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利用TRIZ理论提升国防科技工业创新效率
作者:哈尔滨工业大学 郭大成
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国防工业是科技创新的重要力量,也存在着大量急需解决的技术创新问题。应用TRIZ理论可以大大加快国防工业创造发明的进程,得到高质量的创新产品,提高创新效率。

TRIZ理论的内涵

TRIZ是俄文“创新问题解决理论”的词头缩写,它由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成,是指导人们进行创新活动的科学。Savransky博士提出,TRIZ是基于知识的、面向设计者的创新问题解决的系统化方法学,具体包括4个方面的内涵:

首先,TRIZ是基于知识的理论。TRIZ来自于对全世界范围内的专利的抽象,是创新问题解决启发式方法的知识,它大量采用自然科学及工程中的效应知识,也采用为数不多的基于产品进化趋势的启发式方法。TRIZ利用出现问题领域的知识,包括技术本身、相似或相反的技术或过程、环境、发展和进化等。

其次,TRIZ面向设计者而不是面向机器。TRIZ理论基于将系统分为子系统、区分有用功能及有害功能的实践,这些分解取决于问题及环境,本身具有随机性。计算机软件仅能起支持作用,而不能完全代替设计者,需要为处理这些随机问题的设计者提供方法与工具。

再次,TRIZ是系统化的方法。在TRIZ中,问题的分析采用了通用及详细的模型,该模型中问题的系统化知识非常重要。TRIZ解决问题的过程是系统化和结构化的,以方便应用已有的知识。

最后,TRIZ是创新问题解决理论。为获得创新解,解决设计中的矛盾,TRIZ提供了结构化步骤。对于未知的解可以被虚构的理想解所替代;对于理想解可以通过已知的系统进化趋势推断,并通过环境或系统本身的资源获得。

TRIZ理论的意义

目前创新方法大约360多种,然而一直无法突破创新效率低的瓶颈。传统的基于认知科学和思维心理学的创造性思维理论认为,创新活动只是科学家和工程师灵感的闪现,不承认创新的规律性。建立在该理论基础之上的传统创新技法是造成创新效率低下的主要原因,“少慢差费”成为了创新效率低下的最主要表现。

创新问题解决理论(TRIZ)诞生于前苏联,是一种创新方法学,它的创始人A1tshuller始终坚信创新活动有着内在规律,只要遵循创新问题的一般规律,就能够加快创新过程,缩短创新周期,提高创新成功率。A1tshuller及其领导的一批研究人员,在历经1500人·年的研究基础上,吸收了辩证法、唯物主义和唯心主义的有关哲学概念和认知科学对发明家创造性思维的研究成果,通过对250万件自然科学技术专利的详细分析,研究发现95%以上的创新问题存在已知解决方案,也就是说设计人员遇到的大多数创新问题其实已经被某人在某处用别的思路解决。基于此,对这些解决方案进行总结和提炼,形成创新问题的结构化解决方案,即TRIZ理论。当遇到类似创新问题时,通过问题分析和定义,把特定设计中的领域问题,转换为TRIZ的标准问题,然后选择合适的TRIZ工具集加以解决。

创新方法决定创新效率。TRIZ理论的突出价值是总结出各种技术发展进化遵循的普遍规律,提出解决各种技术矛盾的创新原理,让创新成为不单纯依靠“灵感”和“天才”的“常规行为”,使创新走出盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然,实现了创新的“多快好省”。

TRIZ理论应用现状

苏联解体以前,TRIZ一直属于国家机密,不被西方国家所熟悉。1991年前苏联解体,大批TRIZ专家移居欧美,TRIZ理论开始得到广泛传播,迅速成为产品设计界的研究热点,受到质量工程界、产品开发人员和管理人员的高度重视,与QFD和稳健设计并称为产品设计三大方法。目前,摩托罗拉、波音、克莱斯勒、福特、通用电气等跨国公司已经利用TRIZ理论进行产品创新研究,并取得了很好的效果。韩国的三星电子2003年在67个研究开发项目中使用了TRIZ理论,节约了1.5亿美元,产生了52项专利技术。实践已经证明,应用TRIZ理论与方法,可以增加80%—100%的专利数量并提高专利质量,可以提高60—70%的新产品开发效率。目前,学术界对TRIZ理论的改进和与其他设计理论和方法的比较研究也逐步展开,TRIZ的发展进入了新的阶段。

