融合發明問題解決理論與可拓學的多沖突網簡化與求解策略

摘要：

針對因產品系統功能復雜程度高而導致的多沖突網絡求解過程繁瑣的問題，研究了多沖突網的簡化與求解策略。首先，通過可拓基元模型對沖突進行描述，結合基于功能模型的因果分析法構建多沖突網絡，從沖突在網絡中的拓撲特性和客戶需求程度兩個方面應用優劣解距離法（TOPSIS）構建綜合評價體系，挖掘網絡中的關鍵沖突。然后，提出了關鍵子沖突網絡的拆解方法，將與關鍵沖突相關的沖突提取出來形成子沖突網。最后，提出了多沖突網簡化規則，通過可拓變換對沖突間相關關系進行解除，將簡化后的子沖突網進行整合，運用TRIZ工具對關鍵沖突進行求解，從而提出了多沖突網簡化與求解策略。以爬樓輪椅為實例進行分析，驗證了該策略的可行性和有效性。

關鍵詞：多沖突網；發明問題解決理論；可拓變換；爬樓輪椅

中圖分類號：TB 472

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.10.010

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Incorporating Simplification and Solution Strategies of Multi-conflict

Network in TRIZ and Extenics

XU Chenhui1，2" ZHANG Jianhui1，2" GUO Xiangdong1，2 ""DING Zhaoqi1，2nbsp; ZHANG Shun1，2

1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin，300401

2.National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center，Tianjin，300401

Abstract： In order to solve the problems of high functional complexity of product systems and tedious conflict solving processes， the strategies for simplifying and solving multi-conflict networks were investigated herein. Firstly， the conflicts were described by using the extensible basic element models， and a multi-conflict network was constructed by using the causal analysis methods based on functional models. In order to identify key conflicts the techniques for order preference by similarity to ideal solution（TOPSIS）methods were applied to establish a comprehensive evaluation system from the perspectives of the topological characteristics of conflicts in the network and the degree of customer requirements. Secondly， a method for decomposing key sub-conflict networks was proposed to extract conflicts related to key conflicts and form sub-conflict networks. Finally， a set of rules for simplifying multi-conflict networks was proposed， which utilized extensible transformations to eliminate the relationships between conflicts. The simplified sub-conflict networks were then integrated， and the TRIZ tool was used to solve the key conflicts， so as to put forward a strategy for simplifying and solving multi-conflict networks. The feasibility and effectiveness of this strategy were demonstrated through the analysis of an intelligent stair-climbing wheelchair as an example.

Key words： multi-conflict network； theory of inventive problem solving（TRIZ）；extension transformation；stair-climbing wheelchair

收稿日期：20230907

基金項目：國家創新方法專項（2018IM040300）；河北省自然科學基金（E2021202097）

0" 引言

隨著系統功能復雜程度急劇增加，復雜設計問題中隱含的沖突也從單一沖突向多沖突轉變［1］。多沖突問題不是單一沖突的簡單疊加，沖突間存在著復雜的層次和邏輯關系，呈現出沖突網絡的現象。發明問題解決理論（TRIZ）是由Altshuller提出并發展成為系統化的技術創新方法，它給出了解決單個沖突的方法［2］。在此基礎上，強勢思維一般理論（OTSM）的提出為系統地解決多沖突問題提供了新的方向［3］。國內外學者對多沖突問題的研究主要分為沖突間關系的分析、關鍵沖突的挖掘等。

為理清沖突間錯綜復雜的關系，便于后續的分析和求解，KHOMENKO等［4］通過構建問題網絡，同時考慮問題與部分解決方案，建立了問題網絡中各個因素間的因果關系；CAVALLUCCI等［5］采用網絡圖的形式表達了問題或沖突之間的動態關系；BIELEFELD等［6］提出了基于模型的系統工程（model-based systems engineering， MBSE），將系統內不同功能和組件之間的交互和依賴關系透明地顯示出來，從而高速和快捷地制訂沖突。

確定關鍵沖突是高效解決復雜的多沖突問題的可行策略。CAVALLUCCI等［7］提出“矛盾云”的概念，減少了關鍵沖突選擇的模糊性。為了克服主觀性評價的缺點，BELDUSSU等［8］提出了一種包括有關客戶價值指標的優先考慮技術沖突的策略。邵鵬等［9］構建了一個Cynefin框架，根據外部環境的不同，將問題分為5個類別，并運用TRIZ工具對每個類別的沖突進行轉換，以便更好地挖掘其中的沖突。

