基于技术进化趋势的裁剪方法研究

石卫刚， 杨伯军， 于　菲， 李祚国， 张二甲

(1.河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130；2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心， 天津 300130)



基于技术进化趋势的裁剪方法研究

石卫刚1，2， 杨伯军1，2， 于菲1，2， 李祚国1，2， 张二甲1，2

(1.河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130；2.国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心， 天津 300130)

裁剪是TRIZ中一种有效解决问题的方法，其通过删除问题元件，重组系统有用功能进行产品创新设计，达到简化系统与优化产品的目的.为了启发和引导设计者在裁剪过程中有效地利用资源，在使用裁剪规则引导创新设计的基础上，以具有预测性和启发性的技术进化趋势作为知识源，综合分析进化趋势解题与裁剪规则引导功能重组的资源来源，构建了进化趋势与裁剪规则的映射关系，提出了基于裁剪规则的多层次进化趋势选择策略，利用进化趋势辅助功能重组，构建了基于进化趋势的裁剪方法过程模型.最后通过钢带铠装机裁剪实例验证了此方法的合理性.

进化趋势； 裁剪； 功能重组； 裁剪规则； TRIZ

裁剪是发明问题解决理论(TRIZ)中一种减少系统元件并重组系统功能而构成新系统的解题方法，本质是裁剪后系统资源消耗减少[1]，达到删除有害作用、降低成本、简化系统、提高理想度等目的.

围绕裁剪方法，国内外许多学者展开了一系列研究.Mann[2]提出了裁剪元件的优先选择顺序，产生有害、过剩、不足功能越多的元件应优先被裁剪.许栋梁[3]在已有基于元件间作用关系的有用功能分配规则基础上，扩展出6条裁剪规则，基于裁剪规则建立了系统化的裁剪方法应用流程.于菲[4]在基于价值评价的裁剪元件确定方法基础上进行了改进，提出基于理想化水平的系统元件裁剪优先权评价方法.高长青等[5]论述了基于功能分析的裁剪方法.目前，裁剪方法实施主要是通过裁剪规则引导设计者的主观分析而进行裁剪，由于裁剪规则仅指出有用功能分配的宏观方向，搜索可利用资源的盲目性较大，不利于设计者操作，功能重组时缺乏客观知识的引导和启发[1]，一方面易使设计者受到惯性思维的误导，另一方面使设计资源的获取过分受制于设计者的知识水平和经验，阻碍了设计者获得高理想度的创新解，虽然文献[1]提出了基于知识启发的裁剪方法应用过程，但由于知识源过于庞大，设计者在选用裁剪方法集时仍存在一定盲目性.

技术进化理论中的进化趋势具有预测性和启发性，黄钰婷[6]以进化趋势为解题工具，论述了以功能属性关系辨识进化趋势的应用过程，文献[2]认为进化趋势可作为系统进化策略的预测工具和解题工具，进化趋势可帮助设计者快速定位启发解范围，因此本文引入进化趋势指导设计者进行功能重组.以新功能载体来源不同为依据，将文献[3]中扩展的6类裁剪规则重新划分为3类，并且将文献[2]提出的进化趋势对应于裁剪规则，提出多层次进化趋势选择策略，在功能重组过程中利用进化趋势辅助解题，构建了基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型.

1　进化趋势与裁剪规则映射关系构建

1.1进化趋势概述

技术进化定律指出了系统或组件发展的一般方向，是技术发展过程中的客观规律[7]，但没有指出每个方向的进化细节，而技术进化趋势是进化定律的进一步细化，故本文将具有预测性和启发性的进化趋势作为启发源.Altshuller[8]通过对世界专利库中大量专利的分析，发现并确认了技术在结构上进化的趋势，最先提出8条进化定律.Fey等[9]在以往TRIZ研究成果的基础上，将技术进化定律归纳为9条，由于进化定律过于宏观，操作性差，很难被用于解决问题.Mann[2]将进化定律进一步细化，提出37个进化趋势(如表1)，从时间、空间和界面三个方面对进化趋势进行了划分，描述了系统组件进化趋势的方向，指出每个进化趋势都有不同的进化状态，其较为具体、详细，能够作为解决问题的工具，其中市场进化趋势和顾客购买所关注的焦点进化趋势属于市场趋势，其不可作为解题工具[6]，故本文共有35个趋势作为问题解决工具.

表1　37个进化趋势

进化趋势的进化状态表明了技术系统的进化潜能，每个进化趋势都可表示为由几个进化状态组成的进化趋势链(如表2)，它是由一个状态向下一个状态跳跃的发展过程，从整体来看，它是朝着系统理想化方向进行的，进化链上的每个进化状态都可以启发设计者得到启发解.

