基于TRIZ理論的機構選型數字平臺設計

紀程錦，林 松，尚 姝

（1.同濟大學 中德學院，上海 201804；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200120）

基于TRIZ理論的機構選型數字平臺設計

紀程錦1，林 松1，尚 姝2

（1.同濟大學 中德學院，上海 201804；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200120）

機構選型要求設計者具備豐富的工作經驗以及扎實的設計理論，此外還需要設計者查閱大量資料。為簡化機構選型的過程，設計了機構選型數字平臺以幫助設計者完成機構設計。在開發此數字平臺過程中，要求機構數據最大化，檢索耗時短，數據庫結構小而緊湊。針對上述矛盾，提出使用TRIZ理論來解決，并結合軟件開發技術，完成了機構選型數字平臺的設計。當設計者選擇給定的輸入運動和所需的輸出運動后，此數字平臺為設計者提供滿足設計要求的機構方案。

TRIZ理論；機構選型；數字平臺

0 引言

在經濟全球化背景下，我國制造業面臨著巨大轉型壓力[1]。產品設計是制造業的關鍵性環節，在產品生命周期中起著至關重要的作用[2]。研究表明，占產品成本約5%的設計階段決定了75%～85%的產品價值[3～5]，所以產品設計在產品開發過程中扮演著重要作用。在機構設計過程中，設計者必須依照自身經驗，并查閱大量資料，確定目標機構，然后根據實際情況進行優選確定最終機構。為了在機構選型時給設計者提供有效的工具，需要建立高效快速的機構選型數字平臺。

本文將利用TRIZ理論，解決在機構選型數字平臺建設中出現的需求矛盾，即：盡可能多的機構數量，盡可能小的數據庫，盡可能快的檢索速度。在此基礎上擬定機構選型數字平臺的搭建思路：三層架構+廣度優先搜索算法+MySQL數據庫，由此開發出機構選型數字平臺。當設計者選擇給定的輸入運動和所需的輸出運動后，平臺可以提供滿足設計者需求的機構方案。

1 機構選型數字平臺的矛盾

對機構選型數字平臺的需求進行技術分析時，首先利用QFD（質量屋）對需求分類，建立技術特征與需求之間的關聯，并確定設計過程中出現的需求矛盾。圖1給出了設計機構選型數字平臺的需求分類、技術特征及其兩者的相關性。

圖1 機構選型數字平臺質量屋

頂部的技術特性-平臺需求矩陣中表明“數據庫小而緊湊”與“機構數據數量多而完整”、“檢索算法快速、耗時短”與“機構數據數量多而完整”之間為負相關。負相關表明數字機構選型平臺的需求中存在矛盾，主要來自如下三個方面：需要機構數據最大化，檢索耗時短，數據庫結構小而緊湊。

按照TRIZ理論，本系統設計中將重點解決如下矛盾：

沖突1，機構數據最大化與要檢索耗時短。

沖突2，機構數據最大化與要數據庫結構小而緊湊。

2 應用TRIZ理論解決矛盾

矛盾普遍存在于各種產品和技術系統中，TRIZ理論將矛盾分為兩個方面，技術沖突和物理沖突。技術沖突是指技術系統中某個參數或特性的改善會引起另一個參數或特性的惡化。而物理沖突是指系統同一部分或參數提出完全相反的要求，即對一個系統同時提出相反的要求就出現了物理矛盾。

2.1 技術沖突及其解決原理

TRIZ理論提供了很多解決問題的工具，包括39個標準工程參數，40條發明原理和4個分離原理。首先從TRIZ理論的39個標準工程參數[6]中確定技術沖突一對特征參數，它們分別是：

1）改善的通用工程參數：No.26（機構數據最大化）；

2）惡化的通用工程參數：No.9（檢索耗時短），No.36（數據庫小而緊湊）。

表1 通用工程參數名稱

從質量屋中得出的技術沖突可以通過TRIZ理論中提出的沖突矩陣進行解決。沖突矩陣[6]由G.S.Altshuller多年的研究、比較分析而提出的，可以將工程參數與發明原理建立起對應關系。根據沖突矩陣，將改善的通用工程參數為行、惡化的通用工程參數為列，在沖突矩陣中進行查找發明原理，如表2所示。

表2 沖突矩陣簡圖

由沖突矩陣的第26行及第9列、第36列確定發明原理的序號：No.28、No.29、No.35、No.34、No.3、No.10、No.13、No.27。然后根據序號，在G.S.Altshuller等人提出的40條發明原理[6]中對應查找，如表3所示。

表3 40條發明原理

根據技術沖突和發明原理的對應關系以及實際項目情況，解決技術沖突1的發明原理為：No.34拋棄或修復原理，No.35參數變化原理。解決技術沖突2的發明原理為：No.3局部質量原理，No.10預操作原理，No.13反向原理，No.27廉價替代品原理。

2.2 物理沖突及其解決原理

數據多會讓數據庫變大，檢索耗時短要求數據庫小，因此，系統中存在的物理沖突即：數據庫既要大又要小。根據TRIZ理論可以通過分離原理解決這一物理沖突。

英國Bath大學的Mann提出分離原理與發明原理的關系[7]，如表4所示。

表4 分離原理和發明原理的對應關系

選用空間分離原理、整體與部分分離原理解決這一物理沖突，對應的發明原理為No.1、No.2、No.3、No.4、No.7、No.13、No.17、No.24、No.26、No.30和No.12、No.28、 No.31、No.32、No.35、No.36、No.38、No.39、No.40。

