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基于TRIZ的计算机辅助创新原型系统的研究与实现

作者：刘晓平唐益明秦晋

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创新是社会发展的重要推动力量，也是产品概念设计的重要目标和关键性研究课题，研究如何创新有着巨大的现实意义。所谓创新是指新的可行解或概念，该解或概念与已有的解或概念相比具有明显的竞争优势[1]。随着计算机的飞速发展，进行计算机辅助创新己经成为推动创新进一步发展的重要手段，因此，研究计算机辅助创新非常必要。

文献[2]对已有的多种创新方法进行了细致地比较，发现起源于前苏联的TRIZ理论(发明问题解决理论)是其中最好的创新方法。该文对TRIZ理论进行了研究，并在此基础长提出并开发了基于TR1Z的计算机辅助创新原型系统。

1 相关工作

TRIZ理论是在250万件发明专利中总结凝练出来的理论，它以大量的实际案例为基础，通过行之有效的启发原理来提供创新的解决思路，能很好地指导设计者进行创新，是个发展比较成熟的理论，有巨大的实用价值。并且，TRIZ可以较好得被计算机化，因此是进行计算机辅助创新的理想方法。

目前在国内外己经有了不少的TRIZ软件。文献[3]介绍了InventionTool 2.0软件，该软件包括进化原理模块、冲突矩阵模块、效应模块、引导模块，是个比较系统全面的TRIZ软件。亿维讯集团开发出了Pro/Innovator软件，该软件主要通过根本原因分析法、技术系统分析法进行分析得出物理矛盾，再通过TRIZ冲突解决方法得到推荐原理。文献[4]介绍了TechOptimizer软件，利用该软件辅助产品创新时，通常先由问题分析定义模块对产品中的问题用功能关系图进行分析找到实现创新的关键所在，然后进入工程学原理知识库、创新原理(主要为矛盾矩阵)、系统改善预测模块分别或组合使用生成产品创新方案。而TriSolver4.net软件也是个较成熟的产品，包含功能和矛盾分析、TRIZ发明算法、革新和分离原理、预料的故障鉴定、技术革新趋势等内容[5]。除此之外还有TRIZ Explorer软件等。

以上这些软件都是侧重于从工程化的角度来进行创新，更多的是凭借工程经验、原理、人的知识等来分析问题，而没有充分利用计算机本身的优势。那么，如何充分地发挥计算机的优势，使TRIZ理论以更自动化的方式来进行创新，并拓宽创新的领域，就成了一个非常值得研究的课题。该文的工作正是基于这样的背景下展开的。

2 TRIZ理论背景

2.1 TRIZ简介

上世纪中叶，Genrich Altshuller和他的同事们在研究了约250万个技术领域的专利文献后，提出了TRIZ理论。其中包含多种分析方法和工具，主要包括冲突、技术参数、创造性原理、矛盾矩阵、冲突问题的结构表示、物质一场模型(或TOP模型)、ARIZ算法等内容。

创新是通过消除冲突来解决问题，而那些不存在冲突的问题，或采用折衷的方法解决问题则不是创新[6]。TRIZ中核心的部分之一就是对冲突的解决。冲突问题的本质是功能之间出现冲突造成的，即产品是功能的实现[6]，TRIZ中冲突的解决都是基于这点的。

TRIZ主要研究技术冲突与物理冲突。物理冲突往往表现为在同一个子系统内两个功能之间发生冲突，导致同时产生了相反的需求。技术冲突往往表现为在不同子系统中的两个功能间发生冲突，并最终可以被转化为某几对技术参数之间的冲突。

技术参数是TRIZ理论通过抽象得出的描述冲突的参数。而创新原理(或称发明原理)是TRIZ理论通过对大量专利分析后得出的解决技术冲突的关键，有巨大的启发意义。矛盾矩阵就是为了解决技术冲突而创造的，矛盾矩阵的X、Y轴表示技术参数，X、Y轴的交叉点就是解决这两个技术参数之间矛盾的创新原理。

冲突问题的结构表示是通过功能的冲突来描述子系统内部或其间的冲突。TRIZ把冲突问题分为点问题、对问题、线形问题、网络问题和星型问题5类基本问题[6]。在分析问题的起始阶段需将问题转化为这些类型，这样可以方便地帮助用户发现冲突的具体情况。

ARIZ算法是TRIZ主要的分析问题、解决问题的工具。其实质是为了解决问题的矛盾对立，对物质一场(或TOP)形成的初期问题进行一系列变形及再定义等非计算性逻辑过程。

2.2 物质-场分析与TOP功能分析

物质-场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术，通过3个组成要素(物体S1、物体S2和场F)来描述功能：场F通过物质S2作用于S1并改变S1。如图1左图(用物质-场描述有害功能模型)。

目前已经有多种改进的符号系统[7]，[8]。其中，Zinovy在文献[7]中提出了TOP功能分析模型，是物质一场的改进模型。通过4个组成要素：场Field、工具Tool,(受动)物体Object和产品Product来描述功能。如图1右图(用TOP分析方法描述有害功能模型)。

