TRIZ理論中ARIZ算法的研究與應用

1、TRIZ 理論中 ARIZ 算法的研究與應用作者：韋子輝閻會強檀潤華摘要：TRIZ 理論中的 ARIZ 算法主要用于解決復雜問題，ARIZ 集成了 TRIZ 的多個工具，給出了從問題分析到方案解評價的整個流程。文中在總結 TRIZ 理論的方法和觀點基礎上，闡述了 ARIZ 包含的概念和主導思想，介紹了 ARIZ 解決問題流程。并給出應用 ARIZ 解決問題的工程實例。關鍵字：CAITRIZARIZ85-AS 創(chuàng)新設計TRIZ 是由解決技術問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具組成的綜合理論體系。TRIZ中包含了用于分析和解決問題的多種工具，主要有：(1)用 39 個通用的工程參數(shù)將各種沖突進行標準

2、化歸類，并采用 40 條發(fā)明原理解決技術沖突；(2)物理沖突及分離原理；(3)用物質一場模型定義 5 類問題并建立對應的 76 個標準解；(4)效應知識庫在不同工程領域問題的關聯(lián)互用；(5)技術系統(tǒng)進化模式與成熟度預測；(6)用于解決復雜問題的 ARIZ 算法。TRIZ 理論中的各種方法和工具在國內已開始應用于產(chǎn)品設計領域，基于 TRIZ 創(chuàng)新方法工具的計算機輔助創(chuàng)新軟件 InventionTool3.0 已經(jīng)進入實用。ARIZ 是 TRIZ 中最強有力的解決發(fā)明問題工具，專門用于解決復雜、困難的發(fā)明問題，但 ARIZ 本身過于復雜，不宜掌握，對使用者要求較高，ARIZ 的應用遠不及 TRIZ

3、 其他方法工具那樣廣泛，且國內外的 TRIZ 輔助創(chuàng)新軟件都沒有包括 ARIZ。隨著國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的深入，企業(yè)對創(chuàng)新級別和深度的要求不斷提高，有必要開展針對復雜問題創(chuàng)新方法工具的理論及應用研究。文中介紹了 ARIZ 的內容及應用方法，并提出了一些發(fā)展及改進 ARIZ 的構想。1 ARIZ 概述ARIZ 最初由 Ahshuller 于 1956 年提出，經(jīng)過多次完善才形成比較完整的體系，ARIZ是解決發(fā)明問題的完整算法， 是 TRIZ 中最強有力的工具， 集成了 TRIZ 理論中大多數(shù)觀點和工具。 ARIZ的主導思想和觀點如下：(1)沖突理論。發(fā)明問題的特征是存在沖突， ARIZ 強調發(fā)現(xiàn)并解決問

4、題中的沖突， Altshuller 將沖突分為管理沖突、技術沖突和物理沖突。管理沖突是指希望取得某些結果或避免某些現(xiàn)象，需要作一些事情，但不知如何去做；技術沖突總是涉及系統(tǒng)的兩個基本參數(shù) A 與 B,當 A 得到改善時，B 變得更差；物理沖突僅涉及系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)或部件，并對該子系統(tǒng)或部件提出了相反的要求。技術沖突可轉化為物理沖突，物理沖突更接近問題本質。ARIZ 采用一套邏輯過程，逐步將一個模糊的初始問題轉化為用沖突清楚表示的問題模型。首先將初始問題用管理沖突來表述，根據(jù) TRIZ 實例庫中的類似問題類比求解，無解則轉化為技術沖突采用 40 條發(fā)明原理解決，如問題仍得不到解決則進一步深入分

