基于TRIZ冲突矩阵的单目标问题快速求解方法研究

杨 帆, 张彩丽, 任工昌

(1.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

发明创造理论TRIZ(俄文теории решения изобретательских задач 的英文音译Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写)是由前苏联学者根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在分析、研究了4余万份高水平专利之后，发现了隐藏在不同领域发明专利背后的知识——即发明、创新是有规律的，这些规律在不同领域被反复应用.阿奇舒勒在此基础上构建了一套解决发明创造问题的流程[1].

冲突矩阵是TRIZ创新理论解决实际问题的有效工具[1,2]，但是冲突矩阵在应用过程中将实际冲突问题的两个参数转换为39个通用工程参数描述的TRIZ标准技术冲突，由于现实技术参数千变万化，39个工程参数过于抽象，一般很难准确描述，从而制约TRIZ冲突矩阵在创新设计中的有效运用.

但是实际应用时，一般能够相对比较准确地描述冲突双方的一个方面，也就是说能够比较准确的映射出冲突双方的一个参数.即设计的某一目标比较明确，由该目标引发的其他可能出现的问题尚不明确，这种情况在设计中比较常见，但是TRIZ理论对于这种情况如何实施创新设计，并未给出解决方案.本文对于这种单目标问题利用TRIZ冲突矩阵进行快速求解的方法进行了研究.

1 TRIZ冲突矩阵解题流程

TRIZ中的技术冲突是指当技术系统的某一参数得到改善时常常会引起另一些参数或者特性的恶化[1-3].由于实际冲突参数千差万别，TRIZ将设计中的具体参数抽象为描述性能的39个抽象的通用工程参数，并从全球250万份发明专利中提炼出解决问题的40个基本发明原理，TRIZ理论将工程参数之间的冲突和发明原理之间建立起相互对应关系，形成39×39冲突矩阵.图1是冲突矩阵的局部截图.

图1 冲突矩阵组成示意图(局部截图)

图中横向排列参数表示恶化参数，纵向排列参数表示改善的参数，矩阵元素提供推荐使用的40个发明原理序号，提示设计者最有可能成功解决问题的原理和方法.图中空白处表示的是对应参数不存在冲突或者暂时尚未找到合适的发明原理解决这类技术冲突.

TRIZ冲突问题求解时，首先将实际技术冲突转换为39个工程参数描述的TRIZ标准问题，然后借助图1所示的冲突矩阵表查找解决问题的发明原理，得到创新设计的方向.

也就是说，利用冲突矩阵的主要流程就是确定技术系统期望改善的通用工程参数、确定可能恶化的工程参数，查找冲突矩阵获取推荐的发明原理，以推荐的发明原理作为解决问题探索的方向，进入方案设计.图2是开发的辅助工具软件运行截图.

图2 计算机辅助冲突矩阵解题软件运行截图

如图2所示，当某一技术系统期望改善的参数抽象为通用工程参数4(静止物体的尺寸)，而同时避免恶化的工程参数抽象为通用工程参数27(可靠性)，则通过查找冲突矩阵表，得到解决该技术冲突时TRIZ推荐的发明原理为15、29、28.这些发明原理给出了创新设计的方向、提示和指导，有可能成为问题解决的突破口.

2 单目标问题创新求解

2.1 冲突矩阵应用发明原理的统计分析

如前所述，冲突矩阵中推荐的发明原理是对大量专利解决问题的思路、方法进行统计、分析、抽象取得的成果.这就意味着统计分析技术在冲突矩阵中扮演了重要的角色.国际著名TRIZ研究学者Mann统计出整个矩阵中每一个发明原理的使用频次[4-6]，如表1所示.

表1 冲突矩阵发明原理使用频次统计

Mann从发明原理应用频次统计及其分析的400万份发明专利得出，人类创新活动绝大多数使用的发明原理恰恰就是使用频次最高的几个发明原理[5,6].也就是说，使用频次高的发明原理能够解决绝大多数发明创造问题.既然冲突矩阵来源于统计分析，而且Mann的分析结果也确实揭示了发明原理在实际中发挥的作用及其地位[4].这也就意味着对于标准冲突矩阵进行再次统计分析是有意义的.

