TRIZ与可拓学的关系研究

江 帆， 卢浩然， 戴杰涛， 刘 征

(1.广州大学 机械与电气工程学院， 广东 广州 510006； 2. 广东工业大学 可拓学与创新方法研究所， 广东 广州 510006)

TRIZ(为俄文“发明问题解决理论”拉丁文标音Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写)理论是Altshuller于1946 年提出的发明问题解决理论[1].该理论总结出各种技术系统发展进化所遵循的规律，以及解决各种冲突的创新原理和法则，建立了一个由解决技术冲突实现创新的各种方法和算法组成的,并整合多种学科领域的原理和法则的理论体系.运用这一理论，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.

可拓学是杨春燕等[2]于1983年首创的一门新兴学科，主要以形式化的模型，探究事物的可拓性以及开拓规律与方法，并用以解决矛盾问题.相对于TRIZ理论，可拓学研究的矛盾更具一般性，并在研究对象和研究目标上具有更为宽广和系统化的理论基础.

面对两种成体系的创新方法，人们可能会问：这两种方法是否有关系？针对此问题，有不少学者进行了相关工作，仇成等[3]对TRIZ理论和可拓学在矛盾分类、研究对象、理论基础和方法体系等方面进行了差异比较，在哲学思想、基元理论与物质-场理论、40条创新原理与可拓原理方面分析了它们之间的联系，但缺乏更细致的比较，如具体使用流程等.还有一些学者利用TRIZ理论与可拓学融合进行产品或结构设计，仅仅是将TRIZ理论作为前处理或者后处理的一个工具，没有深入它们在技术进化、矛盾分析与求解和领域解评价方面的实质融合.同时，很多学者研究了可拓学在各个方面的应用，特别是在矛盾解决方面更具一般性，但也存在“使用步骤比较复杂，有数学表达式，感觉需要一定的理论基础”等方面的不足.翟章宇[4]对可拓学与TRIZ矛盾问题作了比较研究，主要就差异比较、内在联系、功能应用等方面进行比较，提到了二者的互补性，但还缺少对两个体系的各个工具的应用比较.周贤永等[5]采用可拓变换方法对TRIZ发明原理进行了形式化描述，拉开了可拓学描述TRIZ工具的序幕.李苏洋等[6]比较了TRIZ与可拓创新方法解决矛盾问题的流程与具体案例，得出二者有异曲同工之妙的结论.江帆[7]对TRIZ理论与可拓学进行了比较系统的比较与融合研究，初步搭建了二者的集成方式，但对二者的关系分析还不够深入，如两者工具的实质联系，能否统一融合等.两种创新方法的集成也有很多学者进行研究，如赵燕伟等[8]探讨了TRIZ与可拓学的集成思路，但还缺少较具体的融合思路和路径.周贤永[9]对TRIZ与可拓学进行了融合研究，江帆等[10-14]也给出了很多TRIZ与可拓结合的应用案例.因此，继续深入研究TRIZ理论与可拓学在求解流程和具体求解方法方面的细致比较，对TRIZ理论、可拓学的研究与应用具有重要价值，为我国技术创新发展提供方法论的支撑.

1 各自求解流程的关系研究

对于创新问题求解(如矛盾问题)，这两种方法均有一个规范化的求解流程(图1).

图1 两种创新方法的求解流程Fig.1 Solution flow of two kinds of innovative methods

TRIZ理论中，有一个总的ARIZ算法，主要是针对复杂问题，实际中应用不同的求解工具时，流程有些区别，但总体是三步走：问题描述、问题分析与求解和方案评价.由图1可见，对于技术矛盾问题(TRIZ理论中矛盾类型的一种)，首先是对矛盾问题进行描述，并找到矛盾双方对应的标准工程参数，然后查询矛盾矩阵，得到推荐的发明原理，并对这些发明原理进行分析，建立矛盾问题的解决方案，如果无法建立矛盾的解决方案或者推荐的发明原理不合适，需要重新对矛盾双方进行描述，之后重复这一个过程，直到建立符合要求的解决方案.

