技术创新8.ppt

1、1,第八讲：技术创新原理,江峻任 仰恩大学社科部,2,从CAD（计算机辅助设计）到CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造），计算机为我们提供了巨大帮助。,TRIZ发明问题解决理论,3,计算机辅助创新CAI,计算机辅助创新CAI （ComputerAidedInnovation）技术是新产品开发设计中的一项关键基础技术，在概念设计阶段对研发加以支持，成功地把信息化技术应用到了产品生命周期的最前端。CAI是以近年来在欧美国家迅速发展的发明问题解决理论(TRIZ)为基础，再结合本体论、现代设计方法学、计算机软件技术，综合而成的计算机辅助创新设计技术。,4,一.TRIZ的基本思想,伟大的思想

2、总是惊人的相似。上个世纪40年代中期，前苏联发明家、曾供职于海军科技部门的根里奇阿奇舒勒（G.S. Altshuller）创建了一门理论发明问题解决理论TRIZ。“TRIZ”是“发明问题解决理论”的俄语拼写“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的缩写。,阿奇舒勒,5,TRIZ的基本思想是“通过引入最少的外部资源消除创新过程中遇到的矛盾而使系统向理想状态发展”，基于这一思想，TRIZ发展了一种崭新的分析式的思维方法，即“将问题作为一个系统加以考虑，对问题着手解决之前首先勾画出理想的解决目标，进而设法消除创新设计过程中的矛盾”。,6,TRIZ总结

3、出三条创新基本规律：,1、创新的本质就是不断发现和澄清产品内在的技术矛盾和物理矛盾并着力消除它们，采用妥协折中的方法不能从根本上解决矛盾。 2、创新是有规律可循的，人类在解决工程技术问题时所采用的方法都是有规律的，并且这些规律可以通过总结和学习加以掌握和应用 。,7,TRIZ用于解决问题所包含矛盾的创新原理是基于250万件发明专利分析结果提炼出的，具有普遍性，这些创新原理为创造性问题的解决提供了参考方向，与通常采用的试错法（Trial-and-Error Method）和头脑风暴法（Brainstorming）相比，TRIZ更加易于操作、系统化、流程化，不过多地依赖灵光乍现、个人知识以及经验进

4、行创新 。,8,3、一个领域所采用的技术和方法能够应用到其他领域相同或类似的问题中，同一领域的不同问题之间所采用的技术和方法也能够相互借鉴，但由于思维惯性以及人类自身能够掌握的知识有限，一个人只专长自己所熟悉领域的技术，因此有必要构建以创新问题解决为目的的跨学科知识库。,9,相对于传统的创新方法，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，快速确认和解决系统中存在的矛盾，而且它是基于技术的发展进化规律研究整个产品发展过程。因此，运用TRIZ理论可大大加快发明创造的进程，提升产品创新水平。,10,二.TRIZ的主要内容,TRIZ主要包含有以下创新设计问题解决工具：技

5、术系统进化法则，物-场分析法，发明问题标准解法，发明问题解决算法ARIZ，技术矛盾解决矩阵，物理矛盾的分离原理，物理效应和现象知识库，40个创新原理以及最终理想解等九大理论体系。这些工具为创新理论软件化提供了基础，从而为TRIZ的系统化应用提供了条件。,11,在利用TRIZ解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、技术进化理论、效应等，求出该TRIZ问题的普适解；最后设计者再把该解转化为特定解。,12,TRIZ的目标就是把创新问题转化为常规问题，利用前人的经验快速获得创新问题解。下图为TRIZ问题解决流程的简化示意图。,13,创新问题

6、,常规问题,创新问题特定解,问题通解,问题分析,TRIZ工具集,其它问题解决方法,验证/评测/分析,图1：创新问题解决流程示意图,14,三、技术系统进化理论,解决发明创造问题的理论核心是技术系统进化理论。技术系统进化理论指出，技术系统一直处于进化之中。技术系统的进化并非随机的，而是遵循着一定的客观的进化模式，所有的系统都是向“最终理想化”进化的。任何领域的技术变革、创新与生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。,15,TRIZ 理论中包含的进化法则主要有： 1、提高理想度法则， 2、完备性法则， 3、能量传导法则（减少人工介入法则）， 4、提高柔性、移动性和可控

7、性法则， 5、子系统非一致性进化法则， 6、向超系统升迁法则， 7、向微观系统升迁法则， 8、子系统协调性进化法则等。,16,这些技术系统进化法则基本涵盖了各种产品核心技术的进化规律，每条法则又包含不同数目的具体进化路线和模式。,17,完备性法则,更加完备的系统是由单一系统向多系统的进化过程 。依据这个进化原则,系统首先由多个同一性质的系统组成,增强系统的单一功能,然后多个功能不同的系统结合在一起实现多个功能,最终希望由一个系统执行多个功能。,18,图1 完备系统进化方向,19,(2)提高柔性、移动性和可控性法则,键盘的演变规律：一体化的刚性键盘折叠式键盘柔性的键盘液晶键盘到激光键盘。 轴承：

