从奥运火炬看TRIZ理论

作者：万欣 段海波

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 1.北京奥运火炬祥云 近日，北京奥运会火炬样式正式公布（如图1）。这一火炬名为“祥云”，造型的设计来自中国传统的纸卷轴。从科技含量上，北京奥运会火炬在燃烧稳定性与外界环境适应性方面达到了新的技术高度，能在每小时65公里的强风和每小时50毫米的大雨情况下保持燃烧。在工艺方面使用锥体曲面异型一次成型技术和铝材腐蚀、着色技术。燃料采用丙烷，更加符合环保要求，顺应"绿色奥运"的理念，北京奥运会的火炬外形制作材料还是可回收的环保材料。 “祥云”火炬不仅外形设计具有浓烈的中国特色，其内部系统也是现代高科技的结晶，充分体现了北京2008年奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的举办理念。在北京奥运火炬的设计中，创造性的解决了很多技术难题，其中很多关键性的问题解决的方法与TRIZ理论中的经典理论也不谋而合。 2.TRIZ理论 2.1 TRIZ理论体系 TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文单词首字母的缩写。TRIZ理论是1946年由前苏联发明家G. S. Altshuller在1946年创立的。Altshuller通过分析大量专利发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可循的。在分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由解决技术，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系（如图2所示）。 这一方法学体系是以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维科学的分析和研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础，以技术系统（如产品）和技术过程（如工艺流程）、（技术系统进化过程中产生的）矛盾、（解决矛盾所用的）资源、（技术系统的进化方向——）理想化为四大基本概念，包括了解决工程矛盾问题和复杂发明问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程。 2.2 基于TRIZ理论的创新软件平台——Pro/Innovator 计算机辅助创新设计平台——Pro/Innovator继承了TRIZ理论中独特有效的技术创新问题解决技法，又将本体论所描述的对象关系应用于行业创新方案库的组织中，提供了快速及准确的获得创新知识有效途径。并融合了多领域技术难题解决的方法、现代设计方法学及计算机技术。从正确的描述问题、深入分析问题产生的根源、创造性解决问题，及评价解决方案，直至保护创新成果，实施知识管理等各个阶段提供了全面而系统的软件平台。如图所示3为Pro/Innovator软件的各个模块及其问题解决流程。本文中所应用的软件平台即为Pro/Innovator。 2.3 TRIZ理论的创新原理 TRIZ理论的体系涉及的内容众多，这其中非常核心的内容之一就是TRIZ创新原理。Altshuller再分析了大量发明专利之后发现，很多发明其实所涉及的问题是类似的，而对于这类问题，背后所应用的方法都存在某种共性的东西。因此，Altshuller将其总结概括，形成一系列的方法、工具，这里主要就是：矛盾矩阵与创新原理等。这样使得我们在遇到技术难题的时候，不至于陷入千头万绪，大大提高了我们问题求解的效率。 TRIZ创新原理由39个工程参数构成的矛盾矩阵、40个解决技术矛盾的创新原理以及11个解决物理矛盾的分离原理等组成。针对工程中的技术难题，提炼出存在技术矛盾的矛盾对，或物理矛盾，映射到矛盾矩阵的相应位置，即可得到TRIZ理论所推荐的创新原理来创造性的解决技术难题。“祥云”火炬设计中的几个关键难题的解决也深刻的包含了TRIZ理论中的创新原理。 3. TRIZ理论看火炬设计关键技术难题 奥运火炬除了外观设计，其内部燃烧系统是整个火炬的“心脏”。而如图4所示是用Pro/Innovator软件建立的火炬燃烧系统的功能模型。