基于TRIZ理论的计算机辅助创新设计及应用研究＊

徐起贺，刘永勋

（河南机电高等专科学校 机械工程系，河南 新乡 453000）

0 引言

创新设计是新产品、新工艺开发过程中最能体现人类创造性的环节，它需要设计者具有多领域的专业知识和良好的综合分析能力。目前常用的许多CAD／CAPP／CAM 软件，虽然在产品的辅助分析、设计、工艺编制以及制造自动化等方面发挥了很大的作用，但是产品和工艺的妥协设计却依然比比皆是。因为新产品、新工艺开发更重要的是通过思考、推理和判断来解决的创新活动［1］，而不是通过数据计算所能解决的。只有通过创新，才能为社会提供功能更多、品种更全、性能更好的新产品。

目前新产品的发展方向是：以机电一体化等为特征的许多高新技术大量融入新产品中，产品日趋多功能化、智能化、人性化；产品生命周期短、成本低、便于制造。这就要求在新产品开发中要有较为成熟的创新理论和工具作为支撑，于是计算机辅助创新技术（Computer Aided Innovation，CAI）应时而生。计算机辅助创新技术是进行新产品开发的一项重要技术，它是以起源于苏联的发明问题解决理论TRIZ为基础，与本体论、现代设计方法、计算机软件技术及多领域专业知识结合而形成的创新技术，不仅在产品研发过程中能提供有效的指导，而且还能实现动态扩充和自我完善，已经成为企业新产品开发、实现技术创新的必备工具。因此，CAI与CAD、CAPP、CAM 一起构成新产品开发必不可少的工具。

1 计算机辅助创新设计软件

目前基于TRIZ 理论开发的计算机辅助创新设计软件，根据功能多少、用途不同及结构组成情况有数十种之多，软件所用开发语言大多以英文为主，也有以俄文、中文等其他语言开发的软件，国外主要以美国公司开发的软件为代表，如美国的Ideation International公司开发了Innovation Work Bench（IWB）、Invention Machine 公司开发了TechOptimizer、亿维讯公司开发了Pro／Innovator；国内以河北工业大学创新设计团队开发的Invention Tool软件为代表［2］。这些软件是产品研发中解决技术冲突、实现创新设计的良好工具，在国内外很多研发机构及各类企业中获得了广泛的应用。其中美国的TechOptimizer创新软件由六个功能模块构成：1）问题分析定义模块。问题分析定义模块的主要作用是功能分解和产品分析，并详细说明通过什么方法能够提高产品的性能；2）整理模块。整理模块主要用来完善产品分析模块，其方法是在保证产品的有用功能不受影响的情况下，通过去除产品中的一些部件和特征，来改进或消除产品中的有害功能；3）特征转换模块。特征转换模块是在完善产品分析的基础上，把一个部件或特征的功能转移到需要改进的构件或特征上；4）工程学原理知识库。工程学原理模块储存了大量的物理、化学等不同学科的原理，并配有通俗易懂的解释和应用该原理解决问题的专利介绍，通过功能检索可以进行查询；5）创新原理模块。创新原理模块即为TRIZ理论中的40个发明问题解决原理，用来解决不同工程领域的各种技术冲突；6）系统改进与预测模块。该模块首先利用TRIZ 中的物质—场分析方法建立问题的模型，然后利用预测树来改变模型中作用的方式、强度等，对问题的改进提供不同的探索方向；与此同时，还可以对技术系统的发展趋势进行预测，从而为产品的创新提供正确引导。在利用TechOptimizer软件进行产品改进过程中，由于该软件具有丰富的知识库支持，因此与传统的创新方法相比，用它来解决产品研发中的技术难题更加有效，能够帮助设计者迅速找到完成所需功能的有效方法。在TechOptimizer软件的使用过程中，需要紧密结合的是Knowledgist软件，它主要用来进行知识获取，即应用人工智能中强大的语义处理技术，在浩瀚的信息海洋中，以极高的效率查询相关的信息，然后对这些信息进行概括和总结，构建针对某一问题的知识库，从而为产品创新提供具有重要价值的最新信息。应用这种软件，可以加快知识获取的速度，并能优先发现新的市场需求，从而针对这一需求快速进行新产品开发。

