TRIZ在小問題提取與資源分析中的應用研究

文/山東建筑大學機電工程學院 王晴 張明勤 孫大銘 田艷

TRIZ理論作為一種系統化創新設計方法，從很大程度上提高了發現、解決問題的效率。該理論認為不斷發現并徹底解決設計中的沖突問題是推動產品進化的動力。工程設計中普遍存在的沖突問題是小問題即現有產品當前狀態與所希望狀態存在距離，且目前的科技水平可以解決的問題[1]。工程設計中的問題大多存在于復雜模糊的情景之中，這是設計問題初始狀態即初始問題的一種表現形式。直接從工程情景中提煉出有效簡明的創新問題顯然難度較大，需要對初始問題進行情景分析來揭示問題的實質，從而確定小問題。

傳統TRIZ理論針對小問題提供發明原理、分離原理、標準解等問題解決工具，但并沒有給出確定小問題的方法。國內關于TRIZ的研究與應用也主要集中在概念設計和創新設計[2-3]方面，著重該方法用于實際問題的求解，而將TRIZ用于確定工程小問題和資源分析的研究較少。檀潤華等[4]通過改進反向魚骨圖以建立功能模型來發現有害作用、不足作用及過剩作用等小問題，但需要確定系統所有功能元件，尤其對于復雜系統，該過程很難快速實現。本文通過對問題情景中限制條件的極限化來快速提取小問題，并建立產品設計資源表對小問題進行資源分析。

1 小問題的提取

1.1 問題情景描述

產品與外部環境（可分解為使用對象、使用環境）之間物質、能量和信息輸入與輸出的變換關系決定了產品的功能。因此在對產品進行改進設計時就必須考慮產品的使用對象、使用環境。產品、使用對象與使用環境三者之間的交互過程即為產品情景。

產品在實現功能時不可避免地突出某種不能令人滿意的特點，體現為一種問題情景。它主要表現背景知識及其限制條件，是對設計問題初始狀態的描述[5]。對問題情景描述可作為設計者思考的入手點，并引導其構思從籠統走向具體。

情景描述只對原系統的背景知識及限制條件作描述，不指出對原系統做哪些改變。因此情景描述不能直接給出解決方案，需要將問題情景轉換為小問題來求解。

1.2 小問題描述

（1）問題形式

問題情景可轉化為“縮小問題”和“擴大問題”兩種形式[6]。“縮小問題”即將問題最小化，對原系統的改變加以最大化限制，盡量使系統保持不變，達到消除系統缺陷與完成改進的目的。“擴大問題”即將問題最大化，對原系統不加限制，允許系統發生較大變化。一般情況下，解決問題在能取得積極結果的同時，并不要求系統本身有實質性的變化，從而易于實現和獲得經濟效益[7]。這里的小問題只考慮“縮小問題”形式。（2）小問題提取

從問題情景過渡到小問題，必須刪除情景中給出的多余要素，準確無誤地反映問題的本質：系統中的沖突。小問題中只保留沖突所必要的要素。

TRIZ理論提供STC（Size、Time、Cost）算子思維方法，即將尺寸（S）、作用時間（T）和成本（C）這三個因素按照三個方向、六個維度進行變化，也就是將這三個因素分別逐步遞增和遞減，遞增可以到最大，遞減可以到最小，直到系統中有用的特性出現。由于“縮小問題”通過引入約束激化矛盾，以發現隱含的沖突，因此可將該思維方法加以擴展應用到“縮小問題”中，即把情景描述的限制條件（約束）分別做遞增和遞減，以發現最具影響力的特征。特征的變化產生不同的結果，從而發現沖突。

