LED燈具的TRIZ物-場分析模型及其簡化表達法

黃振永　裴雪丹　王利利　薛竣文　蘇秉華

摘? 要：物-場分析法是TRIZ理論中的一種重要的問題描述和分析工具，通過建立LED燈具的功能模型過程，可以利用物-場分析模型的一般解法（6種）提升創新LED燈具的工作效率。該文概述了物-場分析模型的基本思想，分析了“三角形”表達法和“啞鈴式”表達法的缺點，利用TRIZ的技術矛盾矩陣表提出了一種物-場分析模型的簡化表達法——表格法，并指出了表格法的優缺點及其彌補方案。以LED燈具為研究對象，探索了物-場分析表格法模型的應用：（1）有效的完整模型;（2）不完整模型及其解法;（3）作用有害的完整模型及其解法;（4）作用不足的完整模型及其解法。表格法是TRIZ物-場分析模型的行之有效的簡化表達法，能提升創新的工作效率和拓寬創新思路。

關鍵詞：照明設計? LED燈具? TRIZ? 物-場分析模型? 表格法

中圖分類號：TB858.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0001-04

TRIZ，源自俄文：теории решения изобретательских задач，用英語標音可讀為：Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，縮寫為：TRIZ。國內學者多直譯為：發明問題（的）解決理論，也常音譯為：“萃智”或者“萃思”，取其“萃取智慧”或“萃取思考”之義，是前蘇聯發明家、教育家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）和他的研究團隊，通過分析大量專利和創新案例總結出來的創新工具[1]。科技創新離不開創新工具。科學的創新工具能提升創新工作的效率和質量。LED技術是當前熱門的研究主題之一[2-8]，該文以LED燈具為研究對象，利用TRIZ理論中的技術矛盾矩陣表尋找并提出一種物-場分析模型的簡化表達法——表格法，探索了物-場分析表格法模型在LED燈具創新中的應用。

1? 物-場分析模型概述

物-場分析法是G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）于1979年提出的解決問題方法。所謂物-場分析法，是指從物質和場的角度來分析和構造最小技術系統的理論與方法。阿奇舒勒對大量的技術系統進行分析后發現：一個技術系統如果想發揮其有用的功能，就必須至少構成一種最小的系統模型。這個最小的技術系統模型應當具備3個必要的元素：兩種物質和一個場，即三要素（物質S1——工件、物質S2——工具、場F——能量）。關于物場模型的表達方式，早期的學者提出了“三角形”表達法和“啞鈴式”表達法，如圖1和圖2所示[1]。

2? 現有表達法的缺點分析與創新

三角形表達法和啞鈴式表達法存在的典型缺點有：

（1）在Word文檔中或WPS中繪制、修改（尤其是擴展）模型比較麻煩。

（2）如果圓圈中輸入文字太多，那么圓圈直徑要么變得很大、要么變成橢圓，橫向尺寸變大。

（3）沒有表達出最小的技術系統要實現的“功能”。

（4）占用面積大、行數多。

鑒于現有兩種表達法存在的缺點，該文使用TRIZ理論中技術矛盾矩陣表來尋找簡化物-場分析模型表達法的思路如下。

（1）選擇技術矛盾通用參數。

想要改善的參數：生產率（提升繪制物-場分析模型的效率）。

想要惡化的參數：靜止物體的面積（減小繪制物-場分析模型的占用面積）。

（2）查技術矛盾矩陣表找到發明原理的代號。

通過查找經典的39×39規格的技術矛盾矩陣表，找到行（對應改善的參數）與列（對應惡化的參數）交叉單元格中的發明原理的代號是：10號，35號，17號，7號。

（3）發明原理釋義。

10號對應的發明原理是：預操作原理。35號對應的發明原理是：參數變化原理。17號對應的發明原理是：維數變化原理。7號對應的發明原理是：嵌套原理。

（4）給出創新方案。

表格可以看作是一個單元格嵌套在另一個單元格中的集合，通過改變某些個單元格的邊框參數（邊框的線形樣式）表達物-場分析模型中的不同作用效果。因此提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

