發(fā)明問(wèn)題解決理論中物質(zhì)-場(chǎng)模型及分析方法的研究＊

□任工昌 □山 旭

陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

發(fā)明問(wèn)題解決理論中物質(zhì)-場(chǎng)模型及分析方法的研究＊

□任工昌 □山 旭

陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021

物質(zhì)-場(chǎng)模型是發(fā)明問(wèn)題解決理論中重要的問(wèn)題分析工具，但存在功能分析不足、缺乏針對(duì)性、分析效率低等問(wèn)題。以提高模型分析問(wèn)題的針對(duì)性為突破口，采用一種模型分析一類(lèi)問(wèn)題的思路，將問(wèn)題分為不完整問(wèn)題、效應(yīng)不足/過(guò)度完整問(wèn)題、有害效應(yīng)完整問(wèn)題、測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題共四類(lèi)。針對(duì)每類(lèi)問(wèn)題分別使用物質(zhì)-場(chǎng)模型、物元模型、物質(zhì)-屬性-功能-因果模型、物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型進(jìn)行分析，發(fā)揮每類(lèi)分析模型的優(yōu)勢(shì)，歸納出基于問(wèn)題分類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，并用實(shí)例驗(yàn)證模型分類(lèi)的合理性和設(shè)計(jì)流程的實(shí)用性。

發(fā)明問(wèn)題解決理論；物質(zhì)-場(chǎng)模型；研究

1946年，蘇聯(lián)學(xué)者Altshuller領(lǐng)導(dǎo)一批發(fā)明問(wèn)題專(zhuān)家，在研究了世界上高水平專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，提出了一套具有完整體系的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論——發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ），1979年，《創(chuàng)造是一門(mén)精密的科學(xué)》一書(shū)發(fā)表，書(shū)中論述了物質(zhì)－場(chǎng)分析法原理，為發(fā)明創(chuàng)造提供了一個(gè)重要的問(wèn)題分析工具[1]。此理論最早應(yīng)用在蘇聯(lián)，使得蘇聯(lián)的工業(yè)在那段時(shí)期迅猛發(fā)展。目前，TRIZ在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，幫助許多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

1 物質(zhì)-場(chǎng)模型

1.1 物質(zhì)-場(chǎng)模型簡(jiǎn)介

物質(zhì) - 場(chǎng)模型由一種場(chǎng)（ F）和兩個(gè)物質(zhì)（ S1、S2）組成,模型中S1是被動(dòng)物體，是希望發(fā)生變化的物體；S2是主動(dòng)物體，通過(guò)F的作用使被動(dòng)物體發(fā)生改變；F是連接主動(dòng)物體與被動(dòng)物體的橋梁，從而組成完整的系統(tǒng)[2]。物質(zhì)-場(chǎng)基本模型如圖1所示。

圖1 物質(zhì)-場(chǎng)模型

常用的表達(dá)物質(zhì)-場(chǎng)中物質(zhì)之間彼此相互作用的圖示化符號(hào)如圖2所示。

圖2 物質(zhì)-場(chǎng)中圖示化符號(hào)

1.2 物質(zhì)-場(chǎng)模型現(xiàn)狀

王秋月等[1]基于物質(zhì)-場(chǎng)模型和相似性對(duì)標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行了重新分類(lèi)。簡(jiǎn)兆輝等[3]提出了結(jié)合減件-運(yùn)行法和功能分析系統(tǒng)技術(shù)法的物質(zhì)-場(chǎng)建模過(guò)程，提高了功能建模能力。Royzen[4]強(qiáng)調(diào)了功能分析在問(wèn)題描述中的作用，提出了工具-對(duì)象-產(chǎn)品分析，提高了模型功能分析的能力。Kim[5]利用排隊(duì)理論模型代替物質(zhì)-場(chǎng)模型，將問(wèn)題分析和對(duì)應(yīng)解都包含在模型內(nèi)，提高了問(wèn)題分析效率。Bultey等[6]對(duì)物質(zhì)-場(chǎng)模型分析過(guò)程中的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了規(guī)范，有助于利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)物質(zhì)-場(chǎng)模型的分析過(guò)程。張武城等[7]提出了物質(zhì)-屬性-功能-因果模型分析法，將物質(zhì)、屬性、功能、因果四部分集成到分析模型內(nèi)，提高了問(wèn)題分析效率。Wu[8]對(duì)可拓學(xué)和物質(zhì)-場(chǎng)模型分析過(guò)程進(jìn)行集成，提高創(chuàng)新的效率和廣度。Petrov[9]針對(duì)信息系統(tǒng)的分析開(kāi)發(fā)了元素-動(dòng)作-信息結(jié)構(gòu)分析法。Li[10]針對(duì)76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中的第四類(lèi)（檢測(cè)與測(cè)量）利用模型進(jìn)行了分析。

