面向中小微企業的TRIZ+DMU融合應用的科技創新方法研究*

吳 峰

（福建省科學技術信息研究所，福建 福州350003）

創新是新時代的核心主題。黨的十八大以來，以習近平總書記為核心的黨中央把創新發展提高到事關國家和民族前途命運的高度，擺到了國家發展全局的核心位置。習近平總書記多次強調“科技興則民族興，科技強則國家強。”近年來，一系列實施創新驅動發展戰略的重大部署密集出臺，如推進“供給側結構性改革”、發布《中國制造2025》行動綱領、“互聯網+”行動計劃、“大眾創業，萬眾創新”等，創新驅動發展已經融入到經濟社會發展全局，滲透到經濟社會、百姓生活的方方面面，創新已成為新時代下引領中國跨越發展的第一引擎。

1 中小微企業的創新困境

企業是創新的主體，其承載著加工、制造、生產等工程技術應用和工藝技術創新的具體實現。我國中小微企業量大面廣，無論從數量上還是總量上都占據了多數，是我國國民經濟的重要組成部分。但中小微企業大多處于產業鏈中低端位置，普遍存在重訂單輕研發、重生產輕創新等問題，導致企業整體創新意識不強、創新基礎薄弱、工業設計水平不高，嚴重制約了企業的創新發展，究其原因主要有以下3個方面。

一是從外部大環境來看，我國的工業發展經歷了引進、消化、吸收、再創新的發展過程。在很長的一段時期內，我國企業大多處于產業鏈的中低端位置，企業或是按照上游廠家提供的圖紙生產，或是在借鑒國外產品原型的基礎上做一些局部改良或優化。

二是從企業內部來看，工業設計大多分為概念設計與工程設計。概念設計對應的是產品外觀設計，工程設計對應的是產品功能設計、結構設計等。一般都是先概念設計再結構設計，而且兩塊內容歸屬不同的部門、不同的人員來做，這是一種典型的自外而內、以外觀為先、由外觀驅動的設計，這類設計的特點是在設計之初，它已經有較為明確的參照物。因此，這樣設計出來的產品，創新性有待提升。

三是中小微企業因各種客觀因素，不能有效吸引并留住人才，從而進一步加劇了企業創新力度弱、創新積淀少、創新突破難等困境。在當下創新浪潮中，中小微企業亟須進一步掌握創新的方法與手段，從而為企業的創新發展提速。

2 TRIZ+DMU融合應用于創新的可行性分析

2.1 TRIZ概述及應用現狀

TRIZ譯為“發明問題解決理論”，由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒及其研究團隊在分析研究海量發明專利和創新案例基礎上，于1946年創建并提出的一整套創新方法理論體系。俄羅斯稱TRIZ為專家技術，美國稱創造力工程，日本稱發明技法。TRIZ包含了一系列指導人們分析和解決的方法，以及幫助創新設計的各類工具，其深刻地揭示了隱藏在發明背后的規律，從而指導人們有針對性地進行創新設計活動，進一步提高創新質量、效率與成功概率。TRIZ已逐步發展為支撐全球創新應用的重要方法和工具。

我國于1985年前后開始引入TRIZ，但真正在全國范圍內大規模推廣應用，則要從2008年科技部等四部委聯合發布的《關于加強創新方法工作的若干意見》（以下簡稱《意見》）開始，我國才正式啟動了“自主創新、方法先行”的創新方法專項工作。《意見》指出創新方法是指科學思維、科學方法和科學工具的總稱，《意見》的發布標志著創新方法工作已正式成為我國提升自主創新能力、貫徹創新驅動發展戰略的一項重要基礎性的科技工作。在科技部等部門的大力推動下，經過10余年的快速發展，現已形成了政府高度重視、企業積極實施、高校人才培養的良好環境與氛圍，不僅有專項支持，還有全國性的大賽推動和相關標準出臺。根據國家科技部2015年公布的數據顯示，已經建設4個國家級基地和28個區域推廣應用基地，培育719家試點示范企業建設，協助企業申請發明專利2 584項，培養高端創新人才近4萬人。除了科技部的創新方法工作專項，廣東、河北、湖南等還設立了地方專項經費，推動本地創新方法推廣。全國有三一重工、中國機械工業集團、中國化工集團等近千家企業主動開展創新方法推廣應用活動。另外，清華大學、同濟大學等全國近百所高校開設了以技術創新方法為主的相關課程。2018年7月，中國科協和科技部聯合舉辦了首屆中國創新方法大賽，大賽設置了企業創新方法專項賽、大學生TRIZ專項賽和工業工程創新方法專項賽等3個賽事。2018年12月，GB/T 37097—2018企業創新方法工作規范、GB/T 37098—2018創新方法知識擴散能力等級劃分要求正式發布。