介绍几个案例,都是在国防科技创新的过程中遵循TRIZ理论中的典型方法,解决了重要的技术创新问题。

无壳子弹的设计。自动步枪每发射一枚子弹,就会从枪膛里面出来一颗空弹壳。这种弹壳是铜质的,一种很昂贵的金属材料。利用TRIZ的技术系统进化理论中的进化模式2,通过“去除辅助功能”来“增加理想化程度或水平”,研制成功没有弹壳的子弹。德国最近生产的C114.7型的自动步枪,是专门为枪靶射击而设计的,这种步枪用的就是无壳子弹。

窗格玻璃的设计。战斗机上使用的防弹玻璃从最开始就有一种严重的缺陷。当子弹击中防弹玻璃时,虽然玻璃不会破碎,但是,整块玻璃上都会有裂痕,这就严重妨碍了驾驶员的工作。利用TRIZ的技术系统进化理论中的进化模式10,通过“物体的局部替换”来实现“以结构改善入手进化系统”,研制成功战斗机上的窗格玻璃。现在,玻璃是由小块的玻璃块组成的,黏结在一块丙烯酸可塑板上。使用透明的黏合剂将玻璃块黏结起来。当子弹击中时,只有受到袭击的那一小块玻璃上才有裂痕。

火炮炮管的设计。炮管设计中存在着物理矛盾,即炮管直径必须足够大,以使一个个的炮弹容易射出,但同时又必须足够小,以免火药爆炸推力的泄漏。按照“空间分离原理”,解决了火炮炮管设计的物理矛盾。将炮管内径分为两个部分,将后部的爆炸室做成锥形,让球形的炮弹与锥形的爆炸室总可以形成封闭的空间。

飞船空间碎片碰撞模拟器的概念设计。为了模拟空间碎片在太空飞行中碰撞飞船,将一直径为3-5mm的钢球放入一射流发生器中,经加速与假设的飞船壳体碰撞。如果钢球的速度为8km/s,钢球保持原状,但速度至16km/s才能正确地描述碰撞的实际情况。达到该速度时,组成该钢球的材料自行分离,而不能完成碰撞。应用“时间分离原理”解决了这个物理冲突,即在高速运动钢球碎片产生离心的时刻,又使其产生向心力并不发生分离。通过在钢球表面有一爆炸物涂层实现了时间分离:当高速运动的钢球欲破碎并发生分离的时刻,爆炸物产生内向爆炸,防止钢球破碎。

国防科技工业应用TRIZ理论的必要性和迫切性

高新技术迅猛发展,战略高技术日益成为经济社会发展的决定性力量。20世纪发端于军工的计算机技术、因特网技术、核能技术、空间技术等深刻改变着社会的整体面貌。当前,军工战略高技术正进一步成为未来科技竞争的关键领域。一些发达国家投入大量资源,力图夺取未来竞争的战略制高点,谋求技术领先优势。国际空间站、伽利略卫星导航定位系统、国际热核聚变反应堆等重大科技工程相继启动。积极应对战略高技术领域的国际竞争,集中力量突破一批关键技术,在未来前沿科技竞争中占有一席之地,是国防科技工业的重要责任。

同时,以信息技术为先导的新军事变革,将对21世纪世界军事发展和国际战略格局的演变乃至各国的综合国力竞争产生深刻的影响。它不仅改变了战争的形态、规模、方式、指挥模式和战斗力的组成结构, 而且它将改变战争的物质手段和未来国防建设的重大理论。如当前在信息技术革命条件下,高技术武器装备技术需求的重点是:高精度、高可靠性、高难加工、新材料加工、高柔性、高安全性、易动员性、低成本等等。而军事高科技的产生必须通过大量的军事科研活动才能实现。为确保未来战争的胜利奠定技术基础,为适应新军事变革的要求, 增加军事科研的国防投入,提高国防创新的效率,是国防科技工业的必然选择。

