基于改进当前实现树的产品技术冲突确定方法

刘晓敏，田松龄，王自伟

（福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350002）

0 引言

发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Resolving，TRIZ）是产品创新的强有力工具，正逐渐受到各行业的重视与应用。利用TRIZ［1］直接确定产品冲突问题较为困难，因为它未给出确定产品冲突问题的具体操作方法及步骤［2］。

为更好地解决冲突的确定问题，Anthony［3］引入约束理论（Theory of Constraints，TOC）的思维流程，将冲突解决图表（Conflict Resolution Diagram，CRD）用于识别产品的技术冲突，将必备树（Prerequisite Tree，PRT）用于确定技术冲突；华中生等［4］分别利用 TOC的当前实现树（Current Reality Tree，CRT）与CRD确定出产品设计中的核心问题与冲突类型，最后用TRIZ工具得到解决方案，但未明确给出从CRT中得到CRD的过程。苑彩云等［5］将TOC的CRT与CRD引入工程设计，提出了用于寻找系统问题根原因的逻辑推理方法，并对系统物理冲突的确定进行了研究，但未给出确定技术冲突的具体方法。韦子辉等［6］在CRT的基础上引入故障树的定性定量分析算法，并与TRIZ求解工具集成，建立了多冲突问题解决过程模型。本文将对CRT的逻辑推理进行适当补充，通过改进技术系统中的CRT模型来确定产品的技术冲突。

1 产品技术冲突的确定方法

1.1 改进的当前实现树

CRT是TOC中用于寻找系统根原因和核心问题的一种工具，通过使用因果逻辑关系来描述产品冲突的产生过程［7］。传统的CRT反映出特定系统下的因果关系链，从系统中存在的不良结果开始不断推断出造成不良结果的原因，最终找到根原因和核心问题。但某些系统中的不良结果可能是由好原因和不好原因或者是由各层次原因之间的正向和负向逻辑关系共同作用造成的。传统的CRT可能会造成寻找根原因和核心问题的偏差。针对这一问题，对CRT进行改进，使系统逻辑性更强、各层次更明显。改进的CRT表述如下：

为实现改进CRT应用于计算机辅助创新，操作时要将不良结果与影响系统性能的各种技术参数看作实体。用实体的正向和负向参数来表述好原因和不好原因。用相应的图形符号来表达正向和负向逻辑关系，当实体A值越大导致实体B值也越大时，称二者为逻辑正相关，用符号“A→B”表示；反之，当A越大导致B越小时，称二者为逻辑负相关，用符号“A—·B”表示。

实体分根实体（Root Entities，RE）、中间实体（Intermediate Entities，IE）和最终实体（Final Entities，FE）三个级别［7］。FE为系统最终输出实体；RE为系统最初输入实体；IE为系统中间原因实体。在构造CRT后，对实体进行编号，改进后的CRT如图1所示。

1.2 技术冲突在改进CRT中的表现形式

传统的TRIZ工具在寻找技术冲突时是根据使用者的经验来判断技术冲突在系统中发生的位置。传统的CRT建立在逻辑基础之上，可避免工程设计过程中的主观论断。由于系统的复杂性，不可避免地造成人为搜索技术冲突的局限性，计算机技术的引入恰好解决了这一问题。传统的CRT仅限于描述，逻辑关系和层次表述不够准确，难以用计算机实现。改进的CRT在很大程度上实现了数据结构的构建，其主要表现形式有：

（1）一个中间实体IE存在一个输入实体A和一个输出实体B，若A和B分别为正、负向参数（逻辑相关性相同），或A、B分别与中间实体IE逻辑相关性相反（参数性能相同），则这两个输入、输出实体A与B间存在技术冲突，如图2所示。

（2）对实体 M，若存在两个参数性能相同的输出实体A与B，且A、B都与实体M的逻辑相关性相反，则实体A与B间存在技术冲突；对实体M，若存在两个参数性能相反的输出实体A与B，且A、B都与实体M的逻辑相关性相同，则实体A与B间存在技术冲突，如图3所示。