CAI工具的形成已经有了十多年的历史，它的发展过程主要历经了下面几个阶段：

（1）TRIZ 理论的萌芽—成型期。其时间为1946～1986年，在此期间主要是少数发明家在使用TRIZ。

（2）TRIZ理论的日趋完善期。其时间为1986～1992年，在此期间TRIZ 理论逐渐进入了实际的工程化应用期，主要使用者是一些专家及学者。

（3）早期CAI软件的形成期。其时间为1992～2000年，在此期间TRIZ 理论与IT 技术相结合，逐渐形成了早期的CAI软件。同时，出现了新的理论体系即本体论，并逐渐取得一些新的研究成果。该时期的使用者主要是受过TRIZ 训练的技术人员。

（4）先进CAI理论基础的形成期。其时间为2000年至今，在此期间TRIZ 理论与本体论相结合，为先进CAI软件的形成打下了基础。同时，软件的易用性取得了很大的改善，通常受过高等教育的技术人员都可以方便地使用。

现代CAI技术的出现具有重大的意义和深远的影响，它把过去只有专家、学者才能使用的高深技术，把过去需要熟知创新理论才能学好的传统CAI软件，变成了易学好用的计算机辅助创新平台和创新能力拓展平台。使得人们无需熟知创新理论，只要受过高等教育和工程训练，就能在这样的平台上来培养创新意识，直至做出发明创造。为人们开展创新活动提供了极大的方便，也加速了TRIZ理论的传播和应用。

2 创新能力拓展平台CBT／NOVA

美国亿维讯公司（IWINT）是专门从事CAI技术研究及相关工具开发的高新技术企业，该公司在TRIZ理论的研究与应用软件的开发上取得了卓越的成就。公司开发的CAI技术包括两大软件平台：计算机辅助创新设计平台（Pro／Innovator，The Computer－Aided Innovation Solution）和创新能力拓展平台（CBT／NOVA，Computer－Based Training for Innovation）。计算机辅助创新设计平台将发明问题解决理论TRIZ、本体论、解决技术难题的创新技法、设计方法学、软件技术和自然语言处理技术融为一体，成为设计者解决创新问题的有效工具。Pro／Innovator软件内置的创新方案库，是基于本体论和语义处理技术，在对世界900万件发明专利进行系统分析的基础上构建起来的，是目前世界上最大的创新方案库，功能十分强大。利用其来自专利的创新方案库和强大的综合分析工具，设计人员在不同工程领域的产品概念设计阶段，能够拓宽思路，消除思维定式，根据市场需求，及时发现产品或工艺中存在的不足，并快速解决产品创新中的核心问题，最终提出切实可行的创新方案。它含有问题分析、方案生成、方案评价、成果保护和成果共享等内容，是快速、高效解决问题的良好软件平台。现举一个应用该软件的有趣实例：曾有用户提出“如何清洁船用发动机的冷却水过滤器”的问题，结果Pro／Innovator的创新方案库提出的解决方案是“爆米花”。“爆米花”与“清洁船用发动机的冷却水过滤器”有什么联系？这就是TRIZ理论与本体论的妙处，应用瞬时的压力差，使米粒膨化，这就是爆米花原理的本质。因此应用这一原理，不同领域的许多相似问题都可以解决。例如，1）利用瞬时压力差可以打破物体的外壳。迅速批量剥除松子、葵花籽和花生的壳；迅速批量去除青椒的籽和蒂。2）利用瞬间压力差使人造宝石沿内部原有的微裂纹分割。3）清除下水管道中的淤泥。

创新能力拓展平台［3］是专门用于拓展创新能力的培训平台。通过培训平台的学习，使用者可以在较短的时间内激发创新潜能，掌握创新技法，能够运用创新思维及方法，拓展和提高自身的创新能力，从而能产生创造性的解决方法来解决实际问题。CBT／NOVA 所提供的培训内容涵盖了当今世界先进、实用的创新理论和技法，以培养全新的思维方式，创造性地解决实际创新问题；还提供有丰富权威的创新能力测试题库，并能够自动生成创新能力测试试卷。其创新理论和技法主要来源于发明问题解决理论TRIZ 中的40 个创新原理、物—场分析法、技术进化法则、ARIZ算法、76种创新问题标准解法等。