5、析發(fā)現(xiàn)物理沖突。特別強調由理想解確定物理沖突的方法，一方面技術系統(tǒng)向著理想解的方向進化，另一方面物理沖突阻礙達到理想狀態(tài)。創(chuàng)新是克服沖突趨近于理想解的過程一聲。(2)克服思維慣性。思維慣性是創(chuàng)新設計的最大障礙，ARIZ 強調在解決問題過程中必須開闊思路克服思維慣性，主要通過利用 TRIZ 已有工具和一系列心理算法克服思維慣性。將初始問題轉化為縮小問題(Mini-Problem)和擴大問題(Maxi-Problem)兩種形式?！翱s小問題”是盡量使系統(tǒng)保持不變，達到消除系統(tǒng)缺陷與完成改進的目的，“縮小問題”通過引入約束激化矛盾的目的是發(fā)現(xiàn)隱含沖突。“擴大問題”是對可選擇的改變不加約束，目的是激發(fā)解

6、決問題的新思路。強調應用系統(tǒng)內、系統(tǒng)外和超系統(tǒng)的所有種類可用資源。主要包括 7 種潛在的資源類型：物質、能量/場效果、可用空間、可用時間、物體結構、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)參數(shù)，并且可用資源的種類和形式是隨著技術的進步不斷擴展的。系統(tǒng)算子：考慮將系統(tǒng)問題擴展，系統(tǒng)往往不是孤立存在的，系統(tǒng)包含子系統(tǒng)，并隸屬于超系統(tǒng)，在過程上處于前系統(tǒng)和后系統(tǒng)之間，系統(tǒng)也包括過去狀態(tài)和將來狀態(tài)。系統(tǒng)算子方法考慮系統(tǒng)內問題是否可以轉移到所在超系統(tǒng)、前系統(tǒng)、后系統(tǒng)及系統(tǒng)的不同時間段。有時系統(tǒng)內難解決的問題在系統(tǒng)以外很容易解決。參數(shù)算子：考慮系統(tǒng)長度參數(shù)、時間參數(shù)，以及成本增大或減小可能出現(xiàn)的情況，目的是加強沖突或發(fā)現(xiàn)隱含問題。

7、盡量采用非專業(yè)術語表述問題，因為專業(yè)術語往往禁錮人的思維。例如在“破冰船破冰”的慣性思維引導下，人們不會想到可以不用破冰而將冰移走。(3)集成應用 TRIZ 中大多數(shù)工具。ARIZ 集成應用了 TRIZ 理論中絕大多數(shù)工具，包括理想解、技術沖突理論、物理沖突理論、物場分析與標準解、效應知識庫。對使用者有很高要求，必須可以熟練使用 TRIZ 理論其他工具。(4)充分利用 TRIZ 效應庫和實例庫，并不斷擴充實例庫。ARIZ 應用效應庫解決物理沖突，并已有相應軟件支持。搜索實例庫，借鑒類似問題解決方案，并且每解決一個問題都要分析解決方案，具有典型意義及通用性的加入實例庫。但不同問題的相似性判別、原

8、理解特征分析、實例庫分類檢索方法還有待研究。2 ARIZ85-AS 詳細步驟介紹ARIZ 有多個版本，ARIZ85-AS 是最具有代表性的版本。ARIZ85-AS 共有 9 個步驟。卜倒附陽志曲多194:S*E北國或M全過忌k麓芬奇,“圖 1ARIZ 流程圖圖 1 所示 ARIZ 的前 5 個步驟將初始問題轉化為沖突并解決沖突，如果問題在前 5 步?jīng)]有得到解決，步驟 6 重新定義問題并跳回到第一步，步驟 7 的作用是問題解的評價，步驟 8由問題特解中抽取出可用于解決其他問題的通用解法，步驟 9 是 TRIZ 專家分析 ARIZ 求解過程，以改進 ARIZ。ARIZ 每個步驟包含許多子步驟，應用

9、中不強調采用所有步驟，根據(jù)情況可跳過一些無關子步驟。詳細子步驟介紹如下，準備工作：搜集問題所在系統(tǒng)的相關信息。(1)收集并陳述問題相關案例，了解已經(jīng)嘗試過但沒有成功的解決方案。(2)通過回答以下問題，定義問題解決后應達到的目的及能接受的最大成本。評價問題解決的技術和經(jīng)濟指標是什么？問題解決后帶來的好處？要解決問題，技術系統(tǒng)哪些特性和參數(shù)必須改變？可以接受的成本是多少？步驟 1:問題分析與表述。問題分析步驟的主要作用是搜集技術系統(tǒng)相關信息，定義管理沖突，分析問題結構，以“縮小問題”的形式表述初始問題。(1)按照如下文本形式，表述技術系統(tǒng)。技術系統(tǒng)的主要目的是，主要子系統(tǒng)包括，技術系統(tǒng)和它的主要子