關于多沖突問題的求解，現有研究大多數側重于關鍵節點的挖掘，通過對關鍵節點的求解來達到簡化沖突求解過程的目的，卻忽視了沖突網絡中對沖突間關系的拆解可極大簡化多沖突網絡的復雜程度，從而降低復雜系統中多沖突問題的求解難度。因此，本文首先確定沖突網絡的節點重要度評估指標，通過優劣解距離法（technique for order preference by similarity to ideal solution， TOPSIS）對沖突網節點進行客觀的綜合評估，建立沖突網評估體系，挖掘沖突網中的關鍵沖突；其次，結合沖突網拆解方法，摘取與關鍵沖突相關的子沖突網，并對其進行拆分，依據簡化規則確定沖突網簡化流程；然后，根據可拓傳導變化對沖突間相關關系進行解除，將簡化后的子沖突網進行整合，并運用TRIZ中相關工具對其中的關鍵沖突進行求解；最終提出了基于可拓相關關系的多沖突網求解策略。

1" 沖突網的構建

1.1" 沖突的基元表示

可拓理論通過基元理論形象化地描述事物及事物之間的關系，為知識的表達提供了新的工具［10］。在工程設計過程中，對技術系統中的任一元件進行改變都會對其他元件產生影響，最后導致系統產生積極或消極的影響，即會產生沖突。結合基元模型中的動態物元模型，可以更好地表示由參數之間的相關變化引起的沖突，為后續研究提供理論基礎。將構成沖突的參數分為控制參數CP、過程參數IP、評價參數EP三類。

（1）控制參數CP用于描述設計對象，不能對設計對象進行評估，它的值由設計者根據特定問題進行直接選擇，與TRIZ中的物理沖突直接對應。

（2）過程參數IP用于描述受設計對象影響的相關元件，即不對設計對象進行評估，也不對設計任務進行評價，它的值由控制參數、相關領域知識及自然規律所決定。

（3）評價參數EP用于評價設計任務的標準，它與設計對象相關，不能人為選擇，而是由系統分析得出，它可以約束功能評價值，與TRIZ中的技術沖突相對應。

沖突可表示為

Cm（t）=Cm（t）CPivi（t）IPjvj（t）EPhvh（t）=

（Cm（t），c，vm（t））（1）

沖突Cm（t）由相關參數CPi、IPj、EPh構成，其中過程參數和評價參數的量值vj（t）、vh（t）隨著控制參數vi（t）的改變而發生變化。

1.2" 沖突間的內部聯系分析

隨著系統復雜程度的提高，元件之間的耦合程度也逐步增加，沖突由單沖突向著多沖突發展。該過程可用圖1a表示，當控制參數CPA正向取值時，會導致過程參數IPB與過程參數IPD發生適應性改變，最終導致評價參數EPC的改善與評價參數EPE的惡化，反之，相反。此時由參數A、B、C、D、E構成沖突C1，對控制參數CPA而言，是物理沖突，對評價參數EPC，EPE而言，是技術沖突。可通過可拓學中的基元模型對沖突進行規范化表達。同理，參數F、D、G、H、I構成沖突C2，其中參數IPD作為沖突C1與沖突C2的共同過程參數，在控制參數CPA與CPF的影響下具有同向的取值，即沖突C1與沖突C2相關，記作C1→C2。如圖1b所示，當共同過程參數為評價參數時，沖突C1與沖突C2的控制參數共用一個評價參數或者多個評價參數；當共同過程參數為控制參數時，沖突C1與沖突C2共用同一個控制參數，該參數被多個評價參數評價；當共同過程參數超過2個時，沖突C1的過程參數是沖突C2的控制參數。復雜問題中的沖突并非孤立存在，而是存在著復雜的相互關聯性。找出所有的沖突后，建立沖突列表，分析構成沖突的參數，可以得到多沖突間的

內部結構。沖突間的基本關系分為4種，即單沖突、沖突鏈、沖突樹、沖突環，如圖2所示，還存在由4種基本關系組合而成的復合沖突。

（a）沖突鏈" （b）沖突樹（c）沖突環" （d）單沖突

（1）單沖突。沖突之間相互獨立，各個沖突之間沒有共同的過程參數。

（2）沖突鏈。多個沖突間存在因果關系：當沖突C1與沖突C2之間存在共同過程參數IPi，即C1→C2，沖突C2與沖突C3之間存在共同過程參數IPt，即C2→C3，且IPi≠IPt時，沖突C1、C2、C3之間成鏈狀沖突，記作C1→C2→C3。

（3）沖突樹。一個沖突導致多個沖突的產生：當沖突C1與沖突C2之間存在共同過程參數IPi，即C1→C2，沖突C1與沖突C3之間存在共同過程參數IPt，即C1→C3，且IPi≠IPt時，沖突C1、C2、C3之間成樹狀沖突，記作C1→{C2∪C3}。

