基于U-TRIZ的SAFC分析模型

張武城，趙 敏，陳 勁，3，姚 威

（1.教育部人文社會科學重點研究基地 清華大學技術創新研究中心，北京 100084；2.中國發明協會，北京 100120；3.清華大學 經濟管理學院，北京 100084；4.浙江大學 發展戰略研究院，杭州 310068）

1 經典TRIZ面臨的問題

經典TRIZ 是 由G.S.Altshuller（1926—1998）本人及其所認可的學生們（從20世紀40年代中期到80年代中期）開發、完善的一套系統化創新方法［1］，其偉大之處在于使發明創新從此走上了一條遵循客觀規律、應用發明方法的道路。前蘇聯解體后，隨著經典TRIZ 的研究人員移居到歐美等西方國家，TRIZ開始向世界擴散，受到了各國學術界和企業界的極大關注和熱捧，被認為是20世紀以來最重大的發明，可與達爾文的生物進化論和馬克思的人類社會進化論相提并論［2-4］。

盡管在過去的20多年TRIZ 應用取得了很大進展，但是總體來說尚未達到人們預想的推廣效果。從學員處經常聽到的反饋是：老師講得激情四射，學員聽得熱血沸騰，但回到企業解決問題時卻不知如何使用。

21世紀初，國際上不少學者開始對經典TRIZ提出質疑并呼吁改革。通過總結，筆者認為經典TRIZ存在以下問題：

第一，經典TRIZ本身體系過于龐大，雖擁有多套定義和分析問題的工具但不夠簡潔明了，雖擁有多套解題工具但彼此間缺乏聯系，既缺乏公理，又缺乏統一結構，并且在技術系統進化的真正動力和解題的核心理念方面缺乏明確的概念［5］。上述特點導致初學者難懂，特別是難以真正掌握和運用。日本TRIZ專家中川徹在日本理工大學曾對日本企業家做過2天培訓，而學員們的反映是——似一頭霧水，沒有聽懂［6］。英國TRIZ 專家曼恩曾做過調查統計：在經過3天的培訓后，只有5%的人能真正地深入理解和掌握TRIZ，多數人不能深入理解［7］。

第二，體系的復雜性導致培訓時間過長且難以掌握。在俄羅斯，早期一些研究TRIZ的學者認為，真正掌握TRIZ至少需要5～8年。在中國，部分高端培訓班的培訓周期長達4個月——每月開展為期1周的集中培訓，其余時間回單位練習應用。學員們普遍反映時間過長、難以堅持到底。Altshuller在一生中的后期曾提出經典TRIZ的下一階段的開發目標：“如何將無限量的創造性問題統一為一種規范形式并提供相應的解決方案”。2014年初，國際TRIZ協會（MA TRIZ）的TRIZ 研究開發委員會（TRIZ R&D Council，TRDC）認為：“現在已經到了對經典TRIZ的主要基本理論進行修訂的時刻了。其中一些最初的基本理論必須予以糾正，以適應新的實際情況。為了進一步推進，TRIZ 界必須在新的基本理論下進行……”。

2 U-TRIZ與SAFC模型

2.1 U-TRIZ概述

筆者基于自身多年來努力學習經典TRIZ和長期深入科研院所、工礦企業開展應用培訓的實踐經驗，結合對當前活躍在以色列、歐美等國家和地區的，包括SIT、USIT 等流行版本在內的現代TRIZ的學習，提出了一個新的TRIZ 的分支理論——UTRIZ。“U”的全拼是Unified，意譯為統一的TRIZ。U-TRIZ的重點在于：

第一，汲取了經典TRIZ 以及現代TRIZ 各分支理論的精華，建立了“物質-屬性-功能-因果”（Substance-Attribute-Function-Result，SAFC）分析模型和U-TRIZ解題流程；

