发明问题解决理论

1、发明问题解决理论：TRIZTRIZ过程、工具及发展趋势檀润华王庆禹苑彩云段国林【摘要】：介绍TRIZ解决发明问题的过程及物质-场分析、标准解、冲突及其描述、冲突解决原理、ARIZ算法等主要工具。提出建立物质-场分析的新型符号系统、完善冲突及解决理论、更新ARIZ算法及TRIZ与QFD、稳健设计等集成是其发展趋势【作者单位】：河北工业大学CAD/CAM及RPM研究所!天津300130天津市机电工业科技信息研究所!天津300091河北工业大学CAD/CAM及RPM研究所！天津300130河北工业大学CAD/CAM及RPM研究所!天津300130【关键词】：TRIZ过程工具趋势【基金】：天津市自然基

2、金重大资助项目河北省自然基金资助项目(003804611)【分类号】：TB472【DOI】：CNKI:SUN:JXSJ.0.2001-07-0021前言产品创新是制造业在市场竞争中取胜的关键。如果把产品设计分为产品定义、概念设计、技术设计及详细设计几个阶段，概念设计是与创新(Innovation)紧密相关的一个设计阶段。所谓创新是指新的可行解或概念，该解或概念与已有的解或概念相比具有明显的竞争优势。创新是发明工程(Inventiveengineering)的核心，而发明工程又是设计工程(Designengineering)的前沿研究领域。如何在概念设计阶段快速地产生一个有竞争力的新概念，实现产

3、品的快速创新(Fastinnovation)是当今设计领域的前沿课题，又是工业界希望尽快运用的成果。文献1列出了13种可用于概念设计的方法，如QFD(质量工程布置)、功能方法树、设计目录、形态学矩阵等。这些方法大都起源于欧、美、日等国。最近的研究表明，起源于前苏联的TRIZ(发明问题解决理论)不论对学术界还是对工业界都应是指导创新的重要理论之一2，3。TRIZ是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联GSAltshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500个人年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，所提出的发明问题解决理论4,5。80年代中期前，该理论对其它

4、国家保密，80年代中期，随一批科学家移居美国等西方国家，逐渐把该理论介绍给世界产品开发领域，对该领域已产生了重要的影响。G.SAltshuler开始就坚信发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确认，也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅提高发明的成功率、缩短发明的周期，也使发明问题具有可预见性。TRIZ理论在我国已开始得到学术界的重视68。文献6介绍了基于TRIZ的计算机辅助设计软件Te-chOptimizer;文献7利用TRIZ中的ARIZ算法，分析了产品设计中创新过程；文献将TRIZ中的物质-场分析法，用于解决我国企业中的一个实际问题。TRIZ由一系列方法或工具有机组成。为

5、了增加对TRIZ的了解，并有可能在国内推广应用该理论，本文对其解决问题的一般过程、主要方法或工具作一介绍，并对其发展趋势作一预测。2TRIZ一般过程有多种方法可用于TRIZ工具及方法的描述，流程图是可用方法之一，如图1所示。该图不仅描述了各种工具之间的关系，也描述了产品创新中的问题。应用TRIZ的第一步是对给定的问题进行分析；如果发现存在冲突，则应用原理去解决；如果问题明确，但不知道如何解决，则应用效应去解决；第三种选择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测。之后是评价。最后是实现。该过程可采用传统手工方法实现，也可采用计算机软件辅助实现。2.1分析分析是TRIZ的工具之一，包括产品的功能分析

6、、理想解(IFR，idealfinalresult)的确定、可用资源分析和CAM、RP/RT、液压等。冲突区域的确定。分析是解决问题的一个重要阶段專加血奔馨矗解的评檢二存建冲宪车可行刑鑫介析*理魁辭（】FR）谬可用责糠曲番定冲空区堆功能分析的目的是从完成功能的角度，而不是从技术的角度分析系统、子系统、部件。该过程包括裁剪（trimming），即研究每一个功能是否必需，如果必需，系统中的其它元件是否可完成其功能。设计中的重要突破、成本或复杂程度的显著降低，往往是功能分析及裁剪的结果。理想解是采用与技术及实现无关的语言对需要创新的原因进行描述，创新的重要进展往往在该阶段对问题深入的理解所取得。确认