2.2 单目标冲突问题快速求解策略

所谓单目标冲突问题是指试图基于TRIZ冲突矩阵实现产品创新设计，而工程师明确一个或者若干个独立的期望改善的设计目标，却对此引发的产品的其他性能、参数的影响尚不明确，因此难以准确描述冲突双方的情况.

标准冲突解决需要指定冲突双方参数，用改善的参数确定矩阵的行，用避免恶化的参数确定矩阵的列，行列交集处是可能解决问题的发明原理.单目标冲突意味着只知道行数值(明确期望改善的参数)或者仅仅知道列值(明确期望避免恶化的参数)，而不知道冲突的另外一方.仔细分析冲突矩阵表，可发现表中任意一行都是与某一参数期望改善时所涉及的发明原理[5]；每一列都是避免某一参数恶化所涉及的发明原理.那么在某一行频繁出现的发明原理一定是能够解决该参数改善时使用比较多的发明原理；同样，那么在某一列频繁出现的发明原理一定是能够解决该参数避免恶化时使用比较多的发明原理.

因此对于单目标冲突创新设计可以按照如下策略搜索可能解决问题的发明原理：

(1)将具体设计目标转化为期望改善某一个通用工程参数；

(2)统计冲突矩阵中对应行的每一个矩阵元素，获取该行40个发明原理出现的相应频次；

表2给出了每一个期望改善的设计目标对应的40个发明原理使用频次.

表2 单目标设计发明原理使用频次统计

根据统计结果对照冲突矩阵可以看出，与某一参数相关的发明原理出现频次越高，说明解决与该参数相关的创新设计问题时，对应的发明原理达成目的的可能性就越高，该原理就是创新设计优先采用的发明原理[7-10].

2.3 基于聚类算法的单目标冲突快速求解

按照前述非标准冲突快速求解策略，可以得出按照频次排序的40个发明原理统计结果表.用户可以按照频次高低依次尝试使用.但是相比于比较习惯的冲突矩阵中推荐的4个左右发明原理，使用起来仍感不便.

本文引入聚类分析方法，将前述搜索策略得到的每一个期望改善的参数所涉及的40个发明原理的使用频次依其自然分布特性进行聚类划分.并将结果存入数据库.其中单目标改善设计发明原理推荐表的主要字段为“参数编号”、“优先应用创新原理”、“较多应用创新原理”、“推荐应用创新原理”、“可以应用创新原理”4大类.表3是39个工程参数单个目标参数期望改善时的符合思考习惯的推荐使用发明原理结果.

表3 单目标改善设计发明原理推荐表

根据单目标改善设计发明原理推荐表提供的信息，设计人员面对实际问题时，若能根据实际问题特点给出期望改善参数的通用工程参数描述，则可查找数据库中单目标改善设计发明原理推荐表，迅速获取表中推荐的优先应用创新原理，如果优先推荐发明原理尚不能解决问题，则依次尝试表中推荐的较多应用发明原理、推荐应用发明原理中的每一个发明原理，直到问题最终得以解决.以下是基于TRIZ冲突矩阵的单目标问题快速求解设计流程，如图3所示.

图3 单目标问题快速求解设计流程

3 案例分析

早期的飞机机翼都是平直的，但由于其翼端宽，会给飞机带来阻力，严重地影响了飞机的飞行速度.尤其是进入喷气式时代的高速飞行状态下，“激波”现象使机翼表面的空气压力发生变化，飞机阻力骤然剧增，形成所谓的“音障”.为了突破“音障”，研制新型机翼成为解决问题的办法.德国人发现，把机翼做成向后掠的形式，可以延迟“激波”的产生，缓和飞机接近音速时的不稳定现象.但是，向后掠的机翼相比于平直机翼，在同样的条件下产生的升力小，这对飞机的起飞、着陆和巡航都带来了不利的影响，浪费了很多燃料.

能否设计一种适应各种飞行速度，具有快慢兼顾特点的机翼呢？这成为当时航空界面临的最大课题.本文借助机翼发展史中的变革，应用本文提出的解决方案，验证其可行性.

