技術系統中不良作用組件單元問題影響度分析

趙 云, 高常青, 董 輝, 楊 波

(濟南大學 機械工程學院, 山東 濟南 250022)

產品創新的關鍵在于發現和解決設計過程中的沖突。 發明問題解決理論(teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch,TRIZ)是用于產品創新設計的系統化設計理論,提供了解決沖突問題的發明原理、沖突矩陣、分離原理[1]。由于復雜產品內部子系統存在錯綜復雜的相互作用關系,因此設計人員在設計過程中會遇到很多相互關聯的沖突,使得經典TRIZ在解決多沖突問題時面臨巨大的挑戰[2]。

目前國內外學者對多沖突問題的研究思路主要是確定關鍵沖突, 并應用TRIZ中的發明原理、 分離原理、 沖突矩陣等工具解決關鍵沖突。 Cavallucci等[3]提出沖突云的概念作為一組基本沖突的三值圖形表示, 對沖突的權重在重要性、 影響深度和廣度3個方向進行量化, 根據圖形顯示的差異選擇關鍵沖突。 Montecchi等[4]從專利文獻中提取信息, 用于識別和克服沖突, 基于知識運營管理(KOM)的知識管理工具重新定義需求,從而確定沖突。 楊洪超等[5]構建多沖突網絡, 提出3種求解策略, 快速找出關鍵沖突, 并利用TRIZ解決關鍵沖突。 梁瑞等[6]通過提取出構建沖突的元素-名稱-量值(ENV)模型, 從元件影響度、參數出現頻率、 參數關聯數量和專家評價方面進行權重賦值, 得到沖突的重要度排序, 確定關鍵沖突, 從而進行沖突求解。 普雪潔等[7]基于需求分析和功能失效分析, 提出復雜技術系統中多沖突問題中的隱形沖突識別方法。

在多沖突問題的求解過程中, 求解思路一般是將多沖突進行解耦分析, 確定關鍵沖突后再進行解決, 但是解耦分析并確定關鍵沖突對大多數設計人員而言是一個比較復雜的過程, 因此有必要針對導致沖突問題產生的內在原因即不良作用進行研究, 從而找到解決沖突或多沖突問題的新路徑。

在功能分析模型圖中,設計人員能夠直觀地觀察到技術系統內部組件之間存在的問題及組件之間的影響關系,但是不能實現組件之間影響關系的數字化計算。決策試驗與評價實驗室(DEMATEL)是一種運用圖論與矩陣工具進行系統因素分析的方法[8],可以分析系統中各因素之間的關系并計算因素的中心度和原因度,從而表達影響關系[9]。利用系統之間的邏輯關系構建直接影響矩陣,能使因素之間的影響關系通過矩陣運算的方式進行計算[10],因此借助DEMATEL可以實現組件之間影響關系的數字化計算。

本文中在沖突問題分析階段, 通過將沖突問題轉化為組件之間的不良作用, 增加功能分析與不良作用模塊知識的關聯度; 以組件單元結構模型為基礎, 定義問題影響度及其排序原則, 提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法;利用MATLAB軟件的圖形用戶界面模塊,實現不良作用組件單元的問題解決順序的自動排序。

1 沖突解決

1.1 基于TRIZ的沖突解決

在經典TRIZ中,沖突分為技術沖突和物理沖突。TRIZ提供39個通用工程參數和40條發明原理對技術沖突進行解決。同時,提供4條分離原理對物理沖突進行解決。研究[11]發現,解決物理沖突的分離原理與解決技術沖突的發明原理之間存在相互轉化關系。基于TRIZ的沖突解決過程如圖1所示。首先采用通用工程參數對需要解決的技術沖突進行描述,然后查找沖突矩陣,找到對應的發明原理,進而確定問題解決的一般解,最后將一般解轉化為具體問題的特殊解[12]。

圖1 基于發明問題解決理論的沖突解決過程

在實際問題中,對于工程參數的定義需要一定的TRIZ知識背景,并且在一般的技術系統功能分析過程中,缺乏技術系統組件之間影響關系數字化計算的討論,因此對于設計人員,使用經典TRIZ的沖突解決方法解決問題具有一定的難度。

