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TRIZ理论中ARIZ算法的研究与应用 |
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作者：韦子辉 阎会强 檀润华 |
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TRIZ是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具组成的综合理论体系。TRIZ中包含了用于分析和解决问题的多种工具，主要有：
(1)用39个通用的工程参数将各种冲突进行标准化归类，并采用40条发明原理解决技术冲突；
(2)物理冲突及分离原理；
(3)用物质一场模型定义5类问题并建立对应的76个标准解；
(4)效应知识库在不同工程领域问题的关联互用；
(5)技术系统进化模式与成熟度预测；
(6)用于解决复杂问题的ARIZ算法。
TRIZ理论中的各种方法和工具在国内已开始应用于产品设计领域，基于TRIZ创新方法工具的计算机辅助创新软件InventionTool 3.0已经进入实用。ARIZ是TRIZ中最强有力的解决发明问题工具，专门用于解决复杂、困难的发明问题，但ARIZ本身过于复杂，不宜掌握，对使用者要求较高，ARIZ的应用远不及TRIZ其他方法工具那样广泛，且国内外的TRIZ辅助创新软件都没有包括ARIZ。随着国家创新战略的深入，企业对创新级别和深度的要求不断提高，有必要开展针对复杂问题创新方法工具的理论及应用研究。文中介绍了ARIZ的内容及应用方法，并提出了一些发展及改进ARIZ的构想。
1 ARIZ概述
ARIZ最初由Ahshuller于1956年提出，经过多次完善才形成比较完整的体系，ARIZ是解决发明问题的完整算法，是TRIZ中最强有力的工具，集成了TRIZ理论中大多数观点和工具。ARIZ的主导思想和观点如下：
(1)冲突理论。
发明问题的特征是存在冲突，ARIZ强调发现并解决问题中的冲突，Altshuller将冲突分为管理冲突、技术冲突和物理冲突。管理冲突是指希望取得某些结果或避免某些现象，需要作一些事情，但不知如何去做；技术冲突总是涉及系统的两个基本参数A与B，当A得到改善时，B变得更差；物理冲突仅涉及系统中的一个子系统或部件，并对该子系统或部件提出了相反的要求。技术冲突可转化为物理冲突，物理冲突更接近问题本质。
ARIZ采用一套逻辑过程，逐步将一个模糊的初始问题转化为用冲突清楚表示的问题模型。首先将初始问题用管理冲突来表述，根据TRIZ实例库中的类似问题类比求解，无解则转化为技术冲突采用40条发明原理解决，如问题仍得不到解决则进一步深入分析发现物理冲突。特别强调由理想解确定物理冲突的方法，一方面技术系统向着理想解的方向进化，另一方面物理冲突阻碍达到理想状态。创新是克服冲突趋近于理想解的过程一声。
(2)克服思维惯性。
思维惯性是创新设计的最大障碍，ARIZ强调在解决问题过程中必须开阔思路克服思维惯性，主要通过利用TRIZ已有工具和一系列心理算法克服思维惯性。
①将初始问题转化为“缩小问题”(Mini-Problem)和“扩大问题”(Maxi-Problem)两种形式。“缩小问题”是尽量使系统保持不变，达到消除系统缺陷与完成改进的目的，“缩小问题”通过引入约束激化矛盾的目的是发现隐含冲突。“扩大问题”是对可选择的改变不加约束，目的是激发解决问题的新思路。
②强调应用系统内、系统外和超系统的所有种类可用资源。主要包括7种潜在的资源类型：物质、能量/场效果、可用空间、可用时间、物体结构、系统功能和系统参数，并且可用资源的种类和形式是随着技术的进步不断扩展的。
③系统算子：考虑将系统问题扩展，系统往往不是孤立存在的，系统包含子系统，并隶属于超系统，在过程上处于前系统和后系统之间，系统也包括过去状态和将来状态。系统算子方法考虑系统内问题是否可以转移到所在超系统、前系统、后系统及系统的不同时间段。有时系统内难解决的问题在系统以外很容易解决。
