基于技術進化趨勢的裁剪方法研究

石衛剛， 楊伯軍， 于　菲， 李祚國， 張二甲

(1.河北工業大學 機械工程學院， 天津 300130；2.國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心， 天津 300130)

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基于技術進化趨勢的裁剪方法研究

石衛剛1，2， 楊伯軍1，2， 于菲1，2， 李祚國1，2， 張二甲1，2

(1.河北工業大學 機械工程學院， 天津 300130；2.國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心， 天津 300130)

裁剪是TRIZ中一種有效解決問題的方法，其通過刪除問題元件，重組系統有用功能進行產品創新設計，達到簡化系統與優化產品的目的.為了啟發和引導設計者在裁剪過程中有效地利用資源，在使用裁剪規則引導創新設計的基礎上，以具有預測性和啟發性的技術進化趨勢作為知識源，綜合分析進化趨勢解題與裁剪規則引導功能重組的資源來源，構建了進化趨勢與裁剪規則的映射關系，提出了基于裁剪規則的多層次進化趨勢選擇策略，利用進化趨勢輔助功能重組，構建了基于進化趨勢的裁剪方法過程模型.最后通過鋼帶鎧裝機裁剪實例驗證了此方法的合理性.

進化趨勢； 裁剪； 功能重組； 裁剪規則； TRIZ

裁剪是發明問題解決理論(TRIZ)中一種減少系統元件并重組系統功能而構成新系統的解題方法，本質是裁剪后系統資源消耗減少[1]，達到刪除有害作用、降低成本、簡化系統、提高理想度等目的.

圍繞裁剪方法，國內外許多學者展開了一系列研究.Mann[2]提出了裁剪元件的優先選擇順序，產生有害、過剩、不足功能越多的元件應優先被裁剪.許棟梁[3]在已有基于元件間作用關系的有用功能分配規則基礎上，擴展出6條裁剪規則，基于裁剪規則建立了系統化的裁剪方法應用流程.于菲[4]在基于價值評價的裁剪元件確定方法基礎上進行了改進，提出基于理想化水平的系統元件裁剪優先權評價方法.高長青等[5]論述了基于功能分析的裁剪方法.目前，裁剪方法實施主要是通過裁剪規則引導設計者的主觀分析而進行裁剪，由于裁剪規則僅指出有用功能分配的宏觀方向，搜索可利用資源的盲目性較大，不利于設計者操作，功能重組時缺乏客觀知識的引導和啟發[1]，一方面易使設計者受到慣性思維的誤導，另一方面使設計資源的獲取過分受制于設計者的知識水平和經驗，阻礙了設計者獲得高理想度的創新解，雖然文獻[1]提出了基于知識啟發的裁剪方法應用過程，但由于知識源過于龐大，設計者在選用裁剪方法集時仍存在一定盲目性.

技術進化理論中的進化趨勢具有預測性和啟發性，黃鈺婷[6]以進化趨勢為解題工具，論述了以功能屬性關系辨識進化趨勢的應用過程，文獻[2]認為進化趨勢可作為系統進化策略的預測工具和解題工具，進化趨勢可幫助設計者快速定位啟發解范圍，因此本文引入進化趨勢指導設計者進行功能重組.以新功能載體來源不同為依據，將文獻[3]中擴展的6類裁剪規則重新劃分為3類，并且將文獻[2]提出的進化趨勢對應于裁剪規則，提出多層次進化趨勢選擇策略，在功能重組過程中利用進化趨勢輔助解題，構建了基于技術進化趨勢的裁剪方法過程模型.

1　進化趨勢與裁剪規則映射關系構建

1.1進化趨勢概述

技術進化定律指出了系統或組件發展的一般方向，是技術發展過程中的客觀規律[7]，但沒有指出每個方向的進化細節，而技術進化趨勢是進化定律的進一步細化，故本文將具有預測性和啟發性的進化趨勢作為啟發源.Altshuller[8]通過對世界專利庫中大量專利的分析，發現并確認了技術在結構上進化的趨勢，最先提出8條進化定律.Fey等[9]在以往TRIZ研究成果的基礎上，將技術進化定律歸納為9條，由于進化定律過于宏觀，操作性差，很難被用于解決問題.Mann[2]將進化定律進一步細化，提出37個進化趨勢(如表1)，從時間、空間和界面三個方面對進化趨勢進行了劃分，描述了系統組件進化趨勢的方向，指出每個進化趨勢都有不同的進化狀態，其較為具體、詳細，能夠作為解決問題的工具，其中市場進化趨勢和顧客購買所關注的焦點進化趨勢屬于市場趨勢，其不可作為解題工具[6]，故本文共有35個趨勢作為問題解決工具.

