基于TRIZ矛盾分析理論的PAMSZ創新方法及其應用

楊 霞 孫 寧 張晴晴 鄭世清

(青島科技大學 計算機與化工研究所，山東 青島 266042)

0 引言

TRIZ理論是由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒在研究了250萬例世界上頂尖工程技術領域專利的基礎上提出來的一種高效的創新方法，它成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，包含一整套的理論方法和實用工具，如進化法則、發明原理、矛盾矩陣、物場模型、標準解法等，能夠幫人們系統地分析問題，發現問題的本質和存在的矛盾，盡快找到問題的理想解。

當前TRIZ理論主要用于機械制造行業，一些大型跨國公司應用TRIZ理論解決了許多技術難題，成效顯著。如福特汽車公司應用TRIZ理論，發現利用熱膨脹系數小的材料制造軸承，能夠解決軸承在大負荷時出現偏移的問題；三星電子在67個研究開發項目中使用了TRIZ理論，節約了1.5億美元研發成本，并產生了52項專利技術。我國中興公司、中鐵二院等企業，應用TRIZ理論都取得了突破性進展。近年來TRIZ理論也逐漸引入化工領域，如劉以成等基于TRIZ理論能夠合理預測膜材料導電性、穩定性的發展趨勢，提出TRIZ 理論能夠更有針對性地尋找對膜材料改進的可行之路，可以在提純工藝、遴選工藝以及燃料電池組件協同功能性方面尋找提升性能的途徑；黃向陽等,利用TRIZ理論解決了涂料生產過程中漿料溫度過高等問題。

本文提出了利用TRIZ理論中的矛盾分析理論解決化工技術系統問題的PAMSZ法,利用該方法對危險化學品(以下簡稱危化品)的儲存問題進行研究，提出了危化品存儲問題的綜合解決方案。

1 TRIZ矛盾理論

1.1 創新原理

創新原理也稱發明原理，是阿奇舒勒總結出來的人類發明創新所遵循的共性原理，包括分割、抽取、組合、嵌套、預先作用、反向作用等共40條，可以有效解決技術系統矛盾。

1.2 TRIZ矛盾矩陣

TRIZ認為技術系統的進化過程就是不斷解決該技術系統所存在矛盾的過程，即發明創新的核心是解決矛盾；其將矛盾分為管理矛盾、物理矛盾和技術矛盾，其中管理矛盾是技術系統和管理人員和管理方法之間的矛盾；物理矛盾是技術系統中對同一個參數提出不同(或相反)要求的矛盾；技術矛盾是指技術系統的兩個參數或特性之間存在著相互制約關系，即當技術系統的某一個參數或特性得到改善的同時，導致另一個參數或特性惡化。

通過研究大量專利，阿奇舒勒將描述技術系統的參數或特性歸納提煉出39個通用工程參數，該參數基本上可以描述工程中出現的絕大部分技術問題。

TRIZ將工程參數的矛盾與發明原理建立了對應關系，整理成一個39×39矩陣，即TRIZ矛盾矩陣。矩陣中各個表格的數字是指發明原理序號，即在技術系統的某個特性改善而另一個特性惡化時，可以采用表格中所述的發明原理來解決這一矛盾，表格中的“-”表示沒有創新原理適用于該對技術矛盾，表格中的“+”表示技術系統的矛盾是物理矛盾。可見，技術系統進化過程中的主要矛盾是技術矛盾，應用TRIZ矛盾矩陣解決技術問題的一般流程見圖1，使用者需要首先把工程問題轉化為技術矛盾，然后分析出產生矛盾的2個技術參數哪一個是待改善的參數或惡化的參數，在矛盾矩陣中找到一組相對應的發明原理序號，應用這些原理尋找技術矛盾的可能解決方案。

圖1 TRIZ矛盾矩陣解決問題的一般流程

技術系統中的物理矛盾雖然少，但其本質都是針對同一參數的尖銳矛盾。解決系統的物理矛盾一般采用基于空間、時間、關系以及系統級別的分離方法，各方法對應一定的創新原理。

2 基于TRIZ矛盾矩陣的PAMSZ應用方法

TRIZ理論即通過總結歸納而來，其矛盾矩陣解決技術問題的傳統方法也是簡單粗泛的定性分析，許多教材資料通常將物理矛盾和技術矛盾分開闡述，因此造成TRIZ理論初學者在實際運用中無從下手，尤其在以質量守恒和能量守恒為基本規律的流程工業領域，更需要定量分析。為此，本文提出了一種TRIZ矛盾矩陣分析的PAMSZ應用方法，該方法通過引入創新原理有效性，提出了創新原理優先選用原則。

