付 敏，李 銳，范德林

(1.東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北林業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)在俄文中是發(fā)明問題解決原理的詞頭，它是由前蘇聯(lián)發(fā)明家Altshuller 及其領(lǐng)導的研究員們通過分析各個國家專利而提出的一種解決問題的創(chuàng)新性理論，其組成包括了解決相應技術(shù)問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、工具以及算法，最終使TRIZ 成為人類在創(chuàng)新活動中的理論指導方法.TRIZ 的理論基礎(chǔ)為技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)律;具體分析工具包括預期失效判定分析、物質(zhì)場模型、矛盾分析、發(fā)明問題解決算法、理想解分析等;具體應用工具包括標準解和知識效應庫、技術(shù)參數(shù)、發(fā)明原理、分離原理、矛盾矩陣等［1］.

大量的應用研究實例表明，TRIZ 更多的是幫助設(shè)計人員解決設(shè)計過程中具體出現(xiàn)的問題，但是沒有給出具體方法指導產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計人員找出設(shè)計中存在的沖突，沒有具體的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程，同時，面對復雜多層次問題，TRIZ 也沒有合適的工具.而其他的公理化設(shè)計(AD)、質(zhì)量功能展開(QFD)、約束理論(TOC)、實驗設(shè)計(DOE)、功能分析(FA )、田口方法等主流創(chuàng)新設(shè)計方法能很好解決做什么的問題，因此將TRIZ 與其他創(chuàng)新理論相結(jié)合，建立產(chǎn)品設(shè)計的集成創(chuàng)新模型，具有重要的現(xiàn)實意義和理論研究價值.

本文系統(tǒng)闡述了TRIZ 理論與其他創(chuàng)新理論結(jié)合用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對基于TRIZ 理論的集成創(chuàng)新方法研究進行了總結(jié)及展望.

1 基于TRIZ的產(chǎn)品設(shè)計集成創(chuàng)新方法的研究現(xiàn)狀

1.1 TRIZ和公理化設(shè)計(AD)的結(jié)合

公理設(shè)計(AD)是由美國麻省理工學院的SUH N P 教授提出來的一種系統(tǒng)化的設(shè)計理論，主要涵蓋域、層次結(jié)構(gòu)、映射以及兩條公理4 個概念.公理設(shè)計將設(shè)計的過程劃分為4 個主要域，即用戶域、工藝域、功能域和結(jié)構(gòu)域，為研究結(jié)構(gòu)域與功能域之間的關(guān)系，需要將每層的設(shè)計功能和設(shè)計參數(shù)加以定義，同時通過獨立公理和信息公理對設(shè)計合理性及最優(yōu)化進行判斷［2］.

AHN Y J［3］和 LEE K W［4］認為 AD 和 TRIZ 有很多概念存在內(nèi)在的聯(lián)系以及共同點，它們兩者可以進行互相補充和借鑒.FREY D D［5］指出 TRIZ 中的矛盾與AD 中的耦合相互對應，解決AD 中的耦合問題在很大程度上取決于合理地利用TRIZ 中的相關(guān)知識和工具.SHIRWAIER P A［6］等經(jīng)總結(jié)認為AD 理論在設(shè)計活動中幫助構(gòu)造一個完整且實用的框架，而獨立性公理和信息公理對設(shè)計活動的優(yōu)劣性、合理性以及如何選擇方案提供了有效的判斷準則，并使設(shè)計師可以不受傳統(tǒng)試錯式方法具有耗時、過程反復等缺陷的困擾，進而提高效率，而TRIZ 將技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)律作為綱領(lǐng)，并應用相應的工具及算法來解決設(shè)計中存在的矛盾，讓創(chuàng)新設(shè)計變得有跡可循，此兩種理論擁有很強的互補性.MANN D 教授［7］在公理設(shè)計里功能域到結(jié)構(gòu)域的映射模型中，集成沖突解決原理，提出分解的設(shè)計方案，解決設(shè)計中的耦合問題，國內(nèi)的張路軍［8］、劉剛［9］等人也先后嘗試這種思路，同時進行了具體產(chǎn)品設(shè)計實例的驗證;丁俊武［10］更進一步對其進行補充，并試圖將TRIZ 的知識庫工具以及分析工具集成到AD 功能域和物理域的映射過程當中.