表1　37個進化趨勢

進化趨勢的進化狀態表明了技術系統的進化潛能，每個進化趨勢都可表示為由幾個進化狀態組成的進化趨勢鏈(如表2)，它是由一個狀態向下一個狀態跳躍的發展過程，從整體來看，它是朝著系統理想化方向進行的，進化鏈上的每個進化狀態都可以啟發設計者得到啟發解.

表2　進化趨勢鏈

1.2裁剪規則重構

裁剪規則是裁剪方法應用過程中指導有用功能分配的原則.計算機輔助創新軟件TechOptimizer提供了4種基于被裁剪元件功能的有用功能分配途徑[10]，Yeoh[11]提出了3條基于元件間作用關系的系統有用功能分配規則，許棟梁[3]在已有基于元件間作用關系的有用功能分配規則基礎上，擴展出6類裁剪規則.現有裁剪規則中，新功能載體來源區分不明確，資源搜索空間存在交叉，增加了資源搜索的重復性，設計者在選擇裁剪規則時不能準確定位新功能載體來源，以縮小資源搜索空間.為了更好地區分新功能載體來源，本文在文獻[3]中擴展出的6類裁剪規則基礎上，依據新功能載體來源的不同將裁剪規則重新劃分為3類，具體如表3所示.在使用裁剪規則時，按表3中排列順序依次選用.

表3　重新劃分的裁剪規則

1.3基于資源相似性的映射關系構建

TRIZ中資源可分為系統內部資源和系統外部資源兩類[7]，內部資源是指從系統主要零部件獲得的資源,外部資源是指整個系統外部的資源.基于系統內部資源和外部資源的劃分，可將35個進化趨勢按照解題過程中資源來源不同分為2類，第1類利用內部資源操作，第2類利用外部資源操作.

利用系統內部資源操作的趨勢，以系統內組件為新功能載體，提高組件性能，包括結構變化、顏色變化、運動狀態變化等，改善后組件具備了新的功能屬性，故可執行系統中其它組件所執行的功能；利用系統外部資源操作的趨勢，在解題過程中引入系統外組件作為新功能載體，由于引入的組件具備執行系統組件功能的屬性，故可以代替系統內組件執行其功能.

進化趨勢解題過程的實質就是搜索系統內資源或系統外資源進行功能重組，進化趨勢解題時所利用資源的來源與裁剪規則引導的新功能載體的資源來源相似.這一相似性為構建進化趨勢與裁剪規則之間的映射關系模型(如圖1)提供了理論基礎，圖中f1，f2為映射關系函數.

圖1　進化趨勢與裁剪規則的映射關系模型Fig.1　Mapping relationship model of trimming rules and evolution trends

從以上論述可知，進化趨勢指出了裁剪規則2，3中新功能載體來源的具體方向：如趨勢3分割表面、趨勢8增加不對稱性、趨勢9打破邊界等通過改善系統內組件進行解題，則其對應于裁剪規則2；趨勢1智能材料、趨勢4分割物體、趨勢14單-雙-多等通過引入系統外資源解題，則其對應于裁剪規則3.

按照上述方法，將利用系統內資源操作的趨勢劃分在裁剪規則2中，利用系統外資源操作的趨勢劃分在裁剪規則3中，得進化趨勢與裁剪規則的映射關系，如表4所示.由于裁剪規則1不需要新功能載體，本文不作討論.