1.3 小問題提取步驟

在問題情景描述的基礎上，通過STC思維方法的擴展運用，將問題情景中的限制條件極限化，以使某些重要特征顯現出來，逐漸趨近問題的本質。

小問題提取步驟：

（1）進行問題情景描述。

問題情景描述應簡明扼要，包含較全面的信息。一般情況下，可進行產品系統的主要部件、系統目的、使用對象和環境、工具、工作過程、系統主要優缺點等方面的描述。

（2）從問題情景中分離出限制條件。

在問題描述中存在某些元素，它們保持不變或變得稍微復雜的時候，所要求系統達到的作用或特性會呈現。將這些元素列為限制條件。

（3）對限制條件分別作STC分析，縮小問題，突出沖突。

優先選取對系統的改變最小的限制條件，將其在最大范圍內作變化，直到問題失去物理學意義才是限制條件變化的臨界值。

（4）小問題描述

將步驟（3）中的沖突按以下要素來描述：沖突的元件；產生的沖突；通過引入某元素來消除沖突。

2 小問題資源分析

資源是一切可以開發和利用的物質、能量和信息的總稱。高級的解決方案往往通過利用或改善產品系統或超系統資源而得到，因此在解決小問題之前先進行資源分析，找出可用資源，使產品沿理想化方向改進。

2.1 TRIZ中資源概述

TRIZ中的資源有顯性資源和隱性資源，顯性資源比較容易發現，隱性資源很難被利用。在進行資源分析時，應盡可能將所有的資源查找出來。TRIZ中認為一個技術系統中擁有八種類型的可用資源[8]，見表1。

表1 TRIZ資源分類

2.2 產品設計資源表

產品的設計工作可以充分體現產品的綜合質量（即結構性能、技術性能和制造性能），因此產品設計是產品質量的靈魂。產品的先進落后，很大程度上取決于設計質量。

為輔助產品設計者在進行產品設計時更好地發現產品系統中的可用資源，可采用TRIZ理論中九屏幕法進行資源搜索。使用九屏幕法要分別在當前系統、子系統、超系統上，以及對應的現在、過去、未來的時間尺度上分析各種資源[9]，這種方法可以有效發現隱性資源，但由于設計者不易打破思維

表2 產品設計資源表

緊急行動原理復制原理周期性作用原理反饋原理產品系統中場、使用中的場或衍生場等所傳達的信息產品系統變形物傳達的信息產品使用中周圍環境傳達的信息物質的某些特性傳達的信息產品系統中中介物傳達的信息生產材料（廉價、高檔、環保等）生產廢料可回收利用合理的生產管理（生產設備的合理利用、生產人員的合理配置、合理的生產流程等）地域差異（使用環境、生活方式、經濟發展、生活需求等）文化差異（風俗習慣、宗教信仰、價值觀念等）產品需求分析（新的消費點、消費空缺、消費層次等）某類消費者的共性特征、興趣愛好、審美觀等使用標準件與其他企業進行關聯生產利用其他企業生產后的廢料產品的系列化推廣利用關聯產品的營銷網絡利用關聯產品的售后服務網絡專利信息、產品其他的未被認知的價值等信息資源生產資源地域、文化資源消費及消費者資源服務資源其他資源

定勢，因此為充分發現可用資源，在文獻[7]研究的基礎上，結合產品設計特征及TRIZ中40條發明原理，得出產品設計資源表。如表2所示。

3 案例研究

工業高速發展的現代社會，停車難問題日益突出。立體車庫具有平均單車占地面積小的獨特特性，其應用前景備受關注。

步驟1：問題情景描述

針對旅游風景區停車難、與現有立體車庫類型不相配問題提出的垂直旋轉式立體車庫設計方案[10]，采用雙環半地下式設計，以地面為支撐，可同時對兩到四輛車進行存取動作。該類型車庫提高了用地效率，結構新穎，外形美觀，可與地下立體車庫配合使用，也可獨立安裝使用。

圖1所示為垂直旋轉式立體車庫的總體框架圖。該車庫采用單側支撐，內外環獨立驅制動；內外環支撐系統由主支撐桿和輔助連桿連成網架結構而構成；支撐框架與車庫中心回轉裝置相連，實現繞中心固定裝置垂直旋轉；懸掛式載車臺設置在支撐框架的柱支撐桿端處，兩者之間設置回轉裝置，實現載車臺自轉。該車庫的核心技術是單體回轉系統和中心回轉（內、外環回轉）系統。中心回轉系統在帶動整環旋轉的同時，承受載車臺和車輛重量產生的巨大傾覆力矩。因此中心回轉裝置的性能直接決定了整個車庫的性能。

