TRIZ理论在同时基水声测距接收系统性能改进中的应用

李 利

(大连测控技术研究所，辽宁大连116013)

0 引 言

TRIZ(teorija rezhenija inzhenernyh zadach)理论是苏联发明专家G.S.Altshuller在研究世界各国大量高水平专利的基础上，提出的具有完整体系的发明问题解决理论[1]。TRIZ意译为发明问题的解决理论。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于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。它不是采取折中或者妥协的做法，而是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，并且不再是随机的行为。目前，国际上很多大公司已采用TRIZ理论，如波音、克莱斯勒、宝马、三星等。实践证明，运用TRIZ理论可大大提高发明成功率、缩短发明周期、得到高质量的创新产品，也可使发明问题的解决方案具有可预见性[2-5]。

水声测距技术是许多声呐系统中非常重要的组成部分，无论是声学目标的定位、跟踪、导航，还是一些水声测量测绘试验等，都离不开高精度的水下距离测量。在水声测距系统中，接收系统的时延估计起着关键作用，其性能决定着系统的作用距离与测距精度。目前，本单位收发同时基水声测距接收系统采用能量检测的方式检测测距信号，利用幅度门限估计信号时延进而得到距离[6-9]。但是该方法在远距离处检测概率下降，在近距离处难以准确估计，为提高系统作用距离与测距精度，亟待改进水声测距接收系统的性能。

本文主要将TRIZ理论中的根原因分析法、冲突解决理论、技术进化、物质场与标准解、功能分析与裁剪等多种解决办法引入到水声测距接收系统性能改进中来，以期改进测距接收系统的性能。也希望 TREZ理论可以在更多的技术领域得到应用，解决实际问题。

1 问题描述

按照TRIZ理论，首先，定义技术系统实现的功能，即：问题所在技术系统为水声测距接收系统；该技术系统的功能为测量距离；实现该功能的约束有(1)测距信号发射端声源级、(2)海洋背景噪声级、(3)海洋声传播条件。

其次，分析现有技术系统的工作原理，画出现有系统结构示意图，如图1所示[10]。

图1中水声测距系统由发射端、接收端和上位机解算软件构成，其中发射端与接收端由全球定位系统(Global Positioning System,GPS)授时同步，发射端安装在被测目标上，发射周期性的单频脉冲信号(Continuous Wave,CW)；接收端位于测量船上，接收端由水听器接收信号，经电缆有线传输至接收机，接收机可分为硬件部分与软件部分，硬件部分主要实现调理信号、滤波、放大与模数转换(Analog-to-Digital,AD)，软件部分主要实现预处理、信号检测与时延估计、数据发送，接收端的主要功能是检测测距信号并估计时延，将时延信息发送至上位机解算软件；上位机解算软件根据时延信息计算被测目标距离并解算位置信息，在软件上实时显示目标航迹。

图1 水声测距系统构成示意图[10]Fig.1 Block diagram of underwater acoustic ranging system[10]

最后，描述当前技术系统存在的问题：信号幅值与发射端和接收端的距离有关，距离越近幅值越大，距离越远声吸收与传播损失越大，信号幅值越小。信号检测采用能量检测的方式，即设置检测门限来判断信号有无。目前测距接收系统采用折衷的方法，选用合适的门限，在准确估计的基础上尽可能地选低门限保证距离。问题是在远距离处，若设置门限较高，信号容易形成漏报，若设置门限过低，则易产生虚警；在近距离处门限过低又容易受干扰影响。

对水声测距接收系统性能进行改善，要求新系统既能提高检测概率，降低虚警概率与漏报概率，又尽可能地增加测量距离并在被测目标通过测量船的正横时刻准确地估计时延。

2 TRIZ理论功能分析

功能分析是从完成功能的角度而不是从技术的角度来分析系统。它可以将抽象的系统转化为具体的图表，即形成系统功能模型图，以便于设计者了解产品所需具备的功能与特征，或者通过定义与描述系统元件所需要达到的功能，来协助设计人员化繁为简，合理地进行创新设计。对水声测距接收系统进行功能分析，可分以下几个步骤：

(1)分析水声测距接收系统所包含的超系统、元件及制品。TRIZ理论中超系统是影响整个系统的要素，但设计者不能针对该类要素进行改进；元件为所设计系统的组成分子；制品则是系统所要达到的目的。本文主要讨论水声测距系统的接收系统，可分解为超系统、元件、制品。

超系统：测距信号发射端(声源级)、海洋背景噪声、海洋声传播条件。

元件：水听器，传输电缆，接收机的硬件放大、硬件滤波、硬件AD、软件预处理、软件信号检测、软件参数估计、数据传输，上位机软件解算。

制品：目标距离。

(2)进行作用(或联接)分析

有害作用是负面作用，以波浪线表示。测距接收系统的有害作用主要包含：① 海洋背景噪声影响系统检测及参数估计是有害作用；② 海洋为相干多途信道，一方面构成声传播条件，另一方面使检测及参数估计变得复杂，总体上应为有害作用。

