TRIZ理論在同時基水聲測距接收系統性能改進中的應用

李 利

(大連測控技術研究所，遼寧大連116013)

0 引 言

TRIZ(teorija rezhenija inzhenernyh zadach)理論是蘇聯發明專家G.S.Altshuller在研究世界各國大量高水平專利的基礎上，提出的具有完整體系的發明問題解決理論[1]。TRIZ意譯為發明問題的解決理論。TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折中或者妥協的做法，而是基于技術的發展演化規律研究整個設計與開發過程，并且不再是隨機的行為。目前，國際上很多大公司已采用TRIZ理論，如波音、克萊斯勒、寶馬、三星等。實踐證明，運用TRIZ理論可大大提高發明成功率、縮短發明周期、得到高質量的創新產品，也可使發明問題的解決方案具有可預見性[2-5]。

水聲測距技術是許多聲吶系統中非常重要的組成部分，無論是聲學目標的定位、跟蹤、導航，還是一些水聲測量測繪試驗等，都離不開高精度的水下距離測量。在水聲測距系統中，接收系統的時延估計起著關鍵作用，其性能決定著系統的作用距離與測距精度。目前，本單位收發同時基水聲測距接收系統采用能量檢測的方式檢測測距信號，利用幅度門限估計信號時延進而得到距離[6-9]。但是該方法在遠距離處檢測概率下降，在近距離處難以準確估計，為提高系統作用距離與測距精度，亟待改進水聲測距接收系統的性能。

本文主要將TRIZ理論中的根原因分析法、沖突解決理論、技術進化、物質場與標準解、功能分析與裁剪等多種解決辦法引入到水聲測距接收系統性能改進中來，以期改進測距接收系統的性能。也希望 TREZ理論可以在更多的技術領域得到應用，解決實際問題。

1 問題描述

按照TRIZ理論，首先，定義技術系統實現的功能，即：問題所在技術系統為水聲測距接收系統；該技術系統的功能為測量距離；實現該功能的約束有(1)測距信號發射端聲源級、(2)海洋背景噪聲級、(3)海洋聲傳播條件。

其次，分析現有技術系統的工作原理，畫出現有系統結構示意圖，如圖1所示[10]。

圖1中水聲測距系統由發射端、接收端和上位機解算軟件構成，其中發射端與接收端由全球定位系統(Global Positioning System,GPS)授時同步，發射端安裝在被測目標上，發射周期性的單頻脈沖信號(Continuous Wave,CW)；接收端位于測量船上，接收端由水聽器接收信號，經電纜有線傳輸至接收機，接收機可分為硬件部分與軟件部分，硬件部分主要實現調理信號、濾波、放大與模數轉換(Analog-to-Digital,AD)，軟件部分主要實現預處理、信號檢測與時延估計、數據發送，接收端的主要功能是檢測測距信號并估計時延，將時延信息發送至上位機解算軟件；上位機解算軟件根據時延信息計算被測目標距離并解算位置信息，在軟件上實時顯示目標航跡。

圖1 水聲測距系統構成示意圖[10]Fig.1 Block diagram of underwater acoustic ranging system[10]

最后，描述當前技術系統存在的問題：信號幅值與發射端和接收端的距離有關，距離越近幅值越大，距離越遠聲吸收與傳播損失越大，信號幅值越小。信號檢測采用能量檢測的方式，即設置檢測門限來判斷信號有無。目前測距接收系統采用折衷的方法，選用合適的門限，在準確估計的基礎上盡可能地選低門限保證距離。問題是在遠距離處，若設置門限較高，信號容易形成漏報，若設置門限過低，則易產生虛警；在近距離處門限過低又容易受干擾影響。

對水聲測距接收系統性能進行改善，要求新系統既能提高檢測概率，降低虛警概率與漏報概率，又盡可能地增加測量距離并在被測目標通過測量船的正橫時刻準確地估計時延。

2 TRIZ理論功能分析

功能分析是從完成功能的角度而不是從技術的角度來分析系統。它可以將抽象的系統轉化為具體的圖表，即形成系統功能模型圖，以便于設計者了解產品所需具備的功能與特征，或者通過定義與描述系統元件所需要達到的功能，來協助設計人員化繁為簡，合理地進行創新設計。對水聲測距接收系統進行功能分析，可分以下幾個步驟：

(1)分析水聲測距接收系統所包含的超系統、元件及制品。TRIZ理論中超系統是影響整個系統的要素，但設計者不能針對該類要素進行改進；元件為所設計系統的組成分子；制品則是系統所要達到的目的。本文主要討論水聲測距系統的接收系統，可分解為超系統、元件、制品。