可拓创新方法有统一的求解流程：建模、拓展、变换、选优.以矛盾问题中的不相容问题为例，首先找到矛盾的目标和条件，分别建立基元模型(一般情况下是目标事元与条件物元的矛盾)，之后分别对目标事元与条件物元进行拓展，根据拓展的路径进行变换，建立矛盾问题的解决方案，最后对方案进行优选.

从两者的求解流程看到，都是第一步相对重要，TRIZ理论中针对不同问题类型，求解流程是有细微差异的，而这种差异对计算机处理来说，会增加求解的复杂性.而可拓创新方法的求解流程始终是四步走，便于计算机处理.

从实质分析，二者的求解流程是一致的，TRIZ理论中的问题描述是建模过程，而分析求解也类似可拓创新方法的拓展与变换过程，最后都有优选.从它们求解流程的实质看到，可拓创新方法的流程归纳得更一般、更底层，有助于创新问题的定量求解，获得优异的解决方案.

2 各自具体求解方法的关系研究

2.1 各自建模方法的关系研究

TRIZ理论中，各类问题求解时，建模方法是不同的，如对应技术矛盾问题，是通过填表法，如表1所示，而对应物场问题，则是建立物场模型，如图2所示.

表1 伞的技术矛盾

图2 钻孔的物质-场模型
Fig.2 Substance field model of drilling hole

可拓创新方法建模是统一用基元描述，不管问题类型，都可以用物元、事元、关系元或更复杂的参变量基元、复合基元等描述，如式(1)所示，或如表2所示的表格形式描述.基元模型构建要遵守一定的规则.

(1)

表2 事元实例

从二者建模方法可见，TRIZ理论中对问题的识别很重要，要根据不同的问题类型，采取不同的描述方式，而可拓创新方法则高度统一，用基元模型即可针对不同问题.

进一步分析发现，不管是TRIZ理论中哪种问题的描述，也一样可以用基元模型描述，如下面的实例.

例1，表1中列出了伞的技术矛盾，是伞的抵抗暴雨能力与携带难度的矛盾，这个矛盾问题用基元描述如式(2)所示.

P=(G1∧G2)*L

(2)

L=(雨伞，遮雨半径，70 cm).

例2，对于图2的钻孔的物场模型，也可以用基元模型描述.

(1)物场模型中的各个物质，可用物元描述：

(2)物场模型的相互作用，可以用事元描述：

当然可以举出更多实例，限于篇幅，这里仅给出两个实例.从这些实例看到，基元模型可以方便地描述不同问题，这样有利于建模方式的统一.

2.2 各自拓展方法的关系研究

TRIZ理论中，通常是将问题分析与求解合并在一起，故这里仅把TRIZ理论有明显拓展痕迹的多屏幕法、STC算子法、资源分析法和因果分析法与可拓创新方法中的拓展方法进行比较.

多屏幕法与STC算子法有明显的拓展路径，多屏幕法是沿时间和空间两个方向拓展思维，STC算子法是沿尺寸、时间、成本等三个维度拓展思维.其拓展也有一定的规则，如多屏幕法中子系统、超系统、子系统的过去和子系统的未来等，STC算子法中向某个参数的无穷大或无穷小方向，规则相对较少，比较容易识记与操作.

可拓创新方法中的拓展方法相对较多，如发散树方法、相关网方法、蕴含系方法、分合链方法和共轭分析方法等，都有严格的规则，需要理解这些规则后才能进行拓展操作.

同样，这些TRIZ的拓展方法也可用可拓创新方法中的拓展方法实现，如下面的实例，见图3、表3.

图3 挂钟的STC算子法发散Fig.3 STC operator method of wall clock

对 象特 征量 值量值拓展挂钟尺寸22.5 cm10 m,0.001 mm制造时间300 s100 h,40 s成本20元2 000元,3元工业机器人总体尺寸2 m30 cm,5 mm重量60 kg2 kg,30 g驱动方式自身关节驱动外部驱动

例3和图3所示的挂钟STC算子法发散实例，可采用表3所示的拓展分析描述，后续通过简单的置换变换就可以得到与STC算子法发散一样的结果.