7、哪些使系统不能处于理想化的元件是使创新成功的关键。设计过程中从一起点向理想解过渡的过程称为理想化过程。该过程由如下方程描述。Ideality=刀Benefits/（刀Costs+刀Harm）式中：Ideality理想化水平；Benefits利益；Costs成本；Harm危害。公式可解释为：技术系统进化的理想化水平与利益成正比，与成本及危害之和成反比，即利益大，成本及危害之和小，理想化水平高。可用资源分析是要确定可用物品、能源、信息及功能等。这些可用资源与系统中的某些元件组合将改善系统的性能。冲突区域的确定是要理解出现冲突的区域。区域既可指时间，又可指空间。假如在分析阶段问题的解已经找到，可以移

8、到实现阶段。假如问题的解没有找到，而该问题的解需要最大限度的创新，基于知识的三种工具：原理、预测和效应等都可采用。在很多的TRIZ应用实例中，三种工具要同时采用。图1表明了采用三种工具的条件。2.2原理原理是获得冲突解所应遵循的一般规律。有技术与物理两种冲突。技术冲突是指传统设计中所说的折衷，即由于系统本身某一部分的影响，所需要的状态不能达到。物理冲突指一个物体有相反的需求。TRIZ引导设计者挑选能解决特定冲突的原理，其前提是要按标准参数确定冲突。有39条标准冲突和40条原理可供应用。2.3预测预测又称为技术预报。TRIZ确定了8种技术系统进化的模式。当模式确定后，系统、子系统及部件的设计应向

9、高一级的方向发展。2.4效应效应指应用本领域，特别是其它领域的有关定律解决设计中的问题。如采用数学、化学、生物及电子等领域中的原理，解决机械设计中的创新问题。2.5评价该阶段将所求出的解与理想解进行比较，确信所作的改进不仅满足了用户需求，而且推进了产品创新。TRIZ中的特性传递(FeatureTransfer)法可用于将多个解进行组合，以改进系统的品质。3解的级别TRIZ的一个重要成果是认为产品有级别，产品由低级向高级的方向发展。由于这种发展，产品才一直占领老市场或又赢得新市场。Altshuller通过研究，依据问题的难易程度、知识来源等，将产品或问题的解分为如下5个级别。1级(Level1)

10、:通常的设计问题，或对已有系统的简单改进。设计人员自身的经验即可解决，不需要创新。大约32%的解属于该范围。2级(Level2):通过解决一个技术冲突，对已有系统进行少量的改进。采用行业中已有的方法即可完成。解决该类问题的传统方法是折衷法。大约有45%的解属于该范围。3级(Level3):对已有系统有根本性的改进。要采用本行业以外已有的方法解决，要解决冲突。大约有18%的解属于该范围。4级(Level4):采用全新的原理完成已有系统基本功能的新解。解的发现主要是从科学的角度，而不是从工程的角度。大约有4%的解属于该类。5级(Level5):罕见的科学原理导致一种新系统的发明。大约有1%属于该类

11、。Altshuller同时注意到产品从低级向高级进化过程中，高级别解的产生需要更多的知识及更多的可选解。表1是他的发现的一个总结。崔1解的级别级别创新的程度百分比知识来源參考解的数目1显然的解32%牛人的知识102少量的改进45%公闻内的旬识J003根本性的改进%行业内的知识i0004全蘇的概念4%行业以外的知识100coo5发明1%所有已知的知识1000000表1表明，工程中所遇到绝大多数问题，已被前人在其它地方或其它领域解决了。假如设计人员能按照通往取得理想解的路径，从低级开始，依据他们自己的知识与经验，向高级方向努力，可从公司、本行业及其它行业已存在的知识与经验中获得大量的解。4物质-场