2.1 定義問題(Problem)

即P過程：運用文獻調研、實地考察、理論分析、定量測算等手段，對實際技術系統進行分析，找出導致問題存在的全部可能因素P1、P2、P3……PN(N為自然數)，并分析各自的矛盾類型(管理矛盾、技術矛盾、物理矛盾)。其中，物理矛盾分析工程參數的特性，按照所述的分離方法利用對應的創新原理尋求解決方案；管理矛盾暫時擱置，最后綜合評價過程中給予討論；技術矛盾利用TRIZ矛盾矩陣進行分析。

2.2 技術矛盾分析(Analysis)

即A過程：第一步，對其中的技術矛盾逐個進行分析，確定解決目標(最優解)及可能采取的技術措施；第二步，確定各個技術矛盾相對應的通用工程參數，包括改善的參數和惡化的參數，并用Ax標識(A代表工程參數，x代表工程參數在39個通用參數中的序數，其值為1～39的自然數)。

2.3 建立矩陣(Matrix)

即M過程：將改善的參數和惡化的參數Ax從原始阿奇舒勒矩陣表中抽提，建立該問題的矛盾矩陣M；對矛盾矩陣M中用到的創新原理Mx(M代表創新原理，x代表創新原理的序號，為1-40的自然數)進行分析，依據其次序、頻率計算矩陣中創新原理解決該問題的有效性Ex，將創新原理按照Ex從高到低排序，首選排在前面的創新原理來解決該技術矛盾。

查閱原始的矛盾矩陣表可見，每一對矛盾最多可由4個創新原理解決，因此本文定義創新原理解決矛盾的有效值為{1,0.8,0.6,0.4}，即排在首位為1，次位為0.8，以此類推，如式(1)所示。

wi={1,0.8,0.6,0.4}

(1)

舉例說明：查閱原始阿奇舒勒矩陣，其中單元格(1,3)中的數字為(15,8,29,34)，該數字表示當運動物體的重量改善導致長度惡化時，可以用第(15,8,29,34)個創新原理來解決。由前述定義可知：創新原理15解決該矛盾的有效值為1，創新原理8解決該矛盾的有效值為0.8，創新原理29解決該矛盾的有效值為0.6，創新原理34解決該矛盾的有效值為0.4。

對矩陣M中的每一個創新原理計算有效值，并將同一創新原理的有效值相加即可得該創新原理解決該矛盾的有效性：

Ex=∑wi

(2)

按照創新原理有效性從高到低排序，有效性相同的按照創新原理序號從小到大排序，該序列即為利用創新原理解決該技術矛盾的先后順序。

若解決該技術矛盾用到的創新原理較多，創新原理優先選用原則如下：

(1)優先選用有效性最高的3～5個創新原理；

(2)優選有效性一般不小于1的創新原理，即：

Ex≥1.0

(3)

(3)若某創新原理可解決多個技術矛盾，即使有效性較小，也應對其進行分析利用。

2.4 利用創新原理尋找解決方案(Solution)

即S過程：利用篩選的創新原理，尋求問題的解決方案S1、S2、S3……SN。在尋求方案過程中，可結合已有的理論知識、工程經驗、文獻資料以及科學效應知識庫等，進一步優選創新原理，在利用某一創新原理獲得滿意解決方案后，可不再考慮其它優選的創新原理；若全部優選的創新原理都不能獲得滿意解決方案，可擴展其它未進入優選系列的創新原理。

2.5 綜合評價過程(Normalization)

即Z過程：結合實際問題，兼顧P過程的其他矛盾，綜合評價上述解決方案，獲得最終的解決方案。圖2即描述了利用PAMSZ解決技術系統矛盾的一般流程，下文以危化品存儲問題為例，對該PAMSZ方法進行詳細闡述。

