TRIZ在小问题提取与资源分析中的应用研究

2014-11-20山东建筑大学机电工程学院王晴张明勤孙大铭田艳

科技创新与品牌 2014年2期

文/山东建筑大学机电工程学院王晴张明勤孙大铭田艳

TRIZ理论作为一种系统化创新设计方法，从很大程度上提高了发现、解决问题的效率。该理论认为不断发现并彻底解决设计中的冲突问题是推动产品进化的动力。工程设计中普遍存在的冲突问题是小问题即现有产品当前状态与所希望状态存在距离，且目前的科技水平可以解决的问题[1]。工程设计中的问题大多存在于复杂模糊的情景之中，这是设计问题初始状态即初始问题的一种表现形式。直接从工程情景中提炼出有效简明的创新问题显然难度较大，需要对初始问题进行情景分析来揭示问题的实质，从而确定小问题。

传统TRIZ理论针对小问题提供发明原理、分离原理、标准解等问题解决工具，但并没有给出确定小问题的方法。国内关于TRIZ的研究与应用也主要集中在概念设计和创新设计[2-3]方面，着重该方法用于实际问题的求解，而将TRIZ用于确定工程小问题和资源分析的研究较少。檀润华等[4]通过改进反向鱼骨图以建立功能模型来发现有害作用、不足作用及过剩作用等小问题，但需要确定系统所有功能元件，尤其对于复杂系统，该过程很难快速实现。本文通过对问题情景中限制条件的极限化来快速提取小问题，并建立产品设计资源表对小问题进行资源分析。

1 小问题的提取

1.1 问题情景描述

产品与外部环境（可分解为使用对象、使用环境）之间物质、能量和信息输入与输出的变换关系决定了产品的功能。因此在对产品进行改进设计时就必须考虑产品的使用对象、使用环境。产品、使用对象与使用环境三者之间的交互过程即为产品情景。

产品在实现功能时不可避免地突出某种不能令人满意的特点，体现为一种问题情景。它主要表现背景知识及其限制条件，是对设计问题初始状态的描述[5]。对问题情景描述可作为设计者思考的入手点，并引导其构思从笼统走向具体。

情景描述只对原系统的背景知识及限制条件作描述，不指出对原系统做哪些改变。因此情景描述不能直接给出解决方案，需要将问题情景转换为小问题来求解。

1.2 小问题描述

（1）问题形式

问题情景可转化为“缩小问题”和“扩大问题”两种形式[6]。“缩小问题”即将问题最小化，对原系统的改变加以最大化限制，尽量使系统保持不变，达到消除系统缺陷与完成改进的目的。“扩大问题”即将问题最大化，对原系统不加限制，允许系统发生较大变化。一般情况下，解决问题在能取得积极结果的同时，并不要求系统本身有实质性的变化，从而易于实现和获得经济效益[7]。这里的小问题只考虑“缩小问题”形式。（2）小问题提取

从问题情景过渡到小问题，必须删除情景中给出的多余要素，准确无误地反映问题的本质：系统中的冲突。小问题中只保留冲突所必要的要素。

TRIZ理论提供STC（Size、Time、Cost）算子思维方法，即将尺寸（S）、作用时间（T）和成本（C）这三个因素按照三个方向、六个维度进行变化，也就是将这三个因素分别逐步递增和递减，递增可以到最大，递减可以到最小，直到系统中有用的特性出现。由于“缩小问题”通过引入约束激化矛盾，以发现隐含的冲突，因此可将该思维方法加以扩展应用到“缩小问题”中，即把情景描述的限制条件（约束）分别做递增和递减，以发现最具影响力的特征。特征的变化产生不同的结果，从而发现冲突。

1.3 小问题提取步骤

在问题情景描述的基础上，通过STC思维方法的扩展运用，将问题情景中的限制条件极限化，以使某些重要特征显现出来，逐渐趋近问题的本质。

小问题提取步骤：

（1）进行问题情景描述。

问题情景描述应简明扼要，包含较全面的信息。一般情况下，可进行产品系统的主要部件、系统目的、使用对象和环境、工具、工作过程、系统主要优缺点等方面的描述。

（2）从问题情景中分离出限制条件。

在问题描述中存在某些元素，它们保持不变或变得稍微复杂的时候，所要求系统达到的作用或特性会呈现。将这些元素列为限制条件。

（3）对限制条件分别作STC分析，缩小问题，突出冲突。

优先选取对系统的改变最小的限制条件，将其在最大范围内作变化，直到问题失去物理学意义才是限制条件变化的临界值。

（4）小问题描述

将步骤（3）中的冲突按以下要素来描述：冲突的元件；产生的冲突；通过引入某元素来消除冲突。

2 小问题资源分析

资源是一切可以开发和利用的物质、能量和信息的总称。高级的解决方案往往通过利用或改善产品系统或超系统资源而得到，因此在解决小问题之前先进行资源分析，找出可用资源，使产品沿理想化方向改进。