12、分析Altshuller对发明问题解决理论的供献之一，是提出了功能的物质-场(substance-field)描述方法与模型。其原理为，所有的功能都可分解为两种物质及一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三元件组成。产品是功能的一种实现，因此，可用物质-场分析产品的功能，这种分析方法是TRIZ的工具之一。其模型为图2所示。图2物质-场模型物质S1可以是被控粒子、材料和物体或过程，物质S2是控制S1的工具或物体，场F是用于S1与S2之间相互作用的能量，如机械能、液压能、电磁能等。图2可解释为，能量F作用于工具S2,使S2变换S1。依据该模型，Altshuller等提出了76种标准解，并分为如下5

13、类：不改变或仅少量改变已有系统：13种标准解；改变已有系统：23种标准解；系统传递：6种标准解；检查与测量：17种标准解；简化与改善策略：17种标准解。由已有系统的特定问题，将标准解变为特定的解即为新概念。5冲突在产品创新过程中，冲突是最难解决的一类问题。TRIZ提供一套基于知识的技术来解决该类问题。应用TRIZ可在消除冲突的过程中自然地产生新的概念。创新与通常意义上的设计、工程或技术问题不同。创新是通过消除冲突来解决问题，而那些不存在冲突的问题，或采用折衷的方法解决问题则不是创新5。冲突解决理论是TRIZ的工具之一。应用这种工具，可使设计人员对任何给定的冲突找出多个解。冲突可分为3类:技术冲

14、突、物理冲突及管理冲突。TRIZ只研究前两种冲突的解决方法。5.1技术冲突技术冲突是指系统一个方面得到改进时，消弱了另一方面的期望。如增加飞机发动机的功率，一般就增加发动机的质量，原机翼强度不一定足够，即消弱了机翼的强度。创新就是消除技术冲突，消除技术冲突的过程不仅改善冲突的一个方面，同时又不降低另一方面的希望。Altshuller通过对冲突的深入研究已发现了39个标准参数，任何一个技术冲突都可用其中的一对参数来描述；同时还发现，由其中一对参数描述的任一技术冲突都有创新解，求该创新解的方法是可确定的；这些方法或称原理被归纳出40条。Altshuller还发明了一种冲突矩阵，该矩阵的首行与首列元

15、素都由39个标准参数组成，其它矩阵元素给出了解决相应技术冲突可用原理在40条中的序号。Altshuller的冲突理论似乎是产品创新的灵丹妙药，实际在应用该理论之前的前处理与应用之后的后处理还是十分重要的。图3表明了问题求解的全过程。按图3所示的过程，当针对具体问题确认了一个技术冲突后，要用该问题所处技术领域中的特定术语描述该冲突。之后，要将冲突的描述翻译成一般术语，由这些一般术语选择标准冲突描述参数。标准参数决定的是一般问题，并可选择可用解决原理。一旦某一原理被选定后，必须根据特定的问题应用该原理以产生一个特定的解。对于复杂的问题，一条原理是不够的，原理的作用是使原系统向着改进的方向发展。在改

16、进的过程中，对问题的深入思考、经验都是需要的。应刑3习牛M一*U匕3技术冲突解决过程5.2物理冲突在产品设计中，某一部分同时所表现出的两种相反状态称为物理冲突。物理冲突的一个经典例子是当增加一个零件的强度时，往往该零件的质量或尺寸增加，而设计者不希望增加零件的尺寸或质量，因此，出现了物理冲突。该冲突的解决即应增加零件的强度，又不要增加其质量或尺寸。法TRIZ中提供了如下物理冲突解的四条分离原理：从时间上分离相反的特性：在一时间段内物体表现为一种特性，在另一时间段内物体表现为另一种特性。从空间上分离相反的特性：物体的一部分表现为一种特性，另一部分表现为另一种特性。从整体与部分上分离相反的特性：整

