riz解決發(fā)明問題的主要工具

riz解決發(fā)明問題的主要工具

1基本理論和方法都有主導(dǎo)地位,引起對產(chǎn)品設(shè)計中的創(chuàng)新文產(chǎn)品創(chuàng)新是制造業(yè)在市場競爭中獲勝的關(guān)鍵。如果把產(chǎn)品設(shè)計分為產(chǎn)品定義、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計及詳細設(shè)計幾個階段,概念設(shè)計是與創(chuàng)新(Innovation)緊密相關(guān)的一個設(shè)計階段。所謂創(chuàng)新是指新的可行解或概念,該解或概念與已有的解或概念相比具有明顯的競爭優(yōu)勢。創(chuàng)新是發(fā)明工程(Inventiveengineering)的核心,而發(fā)明工程又是設(shè)計工程(Designengineering)的前沿研究領(lǐng)域。如何在概念設(shè)計階段快速地產(chǎn)生一個有競爭力的新概念,實現(xiàn)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新(Fastinnovation)是當今設(shè)計領(lǐng)域的前沿課題,又是工業(yè)界希望盡快運用的成果。文獻列出了13種可用于概念設(shè)計的方法,如QFD(質(zhì)量工程布置)、功能方法樹、設(shè)計目錄、形態(tài)學矩陣等。這些方法大都起源于歐、美、日等國。最近的研究表明,起源于前蘇聯(lián)的TRIZ(發(fā)明問題解決理論)不論對學術(shù)界還是對工業(yè)界都應(yīng)是指導(dǎo)創(chuàng)新的重要理論之一。TRIZ是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)GSAltshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員,自1946年開始,花費1500個人年的時間,在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上,所提出的發(fā)明問題解決理論。80年代中期前,該理論對其它國家保密,80年代中期,隨一批科學家移居美國等西方國家,逐漸把該理論介紹給世界產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域,對該領(lǐng)域已產(chǎn)生了重要的影響。GSAltshuler開始就堅信發(fā)明問題的基本原理是客觀存在的,這些原理不僅能被確認,也能被整理而形成一種理論,掌握該理論的人不僅提高發(fā)明的成功率、縮短發(fā)明的周期,也使發(fā)明問題具有可預(yù)見性。TRIZ理論在我國已開始得到學術(shù)界的重視。文獻介紹了基于TRIZ的計算機輔助設(shè)計軟件TechOptimizer;文獻利用TRIZ中的ARIZ算法,分析了產(chǎn)品設(shè)計中創(chuàng)新過程;文獻將TRIZ中的物質(zhì)-場分析法,用于解決我國企業(yè)中的一個實際問題。TRIZ由一系列方法或工具有機組成。為了增加對TRIZ的了解,并有可能在國內(nèi)推廣應(yīng)用該理論,本文對其解決問題的一般過程、主要方法或工具作一介紹,并對其發(fā)展趨勢作一預(yù)測。2產(chǎn)品創(chuàng)新中的問題有多種方法可用于TRIZ工具及方法的描述,流程圖是可用方法之一,如圖1所示。該圖不僅描述了各種工具之間的關(guān)系,也描述了產(chǎn)品創(chuàng)新中的問題。應(yīng)用TRIZ的第一步是對給定的問題進行分析;如果發(fā)現(xiàn)存在沖突,則應(yīng)用原理去解決;如果問題明確,但不知道如何解決,則應(yīng)用效應(yīng)去解決;第三種選擇是對待創(chuàng)新的技術(shù)系統(tǒng)進行進化過程的預(yù)測。之后是評價。最后是實現(xiàn)。該過程可采用傳統(tǒng)手工方法實現(xiàn),也可采用計算機軟件輔助實現(xiàn)。