紀(jì)程錦，林 松，尚 姝

（1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120）

基于TRIZ理論的機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺設(shè)計

紀(jì)程錦1，林 松1，尚 姝2

（1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200120）

機(jī)構(gòu)選型要求設(shè)計者具備豐富的工作經(jīng)驗以及扎實的設(shè)計理論，此外還需要設(shè)計者查閱大量資料。為簡化機(jī)構(gòu)選型的過程，設(shè)計了機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺以幫助設(shè)計者完成機(jī)構(gòu)設(shè)計。在開發(fā)此數(shù)字平臺過程中，要求機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)最大化，檢索耗時短，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)小而緊湊。針對上述矛盾，提出使用TRIZ理論來解決，并結(jié)合軟件開發(fā)技術(shù)，完成了機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的設(shè)計。當(dāng)設(shè)計者選擇給定的輸入運(yùn)動和所需的輸出運(yùn)動后，此數(shù)字平臺為設(shè)計者提供滿足設(shè)計要求的機(jī)構(gòu)方案。

TRIZ理論；機(jī)構(gòu)選型；數(shù)字平臺

0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，我國制造業(yè)面臨著巨大轉(zhuǎn)型壓力[1]。產(chǎn)品設(shè)計是制造業(yè)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品生命周期中起著至關(guān)重要的作用[2]。研究表明，占產(chǎn)品成本約5%的設(shè)計階段決定了75%～85%的產(chǎn)品價值[3～5]，所以產(chǎn)品設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)過程中扮演著重要作用。在機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計者必須依照自身經(jīng)驗，并查閱大量資料，確定目標(biāo)機(jī)構(gòu)，然后根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)選確定最終機(jī)構(gòu)。為了在機(jī)構(gòu)選型時給設(shè)計者提供有效的工具，需要建立高效快速的機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺。

本文將利用TRIZ理論，解決在機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺建設(shè)中出現(xiàn)的需求矛盾，即：盡可能多的機(jī)構(gòu)數(shù)量，盡可能小的數(shù)據(jù)庫，盡可能快的檢索速度。在此基礎(chǔ)上擬定機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的搭建思路：三層架構(gòu)+廣度優(yōu)先搜索算法+MySQL數(shù)據(jù)庫，由此開發(fā)出機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺。當(dāng)設(shè)計者選擇給定的輸入運(yùn)動和所需的輸出運(yùn)動后，平臺可以提供滿足設(shè)計者需求的機(jī)構(gòu)方案。

1 機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的矛盾

對機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的需求進(jìn)行技術(shù)分析時，首先利用QFD（質(zhì)量屋）對需求分類，建立技術(shù)特征與需求之間的關(guān)聯(lián)，并確定設(shè)計過程中出現(xiàn)的需求矛盾。圖1給出了設(shè)計機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的需求分類、技術(shù)特征及其兩者的相關(guān)性。

圖1 機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺質(zhì)量屋

頂部的技術(shù)特性-平臺需求矩陣中表明“數(shù)據(jù)庫小而緊湊”與“機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)量多而完整”、“檢索算法快速、耗時短”與“機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)量多而完整”之間為負(fù)相關(guān)。負(fù)相關(guān)表明數(shù)字機(jī)構(gòu)選型平臺的需求中存在矛盾，主要來自如下三個方面：需要機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)最大化，檢索耗時短，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)小而緊湊。

按照TRIZ理論，本系統(tǒng)設(shè)計中將重點解決如下矛盾：

沖突1，機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)最大化與要檢索耗時短。

沖突2，機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)最大化與要數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)小而緊湊。

2 應(yīng)用TRIZ理論解決矛盾

矛盾普遍存在于各種產(chǎn)品和技術(shù)系統(tǒng)中，TRIZ理論將矛盾分為兩個方面，技術(shù)沖突和物理沖突。技術(shù)沖突是指技術(shù)系統(tǒng)中某個參數(shù)或特性的改善會引起另一個參數(shù)或特性的惡化。而物理沖突是指系統(tǒng)同一部分或參數(shù)提出完全相反的要求，即對一個系統(tǒng)同時提出相反的要求就出現(xiàn)了物理矛盾。

2.1 技術(shù)沖突及其解決原理

TRIZ理論提供了很多解決問題的工具，包括39個標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，40條發(fā)明原理和4個分離原理。首先從TRIZ理論的39個標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)[6]中確定技術(shù)沖突一對特征參數(shù)，它們分別是：

1）改善的通用工程參數(shù)：No.26（機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)最大化）；

2）惡化的通用工程參數(shù)：No.9（檢索耗時短），No.36（數(shù)據(jù)庫小而緊湊）。

表1 通用工程參數(shù)名稱

從質(zhì)量屋中得出的技術(shù)沖突可以通過TRIZ理論中提出的沖突矩陣進(jìn)行解決。沖突矩陣[6]由G.S.Altshuller多年的研究、比較分析而提出的，可以將工程參數(shù)與發(fā)明原理建立起對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)沖突矩陣，將改善的通用工程參數(shù)為行、惡化的通用工程參數(shù)為列，在沖突矩陣中進(jìn)行查找發(fā)明原理，如表2所示。

