基于最終理想解解題思路的系統功能裁剪方法研究

李建國， 楊 波， 馬尚鵬

（蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

功能裁剪法（Trimming）是區別于經典TRIZ 理論、分析問題和解決問題的有效工具。 裁剪的本質是將系統中的低價值組件對應有用功能重新分配給系統或超系統中的其他組件以消除沖突或者降低成本[1]。 裁剪可以最大限度地利用系統資源，降低成本，消除系統沖突，是分析和問題轉化的重要方法。

國內外學者在確定裁剪元件、裁剪規則、裁剪順序、優先級等問題進行了不同角度的研究。 于菲等[2-3]利用最大離差和熵的方法確定影響因素權系數來優化評價結果，并且以TRIZ 原理和規律為知識源，確定了基于知識的裁剪方法， 對裁剪過程中系統有用功能分配進行原理啟發，形成主觀分析與客觀原理啟發優勢互補的多層次、多角度裁剪方法集。Sheu 等[4]提出一種確定裁剪優先級的數學方法， 利用親和度指標和樹狀圖在超系統層級上進行功能裁剪和重構。 石衛剛等[5]提出基于裁剪規則的多層次進化趨勢選擇策略， 構建了基于進化趨勢的裁剪方法過程模型。 楊伯軍等[6]將激進式裁剪方法用于產品開發的模糊前端階段，利用標準解、進化趨勢及效應等創新方法輔助進行功能重組，進而產生突破性創新設想。 趙磊等[7]提出了基于理想化分析的遞進式裁剪方法， 試驗出不同層次的裁剪方案。 張二甲等[8]以裁剪本質和實施方式為約束條件， 在已有設計需求分類基礎上， 結合設計需求與TRIZ 中39 工程參數內涵，實現裁剪過程中啟發知識的有效檢索， 從而構建面向設計需求的裁剪創新設計過程模型。 付敏等[9]基于技術系統進化法則提取了10 條功能裁剪規則， 結合組件相對功能價值分析和破壞系統完備性趨勢，確定裁剪對象及優先級等。

上述研究為裁剪的技術創新提供了不同的思路與方法，但在具體的實踐中仍存在裁剪路線不明確，裁剪目標針對性弱，裁剪規則順序優先級含糊的問題。本文以系統的功能分析為基礎， 按照由強到弱從基本功能載體到輔助功能載體的裁剪路線， 反復利用最終理想解解題思路確定出裁剪目標，依據理想度方程，判定解題思路及裁剪規則順序，確定最終裁剪策略，發展了裁剪方法在系統改進、分析、轉換問題應用層面的研究。

1 系統功能

1.1 系統功能分析

對系統進行功能分析的主要作用在于明確系統所提供的主要功能，確定各組件的有用功能及對系統的貢獻，為裁剪做準備。組件是系統的基本組成，組件包含兩個基本特征：一是組件執行一定的功能；二是組件可以等同為系統的子系統。 系統組件包括子系統組件和超系統組件兩大類，其中，子系統組件即為系統組件的拆分；超系統組件是指對系統造成影響的外部因素， 在工程活動的各階段，典型超系統組件如下：

生產階段：機器、原料、場地等。

應用階段：產品、顧客、能量源及與對象作用的其他系統等。

存儲運輸階段：交通手段、包裝、倉儲等。

與技術系統作用的外界場：空氣、水、陽光、灰塵、磁場、熱場、重力場等。

系統組件分析解釋了包括系統作用對象、系統組件、子系統組件以及系統組件發生相互作用的超系統組件。相互作用分析是具體識別某時刻系統組件及超系統組件的相互關系，以及探究這些關系的性質。功能模型是以組件關系矩陣為基礎， 以規范化的描述方式來表述組件之間的相互關系， 將各個組件間的所有功能關系及關系性質全部展示的過程，有助于對系統進行更深入的分析。

1.2 系統功能的定義與分類

功能是對產品或技術系統中抽取共同的、 本質性的特征。功能載體與作用對象均是具體實物，且功能滿足保持或改變對象某一屬性的要求。如人使用筆在紙上寫，則功能載體為筆，功能的作用對象為紙，經過摁壓、移動的動作后，得到紙張可供人們“記錄”的屬性。 一般用SVOP的形式來規范，其中S 表示系統功能載體，V 表示施加的功能動作，O 表示作用對象，P 表示作用對象的“被保持或改變”的屬性參數。 其定義法示意圖見圖1。 按照功能的效果與期望之間的差異可將功能分為有用功能和負面功能，其中有用功能包括基本功能、輔助功能及附加功能，負面功能包括有害功能、不足功能及過度功能。