1.2 沖突表征與不良作用

沖突是由技術系統內部組件之間不良作用引起的外在表征,消除技術系統中的不良作用是解決沖突的關鍵[13]。技術系統中組件之間的作用關系是系統功能的主要構成因素。組件之間作用關系的基本類型有充分作用、有害作用、過度作用、不足作用,其中后3種類型為不良作用。組件之間作用關系的基本類型及符號表示如表1所示。

表1 技術系統中組件之間作用關系的基本類型及符號表示

沖突與不良作用之間存在映射關系。1個不良作用可能導致1個或多個沖突的產生,多個不良作用可能導致1個沖突的產生。技術系統中組件之間不良作用與沖突的映射關系如圖2所示。

圖2 技術系統中組件之間不良作用與沖突的映射關系

技術系統中組件之間的作用關系錯綜復雜,圍繞初始問題進行組件結構的功能分析時,均可能產生多個不良作用。這時設計人員可以使用TRIZ中的標準解、科學效應、裁剪策略等方法將技術系統中的不良作用轉化為良好作用,從而消除技術系統中的不良作用,解決技術系統中的沖突。

由圖2可知,多個不良作用之間具有錯綜復雜的相互作用關系,當某一個不良作用解決完成時,可能會使技術系統中多個不良作用都被解決,因此確定不良作用解決順序優先級對問題的解決尤為重要。由于目前不良作用的解決順序都是根據工程師的經驗所確定的,存在很大的主觀性,因此不良作用解決順序優先級的問題是一個有待研究的課題。

2 功能分析

2.1 功能的定義與表示

功能可以定義為技術系統中一個組件A作用于另一個組件B并改變組件B的技術參數的行為[14]。組件之間的功能關系如圖3所示。

圖3 技術系統中組件之間的功能關系

功能表示可以分為3類[15]: 1)“操作+流”, 例如移動物體; 2)“操作+流+屬性”, 例如增加固體硬度; 3)“操作+流+介詞或連詞+流”例如去除液體中雜質。

2.2 基于組件的功能分析

功能分析是對系統進行功能建模的過程,是分析技術系統中各組件之間關系的過程,目的是建立技術系統功能分析模型圖[16]。技術系統功能分析模型圖能夠清晰地觀察到組件之間存在的問題,從而針對問題進行解決。創建功能分析模型圖步驟[17]如下: 1)識別出技術系統中所有組件,進行組件分析; 2)分析各組件之間的相互作用,分析作用的類型; 3)用不同形狀的邊框表示系統組件、 超系統組件、 目標對象,并用箭頭進行聯系,建立技術系統功能分析模型圖。

2.3 組件單元模型

功能由組件之間的相互作用形成, 存在相互關聯的2個組件構成1個組件單元模型。 根據邏輯關系, 組件之間的關系可分為串聯、 并聯、 反饋3種形式。 將存在不良作用的組件單元定義為不良作用組件單元。 良好作用組件單元和不良作用組件單元的串聯、 并聯、 反饋模型如圖4所示。 如果組件C對組件D存在不良作用, 那么不良作用組件單元由組件C、 D及其之間的不良作用組成。 組件之間的不良作用是導致沖突出現的內在原因, 沖突是組件之間的不良作用的外部表征,沖突問題解決的依據就是將技術系統中的不良作用轉化為良好作用。

(a)串聯型良好作用組件單元與不良作用組件單元

(b)并聯型良好作用組件單元與不良作用組件單元

(c)反饋型良好作用組件單元與不良作用組件單元圖4 良好作用組件單元和不良作用組件單元的串聯、 并聯、 反饋模型

將若干組件單元模型連接起來,可以構建系統功能模型圖。根據Stone等[18]提出的功能基的概念,組件單元的功能可以表示為“功能+流”的形式。功能定義為8個基本類功能,即分支、 導向、 連續、 控制、 轉換、 供應、 接發、 支撐。流定義為物質流、能量流和信息流3個類別。