近年來，我國學者積極投入到TRIZ的研究與應用中來。丁朝霞[1]將TRIZ理論應用于航空發動機方案設計；趙鵬睿[2]在汽車造型語義設計中采用了TRIZ理論；史豐榮[3]研究了TRIZ理論在鉆井平臺質量控制中的應用；陳彥杰等[4]在新型煤泥重介質旋流器設計中應用了TRIZ理論；李付星[5]應用TRIZ沖突解決原理對壓路機進行了創新設計。韓立芳等[6]、翟金壘等[7]、白穎[8]分別探討了基于TRIZ理論的新型鋼筋骨架成型機、雙軸向經編機等機械設備研發；張軍峰等[9]、朱秀娟[10]分別研究了基于TRIZ理論的電動繪圖架和小家電設計；王耀文等[11]、羅金海等[12]、鄒振宇等[13]分別將TRIZ理論應用于煙田深耕機、方捆機煙苗剪葉機等農用機械類的設計研究中；屈淑維等[14]基于TRIZ及FAHP探討了機械系統運動的創新方案設計；劉江南等[15]將TRIZ應用于產品創新及生態設計方法中；張雷等[16]從TRIZ與專利分析結合的角度，探討了產品綠色創新設計方法。TRIZ正越來越廣泛地應用于裝備制造、工程機械、家電產品等創新研發設計中。值得一提的是，TRIZ理論本身也在發展進化中，通過不斷地融合和吸納一些優秀的知識、方法和理論，始終與時代發展保持同步。TRIZ所提示的創新規律具有一般性，對不同的行業和產品創新都有一定的普適性與指導意義。

2.2 DMU概述及應用現狀

數字樣機（Digital Mock-Up，DMU）指以CAX技術為基礎，通過計算機表達，與實物具有1∶1的比例，能全面反映產品幾何屬性，并可實現功能和性能驗證的數字化模型。產品的數字樣機創建于產品研發設計階段，應用于產品設計、制造、組裝、銷售、使用、售后、維護以及回收等產品全生命周期，可實現產品的物理參數校對、機構運動分析、干涉碰撞校驗、功能性能仿真、制造過程模擬等方面，具有真實性、面向產品全生命周期和多學科交叉性3個特點。

20世紀80年代，計算機輔助設計CAD和計算機輔助工程CAE技術開始進入工程設計，全功能數字樣機技術逐漸發展起來。20世紀90年代，數字樣機系統應用于產品開發，如波音公司在波音777客機研制中就全面應用了三維數字化設計和數字化預裝配，大幅降低了研發成本，縮短了制造周期。現今，隨著計算機性能的不斷提升，各類設計軟件不斷升級、優化與完善，數字化樣機技術得到迅猛發展和普及應用，數字樣機正廣泛應用于汽車、航空、工程機械、電器等各個領域。我國學者也針對數字樣機及其應用開展了多領域多層次的研究。鄭黨黨等[17]研究了飛機設計中的數字樣機應用；韓喜等[18]研究了航天產品的數字樣機概念；王小迪[19]就航空企業制造數字樣機的建立與應用做了研究；方強等[20]研究了基于數字樣機的艦船維修性設計分析技術；曾淵等[21]探討了整車的數字樣機技術應用；楊維峰等[22]研究了基于數字樣機技術的柴油機設計優化和面向設計重用的柴油機數字樣機構建技術；范凱等[23]將數字樣機應用于核工業設備全生命周期的應用研究中；華僑大學的科研團隊，將CAD，CAE，RP等各項數字樣機技術應用于鞋楦數字化設計制造系統、汽車車身骨架剛度匹配研究、汽車中前橫梁等關鍵部件的成型質量控制研究、電子類注塑件產品CAE分析等，取得了較好的成效[24-28]。