CBT／NOVA 提供了“理论→实例→练习→测试”的系统化培训流程，对各项创新理论和技法的培训遵循“认识→理解→应用”的步骤。它可以根据各专业的特点，为不同课程定制教学平台，还可以方便地添加科研中积累的知识和经验，加速知识的传递和共享；用户可以随时通过网络进行学习，自主安排学习进程。主要用于企业员工创新能力拓展、企业智力资产储存和共享、高校创新教育体系的教学、相关机构创新能力认证培训等方面。

3 计算机辅助创新设计应用

有杆抽油方法是目前应用最广的一种抽油方法。其中的游梁式采油机适合于在全天候状态下工作，由于其结构简单，可靠性高，因而得到了广泛的应用。游梁式抽油机中采用钢丝绳作为韧性连接，把驴头和抽油杆连接起来，从而将抽油机的动力传给处于井下的深井泵。如图1所示［4］，钢丝绳的上部嵌在驴头上，下部悬挂悬绳器，与抽油杆连接。

在野外工作过程中，钢丝绳将受到较大的交变载荷及自然环境的影响，容易产生锈蚀或断裂等失效情况，从而影响抽油机的正常工作。通常情况下，由于现场没有专用的维护工具，因而常用的维护方法是人工给钢丝绳涂抹黄油，但工人在高空作业时存在不安全因素，且在停井时间较长的情况下，将导致井下作业条件的恶化。因此，为保证游梁式抽油机高效工作，钢丝绳的及时保养成为关键因素之一。上述情境中已经出现了冲突，对钢丝绳进行及时润滑成为解决冲突的关键。其概念设计的重点是提出钢丝绳润滑装置的功能原理方案。

图1 抽油机中的钢丝绳润滑问题

通过对现有的解决方案进行分析可知，用人工方式给钢丝绳涂抹黄油，既存在人身安全隐患，又费时费力。现选取39个工程参数中的两个，对此冲突进行描述。目前的润滑流程易于组织，即为操作流程的方便性，选取改善的参数为No.33，但同时产生了安全隐患及井下作业情况的恶化，即为作用于物体的有害因素，选取恶化的参数为No.30，如图2所示。

图2 冲突的标准化

在冲突矩阵中，推荐有四条发明原理来解决此技术冲突，这些发明原理分别是“分离”原理、“自服务”原理、“机械系统替代”原理和“惰性环境”原理。其中，“自服务”原理的内容是，使一个物体通过附加功能产生自己服务于自己的功能，利用废弃的材料、能量与物质。该原理为冲突的解决提供了有益的启示。抽油机在运行过程中，若能自己完成钢丝绳的润滑功能，就能形成比较理想的工作情况。在TRIZ理论中，有七种潜在的资源类型，它们是物质、能量／场、可用时间、可用空间、物体结构及系统功能和参数。现对游梁式抽油机的运行系统进行资源分析，充分利用废弃的物质、能量或资源，并注意寻找系统中的隐性资源。其中，存在于超系统中的重力场以及系统中游梁产生的周期运动，是进行自服务润滑的关键资源。

根据以上分析，可在驴头的上部安装一个润滑容器，利用游梁的运动来调节其位置和润滑油的滴油速度。在游梁运动的一个周期中，当驴头处于最低点时，钢丝绳处在竖直位置，于是在重力场的作用下，油滴可沿着钢丝绳流到底端。如图3所示，利用系统自身运动的周期性，能够对润滑的节奏进行控制。通过发明原理的应用，最终完成了钢丝绳润滑装置的原理创新，该方案在工程实际中具有良好的效果。

图3 钢丝绳润滑装置原理示意图

4 结束语

在信息化带动新型工业化的形势下，针对建设以企业为主体的技术创新体系的重大需求，利用计算机辅助创新技术解决产品研发中的难题显得尤为重要。计算机辅助创新技术不仅填补了CAX领域的空白，而且为制造类企业信息化技术提供了新的应用，也为知识工程、产品策划、概念设计、方案设计、先进工程环境（AEE）等具体的信息化项目提供了新的解决方案，大大加速了产品创新的进程。

［1］徐起贺.现代机械产品创新设计集成化方法研究［J］.农业机械学报［J］.2005（3）：102－105.

［2］徐起贺，戚新波.TRIZ创新理论实用指南［M］.北京：北京理工大学出版社，2011.

［3］谢里阳.现代设计方法［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］高常青.TRIZ——发明问题解决理论［M］.北京：科学出版社，2011.