8、单排球轴承多排球轴承微球轴承气体、液体支撑轴承磁悬浮轴承。 切割技术：原始的锯条砂轮片高压水射流激光切割。 共同点：按照从刚性铰链式柔性气体、液体场的发展路线。,20,折叠键盘,刚性键盘,柔性键盘,液晶键盘,21,在TRIZ 理论中将进化曲线分为四个阶段，即婴儿期，成长期，成熟期和退出期。婴儿期和成长期一般代表该产品处于原理实现、性能优化和商品化开发阶段，到了成熟期和退出期，则说明该产品技术发展已经比较成熟，盈利逐渐达到最高并开始下降，需要开发新的替代产品。,基于技术进化原理的技术预测与新产品开发,22,技术系统的演化阶段图,23,24,基于技术进化原理的技术预测与新产品开发,一旦掌握了技术进

9、化的规律，我们就可以在此基础上，确认目前产品所处的发展状态，发现产品存在的缺陷和问题，并预测其未来发展趋势，制定产品开发战略和规划，开发新一代产品。这就是我们常说的技术预测。,25,技术预测包含一个重要内容，那就是产品进化曲线S曲线，用于表示产品从诞生到退出市场这样一个生命周期的基本发展过程。在TRIZ理论中将进化曲线分为四个阶段，即婴儿期，成长期，成熟期和退出期。婴儿期和成长期一般代表该产品处于原理实现、性能优化和商品化开发阶段，到了成熟期和退出期，则说明该产品技术发展已经比较成熟，盈利逐渐达到最高并开始下降，需要开发新的替代产品。随着产品的不断更新换代，形成了该类产品的进化曲线族。,26,

10、理论提供了一种识别和确认产品所处状态的技术，即首先总结出特定时间内与产品相关的专利数量、专利级别、市场利润和产品性能的基本变化规律，那么通过对当前产品的相关参数变化情况，我们就可以确定该产品处于生命周期的哪个阶段，从而为制定产品开发策略提供参考。,27,四、理想技术系统,TRIZ认为，对技术系统本身而言，重要的不在于系统本身，而在于如何更科学地实现功能，较好的技术系统应是在构造和使用维护中都消耗资源较少，而能完成同样功能的系统；理想系统则是不需要建造材料；不耗费能量和空间，不需要维护，以及不会损坏的系统，即在物理上不存在，却能完成所需要的功能，这一思想充分体现了简化的原则，是TRIZ所追求的理

11、想目标。,28,1、理想化水平,理想化水平衡量公式： I=UF/（HF+C) 式中：I理想度；UF有用功能之和； HF有害功能之和（污水、毒气、废料、光污染、辐射、次声波、震动、噪声）； C成本之和（如与成本直接相关的材料、时间、空间、资源、复杂度、能量、重量）。,29,由上式可以得出结论：技术系统的理想度与有用功能之和成正比；与有害功能之和成反比；理想度越高，产品的竞争能力越强。可以说，创新的过程，就是提高系统理想度的过程。因此，在发明创新中，应以提高理想度的方向作为设计的目标。,30,2、理想化方法,加强有用功能； 降低有害功能； 功能通用化； 增加集成度； 个别功能专用化； 增加柔性。,

12、31,4、最终理想解,1）保持了原系统的优点； 2）消除了原系统的不足： 3）没有使系统变得更复杂； 4）没有引入新的缺陷。 思考割草机的改进；汽车油箱里的油量的判断。,32,最终理想解确定的步骤,1）设计的最终目的是什么？ 2）理想解是什么？ 3）达到理想解的障碍是什么？ 4）走出这种障碍的结果是什么？ 5）不出现这种障碍的条件是什么？创造这些条件存在的可用资源是什么？ 思考：农场养兔子的难题,33,缩小的问题与扩大的问题,TRIZ将所有的问题分为两类：缩小的问题和扩大的问题。缩小的问题致力于使系统不变甚至简化，而消除系统的缺点，完成改进；扩大的问题则不对可选择的改变加以约束，因而可能为实现

13、所需功能而开发一个新的系统，使解决方案复杂化，甚至使解决问题所需的耗费与解决的效果相比得不偿失，TRIZ建议采用缩小的问题。,34,四、TRIZ中的“矛盾”,TRIZ（发明问题解决理论）将矛盾分为两类：物理矛盾（Physical Contradictions）和技术矛盾（Technical Contradictions）。,35,物理矛盾,物理矛盾是TRIZ研究的主要问题之一。物理矛盾又称为内部系统矛盾。它是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。物理矛盾的核心是指对一个物体或系统中的一个子系统有相反的、矛盾的要求。,36,例如：为了便于加速并降低加