（4）沖突環。多個沖突成鏈狀沖突，沖突首尾相接，互相影響：當沖突C1與沖突C2之間存在共同過程參數IPi，即C1→C2，沖突C2與沖突C3之間存在共同過程參數IPl，即C2→C3，沖突C3與沖突C1之間存在共同過程參數IPs，即C3→C1，且IPi≠IPl≠IPs時，沖突C1、C2、C3之間成環狀沖突，記作C1→C2→C3→C1。

（5）復合沖突。多沖突網絡中沖突間關系錯綜復雜，多沖突網同時存在著由沖突鏈、沖突樹、沖突環等沖突間基本關系復合而成的沖突，主要分為多鏈、多樹、多環、鏈樹、鏈環、樹環等6種復合沖突。其中，多鏈是沖突鏈之間存在著任意的共同沖突節點Ci；多樹是沖突樹之間共享著同一個C1；多環、鏈樹、鏈環、樹環是沖突環之間存在任意的共同邊（i，j）。

1.3" 沖突網的構建

結合TRIZ理論中基于功能模型的因果分析方法，確定目標產品的沖突區域［11］。每個問題表象的出現都與特定的元件或參數直接相關，而這些元件或參數未達到預期是與更底層的參數變化不符合要求直接相關。通過不斷挖掘更底層的元件和參數，可以找出問題發生的根本原因。當存在共同原因D時，該原因導致不同的問題表象，因此與該原因直接相關的元件或作用的參數為控制參數CP，它導致的不同的上層問題表象為評價參數EP，中間原因為過程參數IP。如圖3所示，其中，C表示一個結果受兩個或兩個以上原因綜合影響，當這些原因綜合作用到一定程度時才會導致結果的產生。O表示一個結果是由兩個或兩個以上原因造成，但只要存在其中一個，那么這個結果就會發生。

通過對沖突間相關分析的整體分析，建立多沖突網G=（C，e），如圖4所示。節點集合C={C1，C2，…，Cn}，根據基于功能模型的因果分析方法可以獲得相應的沖突Ci（i=1，2，…，n），作為構成多沖突網的節點集合中的要素。邊集合e={（1，1），（1，2），…，（i，j），…，（n，k）}（i，j=1，2，…，n，klt;n），（i，j）表示沖突Ci與沖突Cj之間存在相關性，作為構成多沖突網的邊集合中的要素。

2" 基于TOPSIS法的關鍵沖突挖掘

在構建完多沖突網之后，由于沖突間存在錯綜復雜的關聯性，因此解決起來仍然存在諸多問題，需要找出多沖突網中的關鍵沖突并加以解決。針對多沖突網絡中沖突節點重要性評價指標如何選取的問題，本文結合實際情況，從沖突網絡的拓撲結構、客戶對設計目標的需求重要程度等多個角度出發，確定沖突網評價指標，如表1所示。

度Ki指的是節點Ci與其他節點連接的連邊數量。度指標直觀地體現了節點在網絡中的連接特性，節點的度越大，與之相連的節點就越多，該節點在網絡中的重要程度也就越大。

Ki=∑jaij" aij=1" i與j直接連接0i與j不直接連接

結構洞Fi

C1和C2與C3存在聯系，但C1與C2不存在關系，相當于C1與C2之間存在一個空洞。C3作為中間節點，較C1和C2在網絡中具有更高的重要性。用網絡節點平均度來計算結構洞形成時所受到的約束系數，約束系數越小，則節點受到限制程度越小［12］。

Fi=∑j∈Γi（Pij+∑qPiqPqj）2" q≠i，j

Pij=aij/∑j∈Γiaij

式中，節點q為節點i和節點j的共同鄰居

接近度CCi

接近度是節點到與之相連的其他節點最短路徑平均值的倒數，在沖突網絡中接近度越大說明該沖突導致的沖突鏈越短，體現出一定的位置的重要度。

CCi=（∑Nj=1dijN）-1

重要程度

滿意度Di

滿意度是顧客對產品的滿意程度，是對產品性能的期望、實際感知二者比較的作用結果。獲取網絡中各沖突節點的評價參數，結合Kano模型得到顧客滿意度指標。滿意度越高，則顧客對該沖突的求解期望值越高，沖突節點重要程度就越大。

S0×S1=cpk0×cpk1=c（p0×p1）k

式中，pi為客戶感知的性能水平，通過市場調研獲取；k為Kano模型中需求的對應值，興奮需求、期望需求、基本需求分別取為1/2、1、2

對各項指標利用熵權法賦權［13］，避免評價指標數據之間的差異，并結合TOPSIS法對沖突和正理想解與負理想解的距離進行測算，離正理想解越近又遠離負理想解則結果越好，反之越差［14］。