④参数算子：考虑系统长度参数、时间参数，以及成本增大或减小可能出现的情况，目的是加强冲突或发现隐含问题。
⑤尽量采用非专业术语表述问题，因为专业术语往往禁锢人的思维。例如在“破冰船破冰”的惯性思维引导下，人们不会想到可以不用破冰而将冰移走。
(3)集成应用TRIZ中大多数工具。
ARIZ集成应用了TRIZ理论中绝大多数工具，包括理想解、技术冲突理论、物理冲突理论、物场分析与标准解、效应知识库。对使用者有很高要求，必须可以熟练使用TRIZ理论其他工具。
(4)充分利用TRIZ效应库和实例库，并不断扩充实例库。ARIZ应用效应库解决物理冲突，并已有相应软件支持。搜索实例库，借鉴类似问题解决方案，并且每解决一个问题都要分析解决方案，具有典型意义及通用性的加入实例库。但不同问题的相似性判别、原理解特征分析、实例库分类检索方法还有待研究。
2 ARIZ 85-AS详细步骤介绍
ARIZ有多个版本，ARIZ 85-AS是最具有代表性的版本。ARIZ 85-AS共有9个步骤。
图1 ARIZ流程图
图1所示ARIZ的前5个步骤将初始问题转化为冲突并解决冲突，如果问题在前5步没有得到解决，步骤6重新定义问题并跳回到第一步，步骤7的作用是问题解的评价，步骤8由问题特解中抽取出可用于解决其他问题的通用解法，步骤9是TRIZ专家分析ARIZ求解过程，以改进ARIZ。ARIZ每个步骤包含许多子步骤，应用中不强调采用所有步骤，根据情况可跳过一些无关子步骤。详细子步骤介绍如下，准备工作：搜集问题所在系统的相关信息。
(1)收集并陈述问题相关案例，了解已经尝试过但没有成功的解决方案。
(2)通过回答以下问题，定义问题解决后应达到的目的及能接受的最大成本。
①评价问题解决的技术和经济指标是什么?
②问题解决后带来的好处?
③要解决问题，技术系统哪些特性和参数必须改变?
④可以接受的成本是多少?
步骤1：问题分析与表述。
问题分析步骤的主要作用是搜集技术系统相关信息，定义管理冲突，分析问题结构，以“缩小问题”的形式表述初始问题。
(1)按照如下文本形式，表述技术系统。技术系统的主要目的是__，主要子系统包括__，技术系统和它的主要子系统的有用功能包括__，有害功能包括__。
(2)回答如下问题，判断问题是常规问题还是冲突问题，常规问题不需应用ARIZ。
①应用已知方法提高有用功能，有害功能是否同时提高?
②消除或减弱有害功能，有用功能是否同时减弱？如果两个问题答案都是否定的，则是常规问题，不需应用ARIZ。
(3)采用管理冲突和“缩小问题”形式表述原问题。“缩小问题”模板：如何通过系统最小的改动实现有用功能消除有害功能，或如何通过系统最小改动消除有害功能并不影响有用功能。
(4)图形表示“缩小问题”的结构。根据有用功能有害功能的相互作用关系，分为点结构、成对结构、网状结构、线结构、星形结构等，图2为几种结构的表示方法。复杂结构的“缩小问题”简化为标准的点结构，复杂结构问题分析理论还不成熟，是现在TRIZ研究的热点之一。
图2 问题结构示意图
(5)TRIZ实例库应用，寻找是否可利用类似问题解。
(6)问题发散。假设初始问题不可能解决，应用系统算子，考虑在超系统、前系统、后系统及系统的不同时间段寻找替代解决方案，达到同样目的。问题解决则转到步骤7。
步骤2：系统分析与冲突表述。
该步骤分析问题所在技术系统各要素，构建技术冲突表述问题，并尝试采用发明原理与标准解法解决技术冲突。详细子步骤如下：
(1)陈述问题所在技术系统的主要要素：TRIZ认为技术系统包括输入原料要素、工具要素、辅助工具要素和输出产品要素。
(2)通过分析系统要素作用过程，发现冲突，冲突一般发生在工具、辅助工具要素作用于原材料要素的过程中。
(3)根据技术冲突的两种形式，构建技术冲突TC1和TC2。
TC1：增强有用功能，同时增强有害功能；