超系統：測距信號發射端(聲源級)、海洋背景噪聲、海洋聲傳播條件。

元件：水聽器，傳輸電纜，接收機的硬件放大、硬件濾波、硬件AD、軟件預處理、軟件信號檢測、軟件參數估計、數據傳輸，上位機軟件解算。

制品：目標距離。

(2)進行作用(或聯接)分析

有害作用是負面作用，以波浪線表示。測距接收系統的有害作用主要包含：① 海洋背景噪聲影響系統檢測及參數估計是有害作用；② 海洋為相干多途信道，一方面構成聲傳播條件，另一方面使檢測及參數估計變得復雜，總體上應為有害作用。

不足作用指功能是合理的，但未達到充足作用，以虛線表示。測距接收系統的不足作用主要包含：① 測距信號發射端聲源級直接關系到系統的作用距離，聲源級低，則導致作用距離近，所以為不足作用；② 接收機硬件濾波階數有限，目前采用的是高通濾波的方式，對噪聲的抑制作用不足；③ 接收機軟件信號檢測，不能完全滿足接收系統的性能要求，是不足作用；④ 接收機參數估計與信號檢測緊密相關，不能完全滿足接收系統的性能要求，是不足作用。

充足的作用是設計者根據當前需求確定的，以細實線表示。測距接收系統的充足作用主要包含：其余未提及的均為充足作用；

過剩作用指功能是合理的，但超過了充足作用，以粗實線表示。本系統不包含過剩作用。

(3)建立水聲測距接收系統的功能模型，如圖2 所示[10]。

圖2 水聲測距系統的功能模型[10]Fig.2 Function model of underwater acoustic ranging system[10]

3 分析根原因并確定沖突區域

所謂根原因，就是導致所關注問題發生的最基本的原因，該原因的消除不會再導致產生相同的問題。對技術系統進行根原因分析，最終根原因歸結為系統中某些元件具有某種屬性或屬性取值。根原因分析圖如圖3所示。

由根原因分析法得到的信號檢測與參數估計均采用經驗值為門限是可控的根本原因。在檢測信號與參數估計過程中，運用到的參數包括海洋背影噪聲與測距發射端發射的測距信號，軟件預處理后，提取出被檢測信號的包絡，設置幅度門限與寬度門限，利用信號的能量與脈寬聯合判決。遠距離處在高于背景噪聲條件下希望門限低，獲得足夠的作用距離，近距離處信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)足夠用于檢測，希望獲得足夠的距離精度。由此確定的沖突區域如圖4所示。

圖3 根原因分析圖Fig.3 Root cause analysis diagram

圖4 沖突區域Fig.4 Conflict area

4 可用資源與理想解分析

分析系統的內外部資源，其中水聽器的性能設計人員只能利用，但不能改進，所以可用性分析結果為不可用，而接收機硬件放大性能可受設計人員影響，則為可用資源，其他資源可用性分析類似，得到系統內外部資源列表如表1所示。

TRIZ理論中“最終理想解”的概念，目的是克服思維慣性，開拓研發人員的思維，拓展解決問題可用的資源。應用TRIZ理論解決問題之始，要求使用者先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿此目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新設計和解決問題時缺乏目標的弊端，提升解決問題的效率。確定系統的理想解為：

最終理想解：只要有足夠的信噪比即可準確獲得距離信息。

次理想解：在保證距離準確的情況下，提高作用距離。

表1 系統內外部資源列表Table 1 List of internal and external resources of the system

5 沖突解決理論

TRIZ理論認為發明問題的核心是解決沖突，采用技術沖突原理分析過程為：沖突描述、轉換成TRIZ標準沖突；查找沖突矩陣，得到發明原理。沖突可描述為：為了改善某個參數，需要如何做，但這樣做會導致系統的另一個參數惡化。技術沖突原理解決過程與可用性評價如表2所示。針對測距接收系統存在的問題可分別作出兩個技術沖突描述，根據描述與 39個工程參數相對照，每個技術沖突可提煉出一對改善參數與惡化參數，利用這對參數查找技術沖突距陣，可分別得到對應的發明原理。如沖突1得到了 No.32、No.3、No.11、No.23這 4個發明原理，但“No.32：改變顏色”對測距系統來說明顯不適用，而“No.3：局部質量”則可以理解為若在信號處理時，在有信號時刻增加極窄帶濾波，可最大程度上提取有效信噪比。其他可用性評價類比于此，可得4個不同方案。

方案 1：依據 No.3(局部質量)發明原理，得到的解為在有信號時刻進行極窄帶濾波，最大程度上提取有效信噪比；

方案2：依據No.11(預補償)發明原理，得到的解為增加一個幅度較高的大門限，在近距離時使用；

方案3：依據No.23(反饋)發明原理，得到的解為將上位機解算的距離反饋給接收機，使接收機在每一個周期“知道”上一個周期的距離，對參數估計結果進行“預判”；

方案4：No.35(參數變化)發明原理，得到的解為改變信號檢測的幅度門限值，即在遠距離處選用小的幅度門限值，在近距離處選用大的幅度門限值。

表2 技術沖突原理解決過程與可用性評價Table 2 Resolution process of technology conflict principle and availability evaluation