图5是对火炬燃烧不稳定的问题在软件中进行问题分解，得到整个问题的因果关系和系统资源，来全面的考察问题，寻找解决方案。从上述两个图中看出，对于火炬燃烧系统来说，燃料选择和保证火炬稳定燃烧的问题是其最关键性的问题。 3.1 燃料 燃料是火炬内部系统设计首要解决的问题。此次，北京奥运会火炬选择了丙烷作为燃料。它燃烧后主要产生水蒸气和二氧化碳，不会对环境造成污染。而且丙烷可以适应比较宽的温度范围，在零下40摄氏度时仍能产生1个以上饱和蒸气压，高于外界大气压，形成燃烧；丙烷可在低温保持一定的压力，像丁烷在低温时压力就变得很低了，很难喷出来。以往很多火炬传递需要跟着保温车，在保温车里保温，点燃的时候再把燃气罐拿出来，而丙烷燃料适应的温度范围比较宽。加上它产生的火焰呈亮黄色，火炬手跑动时，动态飘动的火焰在不同背景下都比较醒目。因此，它非常符合作为火炬燃料的各项技术指标。 但是丙烷也存在问题：在低温时压力较小，喷出相对困难，而且在丙烷液体变成气体时需要吸收热量，导致燃气罐温度降低。对于这个技术难题来说，需要提高燃气罐的压力，一般来说，只有充入更多的丙烷气体，或者增加对燃气罐加热的装置，这样就额外的损失了能量。 TRIZ理论认为，这里实际存在着“应力，压强”与“能量损失”这一对技术矛盾。根据这一矛盾对，在TRIZ理论的矛盾矩阵表中找到相应位置（如图6所示）,得到TRIZ理论所推荐的创新原理是： ·第2号抽取原理（Principle of isolation）： 从物体中抽出产生负面影响的部分或属性，或者仅抽出物体中必要的部分或属性。 ·第36号相变原理（Principle of using phase transition）： 利用物质相变时产生的某种效应。如体积改变，吸热或放热。 ·第25号自服务原理（(Principle of self-service）： 使物体通过执行辅助或维护功能为自身服务，或者利用废弃的能量与物质。 其中，根据TRIZ第25号自服务原理（如图7所示），我们可以利用到火炬燃烧时本身会释放出热量，设计增加回热管(heat regenerative pipe)，用火炬火焰的热量来加热燃气罐，这样就可以使得丙烷始终保持一定的温度，很好的解决了这一技术难题。 3.2 不灭的火焰----双火焰方案 火炬在传递过程中要求不能熄灭，而且不论刮风还是下雨，都必须保持火炬燃烧的状态。尽管大家过去也都想了很多方法，但是在奥运会历史上还是经常出现意外。例如：上一届雅典奥运会在火炬传递的两个最重要的仪式上都曾出现熄火现象。与此不同，在悉尼奥运会上，奥运火炬还首次实现在海底传递。 对于一般的奥运火炬来说，要保证火焰不灭，那么必须要能够始终足够的产生大量的热才能维持火焰的在各种极端情况下，相应的要求气体燃料足够多，燃烧室中产生火焰热量足够大才能抵御各种情况。这样以来势必要求燃烧系统所占的体积很大，相应火炬的重量也会增加。但是对于奥运火炬传递手来说，从安全的角度考虑，不希望火焰的热量过大，同时为了使用方便，也不希望火炬的体积和重量过大的。因此，技术系统中对同一参数出现了完全相反的要求，在TRIZ理论中将这种情况称为“物理矛盾”。在TRIZ理论中，由第41号到51号创新原理来专门解决物理矛盾。 对于火焰不灭问题，TRIZ理论所推荐的第41号创新原理：矛盾空间分离原理(Separation of contradicting properties in space)（如图8所示），与此次北京奥运火炬所采用的是“双火焰方案”设计思想是完全一致的，将整个燃烧系统分为：预燃室(precombustion chamber)和主燃室(main combustion chamber)。 整个火炬燃烧系统的工作方式是：当稳压阀打开以后，燃气以气态形式从气罐里出来，然后经过稳压阀。气体从稳压阀出来后，会经过回热管，到达阀门后气体“兵分两路”，一路流到燃烧器的预燃室，另外一路流到主燃室。到达预燃室的气体与空气形成预混火焰；到达主燃室的气体，将进行空气的补燃，形成饱满的火焰。在预燃室，在火炬内保持一个比较小的但十分稳定的火焰，如果出现极端情况，主燃室火焰熄灭，预燃室仍能保持燃烧，保证火炬不熄灭。 另外，火炬的燃气罐和稳压阀是连接在一起的，稳压阀的作用是使从气罐里出来的气体经过稳压阀后，保持一定的压力。如果气体压力稳定的话，在各种气候变化时，火炬的火焰能保持一定高度。 