TRIZ理論矛盾矩陣在林業創新設計上的應用

楊 婷 畢 鑫 劉換嶺 王 葉 李 丹

東北林業大學信息與計算機工程學院，黑龍江 哈爾濱，150040

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論是前蘇聯科學家阿奇舒勒（G.S.Altshuler）在60年前通過對大量的近250萬份高質量的發明專利的分析與研究后，總結出的各種科學技術的發展及進化所遵循的規律模式，同時綜合不同科學領域在解決不同的物理矛盾和技術矛盾的創新方法而創建的一套完整新穎的發明創新的理論。其目的在于揭示創造發明的內在規律和原理，澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折衷或者妥協的做法，而且它是基于技術的發展演化規律研究整個設計與開發過程，而不再是隨機的行為。TRIZ理論大大加快了人們創新的腳步，在創新進程中幫助人們系統分析問題本質及矛盾，打破思維定勢，確定問題探索方向，尋得發明創新原理。TRIZ理論的實用性和系統性強，實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創造發明的進程而且能得到高質量的創新產品。

1.2 矛盾矩陣與40創新原則

阿奇舒勒通過對大量的發明專利的研究總結出工程領域內常用的表述系統性能的39個通用參數，通用參數一般是物理、幾何和技術性能的參數，并提煉出TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40個發明原理。阿奇舒勒將39個通用工程參數與40條發明原理有機地聯系起來，建立起對應關系，整理成39×39的矛盾矩陣表。矩陣的第一列表示待改善的優化參數，第一行表示會帶來的惡化參數，在確定優化參數和惡化參數后，便可在矩陣表中找到一組對應的創新院里序列號，這些原理構成了矛盾可能解的集合。

1.3 矛盾矩陣與40個發明原理在產品創新設計中的應用思路及步驟

在利用矛盾矩陣和40個發明原理解決實際問題時，應首先確定技術系統的功能，提出待解決的問題，然后將具體問題轉化為普遍意義的優化和惡化參數，再根據矩陣表確定相對應的解決矛盾的發明原理，聯系實際分析，找出問題的解。

為使解決問題的方法更具有規范性和可操作性，給出步驟如下：

（1）確定目標產品技術系統所實現的主要功能；

（2）通過對目標技術系統的部件、組成及功能的具體分析，將技術系統進行詳細的分解，劃分超系統、系統、子系統等各級別系統；

（3）描述技術系統中存在的實際具體問題；

通過申報績效目標，跟蹤項目運行，監控資金使用來改進項目管理，最終形成項目績效目標——項目經費決策——項目績效評價的良性循環機制。因此科研項目績效評價并非一種靜態評價，而是從預算編制、預算執行到項目驗收的全過程動態評價。

（4）將實際問題抽象，確定目標技術系統中應改善提高的特性，對應矛盾矩陣表中的優化參數；

（5）在提升和改善產品的某一特性的同時，必然會導致系統的一個甚至多個特性的惡化，因此需詳盡細致地確定篩選出設計系統被惡化的特性，對應矛盾矩陣表中的惡化參數；

（6）將已確定的優化參數和惡化參數對應矛盾矩陣表中查詢；

（7）查找出矛盾矩陣表所推薦的發明原理編號，對應40個發明原理，查找其對應的具體發明原理的詳解；

（8）將矛盾矩陣表所推薦的發明原理逐個應用到系統具體實際問題上，考慮其原理在技術系統中的具體實現；

（9）如果所查到的發明原理都無法解決系統的實際問題，需要重新篩選定義工程矛盾和參數，并再次應用查找矛盾矩陣表；

（10）確立最理想的實際解決方案，進行產品設計。

2 TRIZ理論在林業創新中應用實例

林業是國民生產經濟中的重要組成部分之一，是通過保護生態自然環境與生態平衡，保護和培育森林，由此以取得木材以及其他林產品，同時合理利用林木的自然屬性以發揮起防護作用的生產部門。在生物圈中，林業憑借其自身的自然資源豐富的優越性，借助先進科學的技術和管理手段，進行森林資源培育、保護及利用，持續經營森林資源并充分發揮森林多種效益，促進了經濟、社會、資源和環境協調發展的基礎性產業和社會公益事業。無論是在國民經濟建設和人民生活中，還是在自然環境與生態平衡中，林業在均有其特殊的地位和重要的作用。由此可見，充分掌握和利用創新理論，提高林業科技創新水平具有重大意義。