10、系統(tǒng)的有用功能包括,有害功能包括。(2)回答如下問題，判斷問題是常規(guī)問題還是沖突問題，常規(guī)問題不需應用ARIZ。K拒理真利用應用已知方法提高有用功能，有害功能是否同時提高？消除或減弱有害功能，有用功能是否同時減弱？如果兩個問題答案都是否定的，則是常規(guī)問題，不需應用 ARIZo(3)采用管理沖突和“縮小問題”形式表述原問題?！翱s小問題”模板：如何通過系統(tǒng)最小的改動實現(xiàn)有用功能消除有害功能，或如何通過系統(tǒng)最小改動消除有害功能并不影響有用功能。(4)圖形表示“縮小問題”的結構。根據(jù)有用功能有害功能的相互作用關系，分為點結構、成對結構、網(wǎng)狀結構、線結構、星形結構等，圖 2 為幾種結構的表示方法。復雜結

11、構的“縮小問題”簡化為標準的點結構，復雜結構問題分析理論還不成熟，是現(xiàn)在 TRIZ 研究的熱點之一。圖 2 問題結構示意圖(5)TRIZ 實例庫應用，尋找是否可利用類似問題解。(6)問題發(fā)散。假設初始問題不可能解決，應用系統(tǒng)算子，考慮在超系統(tǒng)、前系統(tǒng)、后系統(tǒng)及系統(tǒng)的不同時間段尋找替代解決方案，達到同樣目的。問題解決則轉到步驟 7。步驟 2:系統(tǒng)分析與沖突表述。該步驟分析問題所在技術系統(tǒng)各要素，構建技術沖突表述問題，并嘗試采用發(fā)明原理與標準解法解決技術沖突。詳細子步驟如下：(1)陳述問題所在技術系統(tǒng)的主要要素：TRIZ 認為技術系統(tǒng)包括輸入原料要素、工具要素、輔助工具要素和輸出產(chǎn)品要素。(2)

12、通過分析系統(tǒng)要素作用過程，發(fā)現(xiàn)沖突，沖突一般發(fā)生在工具、輔助工具要素作用于原材料要素的過程中。TC1 和 TC2(3)根據(jù)技術沖突的兩種形式，構建技術沖突TC1:增強有用功能，同時增強有害功能；TC2:降低有害功能，同時降低有用功能；網(wǎng)一結構導致;*工費;-n座誨：寫UF有用功能H【配力器(4)如果沖突涉及到輔助工具要素，可以嘗試去除輔助工具要素構建技術沖突(TC3)。(5)確定沖突，選擇合適的技術沖突(TC1,TC2,TC3)來表述問題(原則是解決哪一個沖突可以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能)。嘗試用沖突矩陣與 40 條發(fā)明原理解決技術沖突，沖突解決則轉到步驟 7。(6) 采用參數(shù)算子方法，加強沖突

13、，直到原問題出現(xiàn)質變出現(xiàn)新的問題，并重新分析問題。(7) 構建技術沖突的物質-場模型， 嘗試用標準解法解決問題。 如果技術沖突得不到解決， 繼續(xù)步驟 3。步驟 3:確定理想解和物理沖突。確定最終理想解，發(fā)現(xiàn)阻礙實現(xiàn)理想解的物理沖突。(1)結合設計草圖，定義操作區(qū)域、操作時間。(2) 定義理想解 1:在不使系統(tǒng)變復雜的情況下，實現(xiàn)有用功能，并不產(chǎn)生和消除有害功能，并不影響工具要素有用行動的執(zhí)行能力。(3) 加強理想解：引入附加條件，不能引入新的物質和場，應用系統(tǒng)內可用資源實現(xiàn)理想解。列出系統(tǒng)內所有可用資源清單；選擇一種資源(x 資源)作為利用對象。 依次選擇沖突區(qū)域內的所有資源， 選用的順序為工

