基于可拓基元的流程裁剪模型設計＊

王愛峰，李子娜

（河北工程大學管理工程與商學院，河北 邯鄲056038）

TRIZ是眾多創新方法中公認的一種先進的、典型的創新方法[1]。裁剪是現代TRIZ理論中以去除元件激化沖突和應用TRIZ其他方法解決問題的方式優化系統結構，是提高理想化水平的重要方法。流程裁剪是裁剪工具所延伸出來的一種問題解決工具[2]，其本質是以“減”的方式來解決問題，去除過程中的操作，消除系統沖突，將該操作中的有用功能重新分配，簡化工藝過程，提高系統理想性。

中國目前正加快改革和轉變市場經濟發展的方式，大幅度地提高經濟增長的質量和效益，建設一個資源節約型社會，創新驅動的重點逐漸向過程創新轉移，GERT等[3]提出了將TRIZ應用于流程創新的適用性，并且從系統功能建模與裁剪、RCA分析和問題分析、通用發明原理解題的視角提出改進過程工業生產流程的方法。譚若詩等[4]基于Sergei提出的五類有用功能裁剪規則，提出結合流程圖的四階段流程問題解決過程模型。譚震等[5]根據技術系統向著最少引入外部資源、內部資源最大化使用的原則，對五種流程有用功能的特點詳細剖析，提出十五條流程裁剪規則，指導設計者刪除目標操作。但當前流程裁剪的實際應用仍具有一定的局限性和抽象性。可拓理論與TRIZ理論都被認為是比較成熟的解決矛盾性問題的方法框架，但各有優缺，張文林[6]將TRIZ理論中基于裝置的功能分析方法與可拓學相結合，提出改進功能分析方法，克服基元分析理論化較強的缺點，同時強化功能分析系統性分析問題的優點。白仲航等[7]基于可拓理論中的相關性分析和可拓聚類方法，將TRIZ理論中的因果鏈分析優化，設計了一套基于可拓學的因果鏈分析算法，增強因果鏈分析的客觀性與邏輯性，輔助設計人員準確發現問題。可拓學與TRIZ理論的結合應用可以達到取長補短的效果。基于此，將傳統的可拓基元理論與流程裁剪算法進行結合，利用基元理論對一般性問題形式化描述和表達的特點，更加深入地理解和發現問題的信息，從功能與基元特征的角度為裁剪提供具體指導。

1 基于基元理論的改進流程裁剪算法

1.1 TRIZ理論中的流程裁剪

技術系統遵循一定法則進化，創新有規律可循，TRIZ理論是根里奇·阿奇舒勒等前蘇聯研究人員根據專利總結提出的創新指導理論[8]，是一種基于知識的現代創新方法。

裁剪是現代TRIZ的重要工具，主要應用在降低成本、簡化系統、提高工程系統的穩健性和有效規避專利等方面。裁剪通過轉換問題、重組系統功能[1]，消除低價值、有問題的部分，減少系統冗余，有效降低成本，但不會損失系統的有效功能。裁剪是一種進化趨勢，裁剪的程度越大，創新的水平越高，系統愈接近理想化。

工藝流程裁剪是基于過程的裁剪，是一種去除（裁剪）過程中某些操作，但可以保持整個工程系統功能的工具。某個操作被裁剪掉的同時這個操作中的有用功能在剩余操作中重新分配。裁剪法最本質的思想是消除系統中的低價值元件操作，最大程度地利用系統的資源，從而降低了成本，系統沖突也被消除[9]。

文獻[9]中介紹的基于過程的裁剪算法歸納為基于過程的功能分析，裁剪規則選取與裁剪實施，運用TRIZ的問題解決工具消除沖突。基于過程的功能分析是工藝流程裁剪的基礎，包括組件分析即操作分析以及功能建模。

Sergei在2010年MATRIZ會議上提出流程功能分析，將功能劃分為五類。

文獻[9]中將功能分為有用功能（U）和有害功能（H）。功能達到的結果與我們期望的一致或者對工程系統的發展有正向貢獻，即為有用功能（Useful Functiong）。

有用功能根據功能的對象以及功能對象的改變在最終產品中的狀況分為以下三種類型：①生產功能（Prd）是指給產品的參數發生了永久性而且是不可逆轉改變的有用功能，該功能所帶來的參數變化可以在最終產品中觀察到；②條件功能（Prv）是輔助其他有用功能的有用功能，對產品的某個參數暫時性改變，其產生的結果在最終產品中無法識別出；③矯正功能（C）是矯正缺陷的有用功能。

有用功能根據其所達到的性能水平分為正常功能（N）、不足的功能（I）、過量的功能（E）。功能分類中不足的功能、過量的功能以及有害功能是系統裁剪優化的部分。

對流程裁剪規則的研究，Sergei的研究成果最具有代表性，他根據有用功能的價值類型分生產性功能、支援性功能、運輸性功能、量測性功能和修復性功能五類，各類功能對應于不同的裁剪規則[2]。