（1）運用極值法對數據進行標準化處理，并構建評價體系矩陣B：

bij=cij-cminicmaxi-cmini（2）

B=

b11b12…b1j

b21b22…b2j

bi1bi2…bij（3）

式中，cij（i為評價指標，j為沖突序號）為對應沖突j的指標i的數據;cmini、cmaxi分別為該指標的最大值與最小值。

（2）構造規范化矩陣Rij，計算最優解X+和最劣解X-：

Rij=r11r12…r1j

r21r22…r2j

ri1ri2…rij（4）

最優解X+={r+1，r+2，…，r+j}r+j=maxm rmn（5）

最劣解X-={r-1，r-2，…，r-j}r-j=minm rmn（6）

rij=bij∑ni=1b2ij

式中，r+j為各指標的最大值；r-j為各指標的最小值。

（3）根據各指標到最優解和最劣解的距離D+i、D-i計算貼近度H：

D+i=∑jn=1（rmn-r+j）2（7）

D-i=∑jn=1（rmn-r-j）2（8）

H=D-iD+i+D-i（9）

3" 子沖突網的拆解與簡化

在挖掘出關鍵沖突后，由于關鍵沖突與其他沖突存在著復雜的關系，直接對其求解可能會導致新的沖突產生以及沖突間關系的重構，使得沖突網愈發復雜，因此，可以以關鍵沖突為核心，對沖突網進行拆解，構建關鍵子沖突網，并對其進行簡化求解，可顯著降低沖突網的求解難度。

3.1" 子沖突網的拆解

關鍵子沖突網由沖突網演化而來，其拆解過程如圖5所示，具體流程如下。

（1）挖掘多沖突網中的關鍵沖突，并以其作為初始節點。

（2）從初始節點出發，找出其最短路徑為1所能到達的所有節點，將這些節點記為Kd=1。

（3）從Kd=1的節點出發，找出其最短路徑為1所能達到的所有節點，將這些節點記為Kd=2。

（4）依次找出Kd=3，4，…，n的所有節點，剩余節點與關鍵節點不直接相關，記作Kd=0，并根據沖突網，將節點之間的相關連線連接，得到圖5a所示的沖突網拆解示意圖。

（5）對Kd=1的所有節點進行分析，判斷節點之間是否存在相互作用關系，若存在，判斷以初始節點出發，沖突間節點的關系是否為沖突環或復合型多沖突，若是，則提取相應節點與關系，構建子沖突網，否則進入下一步。

（6）對上一步剩余節點與Kd=2的所有節點進行分析，從中判別是否存在子沖突網，直至對Kd=n的所有節點進行判斷，并獲得子沖突網集{Gi}，如圖5b所示。

3.2" 子沖突網的簡化規則

經過對沖突網的拆解，獲得以關鍵沖突為核心的子沖突網集{Gi}后，根據子沖突網節點之間關系的不同類型，采用可拓學中相關關系的弱化與解除方法，以減弱和解除沖突之間的相關關系，從而達到簡化沖突網的目的。子沖突網簡化規則如表2所示。

3.3" 子沖突網的簡化與求解方法

將對象Γ0改變為另一個同類對象Γ（參數的量值及元件）或多個同類對象Γ1、Γ2、…、Γn的變換［15］，稱為對象Γ0的可拓變換。通過可拓學中的工具解決基元之間的相關關系，對共同參數的元件本身進行可拓變換，可以使沖突基元之間的相關變為不相關。對基元的基本變換包括置換變換、增刪變換、擴縮變換、分解變換和復制變換。

通過可拓學中的物元模型對元件進行規范化描述（N=（N，c，v））是可拓變換的基礎，其中，N

為共同參數的元件，是進行可拓變換的對象；c為元件導致沖突產生關聯的參數，即共同參數；v為該參數的量值，是對象某屬性的數量、程度、范圍。為解除沖突基元之間相關關系，一般對元件基元Ni采用基本變換中的置換變換、分解變換

針對獨立的基本類型多沖突關系，優先對沖突環進行簡化，通過對邊（1，3）的解除，使得沖突環變換為沖突鏈，對于沖突鏈與沖突樹，可直接通過對核心沖突C1運用TRIZ工具進行求解，從而實現多沖突的求解。

復合類型多沖突

多鏈

針對由多條沖突鏈復合而成的多沖突，可通過對多鏈的共同節點的邊解除，使得多鏈變換為單鏈，例如：C1→C2→C3與C1→C2→C4→C3兩條沖突鏈構成多鏈，C2為共同節點，可通過對邊（2，4）的解除進行簡化。