第二，統一并準確定義了各種常用技術術語；

第三，建立了強大的功能屬性效應知識庫；

第四，摸索出一套易學習、易弄懂、易應用、易出成果的培訓方法，有助于在全國范圍內推動創新方法教育的開展，迅速提高全民族的創新意識和創新水平。

U-TUIZ的解題流程如圖1所示。

圖1 U-TUIZ解題流程

人們總是樂于“解決”問題，而不愿在思考定義問題上多花時間。事實上，解決問題必須從“分析系統定義問題”開始。建立一個較好的、用于分析問題的統一模型，由此對技術系統進行深入、嚴謹的分析，可使我們全面認識組成技術系統的每個組件的屬性和功能，梳理問題中隱含的邏輯鏈及其形成機制，為找出問題的根源奠定基礎；從梳理出的邏輯鏈及其形成機制中，找出解決問題的所有可能的“突破點”；從所有可能的突破點中，找出“最優”的突破點，即在現有的資源條件下（知識、技術、時間和成本等）以最小的代價最高效地獲得“理想化最終結果”（ideal final result，IFR）。

在U-TRIZ解題流程中，技術系統分析環節被特別加強，SAFC 分析模型——它是實現迭代創新（產品改進求解）和原始創新的重要工具——就是為此而創建的。

改進的公理化設計理論（axiomatic design theory，ADT）和質量功能展開（quality function deployment，QFD）是實施原始創新（或突破性創新）不可缺失的工具：運用改進的公理化設計理論，通過需求、功能、原理、結構和參數鏈的反復迭代，準確定位市場需求；通過質量功能展開，將市場需求轉化為客戶最希望獲得產品的屬性參數。

限于篇幅，本文無法對U-TRIZ展開全面介紹，僅重點介紹U-TRIZ的獨創分析工具——SAFC 模型。

2.2 SAFC分析模型的基本構成

SAFC分析模型中各種符號的中英文全稱見表1。

表1 SAFC分析模型中的各種符號

屬性是用來闡明物質特性的一個重要概念，可用物質的物理、化學或幾何參數來表達（如物質具有質量屬性，其參數就是重量度量值）。屬性會隨時間的推移、空間的變化而改變，并具有方向性。人們常說“買商品就是買功能”，事實上，人們不僅僅需要功能，還要具有優良屬性的產品。

物質分優良屬性物質、場屬性物質和效應物質。“功能”和“結果”都是兩個物質屬性相互作用的產物。一種物質有多種屬性，同一種屬性由多種物質具有，一種功能可以延展多種屬性。

場是以某一特定物質為載體的一種特殊屬性，某種場也可以由多種物質引起，如磁鐵能夠產生磁場，電流感應能產生磁場，超導環能形成更穩定、更強大的磁場。

效應是屬性的輸入和輸出，是兩個物質屬性相互作用的結果。效應施加在被作用物質上即形成了功能。由于這種施加是必然發生的，因此通常我們認為兩個物質的屬性相互作用形成功能。多個效應組合可形成效應鏈。找到效應后就要找到效應的載體——效應物質，并將效應鏈轉換為SAFC模型鏈。充分運用效應是實現創新發明的一條重要路徑。

在SAFC分析模型中，S1和S2是兩個相互作用的物質，各自對應的屬性為A1和A2。習慣上，將物質S1作為功能載體——發出動作的主體，將物質S2作為接受動作的客體；S3是實現功能后延展產生的、具有屬性A3的第三物質；Fuh是物質S1的屬性A1與物質S2的屬性A2相互作用形成的、可能有用或有害的功能。標準的SAFC 分析模型如圖2 所示。

圖2 SAFC分析模型

2.3 SAFC分析模型的產生

應用SAFC 分析模型，首先要接受一個公理：物質之間的相互作用是一種客觀存在。物質之間必然發生相互作用是公理。恩格斯在《自然辯證法》一書中對兩個有聯系物質的屬性的“相互作用”給予了精湛的說明：“當我們以當代自然科學的觀點，從總體上觀察運動著的物質時，相互作用是在我們面前最先發現的東西。我們觀察到了一系列的運動形式：機械運動、熱、光、電、磁、化學的化合與分解、聚合態的過渡、有機生命。所有它們（如果將有機生命暫時除外），都在相互轉變、互為條件，在一處是原因，在另一處是作用，熱、光、磁、化學是物質的屬性，兩個有聯系物質的相互作用形成功能”。