2　多層次進化趨勢選擇策略

進化趨勢作為TRIZ中解題工具使用時，能夠有效預測系統未來狀態以及啟發設計者獲得高理想度的創新解，但設計者在選擇進化趨勢時較為困難.現有進化趨勢解題多依賴專利數據分析確定進化趨勢[12-13]，由于專利數據分析較為繁瑣，并且需要設計者掌握一定檢索及分析技巧.本文在選擇進化趨勢時，省去了專利數據分析過程，構建了基于進化趨勢與裁剪規則的映射關系層，空間、界面、時間三個角度的劃分層以及功能相似性對比層等多層次的進化趨勢選擇策略模型(如圖2)，具體步驟如下：

表4進化趨勢與裁剪規則的映射關系

Table 4The mapping relationship of trimming rules and evolution trends

規則空間進化趨勢界面進化趨勢時間進化趨勢規則1———規則22,3,5,8,9,10,11,1219,20,21,24,26,27,30,3132,33,34,37 規則31,2,4,5,6,7,10,1314,15,16,17,18,25,28,2933,35,36,37

1)初次篩選.設計者在選擇裁剪規則后，在進化趨勢與裁剪規則的映射關系表中選擇相應的進化趨勢.

2)二次篩選.分析裁剪元件及其問題沖突區域等，分別從空間、界面、時間三個角度選擇進化趨勢，為了便于設計者篩選進化趨勢，本文給出了空間、界面、時間進化趨勢的概念以及解題范圍，如表5所示.

表5空間、界面、時間進化趨勢的概念及解題范圍

Table 5The concept of evolution trends about space、interface and time, and scope of the problem solving

概念及解題范圍空間進化趨勢界面進化趨勢時間進化趨勢概念空間是與時間相對的一種物質客觀存在形式,物與物的位置差異度量稱之為“空間”,空間由長度、寬度、高度、大小表現出來界面是指2個或多個不同物相之間的分界面.界面是人與物體互動的媒介,體現了一定的交互性時間是一個較為抽象的概念,是物質運動、變化的持續性和順序性的表現解題范圍結構沖突、空間沖突、組件幾何變化、物質的物理結構變化等組件或功能數量變化、交互作用、人機交互、外觀等時間沖突,運動、變化的持續性和順序性,如頻率、共振、協調性等

圖2　多層次進化趨勢選擇策略模型Fig.2　The model of selection strategy with multi-level of evolution trend

3)三次篩選.基于前兩次選擇的進化趨勢，分析裁剪元件及其功能與進化鏈中進化狀態及其功能的相似性，對比確定能夠滿足新功能載體功能需求的進化趨勢.

3　基于技術進化趨勢的裁剪方法過程模型

本文所研究裁剪方法對原有裁剪方法作了改進，引入進化趨勢輔助功能重組.進化趨勢輔助功能重組黑箱模型(如圖3)是構建新的裁剪方法過程模型的核心內容，其主要分為進化趨勢選擇和進化趨勢解題兩部分，在刪除被裁剪元件后，需要對系統進行功能重組，故設計者可依據多層次的進化趨勢選擇策略模型選擇進化趨勢，進而利用進化趨勢解題，啟發設計者獲得創新解.通過以上分析，為設計者掌握此黑箱模型的內部框架提供了詳細的理論知識以及方法流程，為構建基于技術進化趨勢的裁剪方法過程模型奠定了基礎.

圖3　進化趨勢輔助功能重組黑箱模型Fig.3　Black-box model of functional reorganization with evolution trends

基于技術進化趨勢的裁剪方法過程模型如圖4所示，具體步驟如下：

1)選擇目標系統.目標系統可以是產品、系統或已有方案.

2)功能分析.依據系統各組件之間關系(有用功能、不足功能、過剩功能、有害功能)，構建系統功能模型.

3)確定裁剪元件，并依據根原因分析、成本分析或有害功能分析等確定裁剪元件優先順序.

4)確定裁剪規則.按順序依次選用裁剪規則，找到符合要求的裁剪規則.若裁剪規則1符合要求則直接轉至步驟7)，若規則1不符合要求則依次選用裁剪規則2,3，轉至步驟5).

5)選擇進化趨勢.針對選擇的裁剪規則，依據多層次的進化趨勢選擇策略模型確定進化趨勢，在此，也可借助根原因分析及有害作用分析輔助確定進化趨勢.通常在根原因分析中，沖突區域所違背的進化趨勢就是系統或組件潛在發展方向.

6)進化趨勢解題.定位系統或組件在進化鏈中的當前狀態，分析得出潛力狀態，由潛力狀態啟發得到啟發解:對于裁剪規則2，啟發解為符合潛力狀態要求的系統內組件，可提高或挖掘系統內組件的功能屬性;對于裁剪規則3，啟發解為系統外組件.