多環

針對由多條沖突環復合而成的多沖突，可通過對多環的共同邊解除，使得多環變換為多鏈或單沖突，例如：C1→C2→C3→C1與C1→C5→C4→C3→C1兩條沖突環構成多環，（1，3）為共同邊，可通過對邊（1，3）的解除進行簡化。

多樹

針對由多條沖突樹復合而成的多沖突，可通過對多樹的共同節點解除，使得多樹變換為單沖突，由于C1為關鍵沖突，因此多樹無需簡化。

鏈樹

針對由沖突鏈與沖突樹復合而成的多沖突，可通過對鏈樹共同節點的沖突鏈的邊解除，使得鏈樹變換為多樹，例如：沖突樹C1→{C2∪C3}→C4與沖突鏈C1→C2→C4→C3構成鏈樹，C4為共同節點，可通過對邊（4，3）的解除進行簡化。

鏈環

針對由沖突鏈與沖突環復合而成的多沖突，可通過對環的簡化，使得鏈環變換為多鏈，例如：沖突環C1→C2→C3→C1與沖突鏈C1→C2→C3→C4構成鏈環，可通過對邊（1，3）的解除進行簡化。

環樹

針對由沖突樹與沖突環復合而成的多沖突，可通過對環的簡化，使得鏈環變換為沖突樹，例如：沖突環C1→C2→C3→C1與沖突鏈C1→C2∪C4構成環樹，可通過對邊（1，3）的解除進行簡化。

及復制變換。

（1）置換變換。對元件基元Ni進行發散分析，從該發散基元集中尋找可代替Ni的元件基元。針對元件Ni，尋找可與其實現同一功能但是類型、參數不一致的元件進行代替，從而實現沖突間相關關系的解除，如圖6所示。

（2）分解變換。首先分析元件基元Ni是否為可分基元，若是，則可以將基元Ni分解為多個基元。針對元件Ni，判斷該元件是否具有多個相互影響的特征參數，且該特征參數為沖突的過程參數，若是，則可以將元件Ni分解為多個相互相關的元件，通過多個元件共同實現元件Ni的功能，從而實現沖突間相關關系的解除。

（3）復制變換。對一個元件基元Ni進行復制，使其變為多個一樣的元件基元Ni。在系統條件允許的情況下，元件Ni同時參與不同的子系統，可以通過復制元件Ni，使得不同子系統各有一個元件Ni，從而實現沖突間相關關系的解除。

通過可拓變換理論對沖突間相關關系進行解除及TRIZ工具對沖突進行求解，沖突網的簡化求解步驟如下：

（1）將沖突網拆解為子沖突網，并根據子沖突網簡化規則，確定需要解除的沖突基元之間的相關關系。

（2）判斷沖突之間共同參數是否有且只有一個，且為過程參數，如是，則沖突基元之間間接相關，否則，沖突基元之間直接相關。

（3）若步驟（2）中沖突基元之間為直接相關，則無法解除相關關系，跳至步驟（6）。

（4）若步驟（2）中沖突基元之間為間接相關，則對與該過程參數對應的元件進行分解變換或置換變換，使得該過程參數對應的特征無法產生作用，或發生變化，導致兩沖突基元不再相關。

（5）步驟（4）對相應元件進行可拓變換，原有的相關關系解除會產生新的相關關系，判斷是否依然為共同過程基元，是否需要重新解除，若是，繼續步驟（3），否則，跳至步驟（6）。

（6）對所有子沖突進行簡化，將簡化后的子沖突網整合為沖突網，對關鍵沖突進行求解。

（7）對關鍵沖突的技術沖突與物理沖突進行規范化表達，通過發明原理對技術沖突進行求解，通過分離原理對物理沖突進行求解，獲得初步解，并通過篩選確定最終解。

3.4" 沖突網的簡化與求解策略

綜合以上內容，建立基于可拓相關關系的多沖突網求解策略，該求解步驟分成3個階段。階段一是多沖突網的構建：通過對待改進的系統進行分析，挖掘其中的沖突與沖突之間的相關關系，建立多沖突網絡。階段二是關鍵子沖突網的拆解：運用TOPSIS法確定多沖突網中的關鍵沖突，并以此為起點進行拆解，獲得子沖突網集。階段三是沖突網的簡化與求解：結合子沖突網簡化方法，對子沖突網中的間接相關關系進行解除，并運用TRIZ相關工具對關鍵沖突進行求解，最終獲得滿意解，如圖7所示。