不足作用指功能是合理的，但未达到充足作用，以虚线表示。测距接收系统的不足作用主要包含：① 测距信号发射端声源级直接关系到系统的作用距离，声源级低，则导致作用距离近，所以为不足作用；② 接收机硬件滤波阶数有限，目前采用的是高通滤波的方式，对噪声的抑制作用不足；③ 接收机软件信号检测，不能完全满足接收系统的性能要求，是不足作用；④ 接收机参数估计与信号检测紧密相关，不能完全满足接收系统的性能要求，是不足作用。

充足的作用是设计者根据当前需求确定的，以细实线表示。测距接收系统的充足作用主要包含：其余未提及的均为充足作用；

过剩作用指功能是合理的，但超过了充足作用，以粗实线表示。本系统不包含过剩作用。

(3)建立水声测距接收系统的功能模型，如图2 所示[10]。

图2 水声测距系统的功能模型[10]Fig.2 Function model of underwater acoustic ranging system[10]

3 分析根原因并确定冲突区域

所谓根原因，就是导致所关注问题发生的最基本的原因，该原因的消除不会再导致产生相同的问题。对技术系统进行根原因分析，最终根原因归结为系统中某些元件具有某种属性或属性取值。根原因分析图如图3所示。

由根原因分析法得到的信号检测与参数估计均采用经验值为门限是可控的根本原因。在检测信号与参数估计过程中，运用到的参数包括海洋背影噪声与测距发射端发射的测距信号，软件预处理后，提取出被检测信号的包络，设置幅度门限与宽度门限，利用信号的能量与脉宽联合判决。远距离处在高于背景噪声条件下希望门限低，获得足够的作用距离，近距离处信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)足够用于检测，希望获得足够的距离精度。由此确定的冲突区域如图4所示。

图3 根原因分析图Fig.3 Root cause analysis diagram

图4 冲突区域Fig.4 Conflict area

4 可用资源与理想解分析

分析系统的内外部资源，其中水听器的性能设计人员只能利用，但不能改进，所以可用性分析结果为不可用，而接收机硬件放大性能可受设计人员影响，则为可用资源，其他资源可用性分析类似，得到系统内外部资源列表如表1所示。

TRIZ理论中“最终理想解”的概念，目的是克服思维惯性，开拓研发人员的思维，拓展解决问题可用的资源。应用TRIZ理论解决问题之始，要求使用者先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想解，以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新设计和解决问题时缺乏目标的弊端，提升解决问题的效率。确定系统的理想解为：

最终理想解：只要有足够的信噪比即可准确获得距离信息。

次理想解：在保证距离准确的情况下，提高作用距离。

表1 系统内外部资源列表Table 1 List of internal and external resources of the system

5 冲突解决理论

TRIZ理论认为发明问题的核心是解决冲突，采用技术冲突原理分析过程为：冲突描述、转换成TRIZ标准冲突；查找冲突矩阵，得到发明原理。冲突可描述为：为了改善某个参数，需要如何做，但这样做会导致系统的另一个参数恶化。技术冲突原理解决过程与可用性评价如表2所示。针对测距接收系统存在的问题可分别作出两个技术冲突描述，根据描述与 39个工程参数相对照，每个技术冲突可提炼出一对改善参数与恶化参数，利用这对参数查找技术冲突距阵，可分别得到对应的发明原理。如冲突1得到了 No.32、No.3、No.11、No.23这 4个发明原理，但“No.32：改变颜色”对测距系统来说明显不适用，而“No.3：局部质量”则可以理解为若在信号处理时，在有信号时刻增加极窄带滤波，可最大程度上提取有效信噪比。其他可用性评价类比于此，可得4个不同方案。

方案 1：依据 No.3(局部质量)发明原理，得到的解为在有信号时刻进行极窄带滤波，最大程度上提取有效信噪比；

方案2：依据No.11(预补偿)发明原理，得到的解为增加一个幅度较高的大门限，在近距离时使用；

方案3：依据No.23(反馈)发明原理，得到的解为将上位机解算的距离反馈给接收机，使接收机在每一个周期“知道”上一个周期的距离，对参数估计结果进行“预判”；

方案4：No.35(参数变化)发明原理，得到的解为改变信号检测的幅度门限值，即在远距离处选用小的幅度门限值，在近距离处选用大的幅度门限值。

表2 技术冲突原理解决过程与可用性评价Table 2 Resolution process of technology conflict principle and availability evaluation