綜合上述技術沖突和物理沖突的發明原理，解決沖突1的發明原理為：No.35參數變化原理。解決沖突2的發明原理為：No.3局部質量原理，No.13反向原理。

通過TRIZ方法的實施，并結合軟件開發技術，為系統找到了如下領域解：深度優先搜索算法或廣度優先搜索算法。SQL Server 數據庫或MySQL數據庫。

綜合上述技術沖突和物理沖突的求解結果以及平臺開發的三層架構（表現層，邏輯層，數據層），可用的設計方案可以通過Morphological Box組合而成（如表5所示）。

表5 系統的Morphological Box

根據表5，為機構選型數字平臺組合了以下不同的技術方案：

1）三層架構+深度優先搜索算法+SQL Server數據庫；

2）三層架構+深度優先搜索算法+MySQL數據庫；

因此初步判斷高壓油泵運行時出口壓力與高壓油泵出口開關整定值及返回值較為接近，在高壓油泵運行壓力出現一定波動或者高壓油泵出口開關整定值出現一定漂移時，就會導致高壓油泵出現自動切換等情況。

3）三層架構+廣度優先搜索算法+SQL Server數據庫；

4）三層架構+廣度優先搜索算法+MySQL數據庫。

3 設計方案的確定

接下來，用模糊綜合評價法FCE對上述4種方案按下列步驟進行綜合評價。

1）確定因素集、評價集

根據質量屋的分析，得到主要評價因素集：

評價指標集V可以定義為：

加權系數的確定一般有兩種方法，一類根據主觀經驗，另一類憑數學方法確定，本文根據經驗設定加權系數矩陣：

隸屬度矩陣R中第i行第j列元素rij，表示某個被評事物從因素xi來看對vj等級模糊子集的隸屬度。

根據專家評分求得4個方案的隸屬度矩陣如下：

3）根據模糊綜合評價方法，對各方案進行評價，其中bj表示被評級對象從整體上看對評價等級模糊子集元素X的隸屬程度，按照M（?，V）：

方案1：B1=A*R1=（b1，b2，b3，b4）=（0.247，0.368，0.312，0.133）；

方案2：B2=A*R2=（0.324，0.355，0.291，0.08）；

方案3：B3=A*R3=（0.302，0.280，0.285，0.133）；

方案4：B4=A*R4=（0.447，0.298，0.220，0.035）。

4）將評價指標歸一化

其中（m=1,2,3,4）。

得到4個方案的相應模糊綜合評價指標：

B1′=（0.233,0.347,0.294,0.126）

B2′=（0.309,0.338,0.277,0.076）

B3′=（0.302,0.280,0.285,0.133）

B4′=（0.447,0.298,0.220,0.035）

5）確定最終設計方案

取Bi=max（Bj′）（j=1,2,3,4）比較4個方案中Bi的大小，順序為：方案4＞方案1＞方案3＞方案2，故選擇方案4。

根據以上分析，本系統使用三層架構，采用對系統和數據要求較低、執行度較高的廣度搜索算法，以及低成本小型數據庫MySQL，并對德國VDI2727[8]中涉及的全部機構數據進行數據化分類處理，盡量使系統既能快速、準確的找到目標，又能使錄入系統的機構盡量多，從而覆蓋絕大多數用戶需求。

4 機構選型數字平臺流程圖

本平臺以德國VDI2727標準及典型機構為參考，使用TRIZ方法和產品研發方法，利用機算機技術，通過實例深入分析機構的全部信息，并進行標準化細分，將機構信息入庫。建立搜索過程界面，展示滿足設計者需求的機構信息列表。與傳統的選型過程相比，本系統更加可靠。本平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 系統流程圖

5 機構選型數字平臺的實現

本文基于TRIZ理論，開發了機構選型數字平臺。當設計者選擇輸入、輸出運動類型后，此數字平臺為設計者提供滿足設計要求的機構方案。以輸入運動和輸出運動都要求為單向轉動的檢索過程為例，在檢索框中，輸入參數選為“單向轉動”，輸出參數選為“單向轉動”，點擊“檢索查詢”得到結果列表，如圖3所示。

如圖3左上角所示，平臺提供19個可實現的機構解決方法，并提供給設計者相應的機構簡圖，設計者可以參考這些方案進行具體機構的設計。

圖3 檢索結果頁面

6 結束語

本文基于TRIZ理論，解決了在機構選型數字平臺建立中的兩個主要矛盾，確定三層架構+廣度優先搜索算法+MySQL數據庫的搭建思路，開發了一個機構選型平臺數字，對機構選型數字系統的設計與研發做出了有益的探索，為設計者在機構選型時提供了一個有效的技術支撐。

隨著IT技術的發展和機械技術的需求不斷增加，將會繼續涌現出更多高效的工具，在建立新工具時會出現更多的矛盾，這些矛盾都可以使用本文的指導思想有效得到解決。

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Design of a digital mechanism selection platform based on TRIZ

JI Cheng-jin1, LIN Song1, SHANG Shu2

TH122

：A

：1009-0134(2017)05-0013-04

2017-02-17

國家自然科學基金面上項目（51275354）；上海市促進文化創意產業發展財政扶持資金（452）

紀程錦（1990 -），女，河南人，碩士研究生，研究方向為機構學，產品研發方法及技術系統可靠性。