2.1 噴灌系統案例分析

噴灌系統具有顯著的省水、省工、不受地形限制、灌水均勻等效果, 屬先進的田間灌水技術。與傳統的地面灌水方法相比噴灌可節30%～50%, 同時噴灌還有節能、省工和灌水質量高等優點。噴灌的總體設計要考慮很多問題，例如噴灌的接觸面積，作用的植物，以及其水量的可靠性等，總之應根據地形、土壤、氣象、水文、植物配置條件，通過技術經濟比較來確定。因此列舉出需解決的問題如下：

地形因素；（2）地塊形狀因素（3）耕作與種植方向因素（4）風向和風速因素（5）水源位置因素；

接著將以上具體實際問題轉化成具有普遍意義的參數,確立優化參數；并考慮篩選解決時會產生的矛盾，確立惡化參數，兩兩列出，運用到矛盾矩陣中。例如若要避免地面高差可能造成管路內的壓力勢能的疊加或抵消, 影響系統的供水動力的問題，便會使系統的運行成本就會提高。因此我們便將這2個問題分析歸納，找到對應的矛盾參數,即設計復雜性與物質損耗，當參數36 (操作的便利性) 改進時,參數23 (物質的損失) 就會惡化；再利用矛盾矩陣表,找出矩陣表中兩參數所對應的發明原理，其編號分別為35、10、28、29。聯合實際，進行原理的篩選和實現，從而找出合適的創新方法。

根據矛盾矩陣表中的40個發明原理，得到可能解決此矛盾的方法包括原理35 :性能轉換；原理10：預先作用；原理28：機械系統的替換;原理29：壓力。而上述表中對應的多種發明原理。是阿奇舒勒根據專利的分析研究后，按照其被應用的次數多少來排序的，由此根據權衡，我們選擇原理28（機械系統的替換) ，其中解題的具體原理為：

原理28（機械系統的替換)：利用物理場或其他形式、作用和狀態來代替機械的相互作用、裝置、機構及系統。

利用上述分析的發明原理，在對地形起伏不平進行噴灌管道設計時, 可將配水干管或分干管布置在高處, 運用機械系統的替換原理以地形高差彌補支管水頭損失,使支管由高處向低處鋪設, 避免支管沿程水頭損失過大, 超出支管任意噴頭間壓力差小于20%的范圍。同時，在改善優化參數的情況下，減小了運行成本的惡化參數。

多次重復上述過程,直至將系統設計中問題解決為止。

2.2 農作物秸稈人造板案例分析

人造板是以木材或其他非木材植物為原料，加工成單板、刨花或纖維等形狀各異的組元材料，經施加(或不加)膠黏劑和其他添加劑，進行重新組合而制成的板材。人造板可極大提高木材的綜合利用率，1立方米的人造板可代替3～5立方米原木使用。人造板從單純改變木材形狀發展到改善木材性質，甚至以農作物秸稈作為原材料，不但涉及全部的木材加工工藝，還需要吸收結合紡織、造紙等多方面領域的技術，形成獨立的加工工藝，標志著木材加工現代化時期的開始。而農作物秸稈人造板則是在此基礎上利用棉稈、麥稈、油菜稈等農作物生產制造的特殊人造板。

同樣，在制作和設計農作物秸稈人造板時要考慮三個核心問題：

（1）板重問題；（2）成本問題；（3）原料問題

我們可將上述問題具體化為一般性問題的參數，再利用矛盾矩陣表和發明原理進行改造。例如需減小板重，即其對應優化參數為參數2（靜止物體重量），而需避免是板材穩定性能的降低，對應的惡化參數為參數13（穩定性），查詢矩陣表得到解決矛盾的四個發明原理分別為：原理26：復制；原理39：惰性環境；原理1分割：原理40：復合材料；在對發明原理的具體分析并聯系實踐，原理40（復合材料) 更能在實際應用技術中解決問題，其中解題的具體原理為:

原理40（復合材料)：將單一的材料改為復合材料。

因此，在突破原來的由單一的稻草為原料的限制，充分利用農作物的秸稈如棉稈、麥稈等替代木材產品，同時，通過不同農作物纖維的配比，在確保板材性能穩定性的前提下，降低了板材的密度，克服了板重的弊端。解決了在設計制造中所待解決的問題，并實現了資源的回收利用，促進了可持續發展。

通過對上述其他問題的類似分析解決，發明出農作物秸稈的人造板。

3 結語

通過對以上兩個實際案例的分析，可以看出，利用TRIZ理論的39矛盾矩陣和40個發明原理可幫助我們快速有效地拓寬思維，找出解決問題的具體方法，從而提高自身的創新能力。因此，TRIZ理論在林業上的大力推廣使用，對于開創創新理論，提高林業科技創新水平，推動林業的可持續發展具有重大意義。

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