2.1理想解的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新分析是TRIZ的工具之一,包括產(chǎn)品的功能分析、理想解(IFR,idealfinalresult)的確定、可用資源分析和沖突區(qū)域的確定。分析是解決問題的一個重要階段。功能分析的目的是從完成功能的角度,而不是從技術(shù)的角度分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件。該過程包括裁剪(trimming),即研究每一個功能是否必需,如果必需,系統(tǒng)中的其它元件是否可完成其功能。設(shè)計中的重要突破、成本或復(fù)雜程度的顯著降低,往往是功能分析及裁剪的結(jié)果。理想解是采用與技術(shù)及實現(xiàn)無關(guān)的語言對需要創(chuàng)新的原因進行描述,創(chuàng)新的重要進展往往在該階段對問題深入的理解所取得。確認哪些使系統(tǒng)不能處于理想化的元件是使創(chuàng)新成功的關(guān)鍵。設(shè)計過程中從一起點向理想解過渡的過程稱為理想化過程。該過程由如下方程描述。Ideality=∑Benefits/(∑Costs+∑Harm)式中:Ideality——理想化水平;Benefits——利益;Costs——成本;Harm——危害。公式可解釋為:技術(shù)系統(tǒng)進化的理想化水平與利益成正比,與成本及危害之和成反比,即利益大,成本及危害之和小,理想化水平高?？捎觅Y源分析是要確定可用物品、能源、信息及功能等。這些可用資源與系統(tǒng)中的某些元件組合將改善系統(tǒng)的性能。沖突區(qū)域的確定是要理解出現(xiàn)沖突的區(qū)域。區(qū)域既可指時間,又可指空間。假如在分析階段問題的解已經(jīng)找到,可以移到實現(xiàn)階段。假如問題的解沒有找到,而該問題的解需要最大限度的創(chuàng)新,基于知識的三種工具:原理、預(yù)測和效應(yīng)等都可采用。在很多的TRIZ應(yīng)用實例中,三種工具要同時采用。圖1表明了采用三種工具的條件。2.2triz引導(dǎo)中的物理沖突原理是獲得沖突解所應(yīng)遵循的一般規(guī)律。有技術(shù)與物理兩種沖突。技術(shù)沖突是指傳統(tǒng)設(shè)計中所說的折衷,即由于系統(tǒng)本身某一部分的影響,所需要的狀態(tài)不能達到。物理沖突指一個物體有相反的需求。TRIZ引導(dǎo)設(shè)計者挑選能解決特定沖突的原理,其前提是要按標準參數(shù)確定沖突。有39條標準沖突和40條原理可供應(yīng)用。2.3預(yù)測預(yù)測又稱為技術(shù)預(yù)報。TRIZ確定了8種技術(shù)系統(tǒng)進化的模式。當模式確定后,系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部件的設(shè)計應(yīng)向高一級的方向發(fā)展。2.4效果效應(yīng)指應(yīng)用本領(lǐng)域,特別是其它領(lǐng)域的有關(guān)定律解決設(shè)計中的問題。如采用數(shù)學、化學、生物及電子等領(lǐng)域中的原理,解決機械設(shè)計中的創(chuàng)新問題。2.5進產(chǎn)品創(chuàng)新的原因該階段將所求出的解與理想解進行比較,確信所作的改進不僅滿足了用戶需求,而且推進了產(chǎn)品創(chuàng)新。TRIZ中的特性傳遞(FeatureTransfer)法可用于將多個解進行組合,以改進系統(tǒng)的品質(zhì)。3技術(shù)沖突的解決TRIZ的一個重要成果是認為產(chǎn)品有級別,產(chǎn)品由低級向高級的方向發(fā)展。由于這種發(fā)展,產(chǎn)品才一直占領(lǐng)老市場或又贏得新市場。Altshuller通過研究,依據(jù)問題的難易程度、知識來源等,將產(chǎn)品或問題的解分為如下5個級別。1級(Level1):通常的設(shè)計問題,或?qū)σ延邢到y(tǒng)的簡單改進。