从上述实例看到，TRIZ的发散方法与可拓创新方法中的拓展方法有对应关系，TRIZ的发散方法可以用可拓创新方法中的拓展方法实现.

2.3 各自求解方法的关系研究

TRIZ理论的求解工具较多，针对不同的问题类型有不同的求解工具，如矛盾求解方法(发明原理)、标准解法、科学效应库方法、裁剪、小矮人法和技术进化法则等，这些求解工具有一定的联系，但各自独立性较强，能够单独针对问题进行求解.

可拓创新方法中，求解主要靠变换，包括基本变换、变换运算、传导变换和共轭变换等，有一定的独立性，但联系比较大，如变换运算是在基本变换的基础上进行的.

研究发现，TRIZ的各求解工具也是可以用可拓变换实现的，如周永贤[5，9]就用可拓变换实现了TRIZ的发明原理.接着再给出技术进化法则与裁剪的可拓变换形式.

例4，以技术进化法则中的向微观化进化法则为例，工业机器人有向微观化进化的趋势，如进化成微型机器人——管道机器人、血管机器人，见图4.用可拓创新方法中建模、拓展与变换就可以实现，其中拓展如表3所示.

图4 工业机器人向微观化进化Fig.4 Evolution from industrial robots to micro-robots

例5，裁剪是现代TRIZ中的重要工具，通过删除问题元件，重组系统有用功能，达到技术系统简化与产品优化的目的，从而实现产品创新设计，如图5所示.

图5 牙刷的裁剪Fig.5 Trim of toothbrush

图5可见，牙刷功能模型的裁剪过程可以用可拓变换实现，如表4给出删减变换.

表4 牙刷的删减变换

通过这些实例看到，TRIZ的求解工具是可以用可拓变换实现的，也证实可拓创新方法具有更一般性.

2.4 各自方案评价方法的关系研究

两种创新方法对于某个创新问题求解后都会产生较多的解决方案，需要对这些方案进行优选，故两种方法都建立了评价方法.

TRIZ理论强调理想解，技术系统是朝着理想化方向发展，故采用理想度评价技术系统，理想度I描述如式(3)所示，是有用功能之和∑FU、有害功能之和∑FH及成本之和∑C的函数.实际中用理想度评价技术方案存在较多不足，如有用功能、有害功能的量化问题和三个参数的量纲不一致问题等.

(3)

可拓创新方法建立了优度评价方法，由选择评价指标、赋予评价指标权重和建立关联函数，得到各方案关于各指标的关联度，计算规范关联度，最后得到优度，如式(4)所示.

(4)

式中，C(Zj)为方案Zj的优度，Zj(j=1,2,3,…,m)为第j个待评价方案，gi(xj)(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)为Zj关于MIi的规范关联度，MIi为第i个评价指标.

从实质看，理想度也可由优度计算公式导出，即把优度评价的权重和关联函数调整，可得到理想度的表示.

上面从各自求解方法的对比看到，TRIZ理论的求解方法都能用可拓创新方法来描述，即可以通过可拓建模、拓展、变换及选优等来实现，当然，可拓创新方法中的很多方法也可以用TRIZ的工具来实现，这说明二者之间具有一致性.从本文的分析也看到，基于可拓学理论的可拓创新方法能够给出更接近本质的形式化描述，而TRIZ工具基本是定性描述，因此，可拓学的理论可以作为TRIZ方法的理论基础.

3 结 论

(1)TRIZ理论与可拓创新方法均是完整体系的创新方法，能够解决各领域出现的矛盾问题，二者的求解流程有相关性.

(2)TRIZ理论来源于发明专利，有较强的实践性；可拓创新方法能对世界进行普遍描述，具有普遍性.通过实证分析发现，TRIZ理论的各种求解方法可以通过可拓模型变换得到，故可拓学理论可作为TRIZ工具的理论基础.

(3)可拓学理论是TRIZ工具的理论基础，并不是说谁优谁劣，而是要说二者应相互融合，相互借鉴，共同提高创新效率.TRIZ工具可以作为特殊的拓展与变换方法，而可拓创新方法能为TRIZ求解提供可靠的模型.