TRIZ理论矛盾矩阵在林业创新设计上的应用

2013-01-30刘换岭

中国科技信息 2013年7期

杨婷毕鑫刘换岭王叶李丹

东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨，150040

1 TRIZ理论

1.1 TRIZ理论简介

TRIZ理论是前苏联科学家阿奇舒勒（G.S.Altshuler）在60年前通过对大量的近250万份高质量的发明专利的分析与研究后，总结出的各种科学技术的发展及进化所遵循的规律模式，同时综合不同科学领域在解决不同的物理矛盾和技术矛盾的创新方法而创建的一套完整新颖的发明创新的理论。其目的在于揭示创造发明的内在规律和原理，澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。它不是采取折衷或者妥协的做法，而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。TRIZ理论大大加快了人们创新的脚步，在创新进程中帮助人们系统分析问题本质及矛盾，打破思维定势，确定问题探索方向，寻得发明创新原理。TRIZ理论的实用性和系统性强，实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

1.2 矛盾矩阵与40创新原则

阿奇舒勒通过对大量的发明专利的研究总结出工程领域内常用的表述系统性能的39个通用参数，通用参数一般是物理、几何和技术性能的参数，并提炼出TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40个发明原理。阿奇舒勒将39个通用工程参数与40条发明原理有机地联系起来，建立起对应关系，整理成39×39的矛盾矩阵表。矩阵的第一列表示待改善的优化参数，第一行表示会带来的恶化参数，在确定优化参数和恶化参数后，便可在矩阵表中找到一组对应的创新院里序列号，这些原理构成了矛盾可能解的集合。

1.3 矛盾矩阵与40个发明原理在产品创新设计中的应用思路及步骤

在利用矛盾矩阵和40个发明原理解决实际问题时，应首先确定技术系统的功能，提出待解决的问题，然后将具体问题转化为普遍意义的优化和恶化参数，再根据矩阵表确定相对应的解决矛盾的发明原理，联系实际分析，找出问题的解。

为使解决问题的方法更具有规范性和可操作性，给出步骤如下：

（1）确定目标产品技术系统所实现的主要功能；

（2）通过对目标技术系统的部件、组成及功能的具体分析，将技术系统进行详细的分解，划分超系统、系统、子系统等各级别系统；

（3）描述技术系统中存在的实际具体问题；

通过申报绩效目标，跟踪项目运行，监控资金使用来改进项目管理，最终形成项目绩效目标——项目经费决策——项目绩效评价的良性循环机制。因此科研项目绩效评价并非一种静态评价，而是从预算编制、预算执行到项目验收的全过程动态评价。

（4）将实际问题抽象，确定目标技术系统中应改善提高的特性，对应矛盾矩阵表中的优化参数；

（5）在提升和改善产品的某一特性的同时，必然会导致系统的一个甚至多个特性的恶化，因此需详尽细致地确定筛选出设计系统被恶化的特性，对应矛盾矩阵表中的恶化参数；

（6）将已确定的优化参数和恶化参数对应矛盾矩阵表中查询；

（7）查找出矛盾矩阵表所推荐的发明原理编号，对应40个发明原理，查找其对应的具体发明原理的详解；

（8）将矛盾矩阵表所推荐的发明原理逐个应用到系统具体实际问题上，考虑其原理在技术系统中的具体实现；

（9）如果所查到的发明原理都无法解决系统的实际问题，需要重新筛选定义工程矛盾和参数，并再次应用查找矛盾矩阵表；

（10）确立最理想的实际解决方案，进行产品设计。

2 TRIZ理论在林业创新中应用实例

林业是国民生产经济中的重要组成部分之一，是通过保护生态自然环境与生态平衡，保护和培育森林，由此以取得木材以及其他林产品，同时合理利用林木的自然属性以发挥起防护作用的生产部门。在生物圈中，林业凭借其自身的自然资源丰富的优越性，借助先进科学的技术和管理手段，进行森林资源培育、保护及利用，持续经营森林资源并充分发挥森林多种效益，促进了经济、社会、资源和环境协调发展的基础性产业和社会公益事业。无论是在国民经济建设和人民生活中，还是在自然环境与生态平衡中，林业在均有其特殊的地位和重要的作用。由此可见，充分掌握和利用创新理论，提高林业科技创新水平具有重大意义。