設(shè)計人員自身的經(jīng)驗即可解決,不需要創(chuàng)新。大約32%的解屬于該范圍。2級(Level2):通過解決一個技術(shù)沖突,對已有系統(tǒng)進行少量的改進。采用行業(yè)中已有的方法即可完成。解決該類問題的傳統(tǒng)方法是折衷法。大約有45%的解屬于該范圍。3級(Level3):對已有系統(tǒng)有根本性的改進。要采用本行業(yè)以外已有的方法解決,要解決沖突。大約有18%的解屬于該范圍。4級(Level4):采用全新的原理完成已有系統(tǒng)基本功能的新解。解的發(fā)現(xiàn)主要是從科學的角度,而不是從工程的角度。大約有4%的解屬于該類。5級(Level5):罕見的科學原理導(dǎo)致一種新系統(tǒng)的發(fā)明。大約有1%屬于該類。Altshuller同時注意到產(chǎn)品從低級向高級進化過程中,高級別解的產(chǎn)生需要更多的知識及更多的可選解。表1是他的發(fā)現(xiàn)的一個總結(jié)。表1表明,工程中所遇到絕大多數(shù)問題,已被前人在其它地方或其它領(lǐng)域解決了。假如設(shè)計人員能按照通往取得理想解的路徑,從低級開始,依據(jù)他們自己的知識與經(jīng)驗,向高級方向努力,可從公司、本行業(yè)及其它行業(yè)已存在的知識與經(jīng)驗中獲得大量的解。4產(chǎn)品功能的分析Altshuller對發(fā)明問題解決理論的供獻之一,是提出了功能的物質(zhì)-場(substance-field)描述方法與模型。其原理為,所有的功能都可分解為兩種物質(zhì)及一種場,即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場的三元件組成。產(chǎn)品是功能的一種實現(xiàn),因此,可用物質(zhì)-場分析產(chǎn)品的功能,這種分析方法是TRIZ的工具之一。其模型為圖2所示。物質(zhì)S1可以是被控粒子、材料和物體或過程,物質(zhì)S2是控制S1的工具或物體,場F是用于S1與S2之間相互作用的能量,如機械能、液壓能、電磁能等。圖2可解釋為,能量F作用于工具S2,使S2變換S1。依據(jù)該模型,Altshuller等提出了76種標準解,并分為如下5類:(1)不改變或僅少量改變已有系統(tǒng):13種標準解;(2)改變已有系統(tǒng):23種標準解;(3)系統(tǒng)傳遞:6種標準解;(4)檢查與測量:17種標準解;(5)簡化與改善策略:17種標準解。由已有系統(tǒng)的特定問題,將標準解變?yōu)樘囟ǖ慕饧礊樾赂拍睢?創(chuàng)新概念的形成在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中,沖突是最難解決的一類問題。TRIZ提供一套基于知識的技術(shù)來解決該類問題。應(yīng)用TRIZ可在消除沖突的過程中自然地產(chǎn)生新的概念。創(chuàng)新與通常意義上的設(shè)計、工程或技術(shù)問題不同。創(chuàng)新是通過消除沖突來解決問題,而那些不存在沖突的問題,或采用折衷的方法解決問題則不是創(chuàng)新。沖突解決理論是TRIZ的工具之一。應(yīng)用這種工具,可使設(shè)計人員對任何給定的沖突找出多個解。沖突可分為3類:技術(shù)沖突、物理沖突及管理沖突。TRIZ只研究前兩種沖突的解決方法。5.1altshller的沖突矩陣技術(shù)沖突是指系統(tǒng)一個方面得到改進時,消弱了另一方面的期望。如增加飛機發(fā)動機的功率,一般就增加發(fā)動機的質(zhì)量,原機翼強度不一定足夠,即消弱了機翼的強度。創(chuàng)新就是消除技術(shù)沖突,消除技術(shù)沖突的過程不僅改善沖突的一個方面,同時又不降低另一方面的希望。Altshuller通過對沖突的深入研究已發(fā)現(xiàn)了39個標準參數(shù),任何一個技術(shù)沖突都可用其中的一對參數(shù)來描述;同時還發(fā)現(xiàn),由其中一對參數(shù)描述的任一技術(shù)沖突都有創(chuàng)新解,求該創(chuàng)新解的方法是可確定的;這些方法或稱原理被歸納出40條。