TRIZ在小問題提取與資源分析中的應(yīng)用研究

文/山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 王晴 張明勤 孫大銘 田艷

TRIZ理論作為一種系統(tǒng)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，從很大程度上提高了發(fā)現(xiàn)、解決問題的效率。該理論認(rèn)為不斷發(fā)現(xiàn)并徹底解決設(shè)計(jì)中的沖突問題是推動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)化的動(dòng)力。工程設(shè)計(jì)中普遍存在的沖突問題是小問題即現(xiàn)有產(chǎn)品當(dāng)前狀態(tài)與所希望狀態(tài)存在距離，且目前的科技水平可以解決的問題[1]。工程設(shè)計(jì)中的問題大多存在于復(fù)雜模糊的情景之中，這是設(shè)計(jì)問題初始狀態(tài)即初始問題的一種表現(xiàn)形式。直接從工程情景中提煉出有效簡(jiǎn)明的創(chuàng)新問題顯然難度較大，需要對(duì)初始問題進(jìn)行情景分析來揭示問題的實(shí)質(zhì)，從而確定小問題。

傳統(tǒng)TRIZ理論針對(duì)小問題提供發(fā)明原理、分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解等問題解決工具，但并沒有給出確定小問題的方法。國(guó)內(nèi)關(guān)于TRIZ的研究與應(yīng)用也主要集中在概念設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)[2-3]方面，著重該方法用于實(shí)際問題的求解，而將TRIZ用于確定工程小問題和資源分析的研究較少。檀潤(rùn)華等[4]通過改進(jìn)反向魚骨圖以建立功能模型來發(fā)現(xiàn)有害作用、不足作用及過剩作用等小問題，但需要確定系統(tǒng)所有功能元件，尤其對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，該過程很難快速實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)問題情景中限制條件的極限化來快速提取小問題，并建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源表對(duì)小問題進(jìn)行資源分析。

1 小問題的提取

1.1 問題情景描述

產(chǎn)品與外部環(huán)境（可分解為使用對(duì)象、使用環(huán)境）之間物質(zhì)、能量和信息輸入與輸出的變換關(guān)系決定了產(chǎn)品的功能。因此在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮產(chǎn)品的使用對(duì)象、使用環(huán)境。產(chǎn)品、使用對(duì)象與使用環(huán)境三者之間的交互過程即為產(chǎn)品情景。

產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)功能時(shí)不可避免地突出某種不能令人滿意的特點(diǎn)，體現(xiàn)為一種問題情景。它主要表現(xiàn)背景知識(shí)及其限制條件，是對(duì)設(shè)計(jì)問題初始狀態(tài)的描述[5]。對(duì)問題情景描述可作為設(shè)計(jì)者思考的入手點(diǎn)，并引導(dǎo)其構(gòu)思從籠統(tǒng)走向具體。

情景描述只對(duì)原系統(tǒng)的背景知識(shí)及限制條件作描述，不指出對(duì)原系統(tǒng)做哪些改變。因此情景描述不能直接給出解決方案，需要將問題情景轉(zhuǎn)換為小問題來求解。

1.2 小問題描述

（1）問題形式

問題情景可轉(zhuǎn)化為“縮小問題”和“擴(kuò)大問題”兩種形式[6]。“縮小問題”即將問題最小化，對(duì)原系統(tǒng)的改變加以最大化限制，盡量使系統(tǒng)保持不變，達(dá)到消除系統(tǒng)缺陷與完成改進(jìn)的目的。“擴(kuò)大問題”即將問題最大化，對(duì)原系統(tǒng)不加限制，允許系統(tǒng)發(fā)生較大變化。一般情況下，解決問題在能取得積極結(jié)果的同時(shí)，并不要求系統(tǒng)本身有實(shí)質(zhì)性的變化，從而易于實(shí)現(xiàn)和獲得經(jīng)濟(jì)效益[7]。這里的小問題只考慮“縮小問題”形式。（2）小問題提取

從問題情景過渡到小問題，必須刪除情景中給出的多余要素，準(zhǔn)確無誤地反映問題的本質(zhì)：系統(tǒng)中的沖突。小問題中只保留沖突所必要的要素。

TRIZ理論提供STC（Size、Time、Cost）算子思維方法，即將尺寸（S）、作用時(shí)間（T）和成本（C）這三個(gè)因素按照三個(gè)方向、六個(gè)維度進(jìn)行變化，也就是將這三個(gè)因素分別逐步遞增和遞減，遞增可以到最大，遞減可以到最小，直到系統(tǒng)中有用的特性出現(xiàn)。由于“縮小問題”通過引入約束激化矛盾，以發(fā)現(xiàn)隱含的沖突，因此可將該思維方法加以擴(kuò)展應(yīng)用到“縮小問題”中，即把情景描述的限制條件（約束）分別做遞增和遞減，以發(fā)現(xiàn)最具影響力的特征。特征的變化產(chǎn)生不同的結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)沖突。