3 PAMSZ方法在危化品儲存問題方案解決中的應用

3.1 危化品儲存問題

危化品具有易燃、易爆、有毒、有害等特性，對儲存的安全性要求非常高。化工廠儲罐區一直是企業安全生產的高危隱患區，一些大的危化品安全事故主要發生在儲存過程中。我國是危化品生產和使用的大國，危化品事故時有發生，據從國家安全生產監督管理總局提供的事故查詢系統中統計，2000-2019年間我國共發生235起重大化工安全事故，造成1 103余人死亡(不包含受傷人數)，其中涉及到危化品泄漏、中毒、火災、爆炸等意外事故的共159起，約占事故總量的67%。比如近期發生的幾起特大化工安全事故都與危化品的儲存有關：2018年11月28日河北張家口盛華化工有限公司聚氯乙烯車間氯乙烯氣柜發生泄漏造成重大爆燃事故，導致23人死亡、22人受傷，直接經濟損失高達4000多萬元；2019年3月21日，江蘇響水天嘉宜化工有限公司苯儲罐發生重大爆炸事故，導致78人死亡、超過600人不同程度受傷，造成了極其惡劣的社會影響。

分析這些事故發現，化工廠儲罐區是“多米諾”事故高發區，這類事故初始易于通過熱輻射、沖擊波、碎片撞擊等進一步影響到鄰近單元，是典型的小概率重后果事故。大部分化工廠的存儲設施都處于大型化、集約化的狀態，事故一旦發生后果不堪設想。

3.2 PAMSZ方法在危化品儲存問題方案解決中的應用

3.2.1 P過程

本文將危化品儲存視為一個技術系統，矛盾即是危化品存儲易于發生泄露、爆炸、火災等意外事故，解決矛盾是為了提高該系統安全性。

根據文獻，本文總結出了當前危化品在存儲過程中存在的問題主要有以下幾類：

P1：存儲量超標。

P2：因設備老化或腐蝕導致危化品泄漏致使有毒性、放射性的化工原料擴散。

P3：由于環境變化如壓力、溫度、濕度等引發危化品自燃、爆炸等。

P4：管理人員缺乏專業知識，出現不同性質的危化品同庫存儲(混放、混存)，安全間距過小，堆垛過高，違規操作，改裝打包等問題。

其中，P1、P4屬于管理矛盾，P2和P3是危化品存儲的工藝和設備問題，屬于技術矛盾。因此，可用矛盾矩陣分析解決P2和P3這兩個問題。

第一步，利用TRIZ矛盾矩陣的方法對P2和P3進行分析，獲得各自的解決目標、可采取的技術措施(見表1)。

第二步，確定相對應的通用工程參數(改善)以及可能導致惡化的參數，分析如下：

針對P2設備老化或腐蝕問題，可能采取的技術措施為“強化材質”，其不是39個通用工程參數之一，與其意義相同的是阿奇舒勒矩陣的第27號參數 “設備的可靠性”(A27)，但當設備可靠性改進時，易導致參數復雜性(A36)、制造精度(A29)、物質和事物的數量(A26)、可制造性(A32)、監控與測試的復雜性(A37)惡化。

針對P3環境變化，欲改善的特性有：危化品的存儲過程中要盡可能維持儲存環境，包括壓力、溫度、濕度(可視為蒸發速度)的穩定，對應的TRIZ通用工程參數分別為應力或壓力(A11)、溫度(A17)、速度(A9)；另外，為保障安全減少失誤應盡可能減少人為活動的參與，應增加智能化提高自動化程度，即自動化程度(A38)。以上改善的參數同時引起惡化的參數與P2相同，即導致A36、A29、A26、A32和A37惡化。將確定的改善和惡化的TRIZ參數同時列寫在表1中。

3.2.3 M過程

根據表1和原始的阿奇舒勒矩陣，分別建立技術矛盾P2、P3的矛盾矩陣如表2、表3所示，其中單元格中的數字即為創新原理序號，行列一般按照參數序號(1～39)由小到大排列。

表1 A過程確定的TRIZ參數

表2 危化品存儲問題P2的矛盾矩陣表

表3 危化品存儲問題P3的矛盾矩陣表

利用式(1)、(2)計算問題P2用到的創新原理有效性，結果見表4。為簡便起見，將表4中的計算結果用數列表示為：(M,E)={(40,1.4),(1,1.2),(28,1.2),(11,1), (13,1), (21,1), (27,1), (32,0.8), (35,0.8)}。

