基于TRIZ理論的航空構件金屬斷口識別系統優化設計

吳 恬 李志農

（南昌航空大學無損檢測教育部重點實驗室，江西 南昌 330063）

0 引言

隨著工業發展及大型運載工具的廣泛應用，服役金屬部件的失效斷裂不僅會造成極大的經濟損失，更對工業生產安全和人民生活安全構成重大隱患。形貌金屬斷口圖像復雜反復且不規則，包含多種混合紋理。對斷口圖像進行分類時，傳統的人工識別主要依靠經驗，即使是同一類斷裂，圖像形貌和紋理變化也非常大，僅憑經驗識別的誤判率仍較高。傳統空間域識別方法缺乏理論支持，識別分類結果不太理想。因此，探尋金屬斷裂判定的新方法，對金屬斷口紋理圖像進行高效智能識別仍是亟待解決的問題［1］。

蘇聯發明學家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）團隊通過對世界各國250 多萬項高水平專利進行分析和提煉，總結出TRIZ理論體系［2］。經過半個多世紀的應用及發展，TRIZ 理論體系逐漸完善，應用案例及成果逐漸增多，TRIZ 理論進入了發展黃金期［3-6］。本研究基于TRIZ 理論，設計出一個新型斷口識別系統，用來解決傳統斷口識別方法識別效率低、識別準確率低的問題。

1 工程問題描述

隨著經濟的發展，大型設備的大規模服役，斷口識別與預防在工業中發揮的作用越來越重要。基于金屬斷口圖像的模式識別能夠通過計算機對給定的金屬斷口圖像特征進行鑒別，并把待識別的斷口圖像歸入與其相同或相似的模式中。在斷口圖像模式識別過程中，一般包括對斷口圖像的采集、斷口圖像特征的提取、特征空間的壓縮及提供識別準則等過程。

金屬斷口圖像可分為解理、韌窩、沿晶等，如圖1 所示。由于斷口圖像采集系統的分辨率不同，紋理特征有的清晰、有的邊緣模糊，存在不屬于類別間的其他紋理特征、相同的紋理具有較大差異的情況。在傳統斷口紋理圖像識別中，常用的特征提取法有分形理論（Fractal Theory）［7］、灰度共生矩陣（GLCM）［8］、傅里葉變換（Fourier Transform）、小波變換（Wavelet Transform）［9-10］等。由于斷口圖像幾何結構復雜、紋理特征豐富，傳統處理法對圖像信息的獲取能力、自適應性等較弱，識別效果并不理想。因此，進一步設計一種能獲取多樣性的圖像特征，提高斷口圖像識別精度，從而實現金屬斷口圖像特征的有效表達，且具有高效識別的金屬斷口識別系統意義重大。在斷口識別系統實際操作中，要進行大批量的數據處理，經常會出現數據空間過大、特征信息冗余的問題。因此，如何在不影響斷口識別準確率的情況下對數據空間進行有效壓縮也是關鍵。

圖1 不同類型的斷口圖像

2 基于TRIZ 理論的航空構件金屬斷口識別系統優化

TRIZ發明理論能幫助人克服思維慣性，加速創新設計過程。TRIZ 發明問題解決理論包含兩層含義，基礎層是強調解決實際問題，特別是解決發明問題；高級層是由解決發明問題而最終實現創新，通過解決問題實現發明的實用化。近年來，TRIZ理論不僅增加了很多新發現的規律和方法，還融入其他學科和領域的內容，使得TRIZ 理論不斷發展和完善。因此，本研究通過TRIZ 發明理論來完成航空構件金屬斷口識別系統的優化設計。

2.1 系統資源分析

根據物質資源、場資源、空間資源、時間資源、信息資源、功能資源這6 項資源對斷口識別系統進行分析，資源分析信息見表1。

表1 資源分析

2.2 功能模型及系統裁剪

2.2.1 功能模型的建立。通過建立系統功能模型，明確系統中的有害作用、不足作用、過剩作用及上述作用對應的組件，找到待解的創新問題，并應用TRIZ 方法進行求解，完成斷口識別系統的改進設計。建立的功能模型如圖2所示。