另選一對技術矛盾通用參數來驗證。

想要改善的參數：可維護性（提升修改物-場分析模型的效率）。

想要惡化的參數：靜止物體的面積（減小物-場分析模型的占用面積）。

通過查找經典的39×39規格的技術矛盾矩陣表，找到行列交叉單元格中的發明原理：16號（不足或過度作用原理），25號（自服務原理）。

利用16號發明原理只改變表格中某些個單元格的參數，并不改變全部參數;通過單元格的拆分、合并改變單元格的大小、位置、特征（邊框的線形樣式）。也能提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

再選一對技術矛盾通用參數來驗證。

想要改善的參數：形狀（降低繪制物-場分析模型的復雜度）。

想要惡化的參數：適應性及多用性（犧牲復雜系統的繪圖適應性）。

通過查找經典的39×39規格的技術矛盾矩陣表，找到行列交叉單元格中的發明原理：1號（分割原理），15號（動態化原理），29號（氣壓液壓結構原理）。

利用1號發明原理把大的表格分割成不同的功能區，只改變表格中某些個單元格的參數，并不改變全部參數。也能提出用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

綜上分析，雖然三個思路選擇的技術矛盾通用參數并不同，但都能殊道同歸得出一致的創新方案：用表格法簡化TRIZ的物-場分析模型。

該文提出一種物-場分析模型的簡化方法——表格法（英譯為“Table Method”）。如表1和表2所示，“FUN”所在單元格為“功能”區。“F”所在的單元格為“場”區。“S1”和“S2”所在的單元格分別表示“物質1”區和“物質2”區。

物-場分析表格法模型的突出優點是：

（1）一目了然地表達出了該最小技術系統所要實現的功能。

（2）結構緊湊、占用行數少、面積少，利于排版。

（3）編輯、修改、擴展（通過拆分、合并單元格來實現）時操作方便。

物-場分析表格法模型的缺點是：

（1）忽略了箭頭及其方向，不能清晰地表示誰對誰發生作用。其實也不用擔心，因為作用是相互的，如果A對B發生作用，那么B對A就會發生反作用。彌補方案：表格法事先約定兩種物質存在相互作用。

（2）多引入了一個元素（FUN，即“功能”），給繪圖帶來了麻煩。換來的好處是可以一目了然地表達出該最小技術系統所能實現的功能是什么。

3? 物-場分析表格法模型的應用

3.1 有效的完整模型

LED燈具能夠正常工作時的物-場分析模型屬于“有效的完整模型”。為便于理解表格法，先構建物-場分析三角形模型的功能描述性模型如圖3所示，共有3個要素：S1為桌面（也可以視為正在閱讀的書面）;S2為LED燈具為F：電場，且作用是有效的。圖1可以視為LED燈具的物-場分析三角形模型的符號化模型。等效的LED燈具的物-場分析表格法模型如表3和表4所示。

3.2 不完整模型

當LED燈具不能照明時，如沒有電（電池沒電或市電停電）、LED燈珠壞掉了、LED驅動電源壞掉了，此時的物-場分析模型屬于“不完整模型”，用“？ ”表示缺少（能產生正常作用的）元素（如表5、表6所示）。

3.3 作用有害的完整模型

由于LED燈珠是點光源，所以LED燈具如果配光不合理就往往會出現眩光現象，此時的物-場分析模型屬于“作用有害的完整模型”，如表7所示，其中用波浪線表示作用有害（如紫外線成分增多）;如表8所示，用雙線表示作用過度（如因電壓過高導致亮度過亮）。

3.4 作用不足的完整模型

當照明效果不好時，如因為干電池工作了很長時間后剩余電量不足造成亮度不夠、因配光不合理造成光照度不均勻，此時的物-場分析模型屬于“作用不足的完整模型”，如表9所示，其中用虛線表示作用（效應）不足。

4? 物-場分析模型的解法

在國際TRIZ理論中，物-場分析模型有6種一般解法。接下來說明LED燈具的物-場分析模型的解法。因為有效的完整模型是完善的系統，無需進一步完善（也可以按技術系統的進化法則實現完善），其也是我們改善另外3種模型的目標。

4.1 不完整模型的解法

一般解法1：補全元素（增加場或物質）[1]。

當LED燈具沒有電時（如電池沒電、市電停電），想要它實現有效功能，就需要增加一個元素（電場或機械場，F），如表10所示。解題方案：用新的干電池換掉廢舊的干電池;接通公共市電或離網型光伏發電系統;通過機械運動（如手搖式、握力式、風力式）發電。