由于創新原理有效性是為了創新原理排序，可將創新原理及其有效性分別表示為： M ={40,1,28,11,13,21,27,32,35}，E={1.4,1.2,1.2,1,1,1,1,0.8,0.8}。在后續S過程中只使用M序列尋求矛盾解決方案即可。根據創新原理優先選用原則，優選有效性最高的前3個創新原理來解決問題P2設備老化或腐蝕，即復合材料(M40)，其次為分割(M1)和機械系統的替代(M28)。

同理，可得P3問題的創新原理序列及其有效性見表5，因創新原理較多，表5列了有效性較高的部分創新原理。根據創新原理優先選用原則，本文優選有效性最高的前5個創新原理來選擇解決問題P3的創新原理用數列表示為M ={35,10,3,1,27}，其有效性用數列表示為：E={4.8,4.6,4.0,3.2,3.0}。根據上述創新原理數列中的序號即可得解決P3問題的創新原理：物理/化學狀態變化(M35)、預操作(M10)、局部質量(M3)、分割(M1)、廉價物體的替代(M27)。

管井宜布局在平原、高原、山區、沙漠、階地等地區，可用于開采各種埋藏深度的地下水。大口井是傍河取水方式中一種較為常見的取水方式，主要應用在以下幾個方面：1）含水層薄、滲透性好、地下水補給豐富，河漫灘、山前淺層地下水洪積扇及一級階地、干枯河床及古河道地段；2）地下水埋藏較淺、比較厚的基巖風化裂隙層、有豐富的補給源地段；3）含水層為中細砂、采用其他取水建筑物容易侵蝕沙地的地段；4）淺層地下水含有較高含量的鐵、錳及腐蝕性二氧化碳等對井管高度腐蝕作用的地區。與其他取水方式相比，大口井具有水量穩定、水質保證、項目投資少、使用壽命長、運行費用低、耐腐蝕等優點，具有較大的優越性。

表4 解決危化品存儲問題P2的創新原理及有效性

表5 解決危化品存儲問題P3的創新原理及有效性

3.2.4 S過程

對P2設備老化或腐蝕問題，分析優選出的創新原理：復合材料(M40)、分割(M1)和機械系統的替代(M28)。通過查閱文獻資料可知，高分子材料如聚氨酯制品等具有材質輕、強度高、絕熱效果好、防水 、耐老化等優良性能，聚乙烯、聚丙烯等非極性聚合物具有良好的耐酸、耐堿以及耐極性化學物質腐蝕的性能，可防止因儲罐被腐蝕導致泄漏的發生。因此，提出對P2設備老化或腐蝕問題的解決方案如下：

方案一(S1)：采用高分子材料改進危化品儲存容器，或對危化品儲罐內側涂覆防腐內襯，也可以在危化品儲存容器箱體與存儲格之間添加吸水樹脂襯墊層可吸附危化品泄漏量。

在工業實踐中，利用復合材料進行設備防腐是首選項，尤其儲罐等設備，因此分割和機械系統的替代暫不考慮。

對P3因環境參數變化引起的安全問題，分析優選出的創新原理：物理/化學狀態變化(M35)、預操作(M10)、局部質量(M3)、分割(M1)、廉價物體的替代(M27)。根據這些創新原理提出問題P3的解決方案如下：

方案二(S2)：根據創新原理物理/化學狀態變化(M35)，可以考慮改變溫度壓力從而改變危化品的儲存狀態，如光氣、氯乙烯等氣體加壓變為液體儲存，光氣可進一步降溫為固體光氣儲存。

方案三(S3)：根據創新原理預操作(M10)，在危化品儲罐上安裝一種智能控制系統，該控制系統包括在儲罐底部設置質量探測器用于對儲罐內危化品的重量進行檢測，可通過對儲罐內危化品重量的實時監測初步判斷是否有泄漏、輸出量過多等異常狀況的發生。儲罐內設置液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，以及在儲罐內外層之間設置泄漏檢測器。這種智能控制系統可以實時獲取危化品儲罐中的液位、壓力、溫度信息，同時可監測儲罐的內層和外層之間危化品泄漏。

方案四(S4)：根據創新原理局部質量(M3)，在危化品儲罐易于受到環境參數影響的部分提高制造加工等級，選用耐高溫高壓防腐蝕的材質，提高其承受溫度、壓力和濕度變化帶來的破壞能力。