（3）对实体Q，若存在两个参数性能相反的输出实体A、B（逻辑相关性相同），如图4所示，则A的输出实体E（A与E逻辑相关性相同、参数性能相反或逻辑相关性相反、参数性能相同）与B间存在技术冲突。

通过查找冲突逻辑图表中是否存在以上3种形式，即可确定出产品存在的技术冲突。

1.3 基于图论的技术冲突搜索算法及计算机实现

在图论中，用顶点表示事件，用边表示事件间的特定关系。树是指任意两个顶点间有唯一确定有向边或无向边的图。如果把一个树图中的多余边（环路）全部删除，即构成当前树图的生成树。树广泛应用于数据结构的构建、描述和存储。TOC中的CRT是树在概念设计中一个很重要的应用。

基于图论中有向生成树的计算机存储方法，提出一种邻接参数矩阵（Adjacency－Parameter Matrix，APM）。APM能较好地为改进的CRT构建数据结构。

（1）邻接参数矩阵APM

技术系统有N个实体，邻接参数矩阵APM为N×N方阵。

（2）技术冲突深度优先搜索算法的计算机实现

本文提出了一种技术冲突深度优先搜索算法（Algorithm for Depth First Technical－Conflict Searching，ADCS）流程。该流程的实现方式如下：

当邻接参数矩阵APM 中APM（m，m）×APM（m，i）×APM（i，n）×APM（n，n）＜0（m，n，i∈（0，10））时，ADCS算法实现对第一类技术冲突的搜索（实体m和实体n之间存在技术冲突）。

当邻接参数矩阵APM 中APM（m，m）×APM（i，m）×APM（i，n）×APM（n，n）＜0（m，i，n∈（0，10））时，ADCS算法实现对第二类技术冲突的搜索（实体m和实体n之间存在技术冲突）。

当APM 中APM（m，m）×APM（i，m）×APM（i，j）×APM（j，j）×APM（j，n）×APM（n，n）＜0（m，i，j，n∈（0，10））时，ADCS算法实现对第三类技术冲突的搜索（实体m和实体n之间存在技术冲突）。

由图1得到的图5为改进CRT的ADCS算法流程。

2 改进的当前实现树在工程中的应用流程

图6为改进的CRT在工程中的应用流程图，在第3，4，6阶段无法进行相关操作的情况下，需要返回第1步重新构建改进的CRT系统逻辑冲突图表。在针对产品冲突问题时，首先利用改进的CRT构造出技术系统的逻辑冲突图表，并生成对应的APM；然后利用MATLAB用户图形界面（Graphic User Interface，GUI）模块来实现 ADCS算法的可视化操作，搜索出技术冲突所在的实体；最后利用39个工程参数和冲突矩阵来解决技术冲突。

3 工程实例应用分析

3.1 构建改进当前实现树系统冲突逻辑图表

近年来，饮食业油烟污染问题逐渐受到重视。油烟成分复杂，包含多种对人体有害的成分，必须对其进行处理。目前，市场上新出现一种紫外光净化油烟技术，其原理是利用波长为185nm的真空紫外光（Vacuum Ultraviolet，VUV）直接照射油烟，产生强氧化剂来氧化有机物［8］，经过2～3s的净化，可达到较高的净化率。该技术净化过程如图7所示，该装置具有结构简单、成本较低的特点，在市场上已得到初步的应用。

3.2 生成邻接参数矩阵及搜索冲突实体

基于MATLAB GUI模块，利用ADCS算法实现了与紫外光油烟净化机系统性能相关的实体来构造该产品的CRT和APM，其可视化操作界面如图8所示。

利用计算机自动实现的技术冲突搜索可视化操作GUI界面，如图9所示。

3.3 确定系统技术冲突

由图9可知，当延长管道以使光解氧化反应充分时，将会导致系统体积变大，记为冲突1；减小风机功率可以使管道内压力损失减小，却会导致油烟外溢增大，记为冲突2；增大风机功率，将有助于减少油烟外溢，却会导致油烟净化机振动、噪音增大，记为冲突3。