14、速时的油耗，汽车的底盘应有较小的重量，但为了保证高速行驶时汽车的安全，底盘又应有较大的重量，这种要求底盘同时具有大重量和小重量的情况，对于汽车底盘的设计来说就是物理矛盾，解决该矛盾是汽车底盘设计的关键。,37,侦察机既要飞得快，以便尽快离开被侦察地区，但又要求飞得慢，以便收集更多的数据。,38,物理矛盾的两种表现： 一个子系统中有害性能降低的的同时导致该子系统中有用性能的降低；如杀虫剂。 一个子系统中有用性能增强的的同时导致该子系统中有害性能的增强。 如手机的电磁辐射。,39,物理矛盾的解决原理物理矛盾的解决一直是TRIZ理论研究的重要内容。TRIZ理论的创始人G.S.Altshuller提出

15、了包含有矛盾特性的空间分离、矛盾特性的时间分离、通过物理作用及化学反应使物质从一种状态过渡到另一种状态等11种解决原理。正确、科学地应用这些原理我们就可以逐步实现对物理矛盾的深入分析和标准化，最终实现物理矛盾的解决。,40,物理矛盾的四大分离原理,1)空间分离 2）时间分离 3）基于条件的分离 4）系统级别的分离,41,空间分离,将矛盾双方在不同的空间上分离开来，以获得问题的解决或降低问题的解决难度。 案例：鱼雷引擎必须足够大以充分驱动鱼雷，又必须小，以适配鱼雷的体积。 炮弹直径必须足够大，一是一个个的炮弹容易射出，但同时又必须足够小一面火药爆炸推力的泄漏。,42,时间分离,案例： 香皂的成型

16、过程温度要低，以便节约成型时间，但同时香皂温度要高，状态够软，以便填满整个磨具空间。 折叠型自行车,43,基于条件的分离,将矛盾双方在不同的条件下分离开来，以获得问题的解决。 跳水训练池里的水要软，以减轻谁对运动员的冲击伤害，但又要求水必须赢，以支撑运动员的身体。,44,系统级别的分离,用温度计测量甲壳虫的体温,45,技术矛盾,技术矛盾是指一个作用同时产生有用及有害两种效应，也可指有用效应的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统变坏。技术矛盾常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾，而且总是涉及到两个基本参数：当其中一个得到改进时，另一个变得更差。,46,例如：在实际使用中我们希望桥的承载力越

17、大越好，为了获得更大的承载力，可以让桥变“粗”，即使用更多的材料建筑桥梁，但桥自身的重量太大将有可能超过桥的强度所允许的范围，降低了桥的安全性。那么，（桥的）强度和（桥自身的）重量之间就产生了一个技术矛盾，强度和重量就是该技术矛盾中的两个基本参数。,47,技术矛盾通常有以下三种表现： 一个子系统中引入一种有用性能后，导致另一个子系统产生一种有害性能，或增强了已存在的有害性能； 一种有害性能导致另一个子系统有用性能的变化； 有用性能的增强或有害性能的降低使另一个子系统或系统变得更加复杂。,48,波音737飞机的引擎改进设计中，设计人员遇到了一个技术难题：引擎的改进需要增大整流罩的面积以使其吸入更

18、多的空气，即需要增大整流罩的直径；但整流罩直径的增大将使它的下边缘与地面的距离变小，从而会使飞机在跑道上行驶时产生危险。这样，在“发动机的功率”和“整流罩与地面的距离”之间就产生了技术上的矛盾。,49,50,技术矛盾的解决原理TRIZ理论总结了39个通用工程参数来描述矛盾。实际应用中，把构成矛盾的双方内部性能用这39个工程参数中的某两个来表示，即把实际工程设计中的技术矛盾转化为标准的技术矛盾，然后运用TRIZ理论中包含的分割、分离、等势性、维数变化、振动原理等40个发明创新原理。,51,在解决实际创新设计问题时，应当努力把问题中所面临的物理矛盾和技术矛盾分析清楚，然后运用相应的解决原理和方法，对症下药，一一解决，最终就能够获得问题的最优解。,52,TRIZ理论认为，产品创新的标志是解决或移走设计中的冲突，而产生新的有竞争力的解。设计人员在设计过程中不断的发现并解决冲突是推动产品进化的动力。,53,在利用TRIZ解决问题的过程中，研究人员首先将待解决的技术问题或技术冲突表达成TRIZ问题，然后利用TRIZ的工具，如发明创造原理、标准解等求出该TRIZ问题的普适解或模拟解，最后再应用普