LED灯具的TRIZ物-场分析模型及其简化表达法

黄振永　裴雪丹　王利利　薛竣文　苏秉华

摘  要：物-场分析法是TRIZ理论中的一种重要的问题描述和分析工具，通过建立LED灯具的功能模型过程，可以利用物-场分析模型的一般解法（6种）提升创新LED灯具的工作效率。该文概述了物-场分析模型的基本思想，分析了“三角形”表达法和“哑铃式”表达法的缺点，利用TRIZ的技术矛盾矩阵表提出了一种物-场分析模型的简化表达法——表格法，并指出了表格法的优缺点及其弥补方案。以LED灯具为研究对象，探索了物-场分析表格法模型的应用：（1）有效的完整模型;（2）不完整模型及其解法;（3）作用有害的完整模型及其解法;（4）作用不足的完整模型及其解法。表格法是TRIZ物-场分析模型的行之有效的简化表达法，能提升创新的工作效率和拓宽创新思路。

关键词：照明设计  LED灯具  TRIZ  物-场分析模型  表格法

中圖分类号：TB858.1                              文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（c）-0001-04

TRIZ，源自俄文：теории решения изобретательских задач，用英语标音可读为：Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，缩写为：TRIZ。国内学者多直译为：发明问题（的）解决理论，也常音译为：“萃智”或者“萃思”，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之义，是前苏联发明家、教育家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）和他的研究团队，通过分析大量专利和创新案例总结出来的创新工具[1]。科技创新离不开创新工具。科学的创新工具能提升创新工作的效率和质量。LED技术是当前热门的研究主题之一[2-8]，该文以LED灯具为研究对象，利用TRIZ理论中的技术矛盾矩阵表寻找并提出一种物-场分析模型的简化表达法——表格法，探索了物-场分析表格法模型在LED灯具创新中的应用。

1  物-场分析模型概述

物-场分析法是G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）于1979年提出的解决问题方法。所谓物-场分析法，是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论与方法。阿奇舒勒对大量的技术系统进行分析后发现：一个技术系统如果想发挥其有用的功能，就必须至少构成一种最小的系统模型。这个最小的技术系统模型应当具备3个必要的元素：两种物质和一个场，即三要素（物质S1——工件、物质S2——工具、场F——能量）。关于物场模型的表达方式，早期的学者提出了“三角形”表达法和“哑铃式”表达法，如图1和图2所示[1]。

2  现有表达法的缺点分析与创新

三角形表达法和哑铃式表达法存在的典型缺点有：

（1）在Word文档中或WPS中绘制、修改（尤其是扩展）模型比较麻烦。

（2）如果圆圈中输入文字太多，那么圆圈直径要么变得很大、要么变成椭圆，横向尺寸变大。

（3）没有表达出最小的技术系统要实现的“功能”。

（4）占用面积大、行数多。

鉴于现有两种表达法存在的缺点，该文使用TRIZ理论中技术矛盾矩阵表来寻找简化物-场分析模型表达法的思路如下。

（1）选择技术矛盾通用参数。

想要改善的参数：生产率（提升绘制物-场分析模型的效率）。

想要恶化的参数：静止物体的面积（减小绘制物-场分析模型的占用面积）。

（2）查技术矛盾矩阵表找到发明原理的代号。

通过查找经典的39×39规格的技术矛盾矩阵表，找到行（对应改善的参数）与列（对应恶化的参数）交叉单元格中的发明原理的代号是：10号，35号，17号，7号。

（3）发明原理释义。

10号对应的发明原理是：预操作原理。35号对应的发明原理是：参数变化原理。17号对应的发明原理是：维数变化原理。7号对应的发明原理是：嵌套原理。

（4）给出创新方案。

表格可以看作是一个单元格嵌套在另一个单元格中的集合，通过改变某些个单元格的边框参数（边框的线形样式）表达物-场分析模型中的不同作用效果。因此提出用表格法简化TRIZ的物-场分析模型。

另选一对技术矛盾通用参数来验证。

想要改善的参数：可维护性（提升修改物-场分析模型的效率）。

想要恶化的参数：静止物体的面积（减小物-场分析模型的占用面积）。

通过查找经典的39×39规格的技术矛盾矩阵表，找到行列交叉单元格中的发明原理：16号（不足或过度作用原理），25号（自服务原理）。

利用16号发明原理只改变表格中某些个单元格的参数，并不改变全部参数;通过单元格的拆分、合并改变单元格的大小、位置、特征（边框的线形样式）。也能提出用表格法简化TRIZ的物-场分析模型。