基于該公理，我們用如下5個推理來表示相互作用的邏輯關系。

推理一：功能是兩個有聯系物質的屬性相互作用的結果，形成一個有用功能或有害功能，如圖3所示。

推理二：兩個物質相互作用后形成的功能衍生屬性可傳遞給第三個物質，如圖4所示。

圖3 推理一

圖4 推理二

推理三：因果是兩個有聯系物質的屬性相互作用的結果，如圖5 所示（下層為因，上層為果）。例如，雙金屬片溫控結構受熱后之所以會變彎，是因為兩個有聯系的金屬片1和金屬片2具有不同的熱膨脹性。

圖5 推理三

推理四：功能和因果都是兩個有聯系物質的屬性相互作用的結果。

由推理一和推理二形成的功能結果與推理三形成的因果結果具有完美的一致性，即物質S1的屬性A1與物質S2的屬性A2相互作用，既形成了功能結果Fuh，也形成了因果結果S3，并且功能結果Fuh通過屬性A3與因果結果S3相關聯，A3既是物質S3的屬性，也是Fuh的衍生屬性。將經典TRIZ中的物場、功能、屬性和因果等多種創新要素整合到一個SAFC分析模型中，正是U-TRIZ的最大創新亮點，如圖6所示。

推理五：因果兩個方面是相互依存、相互聯接的。一個結果的產生，意味著一輪相互作用的結束，也意味著新一輪相互作用的開始。而前一輪相互作用的結果，正是新一輪相互作用的原因，預示著新的要素或全新事物的不斷產生，如圖7所示。

2.4 SAFC分析模型的應用步驟

SAFC分析模型實質上是功能分析模型與因果分析模型的組合體（同時兼顧了物場分析和屬性分析）。

圖6 推理四

圖7 推理五

繪制SAFC分析模型的步驟如下：

第一步，在界定的、有問題的技術系統范圍內，識別并標注出所有相關的物質/組件，如S1和S2。

第二步，按照兩兩相互作用的物質/組件關系，將S1和S2作為三角形底端的兩個頂點，分別向上標出導致兩個物質產生功能的屬性A1和A2。

第三步，在兩個物質的上方（三角形中心位置），標出兩個物質的屬性相互作用后產生的功能Fuh并以實線連接，識別功能的類別，找出有害的、過渡的或不足的功能，確定需要解決的問題。

第四步，找到相互作用的兩個物質的衍生物質S3，并將之置于三角形的頂端。

第五步，用虛線連接S1與S3以及S2與S3，這兩段虛線表示物質屬性的傳遞次序和上層結果S3的成因，再以S3作為下一個SAFC三角形模型分析的起點之一，找到其屬性A3與另一個物質屬性的相互作用，由此形成因果功能鏈。因果功能鏈的終止條件是：當不能繼續找到下一層的原因時；當達到自然現象時；當達到制度/法規/權利/成本等的極限時。

第六步，實施對SAFC 分析模型的轉換，消除有害的或不足的功能，實現技術系統創新。

2.5 SAFC分析模型的轉換

當S1與S2的屬性相互作用而產生有害功能Fh以及不理想的物質S3時，通過轉換SAFC 分析模型可以變有害功能Fh為有用功能Fu，同時可使不理想的物質S3轉變為較理想的物質S4。通過以下3種途徑可實現SAFC分析模型的轉換（見圖8）：①引入效應物質（E）；②引入新的場物質（F）；③引入新的、具有特殊優良屬性的物質（A），引入的新屬性分別與A1、A2或A3相互作用，從而形成新的功能和較理想的物質S3。

圖8 SAFC分析模型的轉換

新屬性可能來自外部引入的新物質屬性，也可能來自物質S1和S2內部未被認識的或尚未被利用的隱性屬性（不是藉由引入外部物質而獲得）。對SAFC分析模型進行轉換的實質是：人們在不同的時空條件下對不同相態的物質屬性實施改變、增加、減少、測量和穩定等精心操作。

舉例說明SAFC分析模型的轉換：為了使帶有襯墊緊固件中的楔子從難以拔出轉換為可以輕易拔出，用具有屬性A4的低熔點合金襯墊替換原先的具有屬性A2的襯墊，如圖9所示。