以上文獻(xiàn)在物質(zhì)-場(chǎng)模型功能分析不足、術(shù)語(yǔ)缺少規(guī)范化、分析效率低、復(fù)雜問(wèn)題的表示等方面做了研究，并取得一定的成果。多數(shù)學(xué)者都致力于尋找一種功能強(qiáng)大的模型，可以完美地分析各類(lèi)問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，不同類(lèi)型的問(wèn)題分析過(guò)程存在差異，一種分析模型很難兼顧各類(lèi)問(wèn)題。對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)，針對(duì)每類(lèi)問(wèn)題選用對(duì)應(yīng)的模型，充分發(fā)揮每類(lèi)模型的優(yōu)勢(shì)很有必要，因此筆者提出了基于問(wèn)題分類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。

2 基于問(wèn)題分類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

2.1 問(wèn)題分類(lèi)

經(jīng)典TRIZ中，物質(zhì)-場(chǎng)模型分為四類(lèi)。

（1）有效的完整模型。

（2）不完整模型。

（3）效應(yīng)不足的完整模型。

（4）有害效應(yīng)的完整模型。

以上分類(lèi)是根據(jù)模型本身的特征進(jìn)行的，物質(zhì)-場(chǎng)模型分析問(wèn)題、標(biāo)準(zhǔn)解解決問(wèn)題，本質(zhì)都在于對(duì)問(wèn)題特性的把握，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)，再考慮相對(duì)應(yīng)的分析模型。因此，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)解為出發(fā)點(diǎn)，基于物質(zhì)-場(chǎng)模型分類(lèi)的基本思路，采用逆推的方法，進(jìn)行問(wèn)題的分類(lèi)，新的分類(lèi)中將不再考慮有效的完整模型問(wèn)題，因?yàn)槠浔旧聿淮嬖趩?wèn)題，可作為問(wèn)題的理想解或目標(biāo)系統(tǒng)，增加測(cè)量與檢測(cè)這一大類(lèi)。測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題不同于一般的問(wèn)題，更加側(cè)重于信息與功能的正向傳遞。新的分類(lèi)如下。

（1）不完整的問(wèn)題。

（2）效應(yīng)不足/過(guò)度的完整問(wèn)題。

（3）有害效應(yīng)的完整問(wèn)題。

（4）測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題。

以上問(wèn)題的定義與物質(zhì)-場(chǎng)模型的基本定義類(lèi)似，如錘子敲釘子，只有錘子沒(méi)有釘子的話，問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型就是一個(gè)不完整模型，相對(duì)應(yīng)的，此問(wèn)題就是不完整的問(wèn)題，其它類(lèi)似。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

圖3為基于問(wèn)題分類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，具體步驟如下。

（1）分析系統(tǒng)，確定問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)述。

（2）若為測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題，利用物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型進(jìn)行分析，采用第四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解解決；若不是測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題，建立物質(zhì)-場(chǎng)模型。

（3）利用物質(zhì)-場(chǎng)模型確定問(wèn)題類(lèi)型。

（4）不同類(lèi)型問(wèn)題，采用相應(yīng)的分析解決方法：①若為不完整問(wèn)題，則直接使用第一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解解決；②若為效應(yīng)不足/過(guò)度的完整問(wèn)題，采用物元模型進(jìn)行進(jìn)一步分析，利用第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解解決；③若為有害效應(yīng)的完整問(wèn)題，采用物質(zhì)-屬性-功能-因果模型進(jìn)行分析，利用第三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解來(lái)解決。

（5）若需要對(duì)解進(jìn)行優(yōu)化，使用第五類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解。

