基于TRIZ理论的移栽树木防风装置改进设计*

朱 海，刘静娜，马文朋

（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384）

TRIZ理论的名称源自于俄文“发明问题解决理论”转换成拉丁文的词头缩写，其本意为发现创造问题并解决问题。该理论是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒自1946年开始同上千位研究人员经过多年努力，对200多万份专利进行分析与总结，对其中具有代表性的4万份专利进行了深入的研究，总结创新发明的规律法则，综合多学科多领域而获得的一种发明问题解决理论的方法[1]。

TRIZ理论的应用流程分为3个阶段：一是识别问题；二是解决问题；三是创新概念。通过系统组件分析、资源分析与因果分析等分析手段对系统中存在的问题进行明确，运用矛盾求解、物场求解等求解手段对其存在的问题进行求解方向的确定与求解方案的提出，对其解决方案进行最终的评估，并选择获得该系统的最佳设计改进方案。TRIZ理论是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中，总结和研究出来的科学原理，并且，“发明问题解决理论”适用于各个行业的发展[2-3]。

1 移栽树木防风装置改进设计问题描述

在进行城市规划与园林规划时，需要移栽各种新树木来增加城市所在地绿化率，但新移栽树木若受到强风或其他冲击等影响会发生一定的倾斜，使其在生长过程中也会倾斜生长，影响了园林风景的美观。现在通常通过几根木棍、几块木板或树干与移栽树木的树干进行捆绑，来对其进行固定，见第44页图1。由于这种固定方式的装置过于简单存在着许多问题。首先，木材之间的摩擦会使被固定的树干的表层树皮受到损伤，对树皮易损的树干影响很大。其次，木棍、木板或树干的摆放无法构成正三角形，防风的方向存在局限性。最后，支撑结构之间的力学性能会随着时间推移而有所下降，使结构不稳定，易产生晃动，造成固定失败。

综上所述的种种不足，都会对新移栽树木的固定造成影响。为了解决这种不足，笔者对目前的移栽树木防风装置的工作情况，进行分析与结构的创新。

图1 传统移栽树木固定示意图

2 基于TRIZ理论的移栽树木防风装置的优化设计

运用TRIZ理论来解决发明问题的主要基本思想如下：首先，通过将分析模型中存在的问题通过TRIZ理论工具进行合理的归类；其次，通过其类别内的解决方案类型来对本问题的解决方向做出确定；最后，根据模型所处实际情况进行分析，总结出最终的解决方案。图2为TRIZ理论解决发明问题的基本流程。

2.1 传统移栽树木防风装置组件分析

图2 TRIZ理论解决发明问题的基本流程

在传统移栽树木防风装置中，技术系统为传统移栽树木防风装置；主要功能为控制位置；组件包括普通麻绳、支撑树干、土地；超系统组件包括树干、强风、阳光、雨水。

为明确各组件之间的相互作用关系，建立起各组件的相互联系，从而更好地改善组件、优化组件和系统结构，需要确定组件之间的相互作用是否存在，其必要条件是两个组件之间存在相互接触，进而更方便地判断出当前系统存在的缺陷与不足。在明确系统中各组件是否存在相互作用后，便可对存在相互作用的组件进行进一步分析，判断其相互作用对目的结果的影响，建立功能模型，见图3。

由图3可知，存在相互作用的各组件之间的功能被分为3种：有用功能、不足功能与有害功能，其中不足功能与有害功能会导致系统作用结果无法达到预期效果，分别为：一是强风直接作用在树干，会使刚移栽树木的树干发生一定位移倾斜；二是阳光直射在普通麻绳上，普通麻绳受到日晒，使其变脆易发生断裂；三是在雨季时，雨水会使普通麻绳发霉腐烂，使其捆绑能力降低；四是在雨季时，雨水会使支撑树干发霉腐烂，使其固定能力降低；五是普通麻绳对将多个支撑树干捆绑，由于支撑树干的形状不规则，因此无法达到良好的捆绑效果；六是支撑树干在被绑好后插在土地上，由于土地松动而无法固定好支撑树干的位置；七是由于多个支撑树干的形状、长短不同，因此无法构成正三角形摆放，其固定效果受限。