再选一对技术矛盾通用参数来验证。

想要改善的参数：形状（降低绘制物-场分析模型的复杂度）。

想要恶化的参数：适应性及多用性（牺牲复杂系统的绘图适应性）。

通过查找经典的39×39规格的技术矛盾矩阵表，找到行列交叉单元格中的发明原理：1号（分割原理），15号（动态化原理），29号（气压液压结构原理）。

利用1号发明原理把大的表格分割成不同的功能区，只改变表格中某些个单元格的参数，并不改变全部参数。也能提出用表格法简化TRIZ的物-场分析模型。

综上分析，虽然三个思路选择的技术矛盾通用参数并不同，但都能殊道同归得出一致的创新方案：用表格法简化TRIZ的物-场分析模型。

该文提出一种物-场分析模型的简化方法——表格法（英译为“Table Method”）。如表1和表2所示，“FUN”所在单元格为“功能”区。“F”所在的单元格为“场”区。“S1”和“S2”所在的单元格分别表示“物质1”区和“物质2”区。

物-场分析表格法模型的突出优点是：

（1）一目了然地表达出了该最小技术系统所要实现的功能。

（2）结构紧凑、占用行数少、面积少，利于排版。

（3）编辑、修改、扩展（通过拆分、合并单元格来实现）时操作方便。

物-场分析表格法模型的缺点是：

（1）忽略了箭头及其方向，不能清晰地表示谁对谁发生作用。其实也不用担心，因为作用是相互的，如果A对B发生作用，那么B对A就会发生反作用。弥补方案：表格法事先约定两种物质存在相互作用。

（2）多引入了一个元素（FUN，即“功能”），给绘图带来了麻烦。换来的好处是可以一目了然地表达出该最小技术系统所能实现的功能是什么。

3  物-场分析表格法模型的应用

3.1 有效的完整模型

LED灯具能够正常工作时的物-场分析模型属于“有效的完整模型”。为便于理解表格法，先构建物-场分析三角形模型的功能描述性模型如图3所示，共有3个要素：S1为桌面（也可以视为正在阅读的书面）;S2为LED灯具为F：电场，且作用是有效的。图1可以视为LED灯具的物-场分析三角形模型的符号化模型。等效的LED灯具的物-场分析表格法模型如表3和表4所示。

3.2 不完整模型

当LED灯具不能照明时，如没有电（电池没电或市电停电）、LED灯珠坏掉了、LED驱动电源坏掉了，此时的物-场分析模型属于“不完整模型”，用“？ ”表示缺少（能产生正常作用的）元素（如表5、表6所示）。

3.3 作用有害的完整模型

由于LED灯珠是点光源，所以LED灯具如果配光不合理就往往会出现眩光现象，此时的物-场分析模型属于“作用有害的完整模型”，如表7所示，其中用波浪线表示作用有害（如紫外线成分增多）;如表8所示，用双线表示作用过度（如因电压过高导致亮度过亮）。

3.4 作用不足的完整模型

当照明效果不好时，如因为干电池工作了很长时间后剩余电量不足造成亮度不够、因配光不合理造成光照度不均匀，此时的物-场分析模型属于“作用不足的完整模型”，如表9所示，其中用虚线表示作用（效应）不足。

4  物-场分析模型的解法

在国际TRIZ理论中，物-场分析模型有6种一般解法。接下来说明LED灯具的物-场分析模型的解法。因为有效的完整模型是完善的系统，无需进一步完善（也可以按技术系统的进化法则实现完善），其也是我们改善另外3种模型的目标。

4.1 不完整模型的解法

一般解法1：补全元素（增加场或物质）[1]。

当LED灯具没有电时（如电池没电、市电停电），想要它实现有效功能，就需要增加一个元素（电场或机械场，F），如表10所示。解题方案：用新的干电池换掉废旧的干电池;接通公共市电或离网型光伏发电系统;通过机械运动（如手摇式、握力式、风力式）发电。

当LED灯珠坏掉了、LED驱动电源坏掉了，想要它实现有效功能，就需要增加一个元素（物质1或物质2），如表11所示。解题方案：增加能正常工作的灯珠（S1）或增加能正常工作的LED驱动电源（S2）。

4.2 作用有害的完整模型的解法

一般解法2：增加第三种物质S3，用来阻止有害作用[1]。

虽然LED是公认的绿色、节能的光源，但是散热性能对LED照明效果有重要的影响：（1）降低LED灯珠的寿命;（2）改变LED的光谱。当LED灯具的散热效果不佳时，就会产生有害作用——过热容易烧坏LED灯芯，从而降低LED灯珠的寿命，想要它实现有效功能，就需要增加第三种物质S3。解题方案：增加第三种物质（S3），比如空气动力散热器、水冷散热器或散热铝基板（片）。同时，当LED灯芯温度变化时导致LED的光谱发生改变。即当LED灯具的散热效果不佳时，就会产生有害作用——非白光照明对眼睛阅读有害，想要它实现有效功能，就需要增加第三种物质S3。解题方案：增加第三种物质（S3），比如恒温控制器。虽然增加的第三种物质不同，但是实现的功能是一样的（减少或阻止有害作用），所以物-场分析模型是一致的，如表12所示。