3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程的分析及應(yīng)用

3.1 不完整問(wèn)題

不完整問(wèn)題即利用物質(zhì)-場(chǎng)分析時(shí)缺少物質(zhì)或場(chǎng)，無(wú)法構(gòu)成一個(gè)完整的物質(zhì)-場(chǎng)模型，此類(lèi)問(wèn)題相對(duì)于其它三類(lèi)問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，直接應(yīng)用物質(zhì)-場(chǎng)模型進(jìn)行分析，按照缺物補(bǔ)物、缺場(chǎng)補(bǔ)場(chǎng)的思路，利用第一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解[1]解決。

3.2 效應(yīng)不足/過(guò)度完整問(wèn)題

效應(yīng)不足/過(guò)度完整問(wèn)題中最重要的是存在不足或過(guò)度的效應(yīng)，都是對(duì)量值的定性描述，傳統(tǒng)的物質(zhì)-場(chǎng)模型在分析時(shí)不考慮量值的問(wèn)題，而可拓學(xué)物元分析法具有量值分析的優(yōu)勢(shì)。

可拓學(xué)是由蔡文教授開(kāi)創(chuàng)的交叉學(xué)科，以矛盾問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)定性和定量的描述和分析問(wèn)題，使用可拓學(xué)中的創(chuàng)新工具解決問(wèn)題。在可拓學(xué)物元模型 B=[O，C，V]中，O 為對(duì)象，C 為特征，V 為特征值。基元中包含對(duì)量值的描述，因此以可拓學(xué)的物元分析模型來(lái)對(duì)效應(yīng)不足/過(guò)度的完整問(wèn)題進(jìn)行分析。

例如，隨著智能手環(huán)的普及，越來(lái)越多的人習(xí)慣在運(yùn)動(dòng)時(shí)佩戴智能手環(huán)，但續(xù)航能力成為其使用上的一大障礙，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)使用過(guò)程中沒(méi)有電或忘記充電的情況，希望能得到續(xù)航能力更強(qiáng)的智能手環(huán)。

首先利用物質(zhì)-場(chǎng)模型分析此問(wèn)題為效應(yīng)不足的問(wèn)題，使用物元模型進(jìn)行分析，如圖4所示。M1為問(wèn)題的物元模型，M2為約束條件的物元模型，A為事元模型。模型提供手環(huán)特征量值上的描述，即解決問(wèn)題過(guò)程中的約束條件。使用者選擇關(guān)鍵的特征量值，從標(biāo)準(zhǔn)解中選擇合適的解使其首先滿(mǎn)足關(guān)鍵特征的要求，解的選擇更具目的性和針對(duì)性。利用物質(zhì)-場(chǎng)模型無(wú)法體現(xiàn)重力、外形等特征量值上的要求，即M2。若不考慮M2，使用體積更大的電池也可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，但是這顯然不符合小、輕等條件。再如續(xù)航能力，如果只是擴(kuò)展到3天，優(yōu)化電池或降低手環(huán)耗電量就可實(shí)現(xiàn)，但是擴(kuò)展到一個(gè)星期或一個(gè)月就得開(kāi)發(fā)新電池，如果是永久供電就需要考慮手環(huán)的自發(fā)電。以永久供電為例，利用第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解在系統(tǒng)中引入鐵磁材料、磁場(chǎng)[1]。

圖4 可拓學(xué)物元模型

創(chuàng)新解如圖5所示。

圖5 智能手環(huán)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

圖5中，磁感應(yīng)線圈上穿有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上設(shè)置有配重塊，系統(tǒng)還包括蓄電池、發(fā)光模塊。運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂肯定會(huì)自然擺動(dòng)，作為智能手環(huán)發(fā)電的動(dòng)力源，利用磁生電的原理，在智能手環(huán)內(nèi)部嵌入磁感應(yīng)線圈，通過(guò)導(dǎo)軌上的配重塊來(lái)回運(yùn)動(dòng)，切割磁感線產(chǎn)生電量，產(chǎn)生的電量存儲(chǔ)于蓄電池中，用于發(fā)光模塊的供電。

利用物元分析有效地彌補(bǔ)了物質(zhì)-場(chǎng)模型無(wú)法體現(xiàn)特征量值的缺點(diǎn)，問(wèn)題分析得更加全面，使用者可以在綜合考慮各因素的條件下，直接選擇最優(yōu)的解，而不是在已得到解的基礎(chǔ)上再選擇最優(yōu)解，提高了問(wèn)題解決的效率。