2.1 TRIZ中资源概述

TRIZ中的资源有显性资源和隐性资源，显性资源比较容易发现，隐性资源很难被利用。在进行资源分析时，应尽可能将所有的资源查找出来。TRIZ中认为一个技术系统中拥有八种类型的可用资源[8]，见表1。

表1 TRIZ资源分类

2.2 产品设计资源表

产品的设计工作可以充分体现产品的综合质量（即结构性能、技术性能和制造性能），因此产品设计是产品质量的灵魂。产品的先进落后，很大程度上取决于设计质量。

为辅助产品设计者在进行产品设计时更好地发现产品系统中的可用资源，可采用TRIZ理论中九屏幕法进行资源搜索。使用九屏幕法要分别在当前系统、子系统、超系统上，以及对应的现在、过去、未来的时间尺度上分析各种资源[9]，这种方法可以有效发现隐性资源，但由于设计者不易打破思维

表2 产品设计资源表

紧急行动原理复制原理周期性作用原理反馈原理产品系统中场、使用中的场或衍生场等所传达的信息产品系统变形物传达的信息产品使用中周围环境传达的信息物质的某些特性传达的信息产品系统中中介物传达的信息生产材料（廉价、高档、环保等）生产废料可回收利用合理的生产管理（生产设备的合理利用、生产人员的合理配置、合理的生产流程等）地域差异（使用环境、生活方式、经济发展、生活需求等）文化差异（风俗习惯、宗教信仰、价值观念等）产品需求分析（新的消费点、消费空缺、消费层次等）某类消费者的共性特征、兴趣爱好、审美观等使用标准件与其他企业进行关联生产利用其他企业生产后的废料产品的系列化推广利用关联产品的营销网络利用关联产品的售后服务网络专利信息、产品其他的未被认知的价值等信息资源生产资源地域、文化资源消费及消费者资源服务资源其他资源

定势，因此为充分发现可用资源，在文献[7]研究的基础上，结合产品设计特征及TRIZ中40条发明原理，得出产品设计资源表。如表2所示。

3 案例研究

工业高速发展的现代社会，停车难问题日益突出。立体车库具有平均单车占地面积小的独特特性，其应用前景备受关注。

步骤1：问题情景描述

针对旅游风景区停车难、与现有立体车库类型不相配问题提出的垂直旋转式立体车库设计方案[10]，采用双环半地下式设计，以地面为支撑，可同时对两到四辆车进行存取动作。该类型车库提高了用地效率，结构新颖，外形美观，可与地下立体车库配合使用，也可独立安装使用。

图1所示为垂直旋转式立体车库的总体框架图。该车库采用单侧支撑，内外环独立驱制动；内外环支撑系统由主支撑杆和辅助连杆连成网架结构而构成；支撑框架与车库中心回转装置相连，实现绕中心固定装置垂直旋转；悬挂式载车台设置在支撑框架的柱支撑杆端处，两者之间设置回转装置，实现载车台自转。该车库的核心技术是单体回转系统和中心回转（内、外环回转）系统。中心回转系统在带动整环旋转的同时，承受载车台和车辆重量产生的巨大倾覆力矩。因此中心回转装置的性能直接决定了整个车库的性能。

图1 垂直旋转式立体车库总体框架图

步骤2：限制条件分离

从问题情景描述中可以快速分离出背景知识和限制条件。表3为限制条件列表。

步骤3：STC分析

“缩小问题”应尽可能保持原系统不变，因此只对限制条件4作STC扩展。

（1）载车台数递增时，由于限制条件3要求所有车辆均在同一侧，因此中心回转系统在带动整环旋转时承受较大倾覆力矩。取外环载车台数为14，承载中型轿车（取2200kg），则主心轴直径约为800mm，壁厚为60mm，长度约为6m，与其配合的回转轴套内径为800mm，难以制造和加工。若采用普通轴承作为回转系统，无法承受巨大的径向力和倾覆力矩。此时，载车台数与回转装置之间的冲突有所凸显。

（2）载车台数与环半径成正比关系。该立体车库的环半径趋于无穷大时，则变成巨大的升降横移式车库，如图2（a）所示；环半径趋于无穷小时，则变成简易升降式车库，如图2（b）所示。在对车库环半径作极限变化时，车库的整体结构形式及工作原理都发生了变化，此时回转系统消失。这显然与限制条件1、2相矛盾。