基于TRIZ理论的航空构件金属断口识别系统优化设计

吴 恬 李志农

（南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，江西 南昌 330063）

0 引言

随着工业发展及大型运载工具的广泛应用，服役金属部件的失效断裂不仅会造成极大的经济损失，更对工业生产安全和人民生活安全构成重大隐患。形貌金属断口图像复杂反复且不规则，包含多种混合纹理。对断口图像进行分类时，传统的人工识别主要依靠经验，即使是同一类断裂，图像形貌和纹理变化也非常大，仅凭经验识别的误判率仍较高。传统空间域识别方法缺乏理论支持，识别分类结果不太理想。因此，探寻金属断裂判定的新方法，对金属断口纹理图像进行高效智能识别仍是亟待解决的问题［1］。

苏联发明学家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）团队通过对世界各国250 多万项高水平专利进行分析和提炼，总结出TRIZ理论体系［2］。经过半个多世纪的应用及发展，TRIZ 理论体系逐渐完善，应用案例及成果逐渐增多，TRIZ 理论进入了发展黄金期［3-6］。本研究基于TRIZ 理论，设计出一个新型断口识别系统，用来解决传统断口识别方法识别效率低、识别准确率低的问题。

1 工程问题描述

随着经济的发展，大型设备的大规模服役，断口识别与预防在工业中发挥的作用越来越重要。基于金属断口图像的模式识别能够通过计算机对给定的金属断口图像特征进行鉴别，并把待识别的断口图像归入与其相同或相似的模式中。在断口图像模式识别过程中，一般包括对断口图像的采集、断口图像特征的提取、特征空间的压缩及提供识别准则等过程。

金属断口图像可分为解理、韧窝、沿晶等，如图1 所示。由于断口图像采集系统的分辨率不同，纹理特征有的清晰、有的边缘模糊，存在不属于类别间的其他纹理特征、相同的纹理具有较大差异的情况。在传统断口纹理图像识别中，常用的特征提取法有分形理论（Fractal Theory）［7］、灰度共生矩阵（GLCM）［8］、傅里叶变换（Fourier Transform）、小波变换（Wavelet Transform）［9-10］等。由于断口图像几何结构复杂、纹理特征丰富，传统处理法对图像信息的获取能力、自适应性等较弱，识别效果并不理想。因此，进一步设计一种能获取多样性的图像特征，提高断口图像识别精度，从而实现金属断口图像特征的有效表达，且具有高效识别的金属断口识别系统意义重大。在断口识别系统实际操作中，要进行大批量的数据处理，经常会出现数据空间过大、特征信息冗余的问题。因此，如何在不影响断口识别准确率的情况下对数据空间进行有效压缩也是关键。

图1 不同类型的断口图像

2 基于TRIZ 理论的航空构件金属断口识别系统优化

TRIZ发明理论能帮助人克服思维惯性，加速创新设计过程。TRIZ 发明问题解决理论包含两层含义，基础层是强调解决实际问题，特别是解决发明问题；高级层是由解决发明问题而最终实现创新，通过解决问题实现发明的实用化。近年来，TRIZ理论不仅增加了很多新发现的规律和方法，还融入其他学科和领域的内容，使得TRIZ 理论不断发展和完善。因此，本研究通过TRIZ 发明理论来完成航空构件金属断口识别系统的优化设计。

2.1 系统资源分析

根据物质资源、场资源、空间资源、时间资源、信息资源、功能资源这6 项资源对断口识别系统进行分析，资源分析信息见表1。

表1 资源分析

2.2 功能模型及系统裁剪

2.2.1 功能模型的建立。通过建立系统功能模型，明确系统中的有害作用、不足作用、过剩作用及上述作用对应的组件，找到待解的创新问题，并应用TRIZ 方法进行求解，完成断口识别系统的改进设计。建立的功能模型如图2所示。