6 物質-場分析及76個標準解

TRIZ理論的物質-場分析認為，所有的功能都可以分解為3個基本元素，即兩種物質和一種場，所形成的相互關系描述的功能稱為物質-場模型，物質即指實現功能的物質元素，場則指兩種物質之間的相互作用，針對測距接收系統建立問題的物質-場模型如圖5所示。

圖5 物質場模型Fig.5 Su-field model

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解解決流程，確定問題的通解。由物質-場模型可知，模型的3個元件都在，但是需要的效果不足，解決方法：(1)改用新的場代替原有的場；(2)用新的場和物質代替原場和物質；(3)增加一個新的場來增強需要的效果。

依據選定的標準解，得到問題的解決方案。

方案1：(創造或合成一個測量系統)依據No.46標準解，得到問題的解為增加信號的頻率檢測與頻率方差檢測，與原檢測方法相結合，進行聯合判決；

方案2：(測量系統的進化方向)依據No.58標準解，得到問題的解為檢測時設置多個幅度門限，將檢測結果全部上傳至上位機，較大程度上保留信息量，在上位機增加決策程序，對檢測結果進行有效/無效判別，再進行定位解算。

7 技術進化分析

TRIZ理論認為技術系統是有規律的，是能夠被用來預測未來技術發展的，產品技術成熟度預測可以幫助企業尋找自身差距，有的放矢地提高自己的技術水平，尋找創新點。通過對測距接收系統的進化過程進行分析，選擇技術進化定律為定律 4：提高動態性定律。依據現有技術系統的進化發展過程，選擇技術進化路線 4-3：增強系統的適應性進化路線，即被動適應系統—分級適應系統—自適應系統。按照選定的技術進化路線，確定潛力狀態：程序可自適應調整，以滿足在近距離處取得高精度，并保證遠距離處的作用距離。

按照技術進化分析，得到問題的解決方案。

方案 1：組成技術系統的結構更加柔性化，即幅度門限由單一的固定門限變為在遠近距離處分別使用不同的門限值；

方案 2：自適應門限設置，即門限值根據海洋背景噪聲幅值與信號幅值自動調整。

8 功能裁剪

功能裁剪是 TRIZ理論中一種改進系統的方法，通過裁剪，將由功能分析得到的問題功能所對應的元件刪除，而將其所執行的有用功能利用系統或超系統的其他元件替代執行，實行功能再分配，從而改善整個功能模型。裁剪是產品功能分析過程中的重要步驟，是設計中的重要突破，成本或復雜程度的顯著降低往往是功能分析與裁剪的結果。根據功能裁剪原理得到初步裁剪方案。

方案1：利用裁剪規則3(主動元件的作用由其他元件或超系統替代)，接收機硬件放大與接收機硬件濾波的功能由接收機軟件預處理部分實現，可進行裁剪。

根據已有產品技術系統的功能模型，通過功能價值計算，找出功能價值最低的元件，進而裁剪功能元件。所謂功能等級與功能模型中各元件的連接狀況有關，越接近制品等級越高，各元件的功能等級數值計算表如表3所示[10]。

表3 元件與功能等級數值[10]Table 3 Component and function rank value[10]

方案 2：保留功能等級數值高的，刪除數值低的有問題的元件，裁剪后，接收機軟件預處理、接收機軟件信號檢測、接收機軟件參數估計、接收機數據傳輸均裁剪掉，功能由上位機完成。

功能裁剪所得方案示意圖如圖6所示[10]，裁剪后的系統功能模型如圖7所示。裁剪后系統的復雜程度顯著降低，可靠性與可維護性將大大提高。

圖6 功能裁剪方案Fig.6 Function trimming scheme

9 匯總方案確定最終解

上述方案匯總如表4所示。

依據上面得到的若干創新解，通過評價，確定最終解。結合同時基水聲測距接收系統的現狀，綜合考慮改進后的系統復雜程度與可靠性，這里選用的最終解為：將接收機軟件預處理、接收機軟件信號檢測、接收機軟件參數估計、接收機數據傳輸均裁剪掉，功能由上位機完成，即上位機直接接收并解算水聽器數據，同時在檢測時設置多個幅度門限，較大程度上保留信息量，增加決策程序，對檢測結果進行有效/無效判別，再進行定位解算。

圖7 裁剪后水聲測距系統的功能模型Fig.7 Function model of underwater acoustic ranging system after trimming

表4 方案匯總Table 4 Scheme summary

續表4

10 結 語

TRIZ理論可以在根本上對于技術或產品存在的問題進行分析，可以運用多種方法在不同方向上考慮問題的解，得到實際問題的全新解決方案。本文主要將TRIZ理論中的根原因分析法、沖突解決理論、技術進化、物質場與標準解、功能分析與裁剪等多種解決辦法引入到同時基水聲測距接收系統性能改進中來，得到了 10種不同的解決方案并確定了最終解。將最終解應用于新系統，接收系統的性能預期可望得到很大的改善，系統的復雜程度將顯著降低，可靠性與可維護性則能明顯提高。