最終理想解

顏惠庚 李 弘

（常州市技術創新方法研究會，江蘇 常州 213031）

最終理想解是TRIZ 九大經典理論之一，以下我們將具體討論理想化模型、理想度的概念、最終理想解。

1 理想化模型

1.1 理想化及思維實驗

理想化是對客觀世界中所存在物體或物理現象的一種抽象，這種抽象在現實的客觀世界中并不存在，或者無法通過真實的實驗進行驗證，只能通過思維實驗來進行理想化的推定。

理想化是真實物體或物理現象存在的一種極限狀態，可理解為不考慮任何干擾因素，一切按照最符合邏輯的理想狀態發展，但又無法實現的一種理論上的狀態。

事實上，這種把所研究對象理想化的方法也是研究自然科學時常用的基本方法之一，對于某些研究起著重要作用。例如：物理學中的理想氣體、理想液體，幾何學中的點與線等。

自然科學的定理的成立都需要有一些假定或前提，就是理想化的定理成立條件。理想化是創造性思維的基本方法之一，它主要是在大腦之中設立理想的模型，通過思維實驗的方法來研究客體運動的規律。一般的操作程序：首先要對經驗事實進行抽象，形成一個理想客體；然后通過想象，在觀念中模擬其實驗過程，把客體的現實運動過程簡化和升華為一種理想化狀態，使其更接近理想指標的要求。

科學發展史上，很多科學家正是通過理想化的思維實驗從而獲得劃時代的科學發現的，著名的有伽利略、牛頓、愛因斯坦、盧瑟福等。很多的自然科學的理論在闡述前都會先提出某些假定，這種假定就是理想化。

例如：伽利略注意到，當一個球從一個斜面上滾下又滾上第2 個斜面上時，球在第2 個斜面上所達到的高度同在第1 個斜面上達到的高度近似相等。他斷定這一微小差異是由摩擦而產生的結果，如果摩擦消失，那么第2 次的高度完全等于第1 次的高度。他又推想，在完全沒有摩擦的情況下，不管第2 個斜面的傾斜度多么小，它在第2 個斜面上總要達到相同的高度。如果第2 個斜面的斜度完全消除（也就是說完全水平的無窮大平面），那么球從第1 個斜面滾下來之后，將以恒速在這個無限長的平面上永遠不停地運動下去。當然，這個實驗是一個理想實驗，無法真實地操作，因為兩個相接觸的物體發生相對運動，他們之間的摩擦力永遠也不會為零，現實世界中也無法找到或制作一個無限大的水平面。伽利略是思維實驗的先驅，后來牛頓把伽利略的慣性原理確立為動力學第一定律，即慣性定律。

牛頓繼承了伽利略的傳統，在思索萬有引力問題時也設計了一個著名的思維實驗：拋物體運動實驗。一塊石頭向前方投出，由于自身重力作用，不可能沿著投擲方向直線運動，而是沿拋物線運動，最終落在地面上。投擲的速度越大，它落地時距離投擲者的距離越遠。于是，我們可以想象，當我們逐步增加投擲速度，其落地前描出弧線就會越來越遠。我們還可以想象，存在一個速度，當我們向前方投擲的速度達到該速度時，就會沿著地球表面圓周運動一圈后仍不回落，進入空間永不觸及地球。也就是當圓周運動物體的離心力與自身重量相等時，就可以不落回地球，即，由此可以導出圍繞地球運動不回落地球的最小速度（即第一宇宙速度）為，把地球半徑R 和地球的重力加速度g 代入，即可算得第一宇宙速度為每秒7.9 千米。我們不可能在地球表面通過實驗方法得出第一宇宙速度。

愛因斯坦是20世紀卓越的思維實驗大師，他的狹義相對論源于追光理想實驗。愛因斯坦創建廣義相對論的突破口為等效原理，亦源于思維實驗。

盧瑟福的原子有核模型是科學史上最著名的理想模型之一。1907年，盧瑟福為了驗證導師的原子模型，建議研究生觀察鐳發射出的高速α 粒子穿過薄的金屬箔片后的偏轉情況，結果出人意料。盧瑟福以α 粒子實驗為事實根據，發揮思維的力量建立起類似太陽系結構的原子有核模型，開創了原子能時代。