我国国防科技工业作为国家战略性产业,是国防现代化的重要物质和技术基础,是国家先进制造业的重要组成部分和国家科技创新体系的重要力量。在新的国内、外环境下,国防科技工业只有进行产品创新开发,提供先进、可靠的产品,才能获得竞争优势,满足需求。可以说,国防科技工业的竞争就是产品设计的竞争,产品创新已经成为竞争取胜的关键因素。国防科技工业在2007年的重点任务之一,就是要致力于原始创新、集成创新,重视引进消化吸收再创新。

TRIZ理论就是可以提高原始创新、集成创新效率的方法。因此,在国防科技工业领域,普及TRIZ理论的基本知识和方法,是十分迫切的。

推广TRIZ理论,加快国防科技工业创新

掌握TRIZ理论体系——TRIZ是一个庞杂的理论体系,可以分为哲学层、方法论层和工具层三部分,如图1所示。哲学层主要指TRIZ的理想度(理想化水平)、矛盾和资源等概念,对所有创新问题解决都具有普适意义,并吸收整个人类的知识精华作为自己的知识库;方法论层主要指各版本的创新问题解决算法,ARIZ采用逻辑流把TRIZ的各种工具联系在一起,形成一整套问题解决方法;工具层包含TRIZ单独成一体系并相互之间存在交叉的工具集,创新问题可以应用不同的工具进行解决。

学习TRIZ的基本知识,掌握TRIZ基本理论体系的深刻内涵,才能更好的应用TRIZ理论,有效地提高科技创新的效率。

技术领域TRIZ应用方法论——在技术理论的实践中,TRIZ问题解决的方法如图2所示:

(1)问题分析——转化为TRIZ问题

问题分解得越彻底,越有利于找出导致问题产生的原因所在。针对不同类型的问题,可以采用以下两类功能支持和引导问题分析的过程:

系统分析。不同的部件通过彼此间的相互作用组成了整个技术系统,并使系统具备了相应的功能。运用系统分析功能,可以对整个技术系统进行全面的分析,清晰地了解系统是由哪些部件组成、各个部件完成什么功能以及哪个部件的功能完成得不理想。通过分析,可以发现系统中存在的问题和不足。

问题分解。对系统所呈现的表象问题进行深入分解,找出导致问题产生的一系列根本原因以及可以用于解决问题的内、外部资源。这样,原来看似复杂的问题被分解转化为一系列较简单的子问题,逐一解决这些子问题就可以最终解决原来较复杂的问题。至此,原来的问题可以转化为若干个TRIZ子问题,可以分为以下两类:

* 矛盾问题:问题中包含有矛盾,解决问题的核心是消除矛盾。

* 基本问题:功能性的问题,需要解决的是如何改善某些性能方面的问题。

(2)方案产生

* 矛盾问题的解决:针对具体的矛盾,采取适用的创新原理、相关的参考应用实例,最终找到消除矛盾的具体解决方案。

* 基本问题的解决:从创新方案库/专利库中可获得不同工程领域中解决类似问题的多种解决方案。

(3)方案评价

对所得备选方案进行综合评价,找出最适合的解决方案,形成TRIZ问题通用解,最后通过设计人员的类比思维以及自身的设计经验把TRIZ问题通用解转换为特定的领域解。

非技术领域TRIZ的推广——在创建TRIZ理论之初,主要应用于产品设计等传统技术领域。近年来,学者们发现TRIZ理论有着更加广阔的适用前景,可以应用于企业管理、社会政治、教育等非技术领域。据有关学者统计,可用于非技术领域的TRIZ工具集有:创新原理、矛盾分析、物质场模型、理想度、系统演化趋势等。例如矛盾矩阵可以用于解决管理和组织矛盾;物质场模型可使高度复杂问题变得可视化;预期失效判定工具可以预测和评估决策风险;系统演化定律可以预测未来的商业模式等。需要注意的是,TRIZ在非技术领域应用,很多工具和方法要根据非技术领域的特点加以修改。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/24/2008)
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