相比而言，TOP功能分析能够更普遍、精确的描述功能，很容易在多个功能间建立联系，并且增加了一种基本功能模型(未知的非期望功能)[7]。同时，TOP模型由于增加了产品这个元素，使得更好地具有与其他非TRIZ创新方法结合的性能，即具有更好的开放性。故此处采用TOP功能分析模型来分析问题。通过TOP功能分析模型对功能之间的冲突进行分析，辅助用户得出相冲突的技术参数。

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3 TRIZ创新系统

3.1 系统框架

TRIZ创新系统各部分功能示意图如图2所示，模块结构如图3所示。按照功能模块划分，系统主要包括冲突问题的结构模块、TOP分析模块、冲突相互转化模块、技术冲突解决模块、物理冲突解决模块、原理相互转化模块和总结评价模块。同时，还有数据库模块在发挥保存和读取的作用。系统主要模块的功能和作用如下：

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图2 TRIZ创新系统功能示意图

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图3 TRIZ创新系统结构图

(1)冲突问题的结构模块通过对原始问题进行分析，在界面中用基本问题或其组合进行图形化操作，得到冲突的结构:然后对冲突结构进行分解，自动转换为技术/物理冲突，为下一步的分析作好准备。

(2)冲突相互转化模块有时解决物理冲突比解决技术冲突更容易，这时通过分析，采用另一个参数或物体来控制技术冲突的两个参数，可以转化为物理冲突[6]。同时，物理冲突也可以转化为技术冲突。

(3)TOP分析模块对每一个技术冲突，对冲突进行TOP功能分析模型的表示和编辑，辅助人们分析问题，把问题归结到几对技术参数的冲突。

(4)技术冲突解决模块输入几对相冲突的技术参数，查询矛盾矩阵得到推荐的创新原理，从而达到解决冲突的目的。采用技术冲突链表管理各个技术冲突。(3)和(4)共同完成了技术冲突解决的功能，如图2。

(5)物理冲突解决模块对于物理冲突，通过4条分离原理来解决，对具体的冲突进行人工分析得到哪儿条分离原理在起作用。采用物理冲突链表管理各个物理冲突。

(6)原理相互转化模块每一条分离原理都有多条创新原理与之对应[6]，该模块完成创新原理与分离原理相互转化的工作。

(7)总结评价模块通过推荐的原理得到问题解决的思路，再通过分析得到问题的实际解，并对此思路进行分析评价，若没有得到好的解决方案则回到冲突问题的结构模块，对问题重新分析。

(8)数据库模块该模块负责技术冲突、物理冲突、TOP模型、己经得到的推荐原理等的保存和提取，并且完成矛盾矩阵、分离原理等的查询功能。

3.2 系统数据结构

由于冲突问题的本质是功能之间出现冲突造成的，所以对功能的定义很重要，此处把实现该功能的子系统纳入到功能的定义中，形成对功能的数据结构的定义：

struct Function{
CString m_nameOfFunction; //功能名
CStringArray m_nameOfSystem;
//实现该功能的子系统名
BOOL IsUseful; //标识有用功能/有害功能
BOOL IsReinforced; //标识加强/减弱该功能
};

对于冲突，此处以技术冲突为例，在不同子系统中的两个功能发生了冲突，其中关键就是通过功能1与功能2的TOP功能分析，找到对立的技术参数，其类定义为：

class CTechniContradiction{
Function mes functionFirst;
//功能1与功能2的作用产生了冲突
Function mes functionSecond;
CStringArray m_parameterFirst;
//参数1与参数2就是要求解的日标
CShingArray m_parameterSecond;
CTechniContradiction* pNext;
};

3.3 冲突的结构转换为冲突模块介绍

冲突问题的结构由5类基本问题组成，那么把每一类基本问题转化为冲突即可实现此模块功能。其中，点问题可方便地转变为物理冲突，对问题可转变为技术冲突。而线性问题、网络问题、星型问题只要依次遍历，把发生作用的每一对功能提取出来，进行判断，若发现有冲突，则将其存入技术/物理冲突链表中，从而实现将冲突问题的结构自动转换为冲突的功能。

判断有无冲突的依据是看是否由于改善一个功能而导致另一个功能恶化，其中功能改善表示提高一个有用功能或者降低一个有害功能，功能恶化则相反。若两个相冲突的功能在一个子系统中，则为物理冲突：若在两个子系统中，则为技术冲突。

比如，对线性问题，其数据结构如下:

class CLinearProblem {//线性问题，用链表表示
Function m_functionFirst;//功能1
ProblemSymbol m_problemSymbol;
CLinearProblem* pNext;
//链表中下一个结点的mes functionFirst表示功能2
……
};

对每个线性问题的结点进行遍历，找到每一对功能，判断有冲突后，当前结点和下一结点的m_functionFirst就是冲突的功能1和功能2，将其加入对应的物理/技术冲突链表中。