2.3 TRIZ+DMU融合應用可行性分析

工業設計的本質是解決問題，進而探尋解決問題的方案。產品只是解決方案的載體，或者說是解決方案的具體呈現。工業設計應從聚焦問題本身著手，深度剖析問題，針對問題創新思維，從而得到創造性的解決方案。TRIZ作為發明問題解決理論，主要用于產品概念設計階段，如果把TRIZ看成一個黑盒子，那么它的輸入就是創新的想法，而輸出則是一個或多個技術方案。但是，通過TRIZ得到的技術方案距離產品還有很長一段距離。要準確評估該方案是否可行，尤其是對于包含較多組件的較復雜的機械類產品而言，僅有技術方案就顯得較為抽象、空洞。雖然TRIZ中也鼓勵創新人員去評估驗證這個創新的設計方案是否可行，但這卻超出了TRIZ的范圍。

數字樣機則正好能與TRIZ形成互補。通過數字化樣機技術和工具，可將該技術方案迅速轉化為直觀可見的數字模型，從而讓研發人員準確掌握模型的外形尺寸、質量等物理數據，還可對關鍵機構進行模擬和有限元分析，生成渲染圖片或視頻，便于研發人員快速準確評估創新設計結果。

基于此，筆者提出了一種基于TRIZ+DMU融合應用和評估優化（Integration of TRIZ and DMU and Optimization，ITDO）的科技創新方法，該方法有效整合了概念設計與工程設計環節，是一種自底向上、自內而外驅動創新方法，尤其適合在中小微企業中推廣應用，見圖1。該方法有利于激發萬眾創新的良好氛圍，有利于技術向產品的快速轉移，有利于科技與經濟的緊密結合。

圖1 TRIZ+DMU融合應用示意圖

3 ITDO的理論框架與技術路線

ITDO將產品創新的流程分為產品調研、概念設計、詳細設計、評估優化4個階段。每個階段所需要完成的主要任務各有側重，采取的方法、手段也完全不同。一是產品調研階段，主要解決產品是什么的問題，并在充分調研的基礎上，準確定義設計目標，提出發明問題；二是概念設計階段，引入TRIZ理論，通過應用一系列工具，詳細剖析產品功能，分析導致發明問題的根本原因，并在TRIZ發明原理的提示下，探尋解決問題的技術方案；三是詳細設計階段，運用數字樣機技術，將技術方案轉換為直觀的、具體的、真實的、可評估的產品虛擬樣機；四是評估優化階段，通過設計前后的比對，評估是否解決了發明問題，設計結果是否滿足了設計預期目標。并通過修正、優化進一步完善產品設計。ITDO技術路線見圖2。

圖2 ITDO技術路線圖

4 一體式移動照明車創新設計應用案例

移動照明車（Mobile Lighting Vehicle）又稱移動燈塔或移動照明燈塔（Mobile Light Tower），是一種工業特種照明設備。因其具有自供電、應急照明、快速部署、安全系數高等優點，廣泛應用于夜間搶險救災、野外工程作業、緊急維護搶修等電網未能覆蓋的場合。

4.1 產品調研

通過專利、文獻檢索以及電商平臺、互聯網和實地調研等渠道，多方面收集移動照明車的性能、參數及特點等相關信息，通過分析與梳理摸清移動照明車的技術發展脈絡，詳細繪制它的家族圖譜。移動照明車具有高亮度、大光照、可移動性等技術特點，其從起步到發展再到成熟，經歷了外形由小到大、系統由簡易到復雜、技術由一般到先進、用途由普通到特種的發展過程。但與此同時，移動照明車體積大、質量重、價格高等不足也愈加明顯。以目前典型的拖拽式移動照明車為例，其整機尺寸可達到3.5 m×1.5 m×2.5 m，注滿燃油時質量甚至可達1 500 kg，售價高達十幾萬元不等，與一輛中級轎車相當。對比移動照明車所提供的最核心的照明功能和為實現此功能所付出的代價來看，移動照明車需通過創新設計進行改良或升級換代。在此階段可以得出初步的產品創新設計目標：在保證移動照明車輸出工業級別照明功能的前提下，大幅縮減產品的體積和質量，并降低產品價格。