圖1 垂直旋轉式立體車庫總體框架圖

步驟2：限制條件分離

從問題情景描述中可以快速分離出背景知識和限制條件。表3為限制條件列表。

步驟3：STC分析

“縮小問題”應盡可能保持原系統不變，因此只對限制條件4作STC擴展。

（1）載車臺數遞增時，由于限制條件3要求所有車輛均在同一側，因此中心回轉系統在帶動整環旋轉時承受較大傾覆力矩。取外環載車臺數為14，承載中型轎車（取2200kg），則主心軸直徑約為800mm，壁厚為60mm，長度約為6m，與其配合的回轉軸套內徑為800mm，難以制造和加工。若采用普通軸承作為回轉系統，無法承受巨大的徑向力和傾覆力矩。此時，載車臺數與回轉裝置之間的沖突有所凸顯。

（2）載車臺數與環半徑成正比關系。該立體車庫的環半徑趨于無窮大時，則變成巨大的升降橫移式車庫，如圖2（a）所示；環半徑趨于無窮小時，則變成簡易升降式車庫，如圖2（b）所示。在對車庫環半徑作極限變化時，車庫的整體結構形式及工作原理都發生了變化，此時回轉系統消失。這顯然與限制條件1、2相矛盾。

圖2 （a）升降橫移式車庫（b）簡易升降式車庫

表3 限制條件列表

步驟4：小問題描述

綜合考慮步驟3：（1）（2）可知，回轉系統的存在保證車庫的整體結構外形和工作原理不變，但與載車臺發生沖突。這屬于小問題，可描述成：

沖突元件：回轉裝置、載車臺；發生的沖突：載車臺數增加，最有效增加車庫容量，但回轉裝置承受力矩越大；必須引入某元素，它能有效完成回轉作用，但不影響載車臺數。

步驟5：小問題資源分析

結合產品設計資源表，進行資源分析，如表4所示。

表4 相關可用資源表

4 結論

在TRIZ理論STC思維方法擴展運用的基礎上，從工程情景中確定小問題，以此作為后序設計出發點。將產品設計特征結合發明原理作成資源表，對小問題進行可用資源的搜索，有助于設計者跳出問題本身，針對性地解決問題。該資源表還存在一定的不足，需要進一步擴充和完善。

垂直旋轉立體車庫中小問題提取和資源分析過程表明所提出的小問題提取方法和依據資源表進行資源搜索的方法均是可行的。

[1]檀潤華. 發明問題解決理論[M]. 北京：科學出版社，2004.

[2]李敏，張明勤，張瑞軍，等. TRIZ理論在產品概念設計中的應用研究[J]. 起重運輸機械，2010,（3）:20~23.

[3]李春艷，張明勤，曲勝，等. TRIZ在垂直旋轉式立體車庫驅動系統創新設計中的應用[J]. 起重運輸機械，2013,（4）:53~56.

[4]檀潤華，苑彩云，曹國忠，等. 反向魚骨圖下的現有產品功能模型建立[J]. 工程設計學報，2003,10（4）：197~201.

[5]夏春燕. 基于情景分析的概念設計方法體系研究及其應用[D]. 西安：西北工業大學，2005. 4.

[6]韋子輝，閻會強，檀潤華. TRIZ理論中ARIZ算法研究與應用[J]. 機械設計，2008,25（4）：57~61.

[7]廖宇生. 基于TRIZ理論的產品理想化設計創新過程與方法研究[D]. 長沙：湖南大學，2007. 4.

[8]劉訓濤，曹賀，陳國晶. TRIZ理論及應用[M]. 北京：北京大學出版社，2011. 8. 69~70.

[9]張明勤，張士軍，陳繼文. TRIZ應用綜合例析：軸頸磨損防護與修復[M]. 北京：機械工業出版社，2012. 5. 32~33.

[10]韓立芳. 基于TRIZ的新型立體車庫創新設計與研究[D]. 濟南：山東建筑大學，2008. 4.