圖9 SAFC分析模型轉換——以帶有襯墊緊固件中的楔子為例

3 SAFC分析模型的應用實例

3.1 實例1：工程難題解決——杰克遜紀念堂外墻腐蝕問題

杰克遜紀念堂的外墻因總有許多鳥糞而需要經常利用清洗劑清刷。久而久之，杰克遜紀念堂的外墻出現了被腐蝕的跡象。然而，與杰克遜紀念堂相距不遠的林肯紀念堂卻未出現過這種情況。這是什么原因？如何解決？

學過TRIZ的大多數人都知道這個分析案例。作為比較，我們先用現代TRIZ中的經典因果分析、因果屬性分析梳理出其因果鏈，如圖10和圖11所示。經典功能分析模型如圖12所示。

圖10 經典因果分析結果

圖11 因果屬性分析結果

在圖10（經典因果分析）中，很多長方框被用線條串接到一起而形成因果鏈。每個下層長方框是上層長方框的原因，每個上層長方框是下層長方框的結果。每層的原因都可以是問題成因，但是唯有最低層的原因是根本原因。在圖11（改進的因果屬性分析）中，下層屬性向上傳遞，默認兩個物質屬性的相互作用為“與”的關系，下層物質屬性是上層結果的成因，而上層結果的屬性又是更上一層結果的成因之一。即：“破損的外墻”源于“清洗劑”腐蝕了“骯臟的外墻”；“骯臟的外墻”源于“潔凈的外墻”沾上了“大量的鳥糞”；“大量的鳥糞”是“饑餓的鳥”吃了“大量的蜘蛛”而留下的；“大量的蜘蛛”是因為“饑餓的蜘蛛”來吃了“大量的小蟲”；“大量的小蟲”是因為“充足的陽光”為之提供了可供食用的“灰塵”。無論是圖12 還是圖13，一路將原因分解下來，不難看出，去掉一個最低層的根本原因即可解決問題，即設法不產生“有機的灰塵”或沒有“充足的陽光”照射。在開放式大廳里想做到沒有灰塵是不可能的，但是沒有“充足的陽光”卻不是難事。因此，為避免杰克遜紀念堂必須經常用清洗劑清洗墻面的最終解決辦法竟是一個意想不到的、廉價的、極其有效的方案——只需給紀念堂的所有窗戶拉上窗簾！

圖12 經典功能分析模型

在經典功能分析（見圖12）中，從功能分析的邏輯關系來看，鳥糞“污染外墻”和清洗劑“腐蝕外墻”是最終造成外墻破損的有害功能。一路追蹤下去，充足的陽光是有機灰塵滋生蟲卵的“溫床”，如果沒有陽光，也就沒有鳥糞，也就沒有清洗劑“腐蝕外墻”的有害功能了。解題結論同上。

如果采用U-TRIZ 的SAFC 模型分析這個問題，則可得到如圖13所示的分析結果。

圖13 SAFC分析模型實例——杰克遜紀念堂外墻腐蝕問題

從SAFC分析模型可以看出，因果屬性分析和功能屬性分析是同時進行的，完全可以得出同樣的解題方案。在SAFC 分析模型的因果屬性分析部分，由于必須是兩個物質屬性的相互作用，因此兩個物質屬性之間只有“與”的關系，相互作用關系更為嚴謹。

3.2 實例2：技術預測——醫學用核磁共振成像技術的產生歷程

效應是指應用本領域或其他領域的有關定律或科學原理。按照定律規定的原理，將輸入流轉化為輸出流即可實現需要的功能。單一效應往往不足以實現所需功能，多個效應的組合（“效應鏈）會使系統功能更為強大。效應應用模式有多種形式，SAFC分析模型就可以很好地表示這種效應組合與更替關系。

醫用核磁共振成像技術先后獲得了5個諾貝爾獎，是應用效應鏈實現不斷突破創新的典范之一。圖14為醫用核磁共振成像技術誕生歷程的效應鏈；圖15為醫用核磁共振成像技術誕生歷程的因果鏈；圖16 為醫用核磁共振成像技術的SAFC分析模型。