图2 断口识别系统功能模型

2.2.2 系统裁剪。系统裁剪是解决功能分析、发现系统存在问题的有效方法，也是一种对系统改进创新的手段。通过对系统存在的不足作用、过剩作用和有害作用功能的裁剪，减少或消除系统的缺点，改善功能模型，提高系统的理想度。经过裁剪，将系统中存在问题的功能组件删除，该组件所提供的功能可通过TRIZ 理论提供的方法实现。对系统功能模型进行分析后发现，“预处理系统”对“金属断口图像”的分类作用不足。因此，可尝试裁剪掉“预处理系统”。但“预处理系统”通过计算机的编译对金属断口图像进行图像细化，是有用功能。因此，在裁剪掉“预处理系统”时，需要被重新设计，得到待解决创新问题，即如何编译对图像进行预处理。传统图像预处理方法有灰度矫正、图像锐化、滤波等，在对断口图像进行分类时，使用图像增强算法，有针对性地增强断口图像的纹理特征，而非对图像所有特征进行增强，更有助于图像的后识别。在预处理时，对图像进行有效的2/8分类，平衡训练集断口图像的图像类别，有助于提高图像识别准确率。

2.3 物-场模型及标准解

2.3.1 物-场模型。当前系统的物-场模型如图3 所示。传递物质S1为采集系统，传递物质S2为上位机，二者之间作用场F1为电场。该模型属于不足效应完整模型。

图3 不足效应完整模型

2.3.2 标准解。对不足效应完整模型运用标准解S1.1.2，原采集系统与上位机之间的传输靠的是数据线连接，改进后的采集系统直接加装一个无线发射端口连接上位机，进行数据传输，新的物-场模型如图4所示。无线传输模式可实现系统的远程在线断口识别。避免操作人员在识别断口时，要背负繁重的设备，能大大提高检测的灵活度。同时，上位机在旁操作会对图像采集精度产生噪声干扰、失调漂移、线性度与保真度降低等的影响，无线传输可有效降低上位机测控电路对图像采集的干扰，提高断口图像质量，进一步优化系统的图像识别率。

图4 标准解模型

2.4 技术矛盾与发明原理

2.4.1 技术矛盾。技术矛盾是同一系统同一技术内的矛盾。从关键问题“用何种断口识别方法进行识别分类”入手来分析问题，断口识别算法是断口识别系统中影响识别率的重要因素。对于该问题，设想断口识别算法的准确率足够高，则要获取到足够多的特征层，但过多的特征层会导致数据冗余，使断口识别速率下降。假设断口识别算法提取到最优的断口图像几何特征时，则易出现提取过多的特征导致过拟合，造成无意义的资源浪费。断口识别算法技术矛盾见表2。

表2 断口识别算法技术矛盾

2.4.2 发明原理。TRIZ理论中解决技术矛盾的方法有多用性原理，具体措施为让物体或物体的一部分实现多种功能，从而使一个系统变得更为均质和综合。使用多用性原理解决技术矛盾，将传统断口识别方法（如分形理论、傅里叶变换等）变为基于经验Ridgelet-2DPCA的断口识别算法。Ridgelet-2DPCA断口识别算法原理如下：首先，对断口图像进行经验Ridgelet变换，通过经验Ridgelet熵的计算提取出断口图像的最优模态，提高图像识别率；其次，利用2DPCA变换进行数据降维，得到特征向量；最后，将得到的特征向量分别输入最近邻分类器中进行断口识别。经过2DPCA的降维，数据维度大幅下降，数据存储难度降低，且Ridgelet 变换提取了图像最佳模态，在减少数据量的同时，提高缺陷识别准确率。

3 总体方案设计

通过应用TRIZ 理论，本研究得到3 个方案，3个方案及分析评价见表3。建立评价模型，基于成本、空间利用率、生产稳定性、可维护性、实施难度等评价参数对方案进行评估。由表3 可得，现有方案较原有技术均有明显优势。将3 个方案进行整合，得到最终方案，并重建模型，如图5所示。

表3 方案及分析评价汇总

现方案与原有技术相比，具有以下优点：①采用创新设计方案较现有技术贮量增加约20%，识别准确率提升16%；②解决原有技术中为提高断口识别准确率而造成的数据冗余，储存空间利用率得到提高；③远程监测系统能提高端口识别检测的灵活度；④解决了测控电路对金属图像的电路电磁辐射模糊问题。

4 结语

TRIZ 理论作为技术创新的工具，能为实际工程技术难题提供系统化的科学解决方案，为工程师提供改进技术的正确方向。本研究利用TRIZ 理论中的功能分析和物-场模型和技术矛盾，定位现有断口识别技术的主要问题，通过应用系统裁剪、标准解、发明原理等方法，获得多种创新方案，并通过方案整合获得最终解决方案，大大提高断口识别率及识别效率，丰富数据存储空间，解决了各类操作问题。实践证明TRIZ 理论在解决断口识别工程实际问题中具有很强的实用性。