Altshuller還發(fā)明了一種沖突矩陣,該矩陣的首行與首列元素都由39個標準參數(shù)組成,其它矩陣元素給出了解決相應(yīng)技術(shù)沖突可用原理在40條中的序號。Altshuller的沖突理論似乎是產(chǎn)品創(chuàng)新的靈丹妙藥,實際在應(yīng)用該理論之前的前處理與應(yīng)用之后的后處理還是十分重要的。圖3表明了問題求解的全過程。按圖3所示的過程,當針對具體問題確認了一個技術(shù)沖突后,要用該問題所處技術(shù)領(lǐng)域中的特定術(shù)語描述該沖突。之后,要將沖突的描述翻譯成一般術(shù)語,由這些一般術(shù)語選擇標準沖突描述參數(shù)。標準參數(shù)決定的是一般問題,并可選擇可用解決原理。一旦某一原理被選定后,必須根據(jù)特定的問題應(yīng)用該原理以產(chǎn)生一個特定的解。對于復(fù)雜的問題,一條原理是不夠的,原理的作用是使原系統(tǒng)向著改進的方向發(fā)展。在改進的過程中,對問題的深入思考、經(jīng)驗都是需要的。5.2triz分離原理在產(chǎn)品設(shè)計中,某一部分同時所表現(xiàn)出的兩種相反狀態(tài)稱為物理沖突。物理沖突的一個經(jīng)典例子是當增加一個零件的強度時,往往該零件的質(zhì)量或尺寸增加,而設(shè)計者不希望增加零件的尺寸或質(zhì)量,因此,出現(xiàn)了物理沖突。該沖突的解決即應(yīng)增加零件的強度,又不要增加其質(zhì)量或尺寸。TRIZ中提供了如下物理沖突解的四條分離原理:(1)從時間上分離相反的特性:在一時間段內(nèi)物體表現(xiàn)為一種特性,在另一時間段內(nèi)物體表現(xiàn)為另一種特性。(2)從空間上分離相反的特性:物體的一部分表現(xiàn)為一種特性,另一部分表現(xiàn)為另一種特性。(3)從整體與部分上分離相反的特性:整體具有一種特性,而部分具有相反的特性。(4)在同一種物質(zhì)中相反的特性共存:物質(zhì)在特定的條件下表現(xiàn)為唯一的特性,在另一種條件下表現(xiàn)為另一種特性。當一個問題被深入地分析之后,往往首先采用分離原理解決沖突。6人工智能實現(xiàn)沖突的規(guī)則—ARIZ:發(fā)明問題解決算法TRIZ認為,一個問題解決的困難程度,取決于對該問題的描述或程式化方法,描述得越清楚,問題的解就越容易找到。TRIZ中,發(fā)明問題求解的過程是對問題不斷描述、不斷程式化的過程。經(jīng)過這一過程,初始問題最根本的沖突被清楚地暴露出來,能否求解已很清楚,如果已有的知識能用于該問題則有解,如果已有的知識不能解決該問題則無解,還需等待自然科學或技術(shù)的進一步發(fā)展。該過程是靠ARIZ算法實現(xiàn)的。ARIZ(AlgorithmforInventive-ProblemSolving)稱為發(fā)明問題解決算法,是TRIZ的一種主要工具,是發(fā)明問題解決的完整算法,該算法采用一套邏輯過程逐步將初始問題程式化。該算法特別強調(diào)沖突與理想解的程式化,一方面技術(shù)系統(tǒng)向著理想解的方向進化,另一方面,如果一個技術(shù)問題存在沖突需要克服,該問題就變成了一個創(chuàng)新問題。ARIZ有多個版本,ARIZ-85C是一有代表性的版本,現(xiàn)對其介紹如下。ARIZ-85C宏觀上可分為9步,每一步又由一些微觀步驟組成。宏觀上的9步可描述如下:(1)將初始問題轉(zhuǎn)換為意義清楚的“小問題”。(2)對沖突區(qū)域進行描述。(3)確定理想解(IFR):IFR的描述會揭示與系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件相反的特性,即物理沖突。如果對于一些問題,前3步已得到其解,則轉(zhuǎn)(7);反之,繼續(xù)。(4)利用外部可用物質(zhì)或場資源。(5)利用知識庫消除物理沖突。(6)如果問題已有解,轉(zhuǎn)(7);反之,轉(zhuǎn)(1),重新定義“小問題”。