誠然，思維實驗還不是科學實踐活動，它的結論還需要科學實驗等實踐活動來檢驗，但這并不能否認思維實驗在理論創新中的地位和作用。新的理論往往與常識相距甚遠，人們常常為傳統觀念所束縛，不易走向理論創新。因此，借助于思維實驗來進行理論創新以及對新理論加以認同，不失為一種有效的手段。

從以上例子不難發現，能夠利用思維實驗進行科學探索的人都具有異于常人的非凡天才，他們的發現為人類揭示了大自然的奧秘，從而在科學史上樹立起了一座座豐碑。如果說伽利略、牛頓、愛因斯坦、盧瑟福等科學家的偉大貢獻在于對自然規律的發現，那么TRIZ 理論創立者阿奇舒勒也同樣是通過思維實驗揭示了發明創造的奧秘，這就是理想化模型及最終理想解這一開創性的偉大理論。

2.2 理想化模型

阿奇舒勒提出的理想化模型包括：理想系統、理想過程、理想資源、理想方法、理想機器、理想物質等。

理想系統：沒有實體，沒有物質，也不消耗能源，但能實現所有需要的功能。

理想過程：沒有實際過程，可以突然得到結果。

理想資源：取之不盡，用之不竭，而且不必付費的資源。

理想方法：不消耗能量及時間，通過自身調節就能夠獲得所需的功能。

理想機器：沒有質量、體積，但能完成所需要的工作。

理想物質：沒有物質，但能實現所需功能。

顯而易見的是，初次學習TRIZ 的讀者一定會覺得阿奇舒勒提出這樣的理想化模型太不靠譜了，他不是個瘋子、就是個白癡，因為這種理想化模型根本毫無意義，永遠也不可能出現。事實的確如此，但請稍安勿躁。

請大家注意一個事實，人類歷史上第一臺電腦（電子管計算機ENIAC）于1946年2月14日誕生于美國費城，重達30 噸，占地170 平方米。每秒可進行5 000 次加法運算或400 次乘法運算，它每次一開機，整個費城西區的電力都會受到波動。再看看今天的電腦（手機也是電腦）就能感覺到一個事實，任何一個技術系統都是在不斷向著理想化模型的方向進化。

因此，從本質上來說，TRIZ 中的理想化模型不是用來實現的，而是用來瞄準的、用來趨近的。這種把系統、過程、資源、方法、機器等理想化使我們在產品設計過程中可以不考慮資源、機器等因素，因為資源、機器已處于一種完美的狀態，也就是說不考慮現有狀態的限制而極大地拓展產品的設計余地，拓寬思路，使我們的思維極大地發散開來。

理想化的最終目標是達到理想狀態，在TRIZ 中這個狀態稱之為最終理想解（Ideal final result），也叫理想系統。處于理想狀態的技術系統不消耗任何能源，無任何有害功能，卻能完成系統的主要功能。絕對的理想狀態的系統是不存在的，但產品（技術系統）進化趨勢和路線的最終目標卻是指向理想狀態的，而產品的創新進化也就是不斷地接近理想狀態的過程。

事實上，理想化模型在現實世界中、在產品設計中已經有一定的存在。如理想資源：重力、空氣、陽光、風能、地熱、磁場、海水、雨水等；理想機器：無鍵盤電腦。

現在很多單位的會議室或教室都安裝有可以自動升降的投影屏幕。從理想化的角度來看，這種自動升降的投影屏幕可以不需要，只要直接投影到一面白色墻面即可。這樣就可以在需要投影時就可以出現屏幕，不需要投影時，屏幕自動消失，比較接近理想中的屏幕優化模型，無成本，無實體，召之即來，揮之則去（圖1）。

圖1 理想中的優化模型

理想中的優化模型往往具有超前性，這是創新的標志。技術系統不斷向理想化模型趨近，指的就是超前性。只有在現實條件所容許的情況下，其模型的構造才具有可行性。應當指出的是，理想模型的設計并不一定非要遷就現實的條件，有時候也需要改造現實，改變現實中存在的不合理之處，特別是需要徹底扭轉人們傳統的落后的思維方式和生活方式，為理想模型的建立和實施創造條件。