當LED燈珠壞掉了、LED驅動電源壞掉了，想要它實現有效功能，就需要增加一個元素（物質1或物質2），如表11所示。解題方案：增加能正常工作的燈珠（S1）或增加能正常工作的LED驅動電源（S2）。

4.2 作用有害的完整模型的解法

一般解法2：增加第三種物質S3，用來阻止有害作用[1]。

雖然LED是公認的綠色、節能的光源，但是散熱性能對LED照明效果有重要的影響：（1）降低LED燈珠的壽命;（2）改變LED的光譜。當LED燈具的散熱效果不佳時，就會產生有害作用——過熱容易燒壞LED燈芯，從而降低LED燈珠的壽命，想要它實現有效功能，就需要增加第三種物質S3。解題方案：增加第三種物質（S3），比如空氣動力散熱器、水冷散熱器或散熱鋁基板（片）。同時，當LED燈芯溫度變化時導致LED的光譜發生改變。即當LED燈具的散熱效果不佳時，就會產生有害作用——非白光照明對眼睛閱讀有害，想要它實現有效功能，就需要增加第三種物質S3。解題方案：增加第三種物質（S3），比如恒溫控制器。雖然增加的第三種物質不同，但是實現的功能是一樣的（減少或阻止有害作用），所以物-場分析模型是一致的，如表12所示。

一般解法3：引入另外一個場F2來抵消原來場的有害效應[1]。

正如前述，散熱性能是LED燈具的重要性能。小功率的LED燈靠自帶的鋁基板可以實現散熱，但是大功率的LED燈就需要配備附加的散熱系統才能減少或阻止有害作用。解題方案：對大功率的LED燈具而言，引入另一個場（風場，F2）和第三種物質（電風扇，S3）。當夜深看書時，光太亮會覺得赤眼不舒服（即作用過度）。解題方案：引入另一個場（機械場，F2）和第三種物質（PWM調制器，用來調節亮度大小，S3）。雖然增加的第三種物質和場不同，但是實現的功能是一樣的（減少或阻止不利的作用），所以物-場分析模型是一致的。對應的物-場分析模型如表13所示。

4.3 作用不足的完整模型的解法

一般解法4：用另外一個場F2代替原來的場F[1]。

原來的場F：電場，用直流供電，比如用干電池供電或用可充電電池供電，由于這類電池的電容量有限，所以有效照明時間不長，且隨著工作時間變長，LED燈具的亮度會逐漸降低。解題方案：（1）換用新的場F2：電磁場，用交流轉直流的供電方式，把LED燈具的驅動電源插頭直接插入市電插座中就可以長時間照明了。（2）換用新的場F2：機械場，用人工機械運動（如手搖式、握力式、風力式）發電解決臨時性持續照明需求。對應的物-場分析模型如表14所示。

一般解法5：增加另外一個場F2來強化有用效應[1]。

在大的房間內，一盞LED燈具不足以照亮整個房間時，需要增加一個或多個光場;當一個LED燈珠因功率小不足以獲得大功率照明效果時，也需要增加一個或多個光場;當需要無影照明效果時，也需要增加一個或多個從不同的方向照明的光場。對應的物-場分析模型如表15所示。

一般解法6：引入第三種物質S3并增加另一個場F2來強化有用效應[1]。

當LED燈具配光不合理時，光照度就會不均勻，如果想獲得更均勻的照明效果，則需要引入第三種物質S3并增加另一個場F2來強化有用效應。解題方案：引入第三種物質（如LightTools設計軟件，S3）和另一個場（信息場，F2），即用照明仿真軟件設計良好的配光方案及其LED燈具。對應的物-場分析模型如表16所示。

5? 結語

科技創新離不開創新工具，TRIZ理論是國際公認的創新工具。鑒于現有的TRIZ理論中物-場分析模型——三角形表達法和啞鈴形表達法有顯著的缺點，該文利用TRIZ理論中技術矛盾矩陣表，從三個思路殊道同歸找到了簡化物-場分析模型的表達方法——表格法。該文以LED燈具為研究對象，探索了物-場分析表格法模型的應用及其解法。研究表明：表格法是TRIZ物-場分析模型的行之有效的簡化表達法，能提升創新的工作效率和拓寬創新思路;表格法的優點顯著，占用面積少、繪圖方便、系統的功能一目了然。

參考文獻

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