14、具要素、其他子系統(tǒng)的資源、環(huán)境資源、原材料要素和產(chǎn)品；思考利用 x 資源如何達到理想解，并思考如何能夠達到理想狀態(tài)(X 資源可作為假想沖突元素可具有相反的兩種狀態(tài)或屬性，不必考慮是否可實現(xiàn))；遍歷所有資源以后，選擇一個最可能實現(xiàn)理想解的 X 資源作為沖突元素。(4) 表述物理沖突。物理沖突模板：在操作空間和時間內，所選石資源應該具有某一狀態(tài)以滿足沖突一方，又應該具有相反的狀態(tài)以滿足沖突另一方。(5)構建理想解 2。所選 x 資源在操作時間和空間內，具有相反的兩種狀態(tài)或屬性。(6)嘗試解決理想解 2 指出的問題，如果問題沒有解決，選擇另外一種資源。步驟 4:可用資源分析。在步驟 3 系統(tǒng)內資源分

15、析的基礎上，進一步拓展可用資源的種類和形式(包括派生資源)。(1)使用物質資源的混合體來解決問題。例如稀薄的空氣可以看作是空氣與真空區(qū)的混合體，并且真空是一種非常重要的物質資源，可以與可利用物質混合產(chǎn)生空洞、多孔結構、泡沫等。(2)應用派生資源。(3)將產(chǎn)品作為一種可用資源，常見如下幾種應用形式。產(chǎn)品參數(shù)和特性的改變;產(chǎn)品暫時改變；多層結構。(4)應用超系統(tǒng)資源。(5)使用場資源和場敏物質，典型的是磁場和鐵磁材料、熱與形狀記憶合金等。(6)在應用新資源的情況下，重新考慮采用標準解解決問題。(7)經(jīng)過以上步驟問題仍沒有解決，進入步驟 5 應用 TRIZ 知識庫，經(jīng)過以上分析步驟，問題表述更接近問

16、題本質，有助于問題解決。步驟 5:應用 TRIZ 知識庫(包括實例庫、效應、分離原理等)解決物理沖突。(1)采用類比思維，參考 ARIZ 已經(jīng)解決的類似問題的解決方案。(2)應用效應庫解決物理沖突，新效應的應用?？色@得跨學科高級別的發(fā)明解。(3)嘗試應用分離原理解決物理沖突。步驟 6:轉換或替代問題。問題沒有解決的重要原因是發(fā)明問題很難得到正確表述，解決問題過程中經(jīng)常需要修改問題表述。(1)問題解決則跳轉到步驟 7。(2) 問題沒有解決，返回步驟 l,分析初始問題是否可分為幾個小問題，重新分析確定主要問題。(3)檢查步驟 2 中沖突要素分析是否正確，是否可以選擇其他產(chǎn)品或工具要素。(4)選擇步

17、驟 2 中的其它沖突表述 TGI,TC2,TC3。步驟 7:原理解評價，主要目標是檢查解決方案的質量。(1)檢查每一種新引入的物質或場，是否可以用已有物質和場代替。(2)子問題預測：預測解決方案會引起哪些新的子問題。TRIZ 所得到?jīng)_突的解分為兩類：離散解：徹底消除了技術沖突，或新解使得原有技術沖突已不存在；連續(xù)解：新解部分消除了沖突，但沖突仍然存在，不斷地消除沖突的同時產(chǎn)生一系列新的沖突，這些沖突構成沖突鏈。(3)方案解評估，主要采用如下評價標準。是否很好實現(xiàn)了理想解 l 的主要目標；是否解決了一個物理沖突；方案是否容易實現(xiàn)；新系統(tǒng)是否包含了至少一個易控元素？如何控制？所有標準都不滿足則回到