在TRIZ 理論中，一個理想化的系統或產品可定義為：一個可以執行其預期的功能但卻不存在的系統或產品。當系統或產品越理想化時，它花的成本也越少，也越簡單、越有效率。理想化反映了一種如何將系統資源——無論是在子系統本身還是大系統之中的免費資源，如重力、空氣、熱、磁場與光線……以最大利用的想法與概念。

一句話總結：從理想化模型的概念來衡量，目前世界上的任何一個產品都不是理想系統，都存在缺點或不足，都存在改進空間。正因為如此，技術創新將永無止境。對理想化的追求是人類文明不斷進步的不竭動力。

2 理想度

理想度（Ideality）是一種以數學模型來定量表達理想化的一種方式，有公式如下：

公式（1）的意義：產品或技術系統的理想度與有用功能之和成正比，與成本（COST）及全部有害功能之和成反比。有用功能包括系統發揮作用的所有有價值的結果，有害功能包括不希望的功能、占用空間、使用攜帶不便、費用、能量消耗、污染和危險等。提高產品的理想度就要增加分子，即增加產品的有用功能；減少分母，即減少有害功能，降低費用、能量消耗、污染和危險等有害功能。

產品的理想度越高，競爭力就增強，反之則產品的競爭力就減少。公式（1）為我們指出了任何一種產品改進的方向，即增加有用功能、減少有害功能和降低生產及使用成本。如果我們平時用這種方法觀察和研究任何一個產品，都會發現它們的不足或存在有害功能，再進一步思考如何改進就可以增加有用功能、減少有害功能，如何減少成本，就可能產生很快產生一些創意或點子。提高理想度法則也可以用來判定我們的改革是否成功或有效。該法則告訴我們，任何創新和改革，必須比原來更好，必須增加有用功能、克服弊端。

不斷地增加產品的理想度是產品創新的目標。在產品設計中技術系統是功能的實現，同一功能存在多種技術實現，任何系統在完成人們所需的功能時，都有負面作用。負面作用主要體現在產品的成本和有害作用。企業所做的一切努力（創新）就是為了實現一個目標——提高產品的理想度。消費者在市場上選擇同類產品的依據當然是性價比（其實就是產品的理想度）。因此，提高產品的市場競爭力，說到底就是要提高產品的理想度。如此，我們就不難理解為什么我們的手機明明沒有損壞，還能使用，但每隔幾年卻不得不換個新的。事實上，幾乎所有的工業產品都處在不斷地更新換代之中，這就會涉及到TRIZ 理論中的技術系統進化法則，我們將在后續的講座中進行討論。

那么，如何提高理想度呢？從理想度公式（1）中我們明顯可以看出，無非就是采取以下四種途徑（圖2）。

圖2 最佳的理想度

⑴ 增加分子，減小分母。

⑵ 分子不變，分母減小，即盡一切可能減少成本及有害作用。

⑶ 分母不變，分子增加，即增加有用功能，有害功能不變。

⑷ 分子增加的速率高于分母增加速率。

講到這里，可能會有讀者提問，理想度能具體計算嗎？根據我們的理解，只有同類產品（指功能相同）比較理想度時才有計算的意義，不同類的產品一般無法計算，而且也沒有計算的意義和必要。為了加深讀者對理想度的理解（因為這是一個非常重要的概念），下面舉例進行計算（僅供參考），在計算時，需要進行無量綱化才能進行計算。

案例2-1：搓衣板和洗衣機，哪個理想度高？

搓衣板和洗衣機都屬于洗衣工具。假定：以搓衣板作為參考基準，所有相應性能都進行比較（表1），得到無量綱值后代入公式（1）。成本：搓衣板：售價10 元。有害作用是費時、費力：洗衣1 小時，每次洗衣人工費50 元。有用功能是洗衣，使用壽命10年。每3 天洗一次，一年洗120 次。10年洗衣工時費60 000 元。每次洗衣的設備成本為10/1 200，搓衣板洗衣一次的成本為50 元+10/1 200，約為50 元。

表1 不同洗衣工具性能比較統計

洗衣機售價3 000 元，有害作用是費電，其快洗功能與手洗類似，我們忽略其他功能，僅以快洗功能進行比較：以15 分鐘耗電0.5 千瓦時計，電費0.25 元。有用功能是洗衣、可甩干、可烘干，使用壽命10年。10年共洗衣1 200 次。假設洗衣功能所占的洗衣機成本總價格的1/2，平均每次洗衣分擔的設備成本為3 000*0.5/（1 200）=1.25 元，每次洗衣（快洗）電費為0.25 元，兩者相加，每次洗衣成本1.5 元。