4" 案例研究

爬樓輪椅通過履帶、輪轂等越障結構完成爬樓作業，可被行動不便的人用于應對日常生活中遇到的臺階、樓梯等障礙物。爬樓輪椅的應用領

域在不斷地擴展，市場需求量也大幅度地增長［16］。然而，現有的爬樓輪椅仍有諸多不足，如輪椅越障方式對保持輪椅平穩性存在影響，無法實現輪椅越障時給人的舒適穩定，越障速度無法保障等［17］。

現有一種基于行走輪擺動的雙節四履帶爬樓輪椅［18］，該設備巧妙地將手推輪椅與履帶爬樓機構結合在一起，從而實現越障功能。如圖8所示，爬樓輪椅主要包括輪椅主體、履帶前翹機構、行走大輪、大輪擺臂機構、變構機構以及履帶爬樓機構。當輪椅行至樓梯處時，操作大輪擺臂機構使行走大輪擺動至履帶上方。同時輪椅主體逐漸后仰直到履帶爬樓機構搭到臺階上，并操作變構機構使得履帶前翹機構逐步下降至與爬樓履帶齊平，從而實現輪椅爬樓狀態的轉換。下面應用多沖突網的簡化與求解策略對該輪椅進行分析與改進。

4.1" 爬樓輪椅功能模型的建立

根據客戶對現有產品的市場反饋，對爬樓輪椅進行創新設計。功能模型分析如圖9所示，可知，其不良效果主要集中在輪椅越障過程中，即大輪擺臂機構和履帶爬樓機構的越障方式對輪椅的越障效率、輪椅平穩性等產生影響。綜合考慮用戶的改進需求與設備性能中的不足，可獲得雙節四履帶爬樓輪椅的主要問題，如表3所示。

4.2" 爬樓輪椅沖突網的構建

功能分析之后，結合因果分析法，對雙節四履帶爬樓輪椅中存在的問題逐一進行分析，確定問題產生的沖突區域。通過因果分析法，挖掘構成沖突的元件與問題表象相關的參數，逐一向下分析，并通過沖突基元對沖突進行規范化表達。以問題表象1（輪椅主體在越障過程中的平穩狀態）、問題表象2（輪椅復雜程度高，修理成本高）為例進行分析，得到圖10所示的沖突基元C8的挖掘過程。

通過固定桿來實現輪椅與履帶爬樓機構之間的連接時，所需零件數量少，連接方式簡單，使得輪椅整體結構的復雜程度得到改善，但是固定桿連接的方式在將輪椅固定于履帶上共同運動的同時，因其減振效果差而會導致輪椅因履帶機構越障作業而產生振動，從而帶動輪椅整體晃動，使

輪椅在越障過程中的穩定性惡化。即：如果采用固定桿連接，可實現輪椅與履帶爬樓機構之間的連接，輪椅整體的復雜程度改善，但是會導致輪椅在越障過程中的平穩性惡化，這構成了一對技術沖突，由沖突基元C8表示。將表3中問題表象（1～10）逐一分析，可獲得沖突C1～C8：

C1=C1整體機架固定

機架剛性好

輪椅共振程度高

所需零件少

平穩性惡化

復雜程度低，C2=C2履帶個數多

傳動方式復雜

機構自由度高

抗振能力高

一體化程度惡化

越障能力改善，C3=C3控制方式智能

識別次數增加

識別所需時間增加

電機速度調控客觀

越障效率惡化

平穩性改善

C4=C4越障方式履帶

傳動方式轉傳動

越障接觸程度面接觸

復雜程度一般

移動速度改善

越障類型少

，

C5=C5輪子中心高度高

越障時傾斜程度大

越障高度高

舒適程度惡化

越障能力改善，

C6=C6電機功率大

轉動軸轉速快

履帶旋轉速度長

顛簸幅度大

越障速度改善

平穩性惡化

C7=C7越障速度快

零件受到的沖擊大

越障所需時間短

零件壽命惡化

越障效率改善，

C8=C8連接方式固定

所需零件數量少

連接方式簡單

抗振能力差

輪椅顛簸幅度大

結構復雜程度改善

平穩性惡化

分析上述獲得的沖突基元（C1～C8），以沖突C1為例。沖突C1與沖突C3具有共同的評價參數：平穩性，即整體機架的固定程度與輪椅控制方式的選擇同時會對輪椅作業時的平穩性產生影響，記作C1→C3。根據沖突之間的內部聯系，結合圖論中的相應知識，可構建多沖突網G=（C，e），如圖11所示。