17、体具有一种特性，而部分具有相反的特性。在同一种物质中相反的特性共存：物质在特定的条件下表现为唯一的特性，在另一种条件下表现为另一种特性。当一个问题被深入地分析之后，往往首先采用分离原理解决冲突。6ARIZ：发明问题解决算法TRIZ认为，一个问题解决的困难程度，取决于对该问题的描述或程式化方法，描述得越清楚，问题的解就越容易找到。TRIZ中，发明问题求解的过程是对问题不断描述、不断程式化的过程。经过这一过程，初始问题最根本的冲突被清楚地暴露出来，能否求解已很清楚，如果已有的知识能用于该问题则有解，如果已有的知识不能解决该问题则无解，还需等待自然科学或技术的进一步发展。该过程是靠ARIZ算法实现的

18、。ARIZ(AlgorithmforInventive-ProblemSolving)称为发明问题解决算法，是TRIZ的一种主要工具，是发明问题解决的完整算法，该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化。该算法特别强调冲突与理想解的程式化，一方面技术系统向着理想解的方向进化，另一方面，如果一个技术问题存在冲突需要克服，该问题就变成了一个创新问题。ARIZ有多个版本，ARIZ-85C是一有代表性的版本，现对其介绍如下。ARIZ-85C宏观上可分为9步，每一步又由一些微观步骤组成。宏观上的9步可描述如下：将初始问题转换为意义清楚的“小问题”。(2)对冲突区域进行描述。确定理想解(IFR)：IFR的

19、描述会揭示与系统中的关键部件相反的特性，即物理冲突。如果对于一些问题，前3步已得到其解，则转(7)；反之，继续。利用外部可用物质或场资源。利用知识库消除物理冲突。如果问题已有解，转(7);反之，转(1),重新定义“小问题”。分析物理冲突的解决过程。将所求出的原理解具体化或工程化。对全过程合理性的分析。在ARIZ中，冲突的消除有强大的效应知识库的支持。效应知识库包含物理的、化学的、几何的等效应。作为一种规则，经过分析与效应的应用后问题仍无解，则认为初始问题定义有误，需对问题进行更一般化的定义。应用ARIZ取得成功的关键在于没有理解问题的本质前，要不断地对问题进行细化，一直到确定了物理冲突。该过程

20、及物理冲突的求解已有软件支持。7发展趋势1999年，MIT公理性设计组的Tate在其博士论文中，通过对世界著名流派的设计理论进行分析提出9：尽管设计理论的研究已有100多年的历史，很多的研究成果已在工业界得到应用，但设计理论并未成熟，目前仍处于准理论阶段(apre-theorystage)；该理论在设计过程、设计目标、设计者、可用资源及领域知识等5个方面还有大量的问题有待解决。TRIZ也是Tate所分析的理论之一，也处于发展阶段。圈4Zinovy箸人的符号系统本文作者通过对TRIZJournal()上已发表200多篇文章的详细分析，认为TRIZ目前及今后的发展趋势为：TRIZ本身的完善及与其它

21、设计理论、方法的集成两个方面。7.1TRIZ本身的发展目前TRIZ的发展包括3个方面：物质-场模型的新型符号系统，冲突及解决技术的进一步发展及ARIZ算法的改进。图2是Altshuller本人提出的物质-场模型。该模型对于描述产品的一个功能是方便的，但一个产品往往有多个功能，该模型描述多功能时，并不十分方便。因此，按照Altshuller物质-场原理提出新的适应性更强的符号系统是TRIZ本身的一个方向。如Zi-novy10、Terninkoll等人提出了如下的符号系统：未评仿活(EffectnotevaluBtcd)M-M-革足览虫InsufeHcct)有窑it虞(HftEtf出寻ft料蛀削4

22、口inatA7Changedmodd)未评估的效应(Effectnotevaluated)需要的效应(Desiredeffect)不足效应(Insufficienteffect)有害效应(Harmfuleffect)导致的结果(Resultsin)改变了的模型(Changedmodel)按照这样的符号系统，一个有效完整功能，即设计者所希望的功能，可用如图5符号表示：圏5有效完整功能(type为能虽类型)一些作者认为冲突及解决技术中的39个标准参数及40条解决原理还不完善。近年来TRIZ应用实例表明，有些设计中的明显冲突用39个参数不能描述，因此，也就不能选择冲突解决原理。如果增加冲突的标准参数

