济南大学高常青副教授谈TRIZ理论及其在工业设计中的应用

TRIZ理论是基于历史实践形成的方法论

　　TRIZ即发明问题的解决理论（Theory of Inventive Problem Solving，该简称由俄语单词首字母组成），在欧美国家缩写为TIPS。TRIZ理论研究始于1946年，系以科学家根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)为首的前苏联科研团队，经分析世界范围内数万项重要发明专利，综合多个学科领域的原理、法则形成的理论体系。TRIZ是基于历史上的科技实践活动，通过分析人类已有技术创新成果——高水平发明专利，研究在发明创造、解决技术难题过程中所要遵循的科学原理和法则，并将之归纳总结，进而形成发明创新、解决工程问题的系统化的方法学体系。运用这一理论，可大大加快人们创造发明的进程，缩短研发时间，节省研发经费，减少不必要的损失，获得高质量的创新产品。
　　前苏联非常重视对TRIZ理论进行研究、教育、宣传及科研项目中的应用，把“注重国民创新能力的开发”载入了苏联宪法，在大学中开设了“科学研究原理”、“技术创造原理”等创新课程，甚至在中、小学阶段也采用TRIZ理论设计各科的教材和教学大纲。前苏联及东欧国家科学家大都采用TRIZ理论开展发明创造工作，特别是在设计部门，往往要求所配备的设计工程师和创新发明工程师比例为7∶1，即7名设计工程师就需配备1名创新发明工程师，并规定凡担任经济、科技领导职务者必须先获得发明教育文凭。
　　苏联解体后TRIZ理论系统地传出，在美、欧、日、韩等世界各地得到深入研究和广泛应用。我国于1987年引进TRIZ理论，首先国内重点大型军工企业研究使用，后经科技部倡导推广，围绕“推进国家自主创新、提高企业核心竞争力”这一主题对之展开广泛研究。
　　目前，TRIZ是最有效的创新问题求解方法和计算机辅助创新技术的核心理论，为全世界尤其是众多跨国公司所接受并应用于具体科研工作，创造出了成千上万项重大发明。经半个多世纪的发展，TRIZ已成为解决新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系，为众多知名企业和研发机构取得了重大的经济效益和社会效益，并扩展到管理、教育领域。2003年“非典”肆虐时，新加坡的研究人员利用TRIZ的40条创新原理，提出了防止“非典”的一系列方法，许多措施为新加坡政府采用，收到了很好的效果。

TRIZ理论是综合的系统性理论

　　目前，已经系统、成熟的TRIZ理论正处于自身的完善与发展及与其它先进创新理论方法的集成阶段。作为解决新产品开发实际问题的成熟理论和方法体系，TRIZ的主要内容有以下几个方面。
      首先，TRIZ来源于对创新规律的基本认识
　　阿奇舒勒在对两万多项发明程度很高的专利项目进行深入研究的基础上，得出3个基本认识：发明专利的共同点是应用了数目不多的一般性原理；技术系统可通过解决矛盾得以发展，而真正的创新正是解决矛盾；技术系统的进化遵循一定的模式和规律，即技术系统的发展（在一定限度内）是可预测的。以此为出发点，阿奇舒勒根据辩证法、认识论和系统论的思想，总结出了技术系统进化法则，构建了在基本原理基础上的求解发明问题的技术、方法和工具体系，创立了TRIZ。
      其次，TRIZ的核心概念是技术矛盾和物理矛盾
　　在宏观层面，TRIZ的核心概念是技术矛盾和物理矛盾。所谓技术矛盾，是指在一个技术系统中，当一个参数被改动时，另一个参数就变差，例如：发动机功率增大，耗油量升高。物理矛盾则是指同一个参数的两个互相对立的特性，如温度的冷与热等。
　　TRIZ提出了描述技术矛盾的39个（现在已经扩展到48个）通用工程参数：运动物体质量、静止物体质量等等。为解决技术矛盾，还提出了40项（现在已经有50多项）发明原理，如分割、局部质量、不对称等。整合这些通用工程参数和发明原理的工具是冲突矩阵，该矩阵将描述技术矛盾的39个工程参数与40条发明原理建立了对应关系，解决了设计过程中选择发明原理的难题。
　　第三，物—场模型分析方法是TRIZ的主要方法
　　在微观层面， TRIZ提出了物—场模型分析方法。TRIZ认为，技术系统构成要素S1、作用体S2、场F三者缺一就会造成系统不完整。当系统中某一物质的特定机能没有实现时，系统就会产生问题。为控制这一物质产生的问题，有必要引入另外的物质。由此产生这些物质之间的相互作用并伴随能量（场）的产生、变换、吸收等，物—场模型也就从一种形式变换为另一种形式。物—场模型分析是用符号表达技术系统变换的建模技术，到目前为止，该模型共有76 种标准解。这些标准解是最初解决问题方案的理论方法精华，为解决问题提供了方便快捷的方法。
　　利用物—场分析方法，分析系统存在的问题，建立系统的物—场模型，并提出问题解决对策的步骤如下：（1）指定物体S1；（2）指定场；（3）建立物—场初期模型；（4）指定作用体S2；（5）生成所希望的物—场模型；（6）提出解决问题的对策。
　　第四、发明问题解决算法是TRIZ的主要计算工具
　　TRIZ认为，一个问题解决的困难程度取决于对该问题的描述或程式化方法，描述得越清楚，问题的解就越容易找到。TRIZ中，发明问题求解的过程就是对问题不断地描述、不断地程式化的过程，经过这一过程，初始问题最根本的冲突被清楚地暴露出来，能否求解已很清楚，如果已有的知识能用于该问题则有解，如果已有的知识不能解决该问题则无解，需等待自然科学或技术的进一步发展。该过程是靠ARIZ算法实现的，该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化，特别强调冲突与理想解的程式化，这一算法已经有软件支持综合性计算。
　　ARIZ中矛盾冲突的消除需要有强大的效应知识库的支持，效应知识库包括物理的、化学的、几何的效应等。
　　第五、CAI软件是TRIZ重要的研发工具
　　随着信息技术的不断发展，以TRIZ为基础，结合现代设计方法学、语义处理技术、专利分析技术、多领域科学知识以及计算机软件技术等综合而成的新兴技术——计算机辅助创新技术CAl (Computer Aided lnnovatiou)出现并迅速在世界范围内推广应用。该软件由德国的TRIZ理论研究者Pavel Livotov发明并创办了CAI软件公司，于1998年推出了基于TRIZ的CAI软件TriSolver 1.0B以来，历经TriSolver 2.0-2.2和TriSolver4.net，于2007年推出了TriSIDEAS。
      TRIZ软件是目前用于创新研发和创意分析最先进的软件，具有简单化、结构化、系统化及可预测性的创新流程分析软件，可用来处理问题并积极找出创新方案，让使用者更系统地处理工程方面的问题，也可进行扩大产品开发，产品及流程改进，缺陷预防及处理，创新产品及技术研究，消除市场障碍及保护知识产权。
　　此外，国际TRIZ协会已制定和实施“国际TRIZ认证”体系，使得企业技术创新的水平有了客观的评判标准和创新人才的培训标准。