表2 沖突矩陣簡圖

由沖突矩陣的第26行及第9列、第36列確定發(fā)明原理的序號：No.28、No.29、No.35、No.34、No.3、No.10、No.13、No.27。然后根據(jù)序號，在G.S.Altshuller等人提出的40條發(fā)明原理[6]中對應(yīng)查找，如表3所示。

表3 40條發(fā)明原理

根據(jù)技術(shù)沖突和發(fā)明原理的對應(yīng)關(guān)系以及實際項目情況，解決技術(shù)沖突1的發(fā)明原理為：No.34拋棄或修復(fù)原理，No.35參數(shù)變化原理。解決技術(shù)沖突2的發(fā)明原理為：No.3局部質(zhì)量原理，No.10預(yù)操作原理，No.13反向原理，No.27廉價替代品原理。

2.2 物理沖突及其解決原理

數(shù)據(jù)多會讓數(shù)據(jù)庫變大，檢索耗時短要求數(shù)據(jù)庫小，因此，系統(tǒng)中存在的物理沖突即：數(shù)據(jù)庫既要大又要小。根據(jù)TRIZ理論可以通過分離原理解決這一物理沖突。

英國Bath大學(xué)的Mann提出分離原理與發(fā)明原理的關(guān)系[7]，如表4所示。

表4 分離原理和發(fā)明原理的對應(yīng)關(guān)系

選用空間分離原理、整體與部分分離原理解決這一物理沖突，對應(yīng)的發(fā)明原理為No.1、No.2、No.3、No.4、No.7、No.13、No.17、No.24、No.26、No.30和No.12、No.28、 No.31、No.32、No.35、No.36、No.38、No.39、No.40。

綜合上述技術(shù)沖突和物理沖突的發(fā)明原理，解決沖突1的發(fā)明原理為：No.35參數(shù)變化原理。解決沖突2的發(fā)明原理為：No.3局部質(zhì)量原理，No.13反向原理。

通過TRIZ方法的實施，并結(jié)合軟件開發(fā)技術(shù)，為系統(tǒng)找到了如下領(lǐng)域解：深度優(yōu)先搜索算法或廣度優(yōu)先搜索算法。SQL Server 數(shù)據(jù)庫或MySQL數(shù)據(jù)庫。

綜合上述技術(shù)沖突和物理沖突的求解結(jié)果以及平臺開發(fā)的三層架構(gòu)（表現(xiàn)層，邏輯層，數(shù)據(jù)層），可用的設(shè)計方案可以通過Morphological Box組合而成（如表5所示）。

表5 系統(tǒng)的Morphological Box

根據(jù)表5，為機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺組合了以下不同的技術(shù)方案：

1）三層架構(gòu)+深度優(yōu)先搜索算法+SQL Server數(shù)據(jù)庫；

2）三層架構(gòu)+深度優(yōu)先搜索算法+MySQL數(shù)據(jù)庫；

因此初步判斷高壓油泵運(yùn)行時出口壓力與高壓油泵出口開關(guān)整定值及返回值較為接近，在高壓油泵運(yùn)行壓力出現(xiàn)一定波動或者高壓油泵出口開關(guān)整定值出現(xiàn)一定漂移時，就會導(dǎo)致高壓油泵出現(xiàn)自動切換等情況。

3）三層架構(gòu)+廣度優(yōu)先搜索算法+SQL Server數(shù)據(jù)庫；

4）三層架構(gòu)+廣度優(yōu)先搜索算法+MySQL數(shù)據(jù)庫。

3 設(shè)計方案的確定

接下來，用模糊綜合評價法FCE對上述4種方案按下列步驟進(jìn)行綜合評價。

1）確定因素集、評價集

根據(jù)質(zhì)量屋的分析，得到主要評價因素集：

評價指標(biāo)集V可以定義為：

加權(quán)系數(shù)的確定一般有兩種方法，一類根據(jù)主觀經(jīng)驗，另一類憑數(shù)學(xué)方法確定，本文根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定加權(quán)系數(shù)矩陣：