首先需要根據某個參考指標對各個參數進行賦值，賦值的數量為主觀判定（同時做無量綱處理）：由于以搓衣板為準進行比較，各項指標賦值為1，洗衣機的各項指標無量綱化。

對于洗衣機：每次電費成本0.25 元，每次洗衣折舊成本1.25 元，每次洗衣設備成本無量綱化為（1.25+0.25）/50=0.03。

比較公式（2）和（3）的計算結果可以發現，洗衣機的理想度高于搓衣板。雖然洗衣機價格高，但是節約成本，按照10年使用壽命，3 天洗一次衣服，折合到每次的價格就不高了，因而理想度較高，而搓衣板的價格低，如果計上人工洗衣成本，每次的費用還是比較多的。可能有些人想，我用搓衣板并不需要每次1 小時付50 元呀？實際上，如果我們請鐘點工洗的話，是需要付費的，如果自己動手，只不過是自己省下了這筆開支。

當然，或許把搓衣板和洗衣機拿來比較本身就不太具有可比性。因為這是有代差的產品，二者產品不處于同代。從消費者的角度來說，如果是將二種不同品牌型號的洗衣機（或手機、筆記本電腦等）進行理想度比較，則更具有實際意義。從企業創新的角度來說，老產品和新產品、本企業產品與競爭對手的同類產品進行理想度比較不僅必要，而且可行。順便說一下，理想度的公式告訴我們產品的改進思路，只要改進是沿著理想度提高的方向就可以，計算某產品的理想度并沒有太大實際意義。

我們經常會遇到一些學生有一些奇思妙想，但是實施成本很高，而實際收益很小，這種改進就不符合提高理想度法則。

一句話總結：企業所做的一切努力（創新）就是為了實現一個目標——提高產品的理想度。TRIZ 理論指出：技術系統發展的理想狀態是用最少的資源實現最大效益的功能。

3 最終理想解

3.1 最終理想解的概念

阿奇舒勒認為，技術系統發展的理想狀態是用最少的資源實現最大效益的功能。我們把產品處于理想狀態的解稱為“最終理想解（Ideal Final Result，IFR）”。

IFR 是TRIZ 九大經典理論之一，其本質是一種創新思維方法，其作用是能夠有效地幫助人們在創新過程中克服思維慣性。

IFR 要求人們在解決問題之初，首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，以明確解決問題的方向和可能實現的目標，保證在問題解決過程中沿著此目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新涉及方法中缺乏目標的弊端，提升了創新設計的效率。

3.2 最終理想解的特點

最終理想解有4 個特點，具體如下：

⑴ 保留了原系統的優點。

⑵ 消除了原系統的缺陷或不足。

⑶ 沒有使系統變得更復雜。

⑷ 沒有引入新的缺陷。

3.3 最終理想解的確定

確定最終理想解是解決問題的關鍵一環，很多問題的IFR 在被正確地理解并描述出來以后，問題就得到了解決。設計者的慣性思維常常讓自己陷于問題當中不能自拔，解決問題大多采用折中法，結果就使問題時隱時現讓設計者叫苦不迭。而IFR 可以幫助設計者跳出慣性思維的怪圈，從IFR 這一新角度來重新認識定義問題，從而得到與傳統設計完全不同的解決思路。

最終理想解的確定步驟有7 個，具體如下。

第一步，設計的最終目的是什么？

第二步，理想解是什么？

第三步，達到理想解的障礙是什么？

第四步，它為什么成為障礙？

第五步，如何使障礙消失？

第六步，什么資源可以幫助你？

第七步：在其他領域或其他工具可以解決這個問題嗎？

請務必記住，IFR 是解決問題過程中想象的最理想的結果（如同在寫科幻小說），所以在分析具體問題的最終理想解時，我們應該拋開各種客觀限制條件，不要顧慮我們得出的結論（IFR）是否可以實現。在絕大多數情況下，IFR 都是在現有條件下不可能立即實現的理想和愿景。最終理想解是否確定正確，可以用最終理想解的四個特征來檢驗，也就說，我們需要思考一下，所確定的最終理想解保留了原來的優點嗎？還有存在原來的缺點嗎？有沒有引進新的缺點？有沒有使系統更復雜？