2.4 基于DEMATEL的問題影響度定義、 排序及應用

在TRIZ中, 功能分析模型圖可以直接觀察到組件之間的影響關系。 以功能分析模型圖為依據, 將組件A對組件B有作用賦值為1, 反之賦值為0, 可以得到技術系統的鄰接矩陣。 鄰接矩陣可以直觀地表達組件之間的影響關系。 將DEMATEL與TRIZ中的功能分析模型圖結合起來, 可以實現技術系統中組件之間影響關系的數字化計算, 求出每個組件在技術系統中的中心度和原因度。 中心度表示組件在技術系統中的位置及組件所起作用的大小。 組件的原因度大于0表示該組件是原因要素, 對其他組件的影響大; 組件的原因度小于0表示該組件為結果要素, 受其他組件的影響大。

由于組件單元由2個組件及其之間的相互作用構成,因此將組件單元的中心度定義為2個組件的中心度之和,組件單元的原因度定義為2個組件的原因度之和。當不良作用組件單元原因度大于0或小于0時,將問題影響度定義為不良作用組件單元中心度的大小。以問題影響度作為不良作用組件單元排序依據,建立基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法,利用TRIZ按照順序進行問題解決。基于組件單元問題影響度的問題解決應用流程如圖5所示。借助MATLAB軟件的圖形用戶界面(GUI)模塊,實現確定多個不良作用組件單元解決順序的可視化操作。

DEMATEL—決策試驗與評估實驗室; na—不良作用組件單元個數; TRIZ—發明問題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)。圖5 基于組件單元問題影響度的問題解決應用流程

一般來說, 原因導致結果, 因此在問題解決過程中, 應從原因要素入手, 從而提高問題解決的效率。 由此, 定義不良作用組件單元問題影響度的排序原則如下: 1)先解決原因度大于0的不良作用組件單元, 再解決原因度小于0的不良作用組件單元; 2)對于存在多個原因度大于0(或小于0)的組件單元的情況,按組件單元中心度的大小進一步排序,中心度大的組件單元在前,中心度小的組件單元在后。

3 基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法

本文中提出的基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法步驟如下:

步驟1利用功能分析模型圖建立直接影響矩陣A,

(1)

式中:Xij(i=1, 2,,n,n為組件個數,j=1, 2,,n)為因素,取值為0或1,Xij為1表示技術系統中第i個組件對第j個組件有影響,Xij為0表示第i個組件對第j個組件無影響。

步驟2規范化直接影響矩陣A為矩陣X,

(2)

步驟3求綜合影響矩陣T,

T=X(I-X)-1,

(3)

式中I為單位矩陣。

步驟4計算第i個組件的影響度Di、 被影響度Ri,

(4)

(5)

式中:tij為綜合影響矩陣T中第i行第j列元素;tji為綜合影響矩陣T中第j行第i列元素。

步驟5計算第i個組件的中心度fi、 原因度ri,

fi=Di+Ri,

(6)

ri=Di-Ri。

(7)

步驟6計算不良作用組件單元的中心度p、 原因度q,

p=fi+fj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(8)

q=ri+rj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(9)

式中:fi、fj為第i、j個組件的中心度;ri、rj為第i、j個組件的原因度。

步驟7對不良作用組件單元按照問題影響度排序原則進行排序。

步驟8通過物-場模型、科學效應、裁剪策略等方式按照順序消除不良作用,形成解決方案。

步驟9評價形成的解決方案能否消除技術系統中的所有不良作用,如果全部消除,則問題解決,否則,進行步驟8。

步驟10如果經評估,解決方案可采用,則算法結束,否則進行步驟1。

4 工程實例

游梁式抽油機是目前油田主要使用的抽油機類型之一,主要由驢頭-游梁-連桿-曲柄機構、變速箱、動力設備和輔助裝備四大部分組成。游梁式抽油機如圖6所示。游梁經抽油桿工作時帶動井下抽油泵的柱塞作上下運動,從而不斷地抽油。