图3 传统移栽树木防风装置的功能模型

2.2 系统资源分析与因果分析

2.2.1 系统资源分析

任何技术系统都具有超过其通常功能的能力，这种超出的能力可以被发现和利用，以使系统达到理想解。实际上“过剩”的能力就是可用资源必不可少的一种方法，在发明创造设计过程中，可用系统资源起着重要作用，问题的解越接近理想解，系统资源就越重要。只有具备并使用资源，才能解决所有问题。分析移栽树木防风系统的系统中各组件的物质资源、能量资源和功能资源。通过结合实际情况的缺陷以及对以上资源的分析可知，在本系统物质资源中，其中普通麻绳的物质资源中没有抑制吸水的资源，是导致在雨季时雨水会使普通麻绳发霉腐烂、使其捆绑能力降低的主要原因。因此可得方案1：改变普通麻绳中的组成成分，使其成为一种防腐烂防晒的麻绳，进而实现更好的固定效果。

2.2.2 系统因果分析

从功能分析中的得到的初始问题是：在固定过程中，支撑树干无法与被固定树干紧密接触，无法实现稳定固定。在固定后，由于强风的冲击力直接作用在被固定树干与支撑树干上，使支撑结构出现倾斜或破坏，使固定树木产生侧倾。因果分析是一种结构化的问题处理方法，其目的在于识别问题的真正原因所需要的措施。因果分析示意图见第45页图4。

通过对两个典型的初始问题进行逐层的因果分析，找出其深层次的问题原因，得出关键的末端原因：支撑结构的稳定性不足。这为以后的方案求解明确了思考与创新方向。

图4 因果分析示意图

2.3 工程参数与矛盾分析

为使在该系统中的具体实际问题转为TRIZ理论问题，可以通过使用阿奇舒勒在对大量工程实际与专利文献分析中总结出的39个通用技术参数，来进行问题的转换。这39个通用技术参数基本概括了工程领域中出现的绝大部分技术矛盾问题[4]。

在矛盾分析中主要包括了两种分析，分别为技术矛盾分析与物理矛盾分析。这两种矛盾的主要区别为：一是技术矛盾主要表示为研究系统中的两个不同参数之间的矛盾，其主要表现为特性与功能参数；而物理矛盾是在本系统中的某个参数存在两种对立关系，其对立关系构成的矛盾，其主要表现也为特性与功能参数。二是技术矛盾为该系统的整体特性；物理矛盾则为该系统中个别参数或元素的特征特性。三是物理矛盾相对于技术矛盾更可以体现出系统存在的问题本质。四是物理矛盾相对于技术矛盾更加“激烈”一些。

2.3.1 技术矛盾分析

首先需要明确在本系统中存在主要问题，通过以上因果分析可以得到，支撑结构的稳定性不足，使得被固定树干无法稳定固定而产生侧倾，这是导致系统无法实现预期效果的主要问题。

如果支撑结构有足够的稳定性，那么就可以在很大程度上解决树干在被固定后产生侧倾的问题，但是当支撑结构有足够的稳定性时，支撑结构内部应力将会大大提高，造成机械性损坏，固定失败。概括为技术参数来说就是：如果支撑结构的稳定性提高，那么树干就可以获得良好稳定的支撑效果；但导致支撑结构内部组件所受相互作用力提高，易使组件损坏，固定失效。这就构成了一组技术矛盾：如果增加固定杆的数量，那么支撑结构的稳定性将提高；但是与此同时支撑结构装置的复杂性也会提高。

采用39个通用技术参数中的其中两个，来描述这个矛盾的两个方面。可知，改善的通用技术参数为参数13结构的稳定性（通过对支撑结构的位置与形状的设定，使其为科学的固定结构，以达到树木的稳定固定）。恶化的通用技术参数为参数36装置的复杂性（该装置为与树干之间存在良好的力学性能，需使多个头部为铁板平板状的固定杆，在固定时，将多个固定杆的平板部分通过合页连接使其环绕树干，装置的结构与安装过程复杂）。采用的发明原理包括发明原理2抽取原理、发明原理22变害为利原理、发明原理26复制原理、发明原理35物理或化学参数改变原理。图5为稳定性提高方案示意图。

图5 稳定性提高方案示意图

应用发明原理2抽取原理，可得方案2：在固定过程中，仅需要以正三角形摆放的3个杆就可以保持装置结构的稳定性[5]，故3个端部为铁板平板的固定杆为固定过程中的有用部分。采用3个端部为平板的固定杆与多个平板通过合页连接，即可完成固定，该方案简化了装置的复杂性。图6为方案2示意图。