TRIZ理论及CAI软件在工业设计中的应用

　　TRIZ理论应用广泛，不仅应用于发明创新、工程建设等技术领域，甚至运用到管理、教育等方面。其中，在工业设计中的应用特别广泛，并有着显著成效。
　　在工业设计领域，就产品设计理论来说，分为设计哲学、系统设计理论与设计方法，具体的设计理论与方法三个层面。在具体工业设计、生产过程中，一般来说，要经过产品构想——产品规划——产品设计——产品生产这一工作流程，即工业设计的工业化生产过程要经过“概念设计、详细设计、样机试制、评估分析、规模化生产”五大步骤。其中，概念设计阶段所占的时间和资源一般只为10%～30%，但它决定了产品制造成本的80%，如果考虑到产品的维护期费用，这个比例还要更高。同时，由于概念设计阶段确定了产品的所有主要技术方向，因此产品的创新也主要产生在这一阶段。
　　在工业设计的各个环节，特别是在概念设计阶段，可以充分运用为解决发明创新问题而出现的TRIZ理论，其基本思路是：定义和描述具体问题，根据所选定的TRIZ工具或工具组合，将具体问题标准化；将标准化的具体问题抽象化；寻找抽象化问题的解决方案；将抽象化的解决方案根据具体问题再转换为具体解决方案，即具体的技术创新方案，从而使问题得以解决。
　　以TRIZ理论为基础的CAI系列软件是工业设计的重要辅助工具。它用科学、系统化的方法支持了创新概念设计这一过程，从现代设计方法论体系和大量的创新实例中挖掘出解题思路，通过运用多种技术分析方法，为产品的概念设计提供有效的帮助，大大提高了概念设计的效率和质量，进而为企业带来极具竞争力的产品。
　　更重要的是，运用TRIZ理论，可以通过大量的专利分析得出创新中的产品成熟度，而产品成熟度是企业在制定研发计划时正确决策的关键所在。引入CAI软件的工业设计可以延迟产品进入退出期的时间，从而影响单纯依靠技术因素获得产品成熟度的准确性，达到即使从技术角度预测到产品到达了成熟末期或衰退期，仍旧可以在研发新一代核心技术的同时，依靠工业设计的手段增加产品的附加功能以赢得市场。
　　实践证明，运用TRIZ理论，在工业设计领域，乃至在整个技术生产领域，可以大大加快人们创造发明的进程，能够提供系统的问题情境分析，快速发现问题本质或者矛盾，能够准确确定问题探索方向，避免错过各种可能。TRIZ理论能够帮助我们突破思维障碍，打破思维定势，以新的视觉分析问题，进行逻辑性和非逻辑性的系统思维，还能根据技术进化规律预测未来发展趋势，帮助我们开发富有竞争力的新产品。