圖14 醫用核磁共振成像技術誕生歷程的效應鏈

圖15 醫用核磁共振成像技術誕生歷程的因果鏈

Isidor Isaac Rabi發現，磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波后，原子核的自旋方向發生翻轉。這是人類對原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。Rabi于1944年首先獲得了諾貝爾物理學獎；Felix Bloch和Edward Purcell共同開發了核磁精密測量的新方法并由此發現了核磁共振效應，于1952年獲得了諾貝爾物理學獎。瑞士物理化學家R.R.Ernst在發展高分辨核磁共振波譜學方面做出了杰出貢獻——包括脈沖傅利葉變換核磁共振譜、二維核磁共振譜核磁共振成像，于1991年獲得了諾貝爾化學獎。瑞士科學家Kurt Wüthrich、美國科學家John B.Fenn和日本科學家田中耕因“發明了利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”，于2002 年共同獲得諾貝爾化學獎；美國科學家Paul Lauterbur和英國科學家Peter Mansfield憑借在核磁共振成像技術領域的突破性成就，于2003 年共同獲得諾貝爾生理學和醫學獎。

圖16 醫用核磁共振成像技術的SAFC分析模型

3.3 實例3：產品改進——腎結石提取器的改進

傳統的腎結石提取器（如圖17a所示）通過手控金屬線拉動夾鉗提取結石，但因手易抖動且夾持力較小而無法破碎較大結石。如何開發一種新的結石提取器以實現對大結石的破碎？問題的關鍵是：必須在小空間內產生一個相對較大的力。而要將原來不穩定的小夾持力變為穩定的大夾持力，需要引入新的效應物質記憶合金，用“熱量”和“伸縮性”兩個物質屬性替換原有屬性——“抖動性”和“拉力”。現代的腎結石提取器（如圖17b所示）將金屬線改為形狀記憶合金傳力線，用熱水加熱形狀記憶合金線至80攝氏度，使之處于超彈性相變收縮狀態，其結果是形狀記憶合金線能瞬間縮短，帶動夾鉗產生很大的夾持力，從而可以破碎較大的腎結石。傳統的和現代的腎結石提取器的SAFC 分析模型轉換如圖18所示。

圖17 傳統的和現代的腎結石提取器示意圖

圖18 傳統和現代腎結石提取器的SAFC分析模型轉換

4 結語

由于SAFC 分析模型將技術系統的物質、屬性、功能和因果四個方面的分析融合在統一的結構中，因此用它來定義和分析問題會獲得意想不到的效能：

第一，SAFC分析模型以相互作用的兩個物質屬性為核心要素，通過結構化、程序化的分析，從因果鏈或功能結構中的每個環節找到解決問題的突破口。

第二，SAFC分析模型可幫助工程師們準確地找到導致技術系統中產生有害功能的物質或組件的屬性，借助于“效應知識庫”對那些不需要的屬性進行變、增、穩、減、測的有效操作。在如今的大數據時代，SAFC分析模型與效應知識庫是上佳匹配。

第三，簡潔明了的SAFC 分析模型可使廣大初學者迅速理解、掌握和運用。

對任何錯綜復雜的技術系統分析透徹之日，即獲得理想化解題結果之時。參照“U-TRIZ 解題流程圖”開展的TRIZ創新方法培訓，一般經歷3個階段、為期80個小時，之后就能獨立地解決相應的發明問題。與過去通常舉辦的200學時的培訓相比，培訓時間實現了大幅縮短，從而使發明創新的時間和周期降至最短、成本降至最低。

［1］ALTSHULLER G S.Creativity as An Exact Science［M］.Gorden and Breach Science Publishers，1979.

［2］張武城.創造創新方略［M］.北京：機械工業出版社，2005：4-6.

［3］陳勁，王方瑞.技術創新管理方法［M］.北京：機械工業出版社，2006：115-117.

［4］趙敏.TRIZ入門及實踐［M］.北京：科學出版社，2009：20-22.

［5］張武城.技術創新方法概論［M］.北京：科學出版社，2009：15-16.

［6］Nakagawa Toru.Extension of USIT in Japan：a new paradigm for creative solving［C］.4th TRIZ Symposium in Japan，at Laforet Biwako，Shiga，Japan，Sept 1-7，2008.

［7］MANN D L.Systematic Innovation for Technical Systems［M］.Lazarus Press，2007：36-37.