方案五(S5)：根據創新原理分割(M1)、廉價物體的替代(M27)，可以考慮將儲罐正常散發的危化品快速方便移走，如在儲罐上安裝負壓風機，利用負壓風機空氣對流、負壓換氣的降溫原理將儲罐中揮發氣排放出去，保持儲存環境的相對穩定，防止對操作人員造成傷害。

用到的創新原理1、13、27、28、35(見表4和表5)對解決P2和P3問題都有效，其中M13和M28在上述方案決策過程中暫未涉及。創新原理M13為反向作用，在原始TRIZ理論中含義包括：用相反的動作代替問題中規定的動作；讓物體或環境可動部分與不動部分互換；讓物體上下或內外顛倒等。由于危化品儲存是個靜過程，該創新原理不適用。本文考慮利用機械系統的替代M28同時解決P2和P3問題。M28包括兩個方面：①用視覺系統、聽覺系統、味覺系統或嗅覺系統代替機械系統；②使用與物體相互作用的電場、磁場和電磁場。

本文選用第二種替代系統，引入RFID(Radio Frequency Identification)射頻識別技術。該技術是一種非接觸式自動識別技術，由電子標簽、讀寫器和應用系統組成。近年來，RFID技術在物流管理、零售管理、身份識別等領域展開運用。因此，將該技術用于解決問題P2和P3的方案如下：

方案六(S6)：在每一種危化品儲罐上設置獨一無二的電子標簽，這種RFID電子標簽對化學物質有很強的抗腐蝕性，將其附著在被標識對象上，可將多種類型傳感器測量得到的溫度、壓力、濕度等信息存儲于電子標簽中。通過RFID讀寫器采集監測到的數據并上傳至計算機數據統計分析系統，在計算機管理軟件上增加危化品實時信息數據庫，與監督管理平臺進行數據互換。

3.2.5 Z過程

分析上述6個解決方案可見，方案S1和S4為儲存設備的制造(材質和加工)，方案S2為儲存物質的狀態變化，方案S3、S5、S6為(危險)參數的識別和控制。由于危化品的種類性質千差萬別，因此應對危化品進行詳細的等級分類，分門別類地通過提高工藝和設備參數來解決技術矛盾。同時充分利用大數據時代所帶來的便利條件，將物聯網、云計算、大數據技術與工業DCS智能控制技術結合運用到危化品管理系統中，提高安全管理能力。

在問題定義過程中，還有P1存儲量超標、P4混放、違規操作等管理矛盾。一般措施是制定嚴格法律法規，加強企業負責人及員工的安全培訓和安全教育，嚴格執行危化品存儲規定，如控制安全存儲量、避免混放、安裝自動報警裝置、做好消防安全措施等。事實上，我國大部分危化品存儲安全事故原因都歸結為存儲裝置“年久失修，疏于管理”。因此，綜合上述技術矛盾和管理矛盾，本文引入顏色識別、時間保護機制，提出一個多層次、人機交互的智能危化品存儲策略。

第一層：對危化品細致分類，按照物態、燃爆、毒害等性質，定義不同的危害等級，并規定危害色，電子標識符引入該危害色，當儲罐與其存儲的危化品等級匹配時，顏色一致；當儲存的危化品等級高于儲罐時，電子標識符顯示報警色，并觸發報警裝置。同理設置儲量料位標識色，正常不顯示，高于或低于有報警色，并觸發報警裝置。

第二層：根據危化品分類及相應的技術矛盾，強化工藝和設備質量，解決技術矛盾。

第三層：設置強制檢修程序，引入時間保護機制，當儲罐參數或時間參數達到檢修要求時，若不進行檢修，設備報警或觸發停車系統。該過程需要設計智能人機交互系統進行管理。

第四層：設置以防萬一的防護應急系統。

圖3 多層次人機交互的智能危化品存儲策略

4 結論

本文基于TRIZ創新理論中提出的PAMSZ法，對危化品存儲問題進行實例分析，通過文獻調研對危化品存儲過程中易于引起安全事故的原因進行分類，形成P1-P4共4類問題。對其中技術矛盾P2和P3分別建立矛盾矩陣，通過計算相關創新原理的有效性，獲得優選的創新原理并獲得了若干個解決方案，最后結合管理矛盾P1和P4給出了一個多層次、人機交互的綜合解決方案。該實例證明，本文提出的PAMSZ方法，步驟清晰，于TRIZ理論初學者和工業企業創新人員使用，尤其適用于流程工業制造領域的技術系統改進。