7)評價.以理想性和可行性作為評判標準，對裁剪后模型進行評判，若滿足要求，則輸出創新方案，反之，則重新確定裁剪元件繼續進行裁剪操作.在本文中，理想性評價主要包括組件數、成本、有害作用等因素，可行性評價包括結構、技術以及原理等方面.

圖4　基于進化趨勢的裁剪方法過程模型Fig.4　The process model of trimming method based on evolution trends

4　實例應用——鋼帶鎧裝機裁剪創新設計

電纜行業是我國僅次于汽車行業的第二大行業[14-15]，在一些要求電纜承受拉力的情況下，電纜需要加裝鋼帶鎧裝層，即在電纜絞線上繞包鋼帶，形成鋼帶鎧裝電纜.鋼帶鎧裝機如圖5、圖6所示.鋼帶鎧裝電纜的出現解決了電纜抗拉以及防護等問題，但企業在實際生產過程中存在一些急需改進的問題.

目前主要是把鋼帶均勻纏繞在絞線上，鋼帶盤裝在鋼帶盤軸上，工作時鋼帶盤隨軸一起轉動.然而，當鋼帶盤轉速太高時，回轉產生不平衡的離心慣

圖5　鋼帶鎧裝機Fig.5　Steel tape armoring machine

性力系，離心慣性力系發生周期性變化，致使在承載中產生附加動壓力，影響機器的強度并降低機械效率[16]，同時會引起機器振動.長期高速旋轉，勢必會影響機器穩定性，甚至會造成事故，存在很大的安全隱患[17].現對該機進行改進，采用裁剪方法解決問題.

圖6　當前鋼帶鎧裝機結構示意圖Fig.6　The structure diagram of current steel tape armoring machine

4.1裁剪元件確定

對鋼帶鎧裝機進行功能分析，建立其功能模型(如圖7)，找出其有害作用、不足作用及過剩作用.由問題根原因分析可知，鋼帶盤軸帶動鋼帶盤間歇運動造成變化的離心力，容易引起機器振動，存在安全隱患.確定裁剪元件為鋼帶盤和鋼帶盤軸等.現已知鋼帶盤較重，由離心力公式可知鋼帶盤及鋼帶自重是產生巨大離心力的一個重要因素，但鋼帶盤為儲存鋼帶裝置，故不能裁剪，因此將對鋼帶盤軸進行裁剪.最終確定裁剪元件為鋼帶盤軸.

圖7　鋼帶鎧裝機功能模型Fig.7　The functional model of steel tape armoring machine

4.2進化趨勢輔助功能重組

4.2.1進化趨勢的選擇

基于對系統的分析，發現裁剪規則1不可行，則選擇裁剪規則2，原來元件執行之功能由系統內組件執行，即鋼帶盤軸所提供的旋轉、支撐等功能由鎧裝機系統內組件執行.由于鋼帶重量大，鋼帶高速旋轉產生的離心力較大，機器振動嚴重，存在很大安全隱患，所以旋轉不能太快.問題涉及時間、頻率、振動等因素，則從時間進化角度篩選進化趨勢，依據功能相似性對比最終選擇協調性動作趨勢和協調性節奏趨勢.

4.2.2進化趨勢解題

由于裁剪造成對鋼帶盤的支撐、固定、旋轉等功能缺失，故依據“下一發展狀態”在系統內尋找能夠提供這些功能的組件.在表2中查看協調性動作趨勢和協調性節奏趨勢的各個進化狀態，找出符合功能屬性要求的下一發展狀態為部分協調動作和周期協調動作.

受表6中進化狀態啟發尋找動作協調性的組件或周期運動組件，顯然系統內組件鎧裝機縱軸即滾筒符合條件.由滾筒執行鋼帶盤軸的功能，鋼帶盤橫穿在鎧裝機滾筒上，進而形成創新解即裁剪后模型，如圖8所示.