4.2 概念設計

根據調研結果與設計目標，在此階段利用TRIZ理論，結合反向魚骨圖、功能分析、因果分析、矛盾沖突、進化法則與理想解等一系列工具，分析引發問題的原因，創造性思維并探討可能的技術方案，最終找出解決問題的可行技術方案。TRIZ解決發明問題的流程是先將具體問題轉化為一般性問題，將現有移動照明車存在的問題轉化為一般性問題并用TRIZ語言來描述，就得到該產品的技術矛盾：“如果增加燈組功率，那么改善了光照度，但惡化了靜止物體的重量、物體的體積、物質損失、可操作性等參數”。依據TRIZ求解的提示，同時結合產品實際，分析在該發明原理的指引方向下，是否存在可能的解決方案。剔除掉不適用的解，綜合考量各步驟的分析結果和TRIZ提示的可能技術方案，形成一個總體的技術方案，包括：采用LED、分離燈組、選用氣動升降燈桅、升降燈桅可放倒、選用蓄電池組替代發電機組、裁剪移動底盤。

4.3 詳細設計

TRIZ提示的技術方案較為抽象，需進一步應用數字樣機技術，將該方案轉變為更加直觀的、真實的、具體的、可評估驗證的三維數字樣機。通過相關三維CAD軟件，結合使用TOP-DOWN、參數化設計、零件建模、組件裝配、標準件庫等技術與資源，可以快速構建出本例的實體模型。此時的實體模型已滿足整機尺寸和體積數據要求，再通過設定零部件材料屬性，就可得到每個零部件及組件的質量數據。從模型獲取得產品的外形尺寸及質量數據為：外形尺寸為1 920 mm×740 mm×315 mm；產品質量為153 kg。還可利用機構運動模塊對產品的相關運動情況進行模擬，檢查可能存在的干涉、碰撞情況。對重要的零部件進行有限元分析，根據分析結果進行優化設計，在保證結構強度的前提下盡可能輕量化，提高產品可靠性、穩定性與經濟性。

4.4 評估驗證

對照本例的創新設計目標：“在保證移動照明車輸出工業級別照明功能的前提下，大幅縮減產品的體積和質量，并降低產品價格”。將移動照明車創新設計前后的相關數據進行比對，并綜合評估其外觀、功能、性能、可操作性、運輸、后期生產制造及環保等各方面因素，得出以下評估結論：應用ITDO方法創新設計后的一體式移動照明車，解決了發明問題，實現了設計目的，達到了設計要求，對照結果見表1。

表1 創新設計前后性能參數對照表

5 結論

面向中小微企業的TRIZ+DMU融合應用的科技創新方法，充分融合應用了TRIZ和DMU的技術優勢，將創新設計的流程分為產品調研、概念設計、詳細設計和評估優化4個階段。每個階段所需要完成的主要任務都有所側重，采取的方法、手段也完全不同。產品調研是創新的基礎，在概念設計階段導入TRIZ理論，梳理分析產品功能，明確定義發明問題，并在TRIZ系統工具的支撐下，探尋解決發明問題的技術方案。在詳細設計階段運用數字樣機技術，將TRIZ輸出的技術方案轉換為直觀的、具體的、真實的、可評估的產品虛擬樣機。最后通過設計前后的比對，評估設計結果是否滿足設計預期目標，并通過修正、優化進一步完善產品。

目前，該方法已成功應用于移動照明車的創新設計案例中。現有的移動照明車通過創新設計后，擺脫了“移動底盤+升降燈桅+發電機組”的典型模式，實現了一體式移動照明車的全新結構功能，空間體積減少96.3%，質量減輕87.8%。綜合對一體化移動照明車的外觀、功能、性能、可操作性、運輸、后期生產制造及環保等方面進行全面評估，認為經過創新設計后的一體式移動照明車具有明顯的技術優勢，是新一代移動照明車的進化發展趨勢。成功應用的案例也進一步佐證了數字樣機+TRIZ融合應用的產品創新設計方法的有效性。