一般解法3：引入另外一个场F2来抵消原来场的有害效应[1]。

正如前述，散热性能是LED灯具的重要性能。小功率的LED灯靠自带的铝基板可以实现散热，但是大功率的LED灯就需要配备附加的散热系统才能减少或阻止有害作用。解题方案：对大功率的LED灯具而言，引入另一个场（风场，F2）和第三种物质（电风扇，S3）。当夜深看书时，光太亮会觉得赤眼不舒服（即作用过度）。解题方案：引入另一个场（机械场，F2）和第三种物质（PWM调制器，用来调节亮度大小，S3）。虽然增加的第三种物质和场不同，但是实现的功能是一样的（减少或阻止不利的作用），所以物-场分析模型是一致的。对应的物-场分析模型如表13所示。

4.3 作用不足的完整模型的解法

一般解法4：用另外一个场F2代替原来的场F[1]。

原来的场F：电场，用直流供电，比如用干电池供电或用可充电电池供电，由于这类电池的电容量有限，所以有效照明时间不长，且随着工作时间变长，LED灯具的亮度会逐渐降低。解题方案：（1）换用新的場F2：电磁场，用交流转直流的供电方式，把LED灯具的驱动电源插头直接插入市电插座中就可以长时间照明了。（2）换用新的场F2：机械场，用人工机械运动（如手摇式、握力式、风力式）发电解决临时性持续照明需求。对应的物-场分析模型如表14所示。

一般解法5：增加另外一個场F2来强化有用效应[1]。

在大的房间内，一盏LED灯具不足以照亮整个房间时，需要增加一个或多个光场;当一个LED灯珠因功率小不足以获得大功率照明效果时，也需要增加一个或多个光场;当需要无影照明效果时，也需要增加一个或多个从不同的方向照明的光场。对应的物-场分析模型如表15所示。

一般解法6：引入第三种物质S3并增加另一个场F2来强化有用效应[1]。

当LED灯具配光不合理时，光照度就会不均匀，如果想获得更均匀的照明效果，则需要引入第三种物质S3并增加另一个场F2来强化有用效应。解题方案：引入第三种物质（如LightTools设计软件，S3）和另一个场（信息场，F2），即用照明仿真软件设计良好的配光方案及其LED灯具。对应的物-场分析模型如表16所示。

5  结语

科技创新离不开创新工具，TRIZ理论是国际公认的创新工具。鉴于现有的TRIZ理论中物-场分析模型——三角形表达法和哑铃形表达法有显著的缺点，该文利用TRIZ理论中技术矛盾矩阵表，从三个思路殊道同归找到了简化物-场分析模型的表达方法——表格法。该文以LED灯具为研究对象，探索了物-场分析表格法模型的应用及其解法。研究表明：表格法是TRIZ物-场分析模型的行之有效的简化表达法，能提升创新的工作效率和拓宽创新思路;表格法的优点显著，占用面积少、绘图方便、系统的功能一目了然。

参考文献

[1] Li M F， Zhao Y X.Theory and application of TRIZ innovative thinking and method[M].Beijing： Machinery Industry Press，2016：150-164.

[2] Huang Z T， Ji Y F.Efficient user access and lamp selection in LED-based visible light communication network[J].Chinese Optics Letters，2012，10（5）：50602-50606.

[3] Liu Z J， Liu P， Yu F H.Parametric optimization method for the design of high-efficiency free-form illumination system with a LED source[J].Chinese Optics Letters， 2012，10（11）：112201-112205.

[4] Yuan K， Yan H M， Jin S Z.Integral colorimeter based on compound LED illumination[J].Chinese Optics Letters，2014，12（2）：23302-23305.

[5] Yuan K， Yan H M， Jin S Z.LED-based spectrally tunable light source with optimized f itting[J].Chinese Optics Letters，2014，12（3）：32301-32303.

[6] Chen C， Zhang X H， Rao J H.Optical design for an LED-based handheld underwater wireless optical communication system[J].Chinese Optics Letters，2015，13（2）：20801-20804.

[7] Jean Armstrong.Optical domain digital-to-analog converter for visible light communications using LED arrays[J].Photonics Research，2013，1（2）：92-95.

[8] Simon J. Herr， Karsten Buse， Ingo Breunig.LED-pumped whispering-gallery laser[J].Photonics Research，2017，5（6）：34.