4 应用实例

对普通的单层玻璃杯，其保温性能较差，并且易破碎(不能防摔)，现用该文的系统进行创新，步骤如下：

Step1 用户对冲突问题的结构进行输入，如图4(图中OF表示有用功能，HF表示有害功能，以下各图均如此)，根据经验，保温一般采取双层结构，而双层玻璃杯更易破碎，从而形成技术冲突(处于不同的子系统中)。而要提高不易破碎的性能，常采用增加强度或采用软化措施两种方法。增加强度可用钢化玻璃，但钢化玻璃仍易破碎，这构成物理冲突(处于同一子系统中)；而同时玻璃要软化，却又很难将其软化，构成另‘对物理冲突。利用冲突结构转换为冲突模块，转化为相应的冲突。

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图4 冲突问题的结构模块界面

Step 2对技术冲突进行TOP分析，得出冲突关键在于为了提高保温性能，导致了更易破碎的结果，从而相冲突的技术参数为17(温度)和31(物体产生的有害因素)。分析过程如图5、 6、7所示。

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图7 TOP分析3--双层结构带来的问题

Step 3查询矛盾矩阵，推荐的创新原理为2(分离)、如图8所示，得出24(中介物)、35(参数变化)、22(变有害为有益)。

Step 4解决物理冲突，采用空间分离原理，由于这里空间分离原理不便实施，利用原理转化模块转化为创新原理30(柔性壳体或薄膜)。

Step 5综合Step 3, Step 4的结果，对原理2,24, 35, 22. 30进行分析，得出问题的解并进行评价。现将其中两种较好的解简要介绍如下：

解1 采用双层中空结构，内层用玻璃，外层改为塑料外套(由原理35, 30得到)，在两层之间杯底处增加弹性垫圈(由原理24得到)。(对应申请号为02264039.8的实用新型专利]9] o )

解2 采用双层中空结构，内层用钢化玻璃(由原理35得到)，外层用塑料(由原理35, 30得到)。(对应申请号为01212366.8的实用新型专利[9]。)

5 系统分析

该系统采用多条路径得到推荐的原理，比如技术冲突转化为物理冲突模块、分离原理转换为创新原理的模块等，尽可能大地拓展有效解空间。同时，更侧重于发挥计算机辅助的优势，力图使原来的主要依靠人工分析的过程向计算机自动分析的过程转变。并且，在数据结构上保留了开放性，使TRIZ与其他的创新方法的结合更加便利，比如在功能上就很容易转化为可拓学中的物元表示的数据结构(<事物，功能特征，量值>)：(m_nameOfSystem，m_nameOfFunction，IsUseful*IsReinforced )，这样，便于推动TRIZ与可拓学的结合[10]。

但是，目前该系统仅利用了TRIZ理论的一部分，没有前面提到的InventionTool等软件全面，并且，由于目的是创新，而TRIZ理论创新的能力也有限，这就限制了该系统的创新能力。同时计算机辅助的能力尚较弱，还没有引入其他的创新方法。总体而言，该系统的工作还处于起步阶段，尚有许多不足之处。

6 总结

该文选择TRIZ理论作为计算机辅助创新的一种工具，用冲突问题的结构表示的程序化对冲突问题进行分析，并提出了通过冲突结构得到冲突的自动生成算法，并采用TOP功能分析的程序化辅助分析冲突，取得了不错的效果。但是，在使用TR1Z方法之前，如何对所要解决的创新问题进行形式化，然后又如何进行分析得到冲突的关键之处，而使用TRIZ方法之后对推荐的原理如何更好的发挥计算机辅助的作用，都是值得探讨的问题。对于计算机辅助创新的方法而言，决不可能仅仅局限于TRIZ一种方法，如何进行TRIZ与其他方法的融合，或者引入其他方面的理论都成为了很重要的研究课题。

参考文献

[1] 檀润华，王庆禹，苑彩云，等.发明问题解决理论:TRIZ-TRIZ过程、工具及发展趋势[J].机械设计，2001, (7):7-12.
[2] Alla Zusman. Overview of creative methods [EB/OL]. http://www.ideationtriz.comlpaper_Overview of Creative_Methods.asp, 2006.
[3] 檀润华，张瑞红.基于TRIZ的产品创新设计[J].河北工业大学学报，2004, 33(2): 90-95.
[4] 牛占文，徐燕申，林岳，等.实现产品创新的关键技术—计算机辅助创新技术[J].机械工程学报，2000, 36(1): 11-14.
[5] Development of innovative product concepts[EB/OL]. http://www.trisolver.com/software/innovationssoftware.htm, 2006.
[6] 檀润华.创新设计—TRIZ:发明问题解决理论[M].北京:机械工业出版社，2002. 76-91, 132.
[7] Zinovy R. Tool, object, product (TOP) function analysis [J]. TRIZ Journal, Sept., 1999, httpa/www.triz-journal.com
[8] Terninko J. Su-field analysis [J]. TRIZ Journal,Feb.,2000, http://www.trizjournal.com.
[9] 中华人民共和国国家知识产权局专利检索[EB/OL]. http://www.sipo.gov.cn/sipo/zljs/, 2006.
[10] Hsiang-Tang Chang, Jahau Lewis Chen. An ecoinnovative design method based on design-around approach [A]. In: Proceedings of EcoDesign 2003: Third International Symposium on Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing [C]2003. 575-582.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/28/2009)


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