1.3 小問題提取步驟

在問題情景描述的基礎(chǔ)上，通過STC思維方法的擴(kuò)展運(yùn)用，將問題情景中的限制條件極限化，以使某些重要特征顯現(xiàn)出來，逐漸趨近問題的本質(zhì)。

小問題提取步驟：

（1）進(jìn)行問題情景描述。

問題情景描述應(yīng)簡(jiǎn)明扼要，包含較全面的信息。一般情況下，可進(jìn)行產(chǎn)品系統(tǒng)的主要部件、系統(tǒng)目的、使用對(duì)象和環(huán)境、工具、工作過程、系統(tǒng)主要優(yōu)缺點(diǎn)等方面的描述。

（2）從問題情景中分離出限制條件。

在問題描述中存在某些元素，它們保持不變或變得稍微復(fù)雜的時(shí)候，所要求系統(tǒng)達(dá)到的作用或特性會(huì)呈現(xiàn)。將這些元素列為限制條件。

（3）對(duì)限制條件分別作STC分析，縮小問題，突出沖突。

優(yōu)先選取對(duì)系統(tǒng)的改變最小的限制條件，將其在最大范圍內(nèi)作變化，直到問題失去物理學(xué)意義才是限制條件變化的臨界值。

（4）小問題描述

將步驟（3）中的沖突按以下要素來描述：沖突的元件；產(chǎn)生的沖突；通過引入某元素來消除沖突。

2 小問題資源分析

資源是一切可以開發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息的總稱。高級(jí)的解決方案往往通過利用或改善產(chǎn)品系統(tǒng)或超系統(tǒng)資源而得到，因此在解決小問題之前先進(jìn)行資源分析，找出可用資源，使產(chǎn)品沿理想化方向改進(jìn)。

2.1 TRIZ中資源概述

TRIZ中的資源有顯性資源和隱性資源，顯性資源比較容易發(fā)現(xiàn)，隱性資源很難被利用。在進(jìn)行資源分析時(shí)，應(yīng)盡可能將所有的資源查找出來。TRIZ中認(rèn)為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中擁有八種類型的可用資源[8]，見表1。

表1 TRIZ資源分類

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源表

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作可以充分體現(xiàn)產(chǎn)品的綜合質(zhì)量（即結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)性能和制造性能），因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品質(zhì)量的靈魂。產(chǎn)品的先進(jìn)落后，很大程度上取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量。

為輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)更好地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)中的可用資源，可采用TRIZ理論中九屏幕法進(jìn)行資源搜索。使用九屏幕法要分別在當(dāng)前系統(tǒng)、子系統(tǒng)、超系統(tǒng)上，以及對(duì)應(yīng)的現(xiàn)在、過去、未來的時(shí)間尺度上分析各種資源[9]，這種方法可以有效發(fā)現(xiàn)隱性資源，但由于設(shè)計(jì)者不易打破思維

表2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源表

緊急行動(dòng)原理復(fù)制原理周期性作用原理反饋原理產(chǎn)品系統(tǒng)中場(chǎng)、使用中的場(chǎng)或衍生場(chǎng)等所傳達(dá)的信息產(chǎn)品系統(tǒng)變形物傳達(dá)的信息產(chǎn)品使用中周圍環(huán)境傳達(dá)的信息物質(zhì)的某些特性傳達(dá)的信息產(chǎn)品系統(tǒng)中中介物傳達(dá)的信息生產(chǎn)材料（廉價(jià)、高檔、環(huán)保等）生產(chǎn)廢料可回收利用合理的生產(chǎn)管理（生產(chǎn)設(shè)備的合理利用、生產(chǎn)人員的合理配置、合理的生產(chǎn)流程等）地域差異（使用環(huán)境、生活方式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活需求等）文化差異（風(fēng)俗習(xí)慣、宗教信仰、價(jià)值觀念等）產(chǎn)品需求分析（新的消費(fèi)點(diǎn)、消費(fèi)空缺、消費(fèi)層次等）某類消費(fèi)者的共性特征、興趣愛好、審美觀等使用標(biāo)準(zhǔn)件與其他企業(yè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)生產(chǎn)利用其他企業(yè)生產(chǎn)后的廢料產(chǎn)品的系列化推廣利用關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)利用關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)專利信息、產(chǎn)品其他的未被認(rèn)知的價(jià)值等信息資源生產(chǎn)資源地域、文化資源消費(fèi)及消費(fèi)者資源服務(wù)資源其他資源

定勢(shì)，因此為充分發(fā)現(xiàn)可用資源，在文獻(xiàn)[7]研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征及TRIZ中40條發(fā)明原理，得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源表。如表2所示。