图6 方案2示意图

2.3.2 物理矛盾分析

在解决物理矛盾问题时，根据TRIZ理论，使用4个分离原理，这4个分离原理与40个发明原理之间存在一定的关系，每一个分离原理分别对应着多个发明原理。在因果分析中，已经得到了该系统存在的关键问题是支撑结构的稳定性不足。通过分析可得，如果支撑结构的稳定性过小，就不能使树干得到良好稳定的固定效果；如果支撑结构的稳定性过大，可以使树干固定良好，但是支撑结构与树干的接触力增大，易对树皮产生损伤。由此形成了一对物理矛盾。物理矛盾分析如下：支撑结构的稳定性过小，无法使树干得到良好稳定的固定效果；支撑结构的稳定性过大，可以使树干固定良好，但是支撑结构与树干的接触力增大，易对树皮产生损伤。因为对树皮造成损伤的力仅是由移栽树木防风装置与树干结合部分的组件产生，所以可采用整体与部分分离原理。

应用发明原理27廉价替代品原理，可得方案3：使用紧缩环代替通过合页连接的多个铁板平板的环状结构，固定杆的端部设计为铁片状，在紧缩环套在树干之后，插入在树干与紧缩环之间，固定杆置于地面保持固定。图7为方案3示意图。

图7 方案3示意图

应用发明原理40复合材料原理，可得方案4：在支撑结构与树干之间增加O型橡胶密封圈[6]，缓冲支撑结构对树干造成的冲击力，保护树皮结构，同时提高制成杆的摩擦力，加强固定。

3 移栽树木防风装置改进设计的物场分析

在TRIZ理论中，物场分析是通过系统中存在的功能问题进行分析进而确定其类型与性质，通过参考76个标准解，使设计者获得创新思维的开发与解决问题的方向。

物场分析的求解过程的基本思路为：首先明确系统中存在的主要问题；其次分析主要问题的解决方法后，可以将其解决方法归类为5种类型，每种类型解决问题方法对应着部分标准解；最后通过标准解获得求解问题的方法。

在物场分析中，针对的分析对象为系统中存在的3个问题：一是强风直接作用在树干，会使刚移栽树木的树干发生一定位移倾斜；二是在雨季时，雨水会使支撑树干发霉腐烂，其固定能力降低；三是支撑树干在被绑好后插在土地上，由于土地的松动无法固定好支撑树干的位置。

针对系统中存在的这3个问题，通过对系统中相应部分进行物场分析后，获得其中每个部分的原有物场模型图，见图8。

利用第1级标准解法S1.2.1引入S3消除有害作用，并利用第2类标准解法S2.1.1将单一物场模型转化为链式物场模型，得到新的物场模型图，见图9。

图9 新的物场模型图

从图9可知，基于物场分析，针对系统中存在的3个问题，得到了初步的3个解决方案。方案5：使用长圆筒形防风挡板，将树木置于筒形防风挡板之间，可以起到良好的防风效果。方案6：通过对支撑树干涂抹ACQ木材防霉剂[7]，可以防止雨季的潮湿引起的树干发霉。方案7：在支撑树干下端安装长地钉，在支撑树干固定时将地钉钉入土地内层，使土地与地钉有着良好的力学接触性能，进而加固固定了支撑树干所在位置。

4 移栽树木防风装置改进设计的最终方案

针对系统中存在的问题而提出了以上7种解决方案，对这7种解决方案的可行性进行评价。将方案2、方案3、方案4、方案7进行组合，得到1种最终方案：首先，用锁紧圈套在树干上，在树干与其之间加入环式软质黏性硅胶，降低树皮与树干所受的冲击力并提高摩擦力，保证支撑杆与树干之间的固定性稳定；其次，用支撑杆代替支撑树干，支撑杆的端部设计为钩环状，挂在锁紧圈的内壁，使支撑杆与挂钩环良好固定，端部增加长地钉结构；最后，3个支撑杆构成正三角形摆放后，将地钉钉入土地深层，完成支撑杆的位置固定，即可完成树干的固定。第47页图10为最终方案示意图。

图10 最终方案示意图

5 结束语

本文通过TRIZ理论的基础，对移栽树木防风装置进行了创新设计。运用TRIZ理论工具对原系统中的组件进行了分析，获得系统存在的关键问题，并通过矛盾求解，明确解决方案类型后，确定解决方案，对其存在的矛盾问题进行求解。通过对多种方案的分析与评估，将方案进行整合，获得了新移栽树木防风装置改进设计的最终方案。