1—電機; 2—曲柄; 3—基座; 4—人;5—抽油桿; 6—支架;7—鋼絲繩; 8—潤滑脂;9—空氣; 10—游梁; 11—連桿; 12—傳動裝置。圖6 游梁式抽油機

游梁式抽油機工作條件惡劣,容易出現鋼絲繩斷裂的問題。將所提出的基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法應用于游梁式抽油機鋼絲繩斷裂的問題解決過程。

4.1 構建組件直接影響矩陣

分析游梁式抽油機的結構組成及工作原理, 確定游梁式抽油機裝置的組件及相互作用關系, 構造游梁式抽油機技術系統功能分析模型, 如圖7所示。

圖7 游梁式抽油機功能分析模型

根據3節中的步驟1,建立游梁式抽油機組件之間的直接影響矩陣A,

4.2 計算問題影響度及生成問題解決順序

根據3節中的步驟2—5, 基于MATLAB軟件的GUI模塊, 計算技術系統中各組件的影響度、 被影響度、 中心度和原因度。 組件問題影響度分析界面如圖8所示。

圖8 組件問題影響度分析界面

根據式(8)、(9),計算不良作用組件單元的中心度和原因度,并依據問題影響度的排序原則,對不良作用組件單元進行排序。利用MATLAB軟件的GUI模塊自動實現對不良作用組件單元的解決順序進行排序,可視化操作界面如圖9所示。

圖9 利用MATLAB軟件的圖形用戶界面模塊實現排序可視化操作界面

4.3 問題的TRIZ求解過程

游梁式抽油機鋼絲繩斷裂的問題解決順序如表2所示。由表得到排序,則優先解決1號不良作用組件單元,其中人涂抹潤滑脂存在不良作用的主要原因是人工涂抹潤滑脂時施工強度大,造成涂抹效率低,施工不及時等問題。

表2 游梁式抽油機鋼絲繩斷裂的問題解決順序

針對技術系統實施裁剪策略。由于技術系統中組件人的價值較低,因此將人作為裁剪的對象, 同時, 根據裁剪策略, 將人的功能實現再分配。 經分析,技術系統中已有組件不能完成人的功能,因此引入一個新組件完成人的功能。為了使技術系統的自動化程度更高,在原有技術系統的基礎上增加油儲裝置,將油儲裝置與游梁固定在一起,通過與游梁共同運動,使潤滑脂在慣性力的作用下從油儲裝置中滴出,鋼絲繩得到充分浸潤。技術系統裁剪策略如圖10所示。

圖10 技術系統裁剪策略

當人對潤滑脂的不良作用解決完成時,潤滑脂能夠充分潤滑鋼絲繩,進而減少空氣對鋼絲繩的氧化,保證了游梁正常牽引鋼絲繩,帶動抽油桿上下移動,從而實現連續工作,因此在1號不良作用組件單元的問題解決完成后,其他不良作用組件單元的問題也全被解決。

針對將技術系統中的組件人實施裁剪策略,引入一個新組件即油儲裝置,從而完成組件人的功能的解決方案,進行模型試驗,結果表明,在油儲裝置的作用下,潤滑脂可以充分浸潤鋼絲繩。在潤滑脂的作用下,鋼絲繩不易斷裂,技術系統中的沖突從而被解決。游梁式抽油機的模型試驗圖如圖11所示。

圖11 游梁式抽油機的模型試驗圖

5 結論

本文中在沖突問題分析階段,結合DEMATEL與經典TRIZ中的功能分析,提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法,得到以下主要結論:

1)根據組件單元結構組成提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問題影響度排序算法,實現了不良作用之間影響關系的數字化計算。

2)建立了基于DEMATEL的不良作用的排序流程,并利用MATLAB軟件的GUI模塊實現對排序流程的可視化操作,增加了沖突問題解決的可操作性,完善了問題解決概念設計模型。

3)目前研究是從組件層面進行沖突問題分析的,針對問題解決過程的設計知識推理和進一步原因分析過程是后續研究的重點。