圖1 系統功能SVOP 定義法示意圖Fig.1 Schematic diagram of system function SVOP definition method

2 基于最終理想解的功能裁剪

2.1 系統理想度

技術系統理想度是指導產品設計的有效法則， 產品（技術系統）的理想度可表示為[11]。

式中：I—理想度；Bi—第i 個有用功能；Cj—第j 項成本；Hk—第k 個有害功能。

技術系統的進化法則揭示了技術系統功能實現過程中不斷進化、發展的趨勢，理想度是技術系統進化的主要源泉，隨著技術系統的不斷進化，理想度不斷提高。 但是理想系統是現實世界中永遠無法達到的終極狀態， 理想度結果的貢獻在于能夠在確保解決問題的過程中朝著理想化的目標前進， 提高理想度最直接的方式即減小有害功能及成本，增加有用功能，將有害作用系統向理想系統逐步轉化。

2.2 基于最終理想解解題思路的裁剪目標、順序確定

2.2.1 最終理想解解題思路

裁剪目標即系統中需要被裁剪的組件。 裁剪規則是裁剪過程中指導有用功能重組以及系統功能重構的原則。通常，系統應用最廣泛的裁剪規則可概括為以下4 條[12]：①產品不再需要某種功能， 則可裁剪其功能載體及作用對象；②由功能對象自我實現其有用功能；③由系統內的組件替代被裁剪組件；④由系統外的組件替代被裁剪組件。

由于上述規則應用下裁剪目標的針對性弱， 且裁剪順序并不明確，往往導致創新解存在主觀隨意性、理想度差異性大的問題。 本文根據Moehrle（2005）等人開發的最終理想解運用流程，見圖2。 從圖中問題3 開始即考慮最終理想解，依照其解題思路順序及系統功能分析模型，確定裁剪目標順序。

圖2 最終理想解運用流程圖Fig.2 Flow chart of final ideal solution application

具體步驟如下：

步驟1：作系統功能模型圖，確定問題組件；

步驟2：根據最終解題思路確定裁剪組件所處階段：階段一：式（1）中各自變量均為0 即不需要該系統功能，即裁剪當前功能；階段二：式（1）中分母為0，即不需要現有系統，即可實現所需功能；階段三：式（1）中分母不為0（有害功能H 與成本C 之和不為0），分為兩種方法：一是減小分母；即先系統中有害功能能否趨于為0，再考慮成本能否趨于0。 二是增大分子；當分母無法再操作的情況下，考慮增強系統有用功能。

步驟3，對組件依次進行三個階段的裁剪嘗試。

2.2.2 裁剪目標確定

根據2.2.1 節步驟2 對系統組件及對象進行功能（對象是否需要此種功能）→系統 （對象是否可以自我完成）→增強系統有用功能或減系統中有害功能的順序。 從目標對象開始向相鄰最近的組件依次進行， 每一次都應用最終理想解解題思路進行是否為裁剪目標的判斷。 圖3為一個簡單系統進行如上述所述裁剪目標確定的演示圖，復雜系統即為多個簡單系統的耦合。

圖3 裁剪對象組件順序演示圖Fig.3 Trimming object component sequence demo diagram

通過系統功能分析模型， 對系統組件逐一進行最終理想解解題流程分析，一般而言，確定系統功能后該功能很難被裁剪，即裁剪目標步驟2 中第一階段很難達到，依次應用最終理想解解題思路，第二、三階段仍無法對當前組件進行裁剪則， 依次對系統中的所有組件進行上述步驟，直至確定可以裁剪的目標對象。裁剪目標確定流程見圖4，n 表示組件編號。

系統自上至下的迭代順序既為各組件裁剪的基本順序，又為裁剪激烈程度由強至弱的方案順序。利用最終理想解解題思路打破從解決當前問題的思路入手， 直接從系統的最終目標著手， 即從基本功能載體向輔助功能載體、附加功能載體等依次裁剪的方法，最終達到裁剪目標優先級的高→低，對應裁剪方式激烈程度的強→弱。值得一提的是， 由于超系統組件不同工程階段不同外部因素影響的存在， 經圖4 的流程并不能窮盡各組件隨對應所有的裁剪方案。但可以明確的是，經過本文所述裁剪目標及方案的確定流程，使得組件裁剪的順序更具體，所得方案更全面。

圖4 系統裁剪方案求解流程Fig.4 System trimming solution process

3 確定最終裁剪方案

根據上節內容，確定裁剪目標的順序及方法，即可獲得該系統盡可能多的裁剪方案。因此，如何在眾多的裁剪方案中確定適合當前環境的裁剪方案，具體的實施步驟如下，最終裁剪方案確定流程見圖5。