隸屬度矩陣R中第i行第j列元素rij，表示某個被評事物從因素xi來看對vj等級模糊子集的隸屬度。

根據(jù)專家評分求得4個方案的隸屬度矩陣如下：

3）根據(jù)模糊綜合評價方法，對各方案進(jìn)行評價，其中bj表示被評級對象從整體上看對評價等級模糊子集元素X的隸屬程度，按照M（?，V）：

方案1：B1=A*R1=（b1，b2，b3，b4）=（0.247，0.368，0.312，0.133）；

方案2：B2=A*R2=（0.324，0.355，0.291，0.08）；

方案3：B3=A*R3=（0.302，0.280，0.285，0.133）；

方案4：B4=A*R4=（0.447，0.298，0.220，0.035）。

4）將評價指標(biāo)歸一化

其中（m=1,2,3,4）。

得到4個方案的相應(yīng)模糊綜合評價指標(biāo)：

B1′=（0.233,0.347,0.294,0.126）

B2′=（0.309,0.338,0.277,0.076）

B3′=（0.302,0.280,0.285,0.133）

B4′=（0.447,0.298,0.220,0.035）

5）確定最終設(shè)計方案

取Bi=max（Bj′）（j=1,2,3,4）比較4個方案中Bi的大小，順序為：方案4＞方案1＞方案3＞方案2，故選擇方案4。

根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)使用三層架構(gòu)，采用對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)要求較低、執(zhí)行度較高的廣度搜索算法，以及低成本小型數(shù)據(jù)庫MySQL，并對德國VDI2727[8]中涉及的全部機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化分類處理，盡量使系統(tǒng)既能快速、準(zhǔn)確的找到目標(biāo)，又能使錄入系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)盡量多，從而覆蓋絕大多數(shù)用戶需求。

4 機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺流程圖

本平臺以德國VDI2727標(biāo)準(zhǔn)及典型機(jī)構(gòu)為參考，使用TRIZ方法和產(chǎn)品研發(fā)方法，利用機(jī)算機(jī)技術(shù)，通過實例深入分析機(jī)構(gòu)的全部信息，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)分，將機(jī)構(gòu)信息入庫。建立搜索過程界面，展示滿足設(shè)計者需求的機(jī)構(gòu)信息列表。與傳統(tǒng)的選型過程相比，本系統(tǒng)更加可靠。本平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

5 機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的實現(xiàn)

本文基于TRIZ理論，開發(fā)了機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺。當(dāng)設(shè)計者選擇輸入、輸出運(yùn)動類型后，此數(shù)字平臺為設(shè)計者提供滿足設(shè)計要求的機(jī)構(gòu)方案。以輸入運(yùn)動和輸出運(yùn)動都要求為單向轉(zhuǎn)動的檢索過程為例，在檢索框中，輸入?yún)?shù)選為“單向轉(zhuǎn)動”，輸出參數(shù)選為“單向轉(zhuǎn)動”，點擊“檢索查詢”得到結(jié)果列表，如圖3所示。

如圖3左上角所示，平臺提供19個可實現(xiàn)的機(jī)構(gòu)解決方法，并提供給設(shè)計者相應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡圖，設(shè)計者可以參考這些方案進(jìn)行具體機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

圖3 檢索結(jié)果頁面

6 結(jié)束語

本文基于TRIZ理論，解決了在機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺建立中的兩個主要矛盾，確定三層架構(gòu)+廣度優(yōu)先搜索算法+MySQL數(shù)據(jù)庫的搭建思路，開發(fā)了一個機(jī)構(gòu)選型平臺數(shù)字，對機(jī)構(gòu)選型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)做出了有益的探索，為設(shè)計者在機(jī)構(gòu)選型時提供了一個有效的技術(shù)支撐。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械技術(shù)的需求不斷增加，將會繼續(xù)涌現(xiàn)出更多高效的工具，在建立新工具時會出現(xiàn)更多的矛盾，這些矛盾都可以使用本文的指導(dǎo)思想有效得到解決。

[1] 許佩文.中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級研究[D].吉林大學(xué),2016.

[2] Pahl,Beitz.Konstruktionslehre[M].Springer Vieweg,2015.

[3] 林松.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的數(shù)字化智能平臺[A].中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械傳動分會機(jī)構(gòu)學(xué)專業(yè)委員會.第10屆中國機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)應(yīng)用國際會議（2013CCAMMS）論文集[C].2013.

[4] 尚姝.基于TRIZ理論的機(jī)構(gòu)選型數(shù)字平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].同濟(jì)大學(xué),2016.

[5] 邵雪.產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)變異的研究及其在無級變速器方案創(chuàng)新中的應(yīng)用[D].同濟(jì)大學(xué),2015.

[6] 檀潤華.TRIZ及應(yīng)用—技術(shù)創(chuàng)新過程與方法[M].高等教育出版社,2012.

[7] 劉尚明,劉東亮,劉恒義.TRIZ理論及其在機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2007,(3)：43-44,84.

[8] VDI 2727 Blatt 1[S].Konstruktionskataloge Loesung Von Bewegungsaufgaben Mit Getrieben -grundlagen.1991.

Design of a digital mechanism selection platform based on TRIZ

JI Cheng-jin1, LIN Song1, SHANG Shu2

TH122

：A

：1009-0134(2017)05-0013-04

2017-02-17

國家自然科學(xué)基金面上項目（51275354）；上海市促進(jìn)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展財政扶持資金（452）

紀(jì)程錦（1990 -），女，河南人，碩士研究生，研究方向為機(jī)構(gòu)學(xué)，產(chǎn)品研發(fā)方法及技術(shù)系統(tǒng)可靠性。