(7)分析物理沖突的解決過程。(8)將所求出的原理解具體化或工程化。(9)對全過程合理性的分析。在ARIZ中,沖突的消除有強大的效應(yīng)知識庫的支持。效應(yīng)知識庫包含物理的、化學的、幾何的等效應(yīng)。作為一種規(guī)則,經(jīng)過分析與效應(yīng)的應(yīng)用后問題仍無解,則認為初始問題定義有誤,需對問題進行更一般化的定義。應(yīng)用ARIZ取得成功的關(guān)鍵在于沒有理解問題的本質(zhì)前,要不斷地對問題進行細化,一直到確定了物理沖突。該過程及物理沖突的求解已有軟件支持。7設(shè)計理論研究的不足之處1999年,MIT公理性設(shè)計組的Tate在其博士論文中,通過對世界著名流派的設(shè)計理論進行分析提出:盡管設(shè)計理論的研究已有100多年的歷史,很多的研究成果已在工業(yè)界得到應(yīng)用,但設(shè)計理論并未成熟,目前仍處于準理論階段(apre-theorystage);該理論在設(shè)計過程、設(shè)計目標、設(shè)計者、可用資源及領(lǐng)域知識等5個方面還有大量的問題有待解決。TRIZ也是Tate所分析的理論之一,也處于發(fā)展階段。7.1相關(guān)研究的問題描述目前TRIZ的發(fā)展包括3個方面:物質(zhì)-場模型的新型符號系統(tǒng),沖突及解決技術(shù)的進一步發(fā)展及ARIZ算法的改進。圖2是Altshuller本人提出的物質(zhì)-場模型。該模型對于描述產(chǎn)品的一個功能是方便的,但一個產(chǎn)品往往有多個功能,該模型描述多功能時,并不十分方便。因此,按照Altshuller物質(zhì)-場原理提出新的適應(yīng)性更強的符號系統(tǒng)是TRIZ本身的一個方向。如Zinovy、Terninko等人提出了如下的符號系統(tǒng):未評估的效應(yīng)(Effectnotevaluated)需要的效應(yīng)(Desiredeffect)不足效應(yīng)(Insufficienteffect)有害效應(yīng)(Harmfuleffect)導(dǎo)致的結(jié)果(Resultsin)改變了的模型(Changedmodel)按照這樣的符號系統(tǒng),一個有效完整功能,即設(shè)計者所希望的功能,可用如圖5符號表示:一些作者認為沖突及解決技術(shù)中的39個標準參數(shù)及40條解決原理還不完善。近年來TRIZ應(yīng)用實例表明,有些設(shè)計中的明顯沖突用39個參數(shù)不能描述,因此,也就不能選擇沖突解決原理。如果增加沖突的標準參數(shù)個數(shù),沖突矩陣如何改變40條解決原理是否已覆蓋了所有的設(shè)計問題,如果增加條數(shù),沖突矩陣如何改變?學者們對這些問題還都沒有找到答案。在實用中,ARIZ-85C存在一些缺陷,如不易確定“小問題”。對ARIZ的改進有兩種方案:一是因ARIZ-85C及以前的版本都由Altshuller本人提出及改進,后續(xù)的版本還由其本人進行;二是由其他人來完成。由于Altshuller本人的研究重點轉(zhuǎn)入TRTL(TheoryofDevelopmentofaStrongCreativePersonality),1989年,Altshuller正式允許他的學生們進行ARIZ的改進。對ARIZ-85C的改進從4個方面進行:(1)引入問題程式過程的內(nèi)容。其一能對初始問題進行描述,這種描述有助于解決問題;能對問題所處的環(huán)境進行描述,以便能選擇更有希望的問題陳述。(2)應(yīng)盡可能多地采用產(chǎn)生解的工具(solution-generatingtools)。(3)提供多種問題典型描述的菜單。(4)使ARIZ應(yīng)用更加方便,即采用結(jié)構(gòu)化的方法,使微觀算法、例題、定義等分開。ARIZ-85C后出現(xiàn)了若干個版本,如ARIZ-KE-89/90、ARIZ-SMVA91(E)、ARIZ——AnAmericanizedLearningFramework。ARIZ-KE-89/90與ARIZ-85C相似,只是增加