TC2：降低有害功能，同时降低有用功能；
(4)如果冲突涉及到辅助工具要素，可以尝试去除辅助工具要素构建技术冲突(TC3)。
(5)确定冲突，选择合适的技术冲突(TC1，TC2，TC3)来表述问题(原则是解决哪一个冲突可以更好地实现系统主要功能)。尝试用冲突矩阵与40条发明原理解决技术冲突，冲突解决则转到步骤7。
(6)采用参数算子方法，加强冲突，直到原问题出现质变出现新的问题，并重新分析问题。
(7)构建技术冲突的物质-场模型，尝试用标准解法解决问题。如果技术冲突得不到解决，继续步骤3。
步骤3：确定理想解和物理冲突。
确定最终理想解，发现阻碍实现理想解的物理冲突。
(1)结合设计草图，定义操作区域、操作时间。
(2)定义理想解1：在不使系统变复杂的情况下，实现有用功能，并不产生和消除有害功能，并不影响工具要素有用行动的执行能力。
(3)加强理想解：引入附加条件，不能引入新的物质和场，应用系统内可用资源实现理想解。
①列出系统内所有可用资源清单；
②选择一种资源(x资源)作为利用对象。依次选择冲突区域内的所有资源，选用的顺序为工具要素、其他子系统的资源、环境资源、原材料要素和产品；
③思考利用x资源如何达到理想解，并思考如何能够达到理想状态(x资源可作为假想冲突元素可具有相反的两种状态或属性，不必考虑是否可实现)；
④遍历所有资源以后，选择一个最可能实现理想解的x资源作为冲突元素。
(4)表述物理冲突。物理冲突模板：在操作空间和时间内，所选石资源应该具有某一状态以满足冲突一方，又应该具有相反的状态以满足冲突另一方。
(5)构建理想解2。所选x资源在操作时间和空间内，具有相反的两种状态或属性。
(6)尝试解决理想解2指出的问题，如果问题没有解决，选择另外一种资源。
步骤4：可用资源分析。
在步骤3系统内资源分析的基础上，进一步拓展可用资源的种类和形式(包括派生资源)。
(1)使用物质资源的混合体来解决问题。
例如稀薄的空气可以看作是空气与真空区的混合体，并且真空是一种非常重要的物质资源，可以与可利用物质混合产生空洞、多孔结构、泡沫等。
(2)应用派生资源。
(3)将产品作为一种可用资源，常见如下几种应用形式。
①产品参数和特性的改变；
②产品暂时改变；
③多层结构。
(4)应用超系统资源。
(5)使用场资源和场敏物质，典型的是磁场和铁磁材料、热与形状记忆合金等。
(6)在应用新资源的情况下，重新考虑采用标准解解决问题。
(7)经过以上步骤问题仍没有解决，进入步骤5应用TRIZ知识库，经过以上分析步骤，问题表述更接近问题本质，有助于问题解决。
步骤5：应用TRIZ知识库(包括实例库、效应、分离原理等)解决物理冲突。
(1)采用类比思维，参考ARIZ已经解决的类似问题的解决方案。
(2)应用效应库解决物理冲突，新效应的应用常可获得跨学科高级别的发明解。
(3)尝试应用分离原理解决物理冲突。
步骤6：转换或替代问题。
问题没有解决的重要原因是发明问题很难得到正确表述，解决问题过程中经常需要修改问题表述。
(1)问题解决则跳转到步骤7。
(2)问题没有解决，返回步骤l，分析初始问题是否可分为几个小问题，重新分析确定主要问题。
(3)检查步骤2中冲突要素分析是否正确，是否可以选择其他产品或工具要素。
(4)选择步骤2中的其它冲突表述TGI，TC2，TC3。
步骤7：原理解评价，主要目标是检查解决方案的质量。
(1)检查每一种新引入的物质或场，是否可以用已有物质和场代替。
(2)子问题预测：预测解决方案会引起哪些新的子问题。TRIZ所得到冲突的解分为两类：①离散解：彻底消除了技术冲突，或新解使得原有技术冲突已不存在；②连续解：新解部分消除了冲突，但冲突仍然存在，不断地消除冲突的同时产生一系列新的冲突，这些冲突构成冲突链。
(3)方案解评估，主要采用如下评价标准。
①是否很好实现了理想解l的主要目标；
②是否解决了一个物理冲突；
③方案是否容易实现；
④新系统是否包含了至少一个易控元素?如何控制?