鑒于國內(nèi)外研究重點多數(shù)集中在僅僅運用TRIZ 的矛盾沖突以及解決矛盾方法來解決AD 理論中的耦合問題，反而很少注意到TRIZ 理論對AD分解中的指導作用，田啟華［11］指出AD 理論的層次分解將TRIZ 理論的技術(shù)進化法則作為指導，進而減少分解過程的盲目性.基于此，余海亮在產(chǎn)品系統(tǒng)功能分解前使用TRIZ 進化理論判斷其進化趨勢，并將科學效應知識庫以及專利知識庫中的創(chuàng)新知識應用到公理設(shè)計中，創(chuàng)建一個集成設(shè)計功能結(jié)構(gòu)映射(AD-FPS)/TRIZ 模型.李博［12］以 AD 理論為整體架構(gòu)，將設(shè)計過程分為消除耦合和降低信息量兩個階段，并選擇性地使用TRIZ 矛盾解決原理解決其中的矛盾，或者用TRIZ 標準解法消除有害功能.侯磊［13］以AD 理論為框架建立概念創(chuàng)新設(shè)計模型，應用TRIZ 理論的多種工具進行解耦，并且參考信息公理及理想化水平的共同作用，以選定最終方案.

1.2 TRIZ和質(zhì)量功能配置(QFD)的結(jié)合

質(zhì)量功能配置(QFD)［14］的核心思想是產(chǎn)品從可行性分析到投產(chǎn)，都應該將市場的需求作為驅(qū)動，著重把市場的需求轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品開發(fā)的各類信息，QFD 使用的基本工具是“質(zhì)量屋”(House of Quality，HOQ).QFD 主要關(guān)注的是產(chǎn)品的規(guī)劃以及問題的預防，并不是產(chǎn)品具體參數(shù)的設(shè)計，也就是說QFD 只能解決“做什么”，而TRIZ 用于解決“怎么做”.因此一些學者致力于將TRIZ 理論和 QFD集成的研究應用方面:

DOMD 指出TRIZ 理論可以利用于質(zhì)量功能的各個階段，TRIZ 能夠在相關(guān)矩陣中加強質(zhì)量功能的展開;ELLEN D 博士嘗試將 TRIZ 中的某些工具引進到QFD 中，同時對引進到 QFD 中那些 TRIZ工具歸類;TERNINKO J［15］將 QFD 與 TRIZ 的理想解相結(jié)合;YAMASHINA［16］，LEE N［17］先后集成了QFD 和TRIZ，并利用“質(zhì)量屋”將顧客的需求映射到質(zhì)量特性改善中，運用TRIZ 理論中的矛盾矩陣、物質(zhì)－場分析和效應知識庫分別將零部件質(zhì)量特性進行改善，使新產(chǎn)品的設(shè)計和技術(shù)的創(chuàng)新愈加有效.

華中生［18］考慮到用上述方法改進后的零件之間可能會產(chǎn)生新的負相關(guān)問題，提出了改進的QFD-TRIZ 集成方法.檀潤華［19］指出運用 QFD 中的第一個質(zhì)量屋，通過功能分析可以創(chuàng)建第二個質(zhì)量屋，由敏感矩陣的負相關(guān)項來明確設(shè)計沖突和類型，且用 TRIZ 中沖突解決原理解決沖突.管虹翔［20］為提升QFD 對問題表述的準確度，引入了“相關(guān)關(guān)系”，并與TRIZ 結(jié)合提出了基于相關(guān)QFD 的技術(shù)評價、需求評價、質(zhì)量屋群評價方法以及產(chǎn)品設(shè)計模型，提高了產(chǎn)品的開發(fā)速度.穆建華［21］主要從信息和應用集成對QFD 和TRIZ 的理論集成進行研究，創(chuàng)建了信息集成模型和應用集成模型，同時把模型分成信息收集與分析、具體實施應用這兩個階段.

廖枝平［22］運用TRIZ 理論的沖突矩陣以及40條發(fā)明原理來處理產(chǎn)品設(shè)計過程中存在的技術(shù)沖突，提出了一個簡化的質(zhì)量屋模型，從而使創(chuàng)新理論對中小型企業(yè)更加有可操作性與實用性.王浩倫［23］針對大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下的企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新能力不足的問題，指出了在QFD 和TRIZ 基礎(chǔ)上的產(chǎn)品創(chuàng)新流程.