这样的设计使得北京奥运会火炬在燃烧稳定性与外界环境适应性方面达到了新的技术高度，能在每小时65公里的强风和每小时50毫米的大雨情况下保持燃烧。 3.3 防止风的回旋 火炬顶端的纸卷形状（如图9所示）容易形成风的回旋，因此，需要改进燃烧系统的抗风性。而实际上，只要预燃室不灭，整个火焰也就不会灭。那么对于提高预燃室抗风性的问题，需要改进的火炬燃烧系统的可靠性，但要提高火焰的可靠性，那么必须提供更大的热量，这样就造成了火炬能量损失。根据“可靠性”和“能量损失”这一矛盾，再由TRIZ理论的矛盾矩阵表，得到推荐的创新原理是： 第10号预先作用原理（Principle of preliminary action）； a) 预先对物体（全部或至少部分）施加必要的改变； b) 预先安置物体，使其在最方便的位置开始发挥作用而不浪费运送时间。 第11号事先防范原理（Principle of in-advance prepared emergency means）； 采用事先准备好的应急措施，来补偿物体相对较低的可靠性。 第35号物理化学参数改变原理（Principle of change of physical or chemical parameters）； a) 改变聚集态（物态）； b) 改变浓度或密度； c) 改变柔度； d) 改变温度。 其中，根据第11号事先防范原理（如图10所示）的建议，可以在预燃室上方加了盖板(cover plate)，提高了它的抗风性能。遇到瞬时的风变，火炬已然可以正常燃烧。 4 从TRIZ理论技术进化曲线看历届奥运火炬沿革 现代奥运火炬从第11届柏林奥运会之后，此后历届奥运火炬（如图11所示）的各项技术指标、性能 也不断发展、突破。奥运火炬的发展也深刻的体现了TRIZ理论中另一核心内容――“技术系统进化理论”。 4.1 TRIZ的技术系统进化理论 发明问题解决理论( TRIZ) 认为,技术系统的进化要经历婴儿期、成长期、成熟期和退出期4 个阶段。在此发展过程中，技术系统都遵循一定的客观发展规律。TRIZ理论在大量分析以往专利的基础上，将这些规律概括总结而成八大技术系统进化法则。以下，我们从奥运火炬的发展历史，来看TRIZ理论的技术系统进化法则。 4.2 火炬燃料的进化 TRIZ理论中的八大进化法则中——向微观级升迁法则（Law of Transition of a Micro-Level）（如图12所示）。“向微观级升迁法则”指出，技术系统及其子系统在进化发展过程中减小它们的零件尺寸。技术系统的零件倾向于达到原子和基本粒子的尺度。在极端情况下，技术系统零件的小型化意味着向相互作用场升迁。 在奥运火炬历史上，曾经出现过使用镁、火药、树脂、橄榄油……各种材料作为火炬的燃料（关于各届奥运火炬情况参见附录中的表格）。1936年柏林奥运会制作了第一把火炬，由镁为主的燃料供燃。但是在1956年奥运会火炬的最后一棒，采用镁和铝做燃料，火焰很亮，但剧烈燃烧产生的灰烬却灼伤了火炬手的手臂。 因此，这种采取固体镁的燃烧方式，逐渐被替代。1960年罗马奥运会的火炬用天然树脂松香作燃料。天然的树脂是一种弹性体。后来，到1972年慕尼黑奥运会首次引入了液体燃料。在压力作用下，燃料以液态存贮，燃烧时则是气体，这样既安全又易于储存，以后的奥运会火炬大都采用了这种方式。 从以上奥运火炬发展的历史，与TRIZ理论中的“向微观级变化法则”的内涵高度一致。这样的例子比比皆是，切削刀具，计算机……的发展都是非常好的例证。我们可以根据技术进化法则，大胆预测未来火炬的燃料发展方向是以“场”的形式存在。因此，掌握了技术系统自身进化发展的规律，可以预测产品未来的发展方向，把握产品开发的方向。 5. 结论 TRIZ理论（发明问题解决原理）是在分析了大量专利的基础上，形成的一门系统化创新的理论，是进行产品创新的有效工具。针对具体的技术难题，可以在TRIZ理论的指导下，设计者可以得出问题求解的方向，再根据相关的领域知识和实践经验，创造性的解决问题。北京奥运火炬设计中技术难题的解决以及历届奥运火炬发展的历史，都是TRIZ理论丰富的例证。基于TRIZ理论的计算机辅助创新软件，将TRIZ理论与软件技术相结合，使得TRIZ理论不仅仅是一门研究“创新的科学”，更成为工程师进行“科学的创新”必不可少的有效工具。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/9/2008)