圖5 最終裁剪方案確定流程Fig.5 The final trimming scheme determination process

步驟1：對技術系統構建功能模型。

步驟2： 確定有問題的組件及其作用關系， 明確系統、子系統及超系統組件中基本功能組件、輔助功能組件及附加功能組件。

步驟3：運用最終理想解解題思路分析確定阻礙完成IFR 的問題組件或限制條件。

步驟4：運用最終理想解解題思路流程， 對所有系統組件均進行三個階段的裁剪嘗試， 盡可能多的得出不同的裁剪方案。

步驟5：對各裁剪方案進行理想度方程計算。

步驟6：根據具體實際選擇符合實際情況的較大理想度方案，結束。

4 實例分析

某暖氣片生產廠的一個零件油漆涂裝系統[14]，如下圖6 所示為一個油漆罐裝系統示意圖， 此油漆罐裝系統工作原理為：當油漆箱油漆低于一定液位，浮標下沉，帶動杠桿連通開關啟動電機，泵開始工作（將油漆桶中的油漆泵入油漆箱），當油漆液達到一定液位時，浮標上抬，帶動開關關閉電機，泵停止工作，油漆停止注入。

根據圖6，對該油漆涂裝系統進行如圖7 所示的系統功能模型分析。 可得系統作用對象為油漆，且其基本功能組件為泵，輔助功能組件包括（電機、開關、杠桿、浮標），分析可得泵對油漆，油漆對浮標均表現出功能不足， 如果以當前系統功能模型進行系統組件功能得裁剪， 就會掉入常規得裁剪思路中。

圖6 油漆罐裝系統示意圖（來源：Gen3 培訓教材）Fig.6 Schematic diagram of paint canning system （source：GEN3 training materials）

按照圖7 分析的系統功能模型， 思考該油漆罐系統所實現最主要的功能即最終理想解為油漆移動至油漆箱， 則將完成此系統功能的各組件按照功能等級依次連接見圖8。

圖7 油漆罐裝系統功能模型Fig.7 Functional model of paint canning system

圖8 油漆罐裝系統組件連接圖Fig.8 Connection diagram of paint canning system components

依據本文方法依次對油漆、泵、電機、開關、杠桿等按照本文方法分別進行裁剪順序、方案的確定。如對“油漆”對象，第一階段也即最激烈裁剪階段，考慮其完成自我實現，我們發現利用大氣壓的作用，當油漆足夠多時，空氣不會進入到油漆桶，故油漆不會流出，反之流出。 當油漆液沒過管口，則油漆又會停止流出。故得到最激烈裁剪方案見圖9。 即更換油漆涂裝方式。 第二階段即考慮可否對系統進行原理替代，得到如靜電噴涂、刷漆等方案。 因為“油漆”為作用對象，故不考慮其在第三階段的裁剪方案。

圖9 油漆罐裝系統示意圖Fig.9 Schematic diagram of paint canning system

同理， 如對開關組件進行本文所述方法裁剪方案的確定。 例如，考慮最終理想解的第一階段裁剪目標， 設計新的開關控制系統替代原有浮標控制杠桿控制開關的原理， 即得到如圖10的裁剪方案等。

圖10 油漆罐裝系統示意圖Fig.10 Schematic diagram of paint canning system

綜上， 事物的正確答案不止一個， 考慮實際條件的限制，例如，在以油漆為對象的系統裁剪中， 階段一更換油漆涂裝的方式雖然裁剪了整個功能， 但由于改變其工作原理則造成原有工程系統改變成本過高， 因此不采納。 同樣地，分析對比圖9、圖10 兩種裁剪目標下的改進方案，顯然圖9 中裁剪方案的理想度遠大于圖10，表明依據最終理想解解題思路的裁剪順序， 能夠以最快的方案完成最激烈的裁剪，從而達到意想不到的設計思路。

5 結論

本文在功能分析的基礎上， 運用基于最終理想解解題思路系統性的明確給出了一般性組件裁剪順序 （基本功能載體→輔助功能、附加功能載體的裁剪順序）及裁剪方案（由激烈→緩和）的確定。 有效的提高了技術系統的理想度的優化可能性， 選擇以最終理想解為目標的裁剪順序， 以理想度方程計算值為依據的裁剪規則不僅明確了分析問題的目標，還節省了改進設計時間，特別是對于不熟悉TRIZ 理論中裁剪工具的設計者而言，采用本文提出的裁剪方法可以有效提高產品功能理想化的針對性與引導性，提高系統創新設計的效率。 一定程度上，發展了現代TRIZ 理論的應用。