1.3 TRIZ和約束理論(TOC)的結(jié)合

約束理論(TOC)是Goldratt 博士提出的面向約束的管理理論，利用TOC 分析產(chǎn)品沖突問題，該理論關(guān)鍵是要找到約束和影響客觀實際系統(tǒng)的關(guān)鍵因素并加以解決.TOC 概念即運用系統(tǒng)化方法建立問題的邏輯圖表，確認根原因并形成解決根原因的過程，TOC 可以引導設(shè)計者構(gòu)建問題、確定問題、構(gòu)建求解模型、確認系統(tǒng)產(chǎn)生約束以及約束的條件、找到約束的突破點、改良或解除確定的不合理約束、肯定要克服的阻礙以及實施解的過程，并打下了最終解決沖突問題的基礎(chǔ)［24］.

RIZZO［25］初步提出可以利用 TOC 中的矛盾解決圖，定義產(chǎn)品設(shè)計當中的矛盾，然后再用TRIZ 解決沖突.STRATTON R［26］和MANND研究了由TRIZ與TOC集成的產(chǎn)品概念設(shè)計方法，運用TOC中的當前實現(xiàn)樹和沖突解決圖表為TRIZ 識別產(chǎn)品設(shè)計中的主要問題，使用TRIZ 中的發(fā)明工具產(chǎn)生創(chuàng)新方案.此后，很多學者進行實例研究，驗證TOC幫助TRIZ 解決問題的可行性，但是這些研究并沒有為TOC 與TRIZ 的結(jié)合構(gòu)建一個系統(tǒng)的框架，形成普遍的方法［27］.

國內(nèi)學者對TRIZ 與TOC 集成的方法的研究，主要是通過對TOC 的改進，以便有效地找出產(chǎn)品系統(tǒng)中要解決的矛盾，接著用TRIZ 中的工具形成解決問題的方案，如苑彩云［28］，華中生［29］使用TRIZ 與TOC 的方法進行產(chǎn)品的改進設(shè)計;韋子輝［30］創(chuàng)建的關(guān)于 TRIZ 與 TOC 的多沖突問題解決過程模型.宋開紅［31］以 TOC 和 TRIZ 理論為根本，通過一個實例論述了兩種方法相結(jié)合形成產(chǎn)品設(shè)計的詳細步驟.

1.4 TRIZ和專利研究及仿生學的結(jié)合

國內(nèi)外學者針對TRIZ 與專利結(jié)合的研究表現(xiàn)在三個層面:利用TRIZ 進行專利回避以及優(yōu)化專利權(quán)利、利用專利數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品進化趨勢預測、建立面向TRIZ 的專利數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)，但是很少涉及TRIZ 與專利相結(jié)合致力于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的研究.劉振峰［32］從多個環(huán)節(jié)比較詳細地建立了基于TRIZ和專利的產(chǎn)品創(chuàng)新模式;黃偉［33］提出以專利分析法和TRIZ 為基礎(chǔ)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計流程.

柴亞楠［34］，李林強［35］嘗試將 TRIZ 理論和仿生學結(jié)合以共同解決工程技術(shù)問題，即將工程技術(shù)問題轉(zhuǎn)換為TRIZ 的標準問題，用物－場模型描述問題，探討問題的理想解，明確問題解所在的方向和位置，找出可以利用的資源，為仿生學方法從工程技術(shù)問題到生物模型起到橋梁作用，最后依據(jù)仿生學研究路徑設(shè)計出相關(guān)的技術(shù)裝置.

1.5 TRIZ和多種創(chuàng)新方法的結(jié)合

針對已有產(chǎn)品的改良創(chuàng)新設(shè)計:錢煒苗［36］提出一種功能分析(FA)和TOC 共同作用輔助TRIZ的產(chǎn)品改進方法;李陽［37］提出一種綠色設(shè)計模型，即用TOC 找出問題，TRIZ 解決問題，用實例推理(CBR)將特殊解轉(zhuǎn)化為具體解;張建軍［38］提出使用TOC 發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)品的重要矛盾，并用TRIZ 找出解決問題的通用辦法，最終，結(jié)合模糊評價理論得出此問題的最優(yōu)解.