2.1 喷灌系统案例分析

喷灌系统具有显著的省水、省工、不受地形限制、灌水均匀等效果, 属先进的田间灌水技术。与传统的地面灌水方法相比喷灌可节30%～50%, 同时喷灌还有节能、省工和灌水质量高等优点。喷灌的总体设计要考虑很多问题，例如喷灌的接触面积，作用的植物，以及其水量的可靠性等，总之应根据地形、土壤、气象、水文、植物配置条件，通过技术经济比较来确定。因此列举出需解决的问题如下：

地形因素；（2）地块形状因素（3）耕作与种植方向因素（4）风向和风速因素（5）水源位置因素；

接着将以上具体实际问题转化成具有普遍意义的参数,确立优化参数；并考虑筛选解决时会产生的矛盾，确立恶化参数，两两列出，运用到矛盾矩阵中。例如若要避免地面高差可能造成管路内的压力势能的叠加或抵消, 影响系统的供水动力的问题，便会使系统的运行成本就会提高。因此我们便将这2个问题分析归纳，找到对应的矛盾参数,即设计复杂性与物质损耗，当参数36 (操作的便利性) 改进时,参数23 (物质的损失) 就会恶化；再利用矛盾矩阵表,找出矩阵表中两参数所对应的发明原理，其编号分别为35、10、28、29。联合实际，进行原理的筛选和实现，从而找出合适的创新方法。

根据矛盾矩阵表中的40个发明原理，得到可能解决此矛盾的方法包括原理35 :性能转换；原理10：预先作用；原理28：机械系统的替换;原理29：压力。而上述表中对应的多种发明原理。是阿奇舒勒根据专利的分析研究后，按照其被应用的次数多少来排序的，由此根据权衡，我们选择原理28（机械系统的替换) ，其中解题的具体原理为：

原理28（机械系统的替换)：利用物理场或其他形式、作用和状态来代替机械的相互作用、装置、机构及系统。

利用上述分析的发明原理，在对地形起伏不平进行喷灌管道设计时, 可将配水干管或分干管布置在高处, 运用机械系统的替换原理以地形高差弥补支管水头损失,使支管由高处向低处铺设, 避免支管沿程水头损失过大, 超出支管任意喷头间压力差小于20%的范围。同时，在改善优化参数的情况下，减小了运行成本的恶化参数。

多次重复上述过程,直至将系统设计中问题解决为止。

2.2 农作物秸秆人造板案例分析

人造板是以木材或其他非木材植物为原料，加工成单板、刨花或纤维等形状各异的组元材料，经施加(或不加)胶黏剂和其他添加剂，进行重新组合而制成的板材。人造板可极大提高木材的综合利用率，1立方米的人造板可代替3～5立方米原木使用。人造板从单纯改变木材形状发展到改善木材性质，甚至以农作物秸秆作为原材料，不但涉及全部的木材加工工艺，还需要吸收结合纺织、造纸等多方面领域的技术，形成独立的加工工艺，标志着木材加工现代化时期的开始。而农作物秸秆人造板则是在此基础上利用棉秆、麦秆、油菜秆等农作物生产制造的特殊人造板。

同样，在制作和设计农作物秸秆人造板时要考虑三个核心问题：

（1）板重问题；（2）成本问题；（3）原料问题

我们可将上述问题具体化为一般性问题的参数，再利用矛盾矩阵表和发明原理进行改造。例如需减小板重，即其对应优化参数为参数2（静止物体重量），而需避免是板材稳定性能的降低，对应的恶化参数为参数13（稳定性），查询矩阵表得到解决矛盾的四个发明原理分别为：原理26：复制；原理39：惰性环境；原理1分割：原理40：复合材料；在对发明原理的具体分析并联系实践，原理40（复合材料) 更能在实际应用技术中解决问题，其中解题的具体原理为:

原理40（复合材料)：将单一的材料改为复合材料。

因此，在突破原来的由单一的稻草为原料的限制，充分利用农作物的秸秆如棉秆、麦秆等替代木材产品，同时，通过不同农作物纤维的配比，在确保板材性能稳定性的前提下，降低了板材的密度，克服了板重的弊端。解决了在设计制造中所待解决的问题，并实现了资源的回收利用，促进了可持续发展。

通过对上述其他问题的类似分析解决，发明出农作物秸秆的人造板。