3.3 有害效應(yīng)完整問(wèn)題

存在有害效應(yīng)的完整問(wèn)題一般屬于比較復(fù)雜的問(wèn)題，且存在有害效應(yīng)的系統(tǒng)相當(dāng)一部分都會(huì)伴隨著技術(shù)矛盾或物理矛盾，可用TRIZ中的矛盾矩陣去解決。其余的就可用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解去解決，但是無(wú)論是矛盾矩陣或是標(biāo)準(zhǔn)解，都需要對(duì)存在有害效應(yīng)系統(tǒng)的功能進(jìn)行深入分析，但是物質(zhì)-場(chǎng)模型并沒(méi)有側(cè)重于功能分析。張武城等[7]認(rèn)為功能是兩個(gè)物質(zhì)屬性相互作用的產(chǎn)物，提出了物質(zhì)-屬性-功能-因果模型分析法，從屬性的角度對(duì)問(wèn)題功能進(jìn)行深入分析，對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的分析具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。物質(zhì)-屬性-功能-因果模型如圖6所示。

圖6 物質(zhì)-屬性-功能-因果模型

在物質(zhì)-屬性-功能-因果分析模型中，S1和S2是相互作用的兩個(gè)物質(zhì)，對(duì)應(yīng)的屬性分別為A1和A2，通常，將物質(zhì)S1作為功能載體，將物質(zhì)S2作為接受動(dòng)作的客體。S3是實(shí)現(xiàn)功能后衍生的具有屬性A3的第三物質(zhì)。Fuh是物質(zhì)S1的屬性A1與物質(zhì)S2的屬性A2相互作用而形成的、可能有用或有害的功能。

以煉焦中的高溫焦炭運(yùn)輸問(wèn)題為例，焦炭是原煤隔絕空氣高溫加熱后的產(chǎn)物。在煉焦?fàn)t內(nèi)，原煤在料床上，隔絕空氣進(jìn)行加熱使其分解后變?yōu)榻固俊Ｍ平管?chē)將焦炭推出，由傳送帶將其輸送至特定的容器中。這就存在一個(gè)問(wèn)題：高溫焦炭對(duì)下面的傳送帶會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，傳送帶在這種工作環(huán)境下很容易疲勞損壞，需經(jīng)常更換。進(jìn)行物質(zhì)-場(chǎng)模型分析，確定焦炭運(yùn)輸為有害效應(yīng)的完整問(wèn)題，利用物質(zhì)-屬性-功能-因果模型進(jìn)行分析。

由圖7可明顯看出，由于焦炭具有高溫性，對(duì)起運(yùn)輸作用的傳送帶進(jìn)行加熱，而傳送帶具有疲勞性，在受熱后容易疲勞損壞，為實(shí)現(xiàn)傳送帶正常的運(yùn)輸性，需從高溫性和疲勞性?xún)煞矫孢M(jìn)行分析。

圖7 高溫焦炭運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)-屬性-功能-因果模型

為減小焦炭高溫的影響，參考標(biāo)準(zhǔn)解引入物質(zhì)S3消除有害效應(yīng)[1]，可利用已經(jīng)冷卻后的焦炭敷在傳送帶表面，從而隔離高溫焦炭的熱量，對(duì)傳送帶起到保護(hù)作用。

為提高傳送帶的疲勞強(qiáng)度，參考標(biāo)準(zhǔn)解不允許增加新物質(zhì)，改變物質(zhì)以消除有害效應(yīng)[1]，可利用耐熱的金屬鏈?zhǔn)絺魉蛶В岣邆魉蛶г诟邷叵碌目蛊趶?qiáng)度。

可見(jiàn)，物質(zhì)-屬性-功能-因果模型不僅展現(xiàn)了問(wèn)題中的有害作用，而且分析了各物質(zhì)的屬性，通過(guò)屬性之間的相互作用分析了系統(tǒng)的功能，使用者可從功能的基礎(chǔ)——屬性出發(fā)，迅速找到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解，從而解決問(wèn)題。