4.3" 爬樓輪椅中關鍵沖突的挖掘

對爬樓輪椅的多沖突網絡進行分析，結合節點重要性指標的計算方法，依次計算。以沖突節點C1為例，其度指標K1為

K1=∑8j=1a1j=4（10）

結構洞用約束系數來表示，節點C1的鄰居節點集合τ1={C3，C4，C5，C6}，其中節點C1和C5的共同鄰居有{C4，C6}，于是有

∑q∈{C4，C6}P1qPq5=14×12+14×13=524（11）

F15=（14+524）2=0.21（12）

同理可繼續求得F13、F14及F16，求和可得F1：

F1=F13+F14+F15+F16=0.45（13）

接近度為最短路徑平均值的倒數，則節點C1的接近度CC1為

∑8j=1d1j=0+0+1+3+2+1+3+2=1（14）

CC1=（128）-1=0.667（15）

滿意度計算方法如下：運用Kano模型中問卷調查的方法，精準捕獲用戶對爬樓輪椅各功能實現帶來的滿意度水平。Kano模型中對客戶產品性能pi的5類評價進行賦值：滿足（1）、必須這樣（0.8）、中立（0.6）、可忍受（0.4）、不滿足（0.2）。將表3中爬樓輪椅出現的產品性能不足的問題進行賦值，結果如表4所示。

由圖10與表4可知，沖突基元C1評價參數EP的性能水平pi分別為1和0.8，則其滿意度為

D1=（1×0.8）12（16）

對爬樓輪椅的沖突節點（C1～C8）的重要性指標逐一計算，如表5所示。

利用TOPSIS算法并在MATLAB軟件中對表5中數據進行計算，得到各沖突節點的貼近度

Hi，如圖12所示。根據計算結果，可知多沖突網節點重要度次序為C8C1C4C5C3C2C6C7。

4.4" 爬樓輪椅多沖突網的拆解

由上述過程可知，爬樓輪椅中的多沖突網G=（C，e）中的關鍵沖突為C8，以關鍵沖突C8為初始節點，對多沖突網進行拆解，得到其子沖突網集{Gi}。從初始節點C8出發，依次找出其最短路徑Kd=1的節點集合{C6，C4}；Kd=2的節點集合{C1，C3，C5，C7}；Kd=3的節點集合{C2}。根據子沖突網拆解規則，可拆解得到子沖突網G1={C8，C6，C3，C7}和G2={C8，C4，C1，C5，C2}，如圖13所示。

4.5" 爬樓輪椅的沖突網簡化與求解

根據子沖突網簡化規則簡化子沖突網G1與G2，通過分析可知，子沖突網G1為沖突環C8→{C2∪C3}→C4與沖突鏈C8→C6→C7復合而成的子沖突網，其中沖突基元C8與C6為沖突樹與沖突鏈的共同節點，可通過對邊（3，8）的解除進行簡化；

子沖突網G2為沖突環C8→C4→C1→C2→C8與沖突鏈C8→C4→C5復合而成的子沖突網，可通過對邊（2，8）的弱化解除進行簡化。

由上述可知，沖突基元C3與沖突基元C8之間存在共同參數邊（3，8），即評價參數EP中的平穩性，根據簡化規則，沖突基元C3與C8為直接相關，無法解除其相關性；沖突基元C2與沖突基元C8之間有且僅有一個共同參數邊（2，8），即為過程參數IP中的抗振能力，因此沖突基元C2與C8為間接相關，可通過可拓變換進行解除。

沖突基元C2與C8的共同過程參數為抗振能力。在進行爬樓作業前，需先操作大輪擺臂機構將行走大輪擺至與座椅平齊，同時使后段履帶機構逐步著地，從而切換到履帶爬樓的狀態。在這個過程中，行走大輪與履帶都對輪椅整體起到了一定的支撐作用，因此對行走大輪的剛性具有較高的要求，以滿足輪子至履帶轉換的平穩性需求。通過可拓變換中的置換變換，對行走大輪進行發散分析，從該發散基元中尋找一種大輪，它即能夠實現輪椅在平地狀態下平穩滾動，又能避免輪椅與臺階相接觸產生振動，如圖14所示。

蜂窩結構是標準的六邊形結構，具有極佳的附著力和最低的耗材。蜂窩狀的結構可以在一定程度上降低沖擊力，極大增加結構的穩定性。因此，可以在原有行走大輪的結構基礎上加入蜂窩結構來改善大輪的整體剛性，同時實現滾動與支撐的需求，如圖15所示。