6 物质-场分析及76个标准解

TRIZ理论的物质-场分析认为，所有的功能都可以分解为3个基本元素，即两种物质和一种场，所形成的相互关系描述的功能称为物质-场模型，物质即指实现功能的物质元素，场则指两种物质之间的相互作用，针对测距接收系统建立问题的物质-场模型如图5所示。

图5 物质场模型Fig.5 Su-field model

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，确定问题的通解。由物质-场模型可知，模型的3个元件都在，但是需要的效果不足，解决方法：(1)改用新的场代替原有的场；(2)用新的场和物质代替原场和物质；(3)增加一个新的场来增强需要的效果。

依据选定的标准解，得到问题的解决方案。

方案1：(创造或合成一个测量系统)依据No.46标准解，得到问题的解为增加信号的频率检测与频率方差检测，与原检测方法相结合，进行联合判决；

方案2：(测量系统的进化方向)依据No.58标准解，得到问题的解为检测时设置多个幅度门限，将检测结果全部上传至上位机，较大程度上保留信息量，在上位机增加决策程序，对检测结果进行有效/无效判别，再进行定位解算。

7 技术进化分析

TRIZ理论认为技术系统是有规律的，是能够被用来预测未来技术发展的，产品技术成熟度预测可以帮助企业寻找自身差距，有的放矢地提高自己的技术水平，寻找创新点。通过对测距接收系统的进化过程进行分析，选择技术进化定律为定律 4：提高动态性定律。依据现有技术系统的进化发展过程，选择技术进化路线 4-3：增强系统的适应性进化路线，即被动适应系统—分级适应系统—自适应系统。按照选定的技术进化路线，确定潜力状态：程序可自适应调整，以满足在近距离处取得高精度，并保证远距离处的作用距离。

按照技术进化分析，得到问题的解决方案。

方案 1：组成技术系统的结构更加柔性化，即幅度门限由单一的固定门限变为在远近距离处分别使用不同的门限值；

方案 2：自适应门限设置，即门限值根据海洋背景噪声幅值与信号幅值自动调整。

8 功能裁剪

功能裁剪是 TRIZ理论中一种改进系统的方法，通过裁剪，将由功能分析得到的问题功能所对应的元件删除，而将其所执行的有用功能利用系统或超系统的其他元件替代执行，实行功能再分配，从而改善整个功能模型。裁剪是产品功能分析过程中的重要步骤，是设计中的重要突破，成本或复杂程度的显著降低往往是功能分析与裁剪的结果。根据功能裁剪原理得到初步裁剪方案。

方案1：利用裁剪规则3(主动元件的作用由其他元件或超系统替代)，接收机硬件放大与接收机硬件滤波的功能由接收机软件预处理部分实现，可进行裁剪。

根据已有产品技术系统的功能模型，通过功能价值计算，找出功能价值最低的元件，进而裁剪功能元件。所谓功能等级与功能模型中各元件的连接状况有关，越接近制品等级越高，各元件的功能等级数值计算表如表3所示[10]。

表3 元件与功能等级数值[10]Table 3 Component and function rank value[10]

方案 2：保留功能等级数值高的，删除数值低的有问题的元件，裁剪后，接收机软件预处理、接收机软件信号检测、接收机软件参数估计、接收机数据传输均裁剪掉，功能由上位机完成。

功能裁剪所得方案示意图如图6所示[10]，裁剪后的系统功能模型如图7所示。裁剪后系统的复杂程度显著降低，可靠性与可维护性将大大提高。

图6 功能裁剪方案Fig.6 Function trimming scheme

9 汇总方案确定最终解

上述方案汇总如表4所示。

依据上面得到的若干创新解，通过评价，确定最终解。结合同时基水声测距接收系统的现状，综合考虑改进后的系统复杂程度与可靠性，这里选用的最终解为：将接收机软件预处理、接收机软件信号检测、接收机软件参数估计、接收机数据传输均裁剪掉，功能由上位机完成，即上位机直接接收并解算水听器数据，同时在检测时设置多个幅度门限，较大程度上保留信息量，增加决策程序，对检测结果进行有效/无效判别，再进行定位解算。

图7 裁剪后水声测距系统的功能模型Fig.7 Function model of underwater acoustic ranging system after trimming

表4 方案汇总Table 4 Scheme summary

续表4

10 结 语

TRIZ理论可以在根本上对于技术或产品存在的问题进行分析，可以运用多种方法在不同方向上考虑问题的解，得到实际问题的全新解决方案。本文主要将TRIZ理论中的根原因分析法、冲突解决理论、技术进化、物质场与标准解、功能分析与裁剪等多种解决办法引入到同时基水声测距接收系统性能改进中来，得到了 10种不同的解决方案并确定了最终解。将最终解应用于新系统，接收系统的性能预期可望得到很大的改善，系统的复杂程度将显著降低，可靠性与可维护性则能明显提高。