3.4 測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題

測(cè)量與檢測(cè)問(wèn)題屬于比較特殊的一類(lèi)問(wèn)題，測(cè)量與檢測(cè)過(guò)程中一般都會(huì)涉及時(shí)間和順序上的遞增，信息的正向傳遞是比較明顯的，且普遍存在對(duì)所獲數(shù)據(jù)的反向反饋。測(cè)量過(guò)程一般涉及三種物質(zhì)和兩個(gè)場(chǎng)，普通的物質(zhì)-場(chǎng)模型無(wú)法表示。此類(lèi)問(wèn)題使用創(chuàng)新的物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型（圖8）進(jìn)行分析，有利于快速確定問(wèn)題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。

圖8 物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型

物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型中，F(xiàn)1和F2為測(cè)量與檢測(cè)過(guò)程中的場(chǎng)，S1為被測(cè)量或檢測(cè)的物質(zhì)，S2為測(cè)量檢測(cè)工具，S3為接收系統(tǒng)，D1、D2和D3為測(cè)量與檢測(cè)過(guò)程中的信息。

以曹沖稱(chēng)象為例，如圖9所示，大象通過(guò)重力場(chǎng)將重力信息傳遞給秤，秤通過(guò)視覺(jué)場(chǎng)將刻度信息傳遞給人，人將信息返回與大象進(jìn)行對(duì)比，確定測(cè)量結(jié)果的誤差。在曹沖稱(chēng)象的故事中，由于大象過(guò)重，秤的測(cè)量值有限，從而無(wú)法測(cè)量出大象的重力，通過(guò)圖9可迅速確定出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)為重力信息環(huán)節(jié)，而重力信息不僅僅是大象的特有屬性，于是利用第四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解，替代系統(tǒng)中的測(cè)量與檢測(cè)，使之不再需要；假如上一條不可能實(shí)現(xiàn)，則測(cè)量一個(gè)復(fù)制品或肖像[1]，即將大象的重力復(fù)制成等重的石頭、沙子、一隊(duì)人等，考慮到可測(cè)物的靈活性，利用一隊(duì)人為最佳解決方案。

圖9 曹沖稱(chēng)象物質(zhì)-場(chǎng)-信息模型

4 結(jié)論

根據(jù)問(wèn)題的特性將待解決問(wèn)題分為四類(lèi)，借助物質(zhì)-場(chǎng)模型確定問(wèn)題類(lèi)，針對(duì)每類(lèi)問(wèn)題使用特定的分析模型，充分發(fā)揮不同分析模型的優(yōu)勢(shì)，解決了物質(zhì)-場(chǎng)模型分析所有類(lèi)型問(wèn)題時(shí)分析不夠充分、缺乏針對(duì)性、功能分析不足等缺點(diǎn)，提高了問(wèn)題分析效率，增強(qiáng)了問(wèn)題分析的針對(duì)性，并用實(shí)例論證了基于問(wèn)題分類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程的優(yōu)勢(shì)，為創(chuàng)建新理論提供了一種全新的問(wèn)題分析思路。當(dāng)然，更加完善的問(wèn)題分類(lèi)和模型創(chuàng)新有待進(jìn)一步研究。

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[10]LI H J.Substance-field Models for Fourth Class Standards[EB/OL].http://www.metodolog.ru/triz-journal/archives/2009/02/03/index.html.

The substance-field model is an important tool for problem analysis in the TRIZ,but there are some problems such as lack of functional analysis,lack of pertinence and low efficiency of analysis.In order to improve the pertinence of the model analysis problem,adopted an idea that was use a sort of model to analyze a category of problems.The problem was divided into four categories:incomplete problem,insufficient effect/over-complete problem,ill-effect complete problem,measurement and detection problem.The substance-field model,substance-element model,substance-attribute-function-causal model and substance-field-information model were used to analyze each category of problems to call into play the advantages of each type of analytical model and induce the innovative design flow based on the classification of the problems.The rationality of the rationality of model classification and thepracticality of thedesign processwould betoverified by casestudy.

TRIZ；Substance-field Model；Research

TH122

A

1672-0555（2017）03-010-05

＊國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51175314）；

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2012BAF02B01）

2017年5月

任工昌（1962—），男，博士，教授，主要從事機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新理論與實(shí)踐工作

（編輯：?jiǎn)?德）