23、个数，冲突矩阵如何改变？40条解决原理是否已覆盖了所有的设计问题，如果增加条数，冲突矩阵如何改变？学者们对这些问题还都没有找到答案。在实用中，ARIZ-85C存在一些缺陷，如不易确定“小问题”。对ARIZ的改进有两种方案：一是因ARIZ-85C及以前的版本都由Altshuller本人提出及改进，后续的版本还由其本人进行；二是由其他人来完成。由于Altshuller本人的研究重点转入TRTL(The-oryofDevelopmentofaStrongCreativePersonality)，1989年，Altshuller正式允许他的学生们进行ARIZ的改进12。对ARIZ-85C的改进从4个方

24、面进行：引入问题程式过程的内容。其一能对初始问题进行描述，这种描述有助于解决问题；能对问题所处的环境进行描述，以便能选择更有希望的问题陈述。应尽可能多地采用产生解的工具(solution-generatingtools)。提供多种问题典型描述的菜单。使ARIZ应用更加方便，即采用结构化的方法，使微观算法、例题、定义等分开。ARIZ-85C后出现了若干个版本，如ARIZ-KE-89/90、ARIZ-SMVA91(E)、ARIZAnAmeri-canizedLearningFramework5。ARIZ-KE-89/90与ARIZ-85C相似，只是增加了对问题所处环境的分析。ARIZ-SMVA91

25、(E)之前的版本都是基于手工设计的算法，该算法是一种基于计算机辅助设计的平台。ARIZAnAmericanizedLearningFramework13之前的算法都是由前苏联TRIZ专家制定的，该算法的制定有美国人参加，因此，算法中包含了美国人的思维方式。72TRIZ与QFD等的集成TRIZ主要是解决设计中如何做的问题(How)，对设计中做什么的问题(What)未能给出合适的工具。大量的工程实例表明，TRIZ的出发点是借助于经验发现设计中的冲突，冲突发现的过程也是通过对问题的定性描述来完成的。其它的设计理论，特别是QFD即质量功能布置恰恰能解决做什么的问题。所以，将两者有机的结合，发挥各自的优

26、势，将更有助于产品创新14TRIZ与QFD都未给出具体的参数设计方法，稳健设计却特别适合于详细设计阶段的参数设计。将QFD、TRIZ、稳健设计集成，有可能形成从产品定义、概念设计到详细设计的强有力支持工具。因此，已成为设计领域的重要研究方向14。8结论经过50多年的研究，TRIZ已形成了一系列设计方法与工具，特别是提出了设计冲突理论、标准解、ARIZ算法等。虽然，TRIZ还处于发展之中，但其成熟部分已成功地解决了设计中的很多难题，成为国际设计理论界公认的著名学派之一。我国学术界应加强TRIZ理论的研究，不仅要跟踪其研究前沿，也要结合国内的实际有所创新。同时，学术界还应尽快将该理论介绍给工业界，

27、因TRIZ是在对专利进行研究的基础上总结出来的，微观算法很容易操作，形成了容易被掌握的发明问题解决理论，如能在我国工矿企业推广应用，必将加强我国企业是技术创新的主体地位，推动技术创新，提高企业在世界市场上的竞争力。参考文献檀润华，王庆禹产品设计过程模型、策略与方法综述J机械设计，2000，17(11):1-3.DenisCavallucci，PhilippeLutz.1ntuitivedesignmethod，anewapproachondesignJTRIZJournal，Oct，2000，http：/ HYPERLINK http:/www.triz www.triz-.LeeN，AguayoIH.AnewmodeloftheconceptualdesignprocessusingQFD/FA/TRIZJ.TRIZJournal，July，1998，http：/www.GSAltshuller.AndsuddenlytheinventorappearedM，TechnicalInnovationCenter，INC.，Worcester，1996.GSAltshuller.T