針對于比較完整的產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新流程——產(chǎn)品功能確定、原理設(shè)計、方案選擇評價，張翔建立了公理設(shè)計(AD)、系統(tǒng)化設(shè)計和TRIZ 理論的集成設(shè)計模型，對三種方法的缺陷進行互補，進一步改善設(shè)計方法體系.徐起賀［39］則以TRIZ 理論為設(shè)計原理框架，用QFD 得到用戶需求與產(chǎn)品技術(shù)之間的聯(lián)系，確定產(chǎn)品功能，用基于實例推理(CBR)方法解決了將TRIZ 解的模型轉(zhuǎn)化為工程解的難題.紀國華［40］提出了將 TRIZ 理論當做各種沖突的解決工具，利用工藝設(shè)計(CAPP)加強工藝編制質(zhì)量與效率，基于QFD 分析得出的各種參數(shù)特性，依托實驗設(shè)計(DOE)優(yōu)化參數(shù)組合，四者相結(jié)合引導產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計全過程的輔助模型 .劉曉敏［41］通過集成各種設(shè)計方法，如TRIZ、未預見發(fā)現(xiàn)(UXD)、約束理論(TOC)、類比設(shè)計(ABD)等，創(chuàng)建一種產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計集成過程模型，最終完成產(chǎn)品設(shè)計.

石貴龍［42］提出一種“基于QFD 中的質(zhì)量屋工具、把TRIZ 當做問題解決工具、并將田口方法中的損失函數(shù)作為度量標準的問題解決理論”，使產(chǎn)品憑最小的風險滿足顧客需求，解決產(chǎn)品參數(shù)上的問題，使產(chǎn)品性能更穩(wěn)定.TEMNINKO J 博士［43］，金瑩［44］，高清振［45］前后創(chuàng)建了以 QFD，TRIZ 和田口方法為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計模型，將三種設(shè)計方法的優(yōu)勢互補.馬懷宇［46］利用 QFD，F(xiàn)A 和 TRIZ 三種方法，為從需求分析到生成方案的設(shè)計流程，給出了具體的方法和工具處理各個環(huán)節(jié)的問題.

2 結(jié)論與展望

將TRIZ 理論與其他設(shè)計理論的比較和整合，進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方面，主要表現(xiàn)在公理化設(shè)計(AD)、質(zhì)量功能布置(QFD)、約束理論(TOC)三大方法.利用AD 可以為設(shè)計過程提供一個良好的構(gòu)架，讓設(shè)計者有清晰的設(shè)計流程，并且信息公理可以指導設(shè)計人員通過方案評價選擇最終方案;利用QFD 可以幫助設(shè)計人員從顧客需求的角度確定要設(shè)計出的產(chǎn)品需滿足的功能結(jié)構(gòu);利用TOC 可以幫助設(shè)計人員更清晰地確定需要解決的沖突問題.同時，一些學者將專利方法、仿生法、田口方法等創(chuàng)新方法與TRIZ 融合，建立了設(shè)計模型，并經(jīng)過驗證證明了其可行性.然而，這些基于TRIZ 理論與其他創(chuàng)新理論融合用于產(chǎn)品創(chuàng)新的研究，很多處于概念階段，很多學者只是提出了一個大致的模型，對于具體的細節(jié)操作還有很多不明確的地方，而且很多模型中僅僅結(jié)合了TRIZ 理論中的矛盾解決方法，忽略了TRIZ 理論中其他強大的理論體系.

所以未來基于TRIZ 的產(chǎn)品設(shè)計集成創(chuàng)新方法的研究有如下趨勢:一是盡量細化模型操作步驟，讓大多數(shù)工程技術(shù)人員很容易學習接受這種整合的理論，并盡快地運用到生產(chǎn)實踐中去;二是盡量挖掘TRIZ 本身的開發(fā)產(chǎn)品的能力，強化它自身的作用，減輕設(shè)計人員為了研發(fā)新產(chǎn)品而學習過多的創(chuàng)新方法的負擔;三是盡量多地嘗試與其他創(chuàng)新方法的結(jié)合，以期開發(fā)出一套適用于大多數(shù)創(chuàng)新設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程.

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