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(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[3]。
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[4,
5]。
(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[6]。
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,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[7,
8]。
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。
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X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1,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TC1,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1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[9]。
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。
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。
(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2:
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。
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。
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TC1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。
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。
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。
(1)构建技术冲突表述问题。
采用槽轮,实现排粒,但产生噪声和振动,使滚筒拆卸困难。
去掉槽轮,消除了振动和噪声,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。
(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。
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。
发明问题解决算法——ARIZ
2010-11-12
汇新网
佚名
用于系统化创新的发明问题解决理论TRIZ包含许多发明问题解决工具,包括矛盾矩阵、与创新原理,技术系统进化法则、,发明问题标准解法,、以及发明问题解决标准算法ARIZ等。
按照TRIZ对发明问题的五5级分类,一般较为简单的一到三级发明问题应用运用创新原理或者发明问题标准解法就可以解决,而那些复杂的非标准发明问题,如四、五级的问题,往往需要应用发明问题解决算法ARIZ做系统的分析和求解。
创新问题解决的思考过程中主要存在三个思维障碍:
思维惯性(Psychological
Inertia)、有限的知识领域、试错法(Trial
and
Error
Method)。
思维惯性使我们习惯沿用旧有的思考模式和思路尝试解决问题,因此,我们在解决创新问题时,必须设法有效摆脱思维惯性;
另外一个障碍是知识面的局限——大多数我们所面临的问题甚至其中的九成已经在我们所不知的领域中解决了,但由于我们有限的知识领域,使我们无法方便自如地利用其他科学技术领域的解决方法和知识等资源,所以有必要建立以解决创新问题为目的的创新方案库;
在创新真正系统化之前,试错法是大家不约而同地首先想到的用来解决创新问题的方法,但其效率之低下也是众所周知的。
TRIZ认为,一个创新问题解决的困难程度取决于对该问题的描述和问题的标准化程度,描述得越清楚,问题的标准化程度越高,问题就越容易解决。
TRIZ中,创新问题求解的过程是对问题不断地描述,不断地标准化的过程。
在这一过程中,初始问题最根本的矛盾被清晰地显现出来。
如果方
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