圖2 斷口識別系統功能模型

2.2.2 系統裁剪。系統裁剪是解決功能分析、發現系統存在問題的有效方法，也是一種對系統改進創新的手段。通過對系統存在的不足作用、過剩作用和有害作用功能的裁剪，減少或消除系統的缺點，改善功能模型，提高系統的理想度。經過裁剪，將系統中存在問題的功能組件刪除，該組件所提供的功能可通過TRIZ 理論提供的方法實現。對系統功能模型進行分析后發現，“預處理系統”對“金屬斷口圖像”的分類作用不足。因此，可嘗試裁剪掉“預處理系統”。但“預處理系統”通過計算機的編譯對金屬斷口圖像進行圖像細化，是有用功能。因此，在裁剪掉“預處理系統”時，需要被重新設計，得到待解決創新問題，即如何編譯對圖像進行預處理。傳統圖像預處理方法有灰度矯正、圖像銳化、濾波等，在對斷口圖像進行分類時，使用圖像增強算法，有針對性地增強斷口圖像的紋理特征，而非對圖像所有特征進行增強，更有助于圖像的后識別。在預處理時，對圖像進行有效的2/8分類，平衡訓練集斷口圖像的圖像類別，有助于提高圖像識別準確率。

2.3 物-場模型及標準解

2.3.1 物-場模型。當前系統的物-場模型如圖3 所示。傳遞物質S1為采集系統，傳遞物質S2為上位機，二者之間作用場F1為電場。該模型屬于不足效應完整模型。

圖3 不足效應完整模型

2.3.2 標準解。對不足效應完整模型運用標準解S1.1.2，原采集系統與上位機之間的傳輸靠的是數據線連接，改進后的采集系統直接加裝一個無線發射端口連接上位機，進行數據傳輸，新的物-場模型如圖4所示。無線傳輸模式可實現系統的遠程在線斷口識別。避免操作人員在識別斷口時，要背負繁重的設備，能大大提高檢測的靈活度。同時，上位機在旁操作會對圖像采集精度產生噪聲干擾、失調漂移、線性度與保真度降低等的影響，無線傳輸可有效降低上位機測控電路對圖像采集的干擾，提高斷口圖像質量，進一步優化系統的圖像識別率。

圖4 標準解模型

2.4 技術矛盾與發明原理

2.4.1 技術矛盾。技術矛盾是同一系統同一技術內的矛盾。從關鍵問題“用何種斷口識別方法進行識別分類”入手來分析問題，斷口識別算法是斷口識別系統中影響識別率的重要因素。對于該問題，設想斷口識別算法的準確率足夠高，則要獲取到足夠多的特征層，但過多的特征層會導致數據冗余，使斷口識別速率下降。假設斷口識別算法提取到最優的斷口圖像幾何特征時，則易出現提取過多的特征導致過擬合，造成無意義的資源浪費。斷口識別算法技術矛盾見表2。

表2 斷口識別算法技術矛盾

2.4.2 發明原理。TRIZ理論中解決技術矛盾的方法有多用性原理，具體措施為讓物體或物體的一部分實現多種功能，從而使一個系統變得更為均質和綜合。使用多用性原理解決技術矛盾，將傳統斷口識別方法（如分形理論、傅里葉變換等）變為基于經驗Ridgelet-2DPCA的斷口識別算法。Ridgelet-2DPCA斷口識別算法原理如下：首先，對斷口圖像進行經驗Ridgelet變換，通過經驗Ridgelet熵的計算提取出斷口圖像的最優模態，提高圖像識別率；其次，利用2DPCA變換進行數據降維，得到特征向量；最后，將得到的特征向量分別輸入最近鄰分類器中進行斷口識別。經過2DPCA的降維，數據維度大幅下降，數據存儲難度降低，且Ridgelet 變換提取了圖像最佳模態，在減少數據量的同時，提高缺陷識別準確率。

3 總體方案設計

通過應用TRIZ 理論，本研究得到3 個方案，3個方案及分析評價見表3。建立評價模型，基于成本、空間利用率、生產穩定性、可維護性、實施難度等評價參數對方案進行評估。由表3 可得，現有方案較原有技術均有明顯優勢。將3 個方案進行整合，得到最終方案，并重建模型，如圖5所示。

表3 方案及分析評價匯總

現方案與原有技術相比，具有以下優點：①采用創新設計方案較現有技術貯量增加約20%，識別準確率提升16%；②解決原有技術中為提高斷口識別準確率而造成的數據冗余，儲存空間利用率得到提高；③遠程監測系統能提高端口識別檢測的靈活度；④解決了測控電路對金屬圖像的電路電磁輻射模糊問題。

4 結語

TRIZ 理論作為技術創新的工具，能為實際工程技術難題提供系統化的科學解決方案，為工程師提供改進技術的正確方向。本研究利用TRIZ 理論中的功能分析和物-場模型和技術矛盾，定位現有斷口識別技術的主要問題，通過應用系統裁剪、標準解、發明原理等方法，獲得多種創新方案，并通過方案整合獲得最終解決方案，大大提高斷口識別率及識別效率，豐富數據存儲空間，解決了各類操作問題。實踐證明TRIZ 理論在解決斷口識別工程實際問題中具有很強的實用性。