18、步驟 1。(4)檢索專利庫檢查解決方案的新穎性。步驟 8:原理解利用。原理解具體工程實現(xiàn)方法，以及評價該方法是否可以應用于其它問題。(1)定義改變：定義包含改進系統(tǒng)的超系統(tǒng)應如何改變。(2)可行性分析：檢查改進后的系統(tǒng)和超系統(tǒng)是否可以按新方式工作。(3)考慮應用解決方案采用的原理解決其他問題。陳述解法的通用原理；考慮該解法原理對其他問題的直接應用；考慮使用相反的解法原理解決其他問題。步驟 9:對全過程合理性的分析。主要是面向 TRIZ 專家，用于評估改進 ARIZo(1)將問題解決實際過程與 ARIZ 的理論過程比較，記下所有偏離的地方。(2) 將解決方案與 TRIZ 知識庫比較，如果 TRI

19、Z 知識庫沒有包含該解決方案的原理，考慮在 ARIZ 修訂時擴充。3 工程實例中藥滴丸滴制成形烘干后，需計數(shù)裝瓶。國內應用比較廣泛的是滾筒式滴丸包裝機，實現(xiàn)了滴丸計數(shù)，灌裝，封瓶的全自動操作。其技術核心及難點在于如何實現(xiàn)滴丸計數(shù)及排粒。如圖 3 所示滴丸裝載在料倉中，隨著滾筒的旋轉，滴丸在定量板(如圖 4 所示)的運載下，每100 粒一批，通過槽輪排粒保證定量板上所有藥粒通過漏斗被灌入藥瓶之中。圖 4 所示為定量板，圖 5 為槽輪排粒示意圖。光電計數(shù)器檢測定量板是否布滿藥粒，沒有布滿的裝瓶后要被剔除。圖 3 滴丸包裝機示意圖圖 4 定量板圖 5 槽輪排粒原理圖這種方法的最大缺點是：定量板布粒孔

20、數(shù)量一定，灌裝數(shù)量柔性化??；槽輪排粒機構復雜，振動噪聲大；使用的光電傳感器數(shù)量多。應用 ARIZ 改進滴丸包裝機，首要解決的問題是實現(xiàn)灌裝柔性化。步驟 1,準備工作：(1)搜索現(xiàn)有丸劑包裝機方案，都沒有解決灌裝柔性化這一問題，且沒有可借鑒失敗方案。(2)確定改進系統(tǒng)應達到的目的。問題解決后將可調整裝瓶的藥粒數(shù)，改善排粒。問題解決后必須保證計數(shù)的準確性，并保證可將藥粒排出，不影響后續(xù)工序。新方案應不增加系統(tǒng)的復雜性。步驟 2:問題分析與表述。(1)該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)藥粒的計數(shù)， 并將藥粒排出。 系統(tǒng)主要部件包括滾筒、 定量板、 槽輪、料倉、光電傳感器。(2)問題：現(xiàn)有系統(tǒng)定量罐裝無法實現(xiàn)柔性

21、化生產(chǎn)，初步判斷存在沖突屬于發(fā)明問題。(3)管理沖突和“縮小問題”形式表述原問題。管理沖突：需要調整藥粒裝瓶數(shù)，現(xiàn)有系統(tǒng)無法實現(xiàn)。“縮小問題”在盡量少改變現(xiàn)有系統(tǒng)的條件下，實現(xiàn)柔性化罐裝。(4)問題屬于簡單的點結構問題。(5)搜索 TRIZ 發(fā)明實例庫，沒有找到類似問題可參考。(6)問題發(fā)散：滴丸包裝機根據(jù)工序可分為計數(shù)排粒，裝瓶，壓蓋 3 個子系統(tǒng)。轉移問題得到初步方案：排粒必須在原子系統(tǒng)內實現(xiàn)，計數(shù)可考慮后續(xù)裝瓶工序前實現(xiàn)。步驟 3:系統(tǒng)分析與沖突表述。(1)陳述技術系統(tǒng)各要素。輸入原材料：藥粒；工具要素：滾筒；輔助工具要素：定量板、槽輪、光電計數(shù)器；輸出產(chǎn)品：規(guī)定數(shù)量的藥粒。(2)沖突要