圖3所顯示的是IFR 的應用策略。最左邊是問題現狀，最右邊是IFR，真正的實現方案是處于中間某處，如果目前的技術和資源沒有辦法達到最終理想解，可以退而求其次。這樣做的意思是新的設計方案雖然不能完全達到IFR 的目標，但它比現狀更趨近IFR，理想度更高。

圖3 IFR 的分析策略示意圖

下面我們以“清洗衣服”為案例來做分析。如何應用上述“確定最終理想解的7 個步驟”來確定具體問題的最終理想解。

案例2-2：清洗衣服。

⑴ 設計的最終目的是什么？

清洗衣服，使衣服潔凈。

⑵ 理想解是什么？

衣服能夠自我清洗（即自己保持清潔的衣服）。

⑶ 達到理想解的障礙是什么？

衣服纖維不能完成這個功能。

⑷ 它為什么成為障礙？

因為衣服纖維不能沒有這個功能，所以衣服不會被清潔洗凈。

⑸ 如何使障礙消失？

如果有一種纖維或者纖維結構可以清洗自己，則可使障礙消失。

⑹ 什么資源可以幫助你？

纖維、空氣、穿衣服的人、衣櫥、陽光……

⑺ 在其他領域或其他工具可以解決這個問題嗎？

自我清潔功能在大自然中可能是存在的（如蓮屬植物）。

解決方案（IFR）：可以借鑒荷葉表面的分子結構及自清潔機理，研制新型衣服纖維，但目前此研究還不成熟。

由于我們目前的現實條件還無法達到IFR 的狀態，因此我們希望用一個低挑戰性的IFR 分析問題。重新應用上面7 個步驟，參考圖4。

圖4 當IFR 難以達到時，“退而求其次”

案例2-3：清洗衣服。

⑴ 設計的最終目的是什么？

清洗衣服，使衣服潔凈。

⑵ 理想解是什么？

不需要任何化學清潔劑清洗衣服。

⑶ 達到理想解的障礙是什么？

衣服纖維不能完成這個功能。

⑷ 它為什么成為障礙？

衣服纖維功能受限，所以衣服不會被清潔洗凈。

⑸ 如何使障礙消失？

若有破壞衣服與臟物黏合的方法，則可使障礙消失。

⑹ 什么資源可以幫助你？

水、衣服、臟物、清洗設備、其他家庭產品、電……

⑺ 在其他領域或其他工具可以解決這個問題嗎？

經專利搜索，機械工業領域已有利用超聲波清洗金屬工件表面油漬的方法。

解決方案（IFR）：利用超聲波原理設計制造新型洗衣機。

產品總是處于進化之中，進化的過程就是產品由低級向高級演化的過程。例如：數控機床是普通機床的高級階段，加工中心又是數控機床的高級階段；彩色電視機是黑白電視機的高級階段，高清晰度彩電是一般彩電的高級階段。在進化的某一階段，不同產品進化的方向是不同的，如降低成本、增加功能、提高可靠性、減少污染等都是產品可能的進化方向。

一個系統有很多子系統（部件），系統的最終理想解與各部件的最終的功能目標并不是一回事。只有各個子系統的有用功能得到充分發揮、有害功能得到克服，才能保證整個系統運行完美。就像一部機器，各個部件有不同在作用，只有各個部件和部件之間的有用功能得到充分發揮、有害功能減少到最小，整個機器的功能才能最大限度的發揮。最終理想解的概念同樣可以應用到各單位的日常工作和活動中。例如：我們國家層面教育的初心是為了學生的全面、健康發展和為民族復興培養創新型人才，這是教育系統的最終目標（也可以叫“初心”），但是全國有很多學校，每個學校有很多部門，具體到每個學校和具體部門，我們不能只是喊著同樣的口號，而應該考慮自己的單位和部門該怎么做，才能使得單位和部門的工作與國家層面的方向一致，而不是當二傳手，也跟著喊口號。

一句話總結：最終理想解（IFR）是是TRIZ 九大經典之一，它既是一種用于克服思維慣性的獨特的創新思維方法，又是一種解題工具。