表6鋼帶鎧裝機的進化趨勢解題過程

Table 6The solution process with evolution trends of the steel tape armouring machine

趨勢名稱問題當前狀態下一發展狀態啟發解協調性動作不協調動作部分協調動作協調結構協調性節奏連續的動作周期動作鋼帶盤周期旋轉

圖8　鋼帶鎧裝機裁剪后模型Fig.8　The model after trimming of steel tape armoring machine

4.3評價

以理想性和可行性作為評判標準對裁剪后模型進行評價.首先，此方案在裁剪過程中刪除了系統內組件鋼帶盤軸，沒有引入新組件，達到了減少系統組件的目的；鋼帶盤橫穿在滾筒上，軸向旋轉，受力均勻，回轉過程中不會產生不平衡的離心慣性力系，可消除振動、噪聲等有害作用，機器運行過程中的穩定性得到了保障，故可提高鋼帶盤轉速，進而提高了生產效率；組件數的減少和生產率的提高可使其成本降低，則系統理想性得到提高.其次，裁剪后模型在原有方案基礎上作了改進，利用滾筒執行鋼帶盤軸的功能，由于工作時滾筒本身處于旋轉狀態，且強度較高，故可代替鋼帶盤軸實現支撐、旋轉等功能，方案在原理上可行.鋼帶鎧裝機新結構已通過三維軟件建模仿真(如圖9)，且現有機械加工技術能夠為其提供技術支撐，方案已經過某電纜企業工程師驗證.本方案對機器結構進行了改進，提高了機器性能，滿足設計要求，則輸出創新方案(如圖10).與當前鎧裝機方案比較，對實施裁剪后方案進行評價，如表7所示.

圖9　鋼帶鎧裝機新結構的建模仿真Fig.9　The modeling and simulation of steel tape armoring machine

圖10　鋼帶鎧裝機創新方案Fig.10　The innovative solution of steel tape armoring machine

評價項目評價結果理想性組件數刪除了鋼帶盤軸,由滾筒執行其功能,組件數減少有害作用/性能消除了振動、噪聲等有害作用,提高了機器穩定性,提高了出線率成本降低可行性技術加工技術與原方案相似,現有機械加工技術能夠制造實現結構已通過三維軟件建模仿真,驗證了結構可行性原理工作時滾筒本身旋轉,且強度較高,可代替鋼帶盤軸實現支撐、旋轉等功能

5　結束語

本文在現有裁剪方法應用方式及裁剪規則分類的基礎上，將裁剪規則依據新功能載體來源重新劃分為3類，并基于此分類原理建立了進化趨勢與裁剪規則的映射關系，同時建立了多層次進化趨勢選擇策略與進化趨勢輔助功能重組黑箱模型，構建了基于進化趨勢的裁剪方法過程模型.該模型利用進化趨勢指導設計者進行有用功能重組，為裁剪過程中資源的利用指明了方向，為獲得高理想度的創新解創造了條件，在有效彌補傳統裁剪方法資源分配盲目性的同時具有更強的可操作性和可預測性.

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Study of trimming method based on technology evolution trends

SHI Wei-gang1，2， YANG Bo-jun1，2， YU Fei1，2， LI Zuo-guo1，2， ZHANG Er-jia1，2

(1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center， Tianjin 300130， China)

Trimming is an effective method to solve problem in TRIZ, which simplifies the system and optimizes product by removing problem elements and reorganizing useful functions in system. In order to inspire and guide designers to use resources effectively in the process of trimming, technology evolution trends as the source of knowledge on the base of using trimming rules to guide the innovative process was introduced. The source of resources in problem solving with the evolution trends and function reorganizing guided by trimming rules was comprehensively analyzed, then the mapping relationship between evolution trends and trimming rules was established, a multi-level selection strategy of evolution trends based on trimming rules was proposed, evolution trends were utilized to assist the process of function reorganization. On this basis, the model of trimming process which based on evolution trends was proposed. Finally, the trimming case of armoring machine verified the rationality of the process.

evolution trend; trimming; function reorganization; trimming rule; TRIZ

2016-04-07.

本刊網址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國家自然科學基金資助項目(51275153).

石衛剛(1990—)，男，山西長治人，碩士生，從事創新設計研究，E-mail:244582694@qq.com.

通信聯系人：于菲(1986—)，女，河北保定人，博士，講師，從事產品創新設計等研究，E-mail: feiyu529@126.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.001

TH 122

A

1006-754X(2016)04-0301-08

http://orcid.org//0000-0002-4231-7191