如果使用标准技术冲突来分析该问题，必须准确提炼面临问题及其对应的2个冲突参数.2个参数中的任意一个抽象不准确，TRIZ冲突矩阵给出的发明原理可能会暗示完全不同的设计方向.

但是将技术需求中强烈期望改善的某一指标相对准确地映射到39个通用工程参数中的某一个还是比较容易实现.对于前述问题进行分析，可以发现，实际上一种能够广泛适应于不同飞行阶段的机翼设计是解决问题的关键，即期望机翼设计的“适用性及多用性”性能得到改善，对应通用工程参数35(适用性及多用性).

按照本文给出的改善参数使用发明原理聚类分析结果，查找优先使用发明原理结果如表4所示.

表4 改善参数涉及发明原理聚类结果

从表4中可以看出，根据矩阵中与期望改善参数35相关的所有的冲突中(一定涵盖我们尚不知道的冲突的另外一方，即恶化参数)，按照发明原理的使用频次，1、15、35号发明原理遥遥领先，成为优先使用的发明原理.

其中原理15(动态化).动态化原理包括以下几个方面的主要方法：

(1)调整或者自动调整物体，使其在各阶段、各动作的性能最佳；

(2)将物体分割为既可变化又可以相互配合的数个组成部分；

(3)使不动的物体可动或可自适应；

(4)动态化应用.

根据原理15动态性给出的启示，将飞机的机翼做成活动部件.起飞和降落过程中使用平直翼，在低速飞行中可得到较大的升力，从而缩短跑道的长度，借此节约了能量；而高速飞行过程使用三角翼可以轻易地突破音障，减轻机翼的受力，提高飞机在高速飞行强度，也降低了能量的消耗.

世界上第一架应用变后掠翼战斗轰炸机F111正是基于这种设计思想设计成功的.战斗机处在起飞阶段，机翼呈平直状，获得较大的升力，良好的低速特性.在云层之上高速飞行，两翼后掠减小阻力，从而减小了能耗，延迟“激波”的产生，缓和飞机接近音速时的不稳定现象，使飞机能够达到更高的速度.该飞机可在不同的速度之下采用不同的后掠角，以适应当前的飞行速度.是创新设计的典型案例.图4是低速飞行和高速飞行F111的机翼形状.

图4 变后掠翼战机不同动作机翼形状

为了验证本文提出方法的正确性，现在借助标准TRIZ冲突矩阵应用再来寻找解决问题的发明原理.前述问题抽象的TRIZ标准冲突参数是速度提高和运动物体能耗增加之间的矛盾.查找冲突矩阵表，得到的发明原理如图5所示.

图5 冲突矩阵查找结果

标准TRIZ冲突矩阵应用结果给出的可能解决问题的发明原理为8、15、35、38.而最后实际采用的也恰恰是15号发明原理.两种方法惊人的相似，甚至是不谋而合.

这表明，两种方法获取的优先使用的发明原理具有共同之处，实际可用的发明原理几乎完全相同.因此本文提出的快速求解方法是可行的.

4 结束语

本文对TRIZ冲突矩阵进行深入剖析，提出冲突矩阵表统计分析的实用意义.针对工程设计领域常见的单目标设计问题，给出了基于TRIZ冲突矩阵的创新设计流程，并通过实例说明该方法的有效性.实际应用情况表明，本文提供的快速创新求解方法可以有效帮助设计人员解决产品设计中的冲突问题，加速产品创新设计过程，可以在实际中发挥重要作用.

但是TRIZ冲突矩阵应用的关键还是在于应用冲突矩阵前如何科学的将实际问题转化为通用工程参数描述的TRIZ问题，以及通过冲突矩阵获取推荐的发明原理后，如何有效、快速产生可行解而非概念解.这个问题也恰恰是本文下一阶段研究的内容.

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[6] D.Mann,Assessing the accuracy of the contradiction matrix for recent mechanical inventions[EB/OL].http:// www.triz-journal.com/archives/2002/02/e/index.htm,2002-02-23/2012-12-03.

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