所有标准都不满足则回到步骤1。
(4)检索专利库检查解决方案的新颖性。
步骤8：原理解利用。
原理解具体工程实现方法，以及评价该方法是否可以应用于其它问题。
(1)定义改变：定义包含改进系统的超系统应如何改变。
(2)可行性分析：检查改进后的系统和超系统是否可以按新方式工作。
(3)考虑应用解决方案采用的原理解决其他问题。
①陈述解法的通用原理；
②考虑该解法原理对其他问题的直接应用；
③考虑使用相反的解法原理解决其他问题。
步骤9：对全过程合理性的分析。
主要是面向TRIZ专家，用于评估改进ARIZ。
(1)将问题解决实际过程与ARIZ的理论过程比较，记下所有偏离的地方。
(2)将解决方案与TRIZ知识库比较，如果TRIZ知识库没有包含该解决方案的原理，考虑在ARIZ修订时扩充。
3 工程实例
中药滴丸滴制成形烘干后，需计数装瓶。国内应用比较广泛的是滚筒式滴丸包装机，实现了滴丸计数，灌装，封瓶的全自动操作。其技术核心及难点在于如何实现滴丸计数及排粒。如图3所示滴丸装载在料仓中，随着滚筒的旋转，滴丸在定量板(如图4所示)的运载下，每100粒一批，通过槽轮排粒保证定量板上所有药粒通过漏斗被灌入药瓶之中。图4所示为定量板，图5为槽轮排粒示意图。光电计数器检测定量板是否布满药粒，没有布满的装瓶后要被剔除。
图3 滴丸包装机示意图
这种方法的最大缺点是：定量板布粒孔数量一定，灌装数量柔性化小；槽轮排粒机构复杂，振动噪声大；使用的光电传感器数量多。
应用ARIZ改进滴丸包装机，首要解决的问题是实现灌装柔性化。
步骤1，准备工作：
(1)搜索现有丸剂包装机方案，都没有解决灌装柔性化这一问题，且没有可借鉴失败方案。
(2)确定改进系统应达到的目的。
①问题解决后将可调整装瓶的药粒数，改善排粒。
②问题解决后必须保证计数的准确性，并保证可将药粒排出，不影响后续工序。
③新方案应不增加系统的复杂性。
步骤2：问题分析与表述。
(1)该系统的主要功能是实现药粒的计数，并将药粒排出。系统主要部件包括滚筒、定量板、槽轮、料仓、光电传感器。
(2)问题：现有系统定量罐装无法实现柔性化生产，初步判断存在冲突属于发明问题。
(3)管理冲突和“缩小问题”形式表述原问题。管理冲突：需要调整药粒装瓶数，现有系统无法实现。“缩小问题”在尽量少改变现有系统的条件下，实现柔性化罐装。
(4)问题属于简单的点结构问题。
(5)搜索TRIZ发明实例库，没有找到类似问题可参考。
(6)问题发散：滴丸包装机根据工序可分为计数排粒，装瓶，压盖3个子系统。转移问题得到初步方案：排粒必须在原子系统内实现，计数可考虑后续装瓶工序前实现。
步骤3：系统分析与冲突表述。
(1)陈述技术系统各要素。输入原材料：药粒；工具要素：滚筒；辅助工具要素：定量板、槽轮、光电计数器；输出产品：规定数量的药粒。
(2)冲突要素：定量板，定量板固定数量药粒孔阻碍调整灌装数量。
(3)构建技术冲突。
TC1：滚筒安装定量板，实现了药粒的计数与排粒，妨碍了调整灌装药粒数。
TC2：滚筒不安装定量板，无法调整灌装数量，更无法实现计数。
(4)TC1可以更好地表述问题，选择TCl为要解决技术冲突。
(5)应用40条发明原理解决冲突，由发明原理15：“动态化”得到原理解，通过更换定量板，调整灌装数，但在定量板面积不变的情况下不能增加灌装药粒数，只能减少。且定量板曲率半径必须与滚筒半径相等，加工难度大。此原理解不采用。
步骤4：理想解确定和物理冲突。
(1)冲突区域：定量板、滚筒、槽轮。冲突时间：从布粒到排粒。
(2)陈述改进后系统理想状态：不影响系统灌装计数和增加系统复杂性，并可实现调整装瓶药粒数。
(3)首先选择定量板作为改进对象，考虑利用定量板如何达到理想状态。
(4)构建宏观物理冲突：为实现计数定量板的药粒孔数为定量，为调整装瓶数药粒孔数为可调量，定量板必须具有药粒孔数固定和可调两种属性。