3 案例研究

工業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，停車難問題日益突出。立體車庫具有平均單車占地面積小的獨(dú)特特性，其應(yīng)用前景備受關(guān)注。

步驟1：?jiǎn)栴}情景描述

針對(duì)旅游風(fēng)景區(qū)停車難、與現(xiàn)有立體車庫類型不相配問題提出的垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫設(shè)計(jì)方案[10]，采用雙環(huán)半地下式設(shè)計(jì)，以地面為支撐，可同時(shí)對(duì)兩到四輛車進(jìn)行存取動(dòng)作。該類型車庫提高了用地效率，結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀，可與地下立體車庫配合使用，也可獨(dú)立安裝使用。

圖1所示為垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫的總體框架圖。該車庫采用單側(cè)支撐，內(nèi)外環(huán)獨(dú)立驅(qū)制動(dòng)；內(nèi)外環(huán)支撐系統(tǒng)由主支撐桿和輔助連桿連成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而構(gòu)成；支撐框架與車庫中心回轉(zhuǎn)裝置相連，實(shí)現(xiàn)繞中心固定裝置垂直旋轉(zhuǎn)；懸掛式載車臺(tái)設(shè)置在支撐框架的柱支撐桿端處，兩者之間設(shè)置回轉(zhuǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)載車臺(tái)自轉(zhuǎn)。該車庫的核心技術(shù)是單體回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和中心回轉(zhuǎn)（內(nèi)、外環(huán)回轉(zhuǎn)）系統(tǒng)。中心回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在帶動(dòng)整環(huán)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，承受載車臺(tái)和車輛重量產(chǎn)生的巨大傾覆力矩。因此中心回轉(zhuǎn)裝置的性能直接決定了整個(gè)車庫的性能。

圖1 垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫總體框架圖

步驟2：限制條件分離

從問題情景描述中可以快速分離出背景知識(shí)和限制條件。表3為限制條件列表。

步驟3：STC分析

“縮小問題”應(yīng)盡可能保持原系統(tǒng)不變，因此只對(duì)限制條件4作STC擴(kuò)展。

（1）載車臺(tái)數(shù)遞增時(shí)，由于限制條件3要求所有車輛均在同一側(cè)，因此中心回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在帶動(dòng)整環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)承受較大傾覆力矩。取外環(huán)載車臺(tái)數(shù)為14，承載中型轎車（取2200kg），則主心軸直徑約為800mm，壁厚為60mm，長(zhǎng)度約為6m，與其配合的回轉(zhuǎn)軸套內(nèi)徑為800mm，難以制造和加工。若采用普通軸承作為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，無法承受巨大的徑向力和傾覆力矩。此時(shí)，載車臺(tái)數(shù)與回轉(zhuǎn)裝置之間的沖突有所凸顯。

（2）載車臺(tái)數(shù)與環(huán)半徑成正比關(guān)系。該立體車庫的環(huán)半徑趨于無窮大時(shí)，則變成巨大的升降橫移式車庫，如圖2（a）所示；環(huán)半徑趨于無窮小時(shí)，則變成簡(jiǎn)易升降式車庫，如圖2（b）所示。在對(duì)車庫環(huán)半徑作極限變化時(shí)，車庫的整體結(jié)構(gòu)形式及工作原理都發(fā)生了變化，此時(shí)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)消失。這顯然與限制條件1、2相矛盾。

圖2 （a）升降橫移式車庫（b）簡(jiǎn)易升降式車庫

表3 限制條件列表

步驟4：小問題描述

綜合考慮步驟3：（1）（2）可知，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的存在保證車庫的整體結(jié)構(gòu)外形和工作原理不變，但與載車臺(tái)發(fā)生沖突。這屬于小問題，可描述成：

沖突元件：回轉(zhuǎn)裝置、載車臺(tái)；發(fā)生的沖突：載車臺(tái)數(shù)增加，最有效增加車庫容量，但回轉(zhuǎn)裝置承受力矩越大；必須引入某元素，它能有效完成回轉(zhuǎn)作用，但不影響載車臺(tái)數(shù)。

步驟5：小問題資源分析

結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源表，進(jìn)行資源分析，如表4所示。

表4 相關(guān)可用資源表

4 結(jié)論

在TRIZ理論STC思維方法擴(kuò)展運(yùn)用的基礎(chǔ)上，從工程情景中確定小問題，以此作為后序設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征結(jié)合發(fā)明原理作成資源表，對(duì)小問題進(jìn)行可用資源的搜索，有助于設(shè)計(jì)者跳出問題本身，針對(duì)性地解決問題。該資源表還存在一定的不足，需要進(jìn)一步擴(kuò)充和完善。

垂直旋轉(zhuǎn)立體車庫中小問題提取和資源分析過程表明所提出的小問題提取方法和依據(jù)資源表進(jìn)行資源搜索的方法均是可行的。

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