文獻[9]中對應生產功能、條件功能、矯正功能總結了十四條裁剪規則。

1.2 可拓學基元理論

可拓學中基元理論是將事物分為物、事、關系三部分，建立物元、事元、關系元，分別描述事物的一般特征、物與物的相互作用，即某一動作或者某一行為、事物間的相互關系。基元的三要素表示為對象O、特征C、（特征的）量值[10]。基元的一般表達方式記作：

式（1）中：B為物元M、事元A、關系元R的代稱；O為研究對象（Object），具體對應于物Om、事Oa、關系Or；C為特征，{c1，c2，…，cn}為研究對象的各種特征，通常Om的特征有功能特征、性質特征、實義特征、其他特征四類，Oa是某一動作，其基本特征包含施動對象、支配對象、接受對象、時間、地點、方式、程度、工具等，Or的一般特征包括前項、后項、程度、維系方式、聯系通道、聯系方式、地點、時間；V={v1，v2，…，vn}為對應ci的特征量值[6]。

1.3 集成算法

工藝流程[11]，指的是通過一定的生產加工設備或管道，從原材料投入到成品產出，按照規定的工藝順序連續性加工的全局過程，是一系列操作集合{O1，O2，…，On}，操作是一組功能的集合{F1，F2，…，Fn}，Fi=verb+functional objective。

基于事元將功能F的表達式形式化為：

在問題分析中，功能分析是從功能執行的角度分析系統組件之間關系的模型[12]，操作表示為{A1，A2，…，An}。

根據以上構建基于可拓基元理論的流程裁剪算法模型，如圖1所示。

圖1 集成流程裁剪模型

2 案例分析

在雙功能催化劑實際操作中，存在催化劑活性偏低的問題，微觀上最終產品的主要成分未能達到最佳組合配比。

2.1 流程選取

選取雙功能催化劑合成的過程[9]，以下為流程操作劃分闡述。

干混：加入具有第一種催化活性的微米級活性成分A粉末與微米級的成分黏結劑B粉末進行混合。

濕混：加入水和濃硫酸激活成分B為膠體，B膠體黏結A成分，將混合物捏成面團。

擠條：面團C放入擠條機中，擠壓成條狀催化劑S1。

干燥：在烘箱中干燥脫除條狀催化劑S1中的水分。

焙燒：在馬弗爐中對條狀催化劑S1進行高溫焙燒。高溫會使催化劑S1微觀結構發生變化，黏接劑B黏結更牢固，條狀催化劑S1能具有更高的機械強度。

冷卻：冷風機對高溫的條狀催化劑進行降溫，使其降至室溫。

破碎：破碎機將條狀催化劑破碎機，進行篩分，得到需要尺寸的短條狀催化劑S2。

浸漬：將短條狀催化劑S2放入含有第二種催化活性的D溶液中，使活性成分D附載在短條狀催化劑S2上，形成短條狀催化劑S3。

二次干燥：烘箱中對短條狀催化劑S3進行干燥脫水。

二次焙燒：馬弗爐中對短條狀催化劑S3焙燒，使其微觀結構發生變化。

二次冷卻：冷風機將短條狀催化劑冷卻至室溫，得到最終產品P。

2.2 流程分析

本文以前后兩部分下標表示流程以及功能順序，前半部分代表操作在流程中的順序，后一部分表示功能在操作中的順序。如A12代表第一步操作干混中的加入微米級成分B粉末的功能。將雙功能催化劑合成流程基元表示，挖掘操作功能特征。

雙功能催化劑合成流程基元表示如下：

2.3 流程問題解決

通過基元與功能結合的分析，雙功能催化劑工藝流程中的不足功能有A13、A23、A24、A25、A31、A51、A81、A101，在此選取生產功能裁剪規則第三條，將被分析功能轉移到前置或后置操作中，裁剪掉A13的生產功能，將流程重新規劃為：

具體方案解[9]為先加入水、濃硝酸、B粉末使其成為膠體，再加入具有第一催化性的A粉末，促使其均勻分布，同時也簡化了工藝流程。

3 結語

基于基元理論的流程裁剪算法是在理解基元理論和基于過程的裁剪理論的基礎上，結合兩種理論都是分析問題、解決問題的現代創新工具，將基元理論形式化和深層次挖掘問題的優點與裁剪理論相融，構建事元模型能夠直觀形象地展示功能的類型、程度，使得裁剪工具在工藝流程具體解題中能夠提供研究人員更加詳細的問題描述，從而為問題分析和沖突解決尋找突破點提供便利。

裁剪是簡化系統結構、提高理想度分析問題、解決問題的重要工具，流程裁剪是基于裝置裁剪的延伸方法，其優化改進使得裁剪方法更加實用高效，有利于工藝流程創新實踐以及裁剪方法的推廣應用。