的强烈外力时 可由房屋内部结构中某些次要构件的开裂 使房屋总刚度骤然减弱 从而大大减少地震力对大楼的破坏 横向思维 是发散思维的又一种形式 利用其他领域里的知识另辟蹊径 另辟蹊径间接地解决问题的一种思维形式 跳出传统的逻辑思维框架 增加思维广度 横向思维案例 叩诊法 一百多年前 奥地利的医生奥恩布鲁格 想解决怎样检查出人的胸腔积水这个问题 其父是酒商 在经营酒业时 只要用手敲一敲酒桶 凭叩击声 就能知道桶内有多少酒 奥恩布鲁格联想 人的胸腔和酒桶相似 如果用手敲一敲胸腔 凭声音 不也能诊断出胸腔中积水的病情吗 黑箱法 横向思维案例 磁性轴承 轴承的摩擦问题 为了减少摩擦 人们一直在不断地改进着轴承 但正常思路无非是改变滚珠形状 轴承结构或润滑剂等 都不能带来大的突破 后来 有人把视野转到其他解决问题方向 高压空气可以使气垫船漂浮 相同磁极会相互排斥 将这些新设想引入新型轴承研发中 发明了不用滚珠和润滑剂 只需向轴套中吹入高压空气 使旋转轴呈悬浮状的空气轴承 或用磁性材料制成的磁性轴承 横向思维 1 一个人以一打 美元的价格购进椰子 然后以一打 美元的价格售出 凭借这种做法他成了百万富翁 这到底是怎么回事 这个人是个慈善家 他购买了大量椰子 然后以穷人们都能够支付得起的价格卖给他们 他一开始是个亿万富翁 但是他的慈善行为使它丧失了大量金钱 因此成了一个百万富翁 发散思维 2 加利福尼亚州的阿尔托斯市政府被森林大火所困扰 他们想清除城镇周围山坡上的灌木丛 但因为无路 如果用螺旋桨飞机来运送除灌木人员 反而极易引起火花 导致火灾 他们该怎么办 政府当局购买或者租借了成群的山羊 把它们放在山坡上放牧 由于山羊吃掉草木 控制了灌木丛的生长 并且能到达靠其他方法难以到达的陡峭坡段 灌木丛火灾因此大大减少 发散思维练习 同学们试着回答 3 在某城市里 地铁里的灯泡经常被偷 这会导致安全问题 接手此事的工程师不能改变灯泡的位置 也没多少预算供他使用 他如何解决 这位工程师把电灯泡的螺纹改为左手方向或者是逆时针方向 而不再用传统的右手方向或顺时针方向 这意味着当小偷认为他们正在试图拧下电灯泡时 实际上他们反而是在拧紧它们 发散思维练习 4 有时 游客会从帕台农神庙的古老立柱上砍下一些碎片 虽然明知这种行为是违法的 但是这些游客仍旧把它作为纪念品带走 旅游当局很头疼 如何才能阻止这一行动呢 管理当局从原来维修帕台农神庙时所用的矿石场里收集了一些大理石碎片 每天把这些碎片散放在帕台农神庙的周围 游客以为他们捡起来的碎片是从古老的立柱上掉下来的 因此他们很高兴的带回家 发散思维练习 5 在加利福尼亚淘金热期间 一位年轻的创业者怀着把帐篷卖给矿工的想法来到此地 他认为 成千上万的人聚集在一起找金矿 那里肯定会有一个非常好的帐篷市场 不幸的是 天气非常温暖 矿工们都是露天睡觉 没有多少人买他的帐篷 他该怎么办呢 他把他帐篷上的粗棉布割下来 然后用它做成裤子卖给矿工们 通过适应市场环境和创新 他得以创造了一个一直持续到今天的品牌 发散思维练习 6 舒适航空公司是廉价航空 已经在低成本方面作出了多项创新 其中一项是航班中没有免费的饮料 在近期的一期杂志中 有一篇文章说明了这种做法的两大优点 一个优点是带来了收入 你认为另一个好处是什么呢 不提供免费饮料给舒适航空公司带来的第二个好处是由于需求减少 他们可以减少飞机上的一间厕所 这样就可以多设一些座位 立体思维 能否用大小长短相等的六根火柴塔出四个三角形 在三角形的地上种4棵树 每两颗树之间的距离相同 怎么种 提示 思考问题时跳出平面的限制 立体思维 思考题 有四个相同的瓶子 怎样摆放才能使其中任意两个瓶口的距离都相等呢 立体思维 立体仓库宿舍床 立体思维 立体绿化 屋顶花园增加绿化面积 减少占地改善环境 净化空气 立体农业 如玉米地种绿豆 高粱地里种花生等立体森林 高大乔木下种灌木 灌木下种草 草下种食用菌 立体渔业 网箱养鱼充分利用水面 水体立体交通 大型立交桥 