22、素：定量板，定量板固定數(shù)量藥粒孔阻礙調整灌裝數(shù)量。(3)構建技術沖突。TC1:滾筒安裝定量板，實現(xiàn)了藥粒的計數(shù)與排粒，妨礙了調整灌裝藥粒數(shù)。TC2:滾筒不安裝定量板，無法調整灌裝數(shù)量，更無法實現(xiàn)計數(shù)。(4)TC1 可以更好地表述問題，選擇 TCl 為要解決技術沖突。(5)應用 40 條發(fā)明原理解決沖突，由發(fā)明原理 15:“動態(tài)化”得到原理解，通過更換定量板，調整灌裝數(shù)，但在定量板面積不變的情況下不能增加灌裝藥粒數(shù)，只能減少。且定量板曲率半徑必須與滾筒半徑相等，加工難度大。此原理解不采用。步驟 4:理想解確定和物理沖突。(1)沖突區(qū)域：定量板、滾筒、槽輪。沖突時間：從布粒到排粒。圖 6 布粒滾筒

23、圖 7 改進后的滴丸包裝機(2) 陳述改進后系統(tǒng)理想狀態(tài)：不影響系統(tǒng)灌裝計數(shù)和增加系統(tǒng)復雜性，并可實現(xiàn)調整裝瓶藥粒數(shù)。(3)首先選擇定量板作為改進對象，考慮利用定量板如何達到理想狀態(tài)。(4)構建宏觀物理沖突：為實現(xiàn)計數(shù)定量板的藥?？讛?shù)為定量，為調整裝瓶數(shù)藥?？讛?shù)為可調量，定量板必須具有藥?？讛?shù)固定和可調兩種屬性。(5) 應用分離原理和標準解，無法解決該物理沖突，返回本步驟中(3)選擇其他組件作為改進對象。采用滾筒作為利用對象，構建宏觀物理沖突：滾筒必須安裝定量板以實現(xiàn)布粒和計數(shù)；安裝定量板無法調整灌裝數(shù)，滾筒必須不安裝定量板采用其它結構實現(xiàn)調整灌裝數(shù)。再返回本步驟中(5),應用分離原理，將滾筒

24、的布粒和計數(shù)功能分離，計數(shù)功能可考慮在后續(xù)工序實現(xiàn)。滾筒只實現(xiàn)布粒功能不需安裝定量板和光電傳感器，采用圖 6 所示結構，在滾筒上直接布置布?？?。在后續(xù)工序中實現(xiàn)計數(shù)，如圖 7 所示，在灌裝前漏斗入口加裝光電傳感器實現(xiàn)計數(shù)。跳轉到步驟 7 驗證原理解的可行性。步驟 5:原理解評價。(1)檢查改變。改進后的方案沒有引入新的物質和場，去掉了定量板，調整了光電傳感器的位置，槽輪需重新加工。(2)子問題預測。新方案可能引出的主要問題是：滾筒需定期拆卸清洗藥?？?原來只需拆卸定量板)。采用槽輪排粒不僅加工困難，槽輪和滾筒交錯不易拆卸，返回到步驟 2 解決該子問題。步驟 6:系統(tǒng)分析與沖突表述。(1)構建技術沖突表述問題。TC1:采用槽輪，實現(xiàn)排粒，但產(chǎn)生噪聲和振動，使?jié)L筒拆卸困難。TC2:去掉槽輪，鞘除了振動和噪聲，簡化結構使?jié)L筒易于拆卸，但卻不能保證排粒。(2)應用 40 條發(fā)明原理解決沖突。TC1 不易解決，選才 iTC2 為要解決的技術沖突。應用發(fā)明原理 28(機械系統(tǒng)替代)、發(fā)明原理 29(氣體與液壓結構)，產(chǎn)生了一種新的方案，即用氣體排粒方式代替機械排粒方式。高壓氣體通過氣管進入預訂位置，通過氣針對藥粒進行排粒灌裝。氣針如圖 7 所示，設置在布粒滾筒的內腔，每一個通道對應一個排粒氣針。跳轉到步驟 7 重新驗證