將簡化后的子沖突網進行整合，可得到簡化后的多沖突網，如圖16所示。對其中的關鍵沖突C8進行求解。

C8：如果采用固定桿進行連接，可實現輪椅主體與履帶爬樓機構之間的連接，且輪椅整體的復雜程度降低，但會導致越障過程平穩性的惡化。

改善的工程參數為：裝置的復雜性（36）。

惡化的工程參數為：適應性及多樣性（35）、結構的穩定性（13）。

查詢TRIZ沖突矩陣，可獲得發明原理：No15、No29、No37、No28、No22、No17、No19。

經分析，選擇No15發明原理——動態化：使一個物體或其環境在操作的每一個階段自動調整，以達到優化的性能。原有爬樓輪椅通過固定桿將輪椅主體與履帶爬樓機構進行固定，其輪椅始終與履帶爬樓機構相連。根據發明原理15，可將輪椅主體與履帶進行分離，通過推桿的控制使得輪椅主體在作業過程中隨時調整至最舒適的狀態。

如圖17所示，將座椅部分分為背板、座椅以及大腿板三個部分，每個部分通過鉸鏈相連接。在背板頂部與座椅右側安裝推桿，通過調整推桿，控制座椅背部的升降以及座椅的抬升，進而實現輪椅主體在作業過程中的動態化控制。

在解決完沖突C8之后，對系統中存在的沖突進行分析。如圖18所示，多沖突網中存在復合類型沖突：鏈樹C8→{C6∪C3∪C2}→{C7∪C3∪C5}與沖突樹C4→{C1∪C5∪C7}，根據簡化規則，可對邊（6，3）進行簡化，且對沖突C1進行求解。

C1：如果采取固定的機架結構，即輪椅機身固定，將其他可動零部件裝配到機身上，如履帶爬樓機構裝至輪椅背部或底座，那么輪椅整體機構的復雜程度會改善，但履帶爬樓機構在工作時產生的振動會使輪椅在越障過程中共振，導致平穩性惡化。

改善的工程參數為：裝備的復雜性（36） 。

惡化的工程參數為：物體產生的有害因素（31） 、物體對外部有害作用的敏感性（30）。

查詢TRIZ沖突矩陣，可獲得發明原理：No22、No19、No29、No40、No1。

經分析，選擇No1發明原理——分割：將一個系統或物體分解成相互獨立的子系統或子部分。根據發明原理1，可將固定的輪椅主體分割成兩個子部分，使得座椅、扶手等作為單獨一個子系統安裝于履帶爬樓機構上，將大輪擺臂機構、行走大輪及萬向輪作為作為整體機架，從而避免履帶爬樓機構在爬樓過程中對輪椅帶來的影響。

如圖19所示，履帶、液壓缸及四桿機構固定于整體機架之上，萬向輪支撐桿與四桿機構短桿通過鉸鏈相連接，行走大輪與萬向輪分別固定于四桿機構長桿及萬向輪支撐桿之上。當行走大輪行至臺階處時，液壓缸收縮，帶動萬向輪支撐桿做順時針旋轉運動，從而使得萬向輪向內回縮。此時履帶前段緩緩下降直至與地面接觸，后端逐步抬升與臺階相接觸。當萬向輪支撐桿回縮至30°之后，支撐桿與四桿機構短桿頂死，形成剛體，液壓缸繼續收縮，帶動短桿做順時針旋轉，使得長桿做逆時針旋轉，最終將行走開大輪回縮至履帶上方，從而完成大輪驅動向履帶爬樓的轉換。

4.6" 概念設計方案

結合上述沖突間關系的解除過程與沖突的求解過程，得到一種解決方案，其概念模型如圖20所示。針對現有技術的不足，本方案提供了一種基于連桿機構的單履帶式爬樓輪椅，該方案解決了爬樓輪椅在越障過程中穩定性差的問題，且具有效率高、自調節等優點。

5" 結論

（1）對復雜系統中沖突間的影響機理進行了表達和分析。通過可拓基元理論對構成沖突的參數進行規范化表達，分析沖突間參數的影響關系及類型，結合基于功能模型的因果分析法，構建多沖突網絡。

（2）提出融合TRIZ與可拓學的多沖突網簡化與求解策略。從沖突在網絡中拓撲結構與客戶需求程度兩個方面，應用TOPSIS法構建重要性評價體系，挖掘網絡中的關鍵沖突。根據關鍵沖突網的拆解方法，將與關鍵沖突相關的子沖突網提取出來，依據簡化規則確定待拆解相關關系。通過可拓變換對沖突間相關關系進行解除，并將簡化后的沖突整合，進而得到簡化后的多沖突網，運用TRIZ工具對其中的關鍵沖突進行求解，直至獲得最優方案。以爬樓輪椅為工程案例，得到該產品的創新方案，驗證了該策略的有效性。

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（編輯" 袁興玲）

作者簡介：

許辰輝，男，1997年生，碩士研究生。研究方向為產品的創新設計。E-mail：xch97amr@163.com。

張建輝（通信作者），男，1974年生，教授。研究方向為產品創新設計、仿生設計、智能服務型機器人。E-mail：zjh2031@126.com。