利用TRIZ创新工具求解技术冲突是一种切实有效的方法。TRIZ中的39个工程参数的描述如表1所示［9］。

表1 39个工程参数

对于冲突1，提高油烟净化率（RE14－P）与系统体积增大（FE1－N）的冲突，描述为性能提高参数：No.39生产率或No.4静止物体的长度；恶化参数：No.8静止物体的体积。

对于冲突2，减小管道压力损失（IE8－N）与油烟外溢增大（FE3－N）的冲突，描述为性能提高参数：No.22能量损失、No.27可靠性；恶化参数：No.31物体产生的有害因素。

对于冲突3，减少油烟外溢（FE3－N）与噪音增大（FE2－N）的冲突，描述为性能提高参数：No.23物质损失、No.27可靠性；恶化参数：No.31物体产生的有害因素。

3.4 冲突的TRIZ求解过程

冲突的TIRZ求解主要是通过查找冲突矩阵，得到相应的发明原理序号，再由该序号的发明原理选出适合实例的原理解，分析如下：

对工程参数No.39和No.8之间的冲突，查找冲突矩阵得到发明原理No.10：预操作。在相关文献［8，10］中发现，在紫外光分解有机物的实验中，增加污染物湿度有利于净化污染物，其原理是由于紫外光照射水蒸汽产生更多的自由基等强氧化剂。新启示为：可在紫外光净化区增加一个加湿器，以提高氧化反应效率。

对工程参数No.4和No.8之间的冲突，查找冲突矩阵，得到发明原理No.14：曲面化，即用旋转运动代替直线运动，采用离心力。新启示为：将油烟前处理阶段的油脂过滤网改为惯性分离的曲线运动结构，如图10所示，使用该结构后，压降减小且无需经常更换滤网，减少维护成本；在紫外光分解油烟装置之后增加一个旋风分离单体，使其内部的螺旋运动取代直线运动，以延长反应时间，同时还使气体排出之前多了一个气液分离的过程，这样可减少在净化阶段添加的加湿器对气体湿度的影响。

对工程参数 No.22和 No.31，以及 No.27和No.31之间的冲突，查找冲突矩阵，得到发明原理No.35：参数变化。新启示为：集烟罩安装高度及结构可根据不同条件进行改变，将集烟罩设计为可移动式结构，以便根据油烟发生源的具体位置进行高度调整；同时在集烟罩侧边设计一对活动挡板以改变集烟罩的结构，可减少油烟外溢。当油烟量较大时将挡板打开，烟量较小时可将其关闭，以减少空间占用，其结构如图11所示。

对工程参数No.23和No.31之间的冲突，查找冲突矩阵，得到发明原理No.1：分割，即将一个物体分成相互独立的部分。新启示为：由于功率较大，风机产生的噪音也较大，可考虑用两台功率较小的风机来取代一台大功率风机，以减小产生的噪音。

对工程参数No.27和No.31之间的冲突，查找冲突矩阵，得到发明原理No.2：分离，即将一个物体中的“干扰”部分分离出去。新启示为：基于空间的分离，将产生噪音的风机置于室外，可减小噪音对工作环境的影响。

4 结束语

本文针对TRIZ冲突求解过程中系统技术冲突的确定问题，提出一种改进的CRT方法，将CRT中的实体与逻辑关系进行分类，用于构造产品冲突逻辑图表。根据所提出的技术冲突在CRT中的存在形式，再由构造技术系统中改进的CRT模型确定出产品存在的技术冲突。基于图论中有向生成树的计算机存储方法，提出了APM。APM能较好地为改进的CRT构建数据结构。提出了一种技术冲突深度优先搜索算法ADCS，并利用 MATLAB GUI模块，实现了对ADCS算法的计算机可视化操作。将提出的一系列方法及程序应用于紫外光油烟净化机产品冲突问题的确定与求解，获得了较好的效果。该研究对其他产品技术冲突问题的识别、确定及求解提供了一种可行的有价值的参考，也大大提高了对产品冲突求解的效率，减少了人为主观因素的影响。

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