(5)应用分离原理和标准解，无法解决该物理冲突，返回本步骤中(3)选择其他组件作为改进对象。采用滚筒作为利用对象，构建宏观物理冲突：滚筒必须安装定量板以实现布粒和计数；安装定量板无法调整灌装数，滚筒必须不安装定量板采用其它结构实现调整灌装数。再返回本步骤中(5)，应用分离原理，将滚筒的布粒和计数功能分离，计数功能可考虑在后续工序实现。滚筒只实现布粒功能不需安装定量板和光电传感器，采用图6所示结构，在滚筒上直接布置布粒孔。在后续工序中实现计数，如图7所示，在灌装前漏斗入口加装光电传感器实现计数。跳转到步骤7验证原理解的可行性。
图6 布粒滚筒
步骤5：原理解评价。
(1)检查改变。改进后的方案没有引入新的物质和场，去掉了定量板，调整了光电传感器的位置，槽轮需重新加工。
(2)子问题预测。新方案可能引出的主要问题是：滚筒需定期拆卸清洗药粒孔(原来只需拆卸定量板)。采用槽轮排粒不仅加工困难，槽轮和滚筒交错不易拆卸，返回到步骤2解决该子问题。
步骤6：系统分析与冲突表述。
(1)构建技术冲突表述问题。
TC1：采用槽轮，实现排粒，但产生噪声和振动，使滚筒拆卸困难。
TC2：去掉槽轮，鞘除了振动和噪声，简化结构使滚筒易于拆卸，但却不能保证排粒。
(2)应用40条发明原理解决冲突。
TC1不易解决，选择TC2为要解决的技术冲突。应用发明原理28(机械系统替代)、发明原理29(气体与液压结构)，产生了一种新的方案，即用气体排粒方式代替机械排粒方式。高压气体通过气管进入预订位置，通过气针对药粒进行排粒灌装。气针如图7所示，设置在布粒滚筒的内腔，每一个通道对应一个排粒气针。跳转到步骤7重新验证原理解。
图7 改进后的滴丸包装机
步骤7：原理解评价。
(1)检查改变：新方案引入了新物质高压气体，但在后续工序采用了气动元件，整个系统已有气源，并不增加系统复杂性。
(2)子问题预测：没有新问题出现。
(3)原理解评价。
①新方案实现了系统主要功能；
②新方案解决了一个物理冲突；
③新方案降低了结构复杂性，易于工程实现。
采纳原理解，改进设计后的中药包装机解决了原设计存在的主要问题。
步骤8、步骤9主要是由TRIZ专家分析总结问题解决过程和方案解，以改进和完善ARIZ。
4 结束语
ARIZ包含了TRIZ理论的大多数观点和工具，给出了解决复杂问题的完整流程，发展了TRIZ理论。但根据TRIZ的成熟度理论，ARIZ还处于婴儿期，其理想状态是找到一种适用于大多数复杂问题的分析解决方法。这是很难实现的，因为人类解决问题的过程很难描述清楚。现阶段ARIZ的主要问题及改进方向如下：
(1)TRIZ主要是基于知识与经验的创新方法理论，ARIZ首次采用系统化的分析推理过程引导人类的创新思维，在此基础上应进一步结合其它领域关于问题分析、知识表示、逻辑推理的相关研究成果，完善ARIZ的分析推理决策过程。
(2)产品设计中会遇到各种形式的问题，要实现通用的问题解决方法，首先要提供通用的问题表示及分析方法，并在此基础上划分问题类型，研究不同种类问题的解决方法。
(3)ARIZ比较适用于解决详细设计阶段和改进设计遇到的问题，针对概念设计阶段问题的理论方法有待研究。
(4)复杂问题往往包含多个冲突，今后应在TRIZ冲突理论基础上研究如何解决多冲突问题。
(5)改进ARIZ使其应用更加方便，并开展软件实现方法研究。
虽然TRIZ还处于发展之中，但其成熟部分已成功地解决了设计中的很多难题，得到越来越多的企业认同，随着TRIZ的不断发展和推广，必将加强我国企业在技术创新中的主体地位，推动技术创新，提高企业在世界市场上的竞争力。(end)
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(3/1/2009) |
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