你还能想出什么样的立体思维形式 导入案例 用试错法解决创新问题 导入故事 用试错法解决创新问题 Triz方法 根里奇 阿奇舒勒G S Altshuller 1926 1998 TRIZ理论简介 上世纪40年代 前苏联科学家阿奇舒勒带领他的团队希望找到发明创造的方法 他们在研究了250万份发明专利后 得出一个结论 人们解决技术问题的方法很多是重复的 TRIZ解决问题的方法和流程 矛盾矩阵 避免盲目试错 TRIZ的典型应用 TRIZ的典型应用 国内知名企业的典型应用 船舶系统工程部等 702 710 712 713 715等研究所 中航601等研究所 203等研究所 方案创新中的多目标冲突 技术矛盾 创新中经常面临多目标冲突为了增大波音飞机引擎的功率 需要更多的空气进如引擎 因此要改进引擎整流罩的设计 增大引擎整流罩的截面直径 提升了功率 优化的工程参数 同时 也减小引擎整流罩最低点离开地面的距离 增加了起飞和降落的风险 劣化的工程参数 技术矛盾 工程参数A的优化 工程参数B的劣化 技术矛盾 改进工程系统时 如果优化系统参数A 将导致系统参数B的恶化两个工程参数之间的矛盾陷入一种两难的困境 技术矛盾 当工程师们需要改善工程 产品的一些技术参数时 经常遇见技术矛盾 在很长的创造发明历史中 这些问题都是用一种方法来解决的 试错法 试错法的效率非常低 需要很长的时间的反复尝试 创新成本很高 39个通用工程参数 描述技术系统中出现的绝大部分技术冲突的物理参数 数学参数和概括性参数 39个通用技术参数的属性分类 40条发明原理 用有限的40条原理来解决无限的技术冲突问题 矛盾矩阵 矛盾矩阵列举了需要改进的工程参数与同时产生恶化的工程参数之间的技术矛盾 给出以前相似矛盾得以成功解决的创新原理 矛盾矩阵表 局部放大 案例1 波音飞机发动机整流罩的改造 问题描述 为了采用功率更大的引擎 需要有更多的空气进入引擎 必须使引擎整流罩的直径增大 但与地面的距离减小了 严重地影响了飞机的安全技术冲突分析 运动物体的面积 希望改善的技术特性 和 运动物体的尺寸 恶化的技术特性 是该系统中发生冲突的两个参数 案例1 波音飞机发动机整流罩的改造 建议 原理14 曲面化原理原理15 动态化原理原理18 振动原理原理4 不对称原理最终解决方案 应用创新原理4 将整流罩改为不对称形状 案例1 波音飞机发动机整流罩的改造 以曲线取代线性零件 以曲面取代平面 以球体取代立方体使用滾筒 球 螺旋以旋转运动取代线性运动 利用离心力 以非对称形式替代对称形式如果对象已经是非对称 增加其非对称得程度 案例1 波音飞机发动机整流罩的改造 曲面化原理 原理14 以曲线取代线性零件 以曲面取代平面 以球体取代立方体使用滾筒 球 螺旋以旋转运动取代线性运动 利用离心力例 鼠标用球状结构将平面动作转换成向量 动态化原理 原理15 将一个静止的物体变为运动的物体 将一个结构刚性的物体变为柔性物体 使系统具有自动调节的特性 例 带铰接的超常公交车 使得公交车的长度可以达到25米 乘客可以达到300人 加了万向轮的椅子 活动扳手 人造卫星上的天线 形状记忆合金 振动原理 原理18 使物体振动 如果已经在振动 则提高它的振动频率 利用共振频率 用压电振动器替代机械振动器 非对称性原理 原理4 背景 撕开胶粘的信封时 会把信封内的文件撕坏或使信封开口变粗糙 当然 如果借助某种辅助工具如剪刀且在剪开前抖动信封 就可既不损坏文件又获得好看的开口 但是 该方法给用户带来了不便 因此 设计一种能又快又可靠地拆开的信封很有必要 技术矛盾分析 1 优化的技术特性为时间损耗 2 恶化的技术特性为可靠性 案例2 快捷信封 TRIZ建议的原理 原理10 预先作用 原理30 柔性壳体或薄膜 原理4 增加不对称性 10 30 4 系统恶化的特性 系统改善的特性 27 可靠性 1 运动物体质量 1 运动物体质量 25 时间损耗 案例2 快捷信封 原理10 预先作用法 预先动作 事先完成全部或部份动作事先准备使