表2　进化趋势链

1.2裁剪规则重构

裁剪规则是裁剪方法应用过程中指导有用功能分配的原则.计算机辅助创新软件TechOptimizer提供了4种基于被裁剪元件功能的有用功能分配途径[10]，Yeoh[11]提出了3条基于元件间作用关系的系统有用功能分配规则，许栋梁[3]在已有基于元件间作用关系的有用功能分配规则基础上，扩展出6类裁剪规则.现有裁剪规则中，新功能载体来源区分不明确，资源搜索空间存在交叉，增加了资源搜索的重复性，设计者在选择裁剪规则时不能准确定位新功能载体来源，以缩小资源搜索空间.为了更好地区分新功能载体来源，本文在文献[3]中扩展出的6类裁剪规则基础上，依据新功能载体来源的不同将裁剪规则重新划分为3类，具体如表3所示.在使用裁剪规则时，按表3中排列顺序依次选用.

表3　重新划分的裁剪规则

1.3基于资源相似性的映射关系构建

TRIZ中资源可分为系统内部资源和系统外部资源两类[7]，内部资源是指从系统主要零部件获得的资源,外部资源是指整个系统外部的资源.基于系统内部资源和外部资源的划分，可将35个进化趋势按照解题过程中资源来源不同分为2类，第1类利用内部资源操作，第2类利用外部资源操作.

利用系统内部资源操作的趋势，以系统内组件为新功能载体，提高组件性能，包括结构变化、颜色变化、运动状态变化等，改善后组件具备了新的功能属性，故可执行系统中其它组件所执行的功能；利用系统外部资源操作的趋势，在解题过程中引入系统外组件作为新功能载体，由于引入的组件具备执行系统组件功能的属性，故可以代替系统内组件执行其功能.

进化趋势解题过程的实质就是搜索系统内资源或系统外资源进行功能重组，进化趋势解题时所利用资源的来源与裁剪规则引导的新功能载体的资源来源相似.这一相似性为构建进化趋势与裁剪规则之间的映射关系模型(如图1)提供了理论基础，图中f1，f2为映射关系函数.

图1　进化趋势与裁剪规则的映射关系模型Fig.1　Mapping relationship model of trimming rules and evolution trends

从以上论述可知，进化趋势指出了裁剪规则2，3中新功能载体来源的具体方向：如趋势3分割表面、趋势8增加不对称性、趋势9打破边界等通过改善系统内组件进行解题，则其对应于裁剪规则2；趋势1智能材料、趋势4分割物体、趋势14单-双-多等通过引入系统外资源解题，则其对应于裁剪规则3.

按照上述方法，将利用系统内资源操作的趋势划分在裁剪规则2中，利用系统外资源操作的趋势划分在裁剪规则3中，得进化趋势与裁剪规则的映射关系，如表4所示.由于裁剪规则1不需要新功能载体，本文不作讨论.

2　多层次进化趋势选择策略

进化趋势作为TRIZ中解题工具使用时，能够有效预测系统未来状态以及启发设计者获得高理想度的创新解，但设计者在选择进化趋势时较为困难.现有进化趋势解题多依赖专利数据分析确定进化趋势[12-13]，由于专利数据分析较为繁琐，并且需要设计者掌握一定检索及分析技巧.本文在选择进化趋势时，省去了专利数据分析过程，构建了基于进化趋势与裁剪规则的映射关系层，空间、界面、时间三个角度的划分层以及功能相似性对比层等多层次的进化趋势选择策略模型(如图2)，具体步骤如下：

表4进化趋势与裁剪规则的映射关系

Table 4The mapping relationship of trimming rules and evolution trends

规则空间进化趋势界面进化趋势时间进化趋势规则1———规则22,3,5,8,9,10,11,1219,20,21,24,26,27,30,3132,33,34,37 规则31,2,4,5,6,7,10,1314,15,16,17,18,25,28,2933,35,36,37

1)初次筛选.设计者在选择裁剪规则后，在进化趋势与裁剪规则的映射关系表中选择相应的进化趋势.

2)二次筛选.分析裁剪元件及其问题冲突区域等，分别从空间、界面、时间三个角度选择进化趋势，为了便于设计者筛选进化趋势，本文给出了空间、界面、时间进化趋势的概念以及解题范围，如表5所示.

表5空间、界面、时间进化趋势的概念及解题范围

Table 5The concept of evolution trends about space、interface and time, and scope of the problem solving

概念及解题范围空间进化趋势界面进化趋势时间进化趋势概念空间是与时间相对的一种物质客观存在形式,物与物的位置差异度量称之为“空间”,空间由长度、宽度、高度、大小表现出来界面是指2个或多个不同物相之间的分界面.界面是人与物体互动的媒介,体现了一定的交互性时间是一个较为抽象的概念,是物质运动、变化的持续性和顺序性的表现解题范围结构冲突、空间冲突、组件几何变化、物质的物理结构变化等组件或功能数量变化、交互作用、人机交互、外观等时间冲突,运动、变化的持续性和顺序性,如频率、共振、协调性等

图2　多层次进化趋势选择策略模型Fig.2　The model of selection strategy with multi-level of evolution trend

3)三次筛选.基于前两次选择的进化趋势，分析裁剪元件及其功能与进化链中进化状态及其功能的相似性，对比确定能够满足新功能载体功能需求的进化趋势.

3　基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型

本文所研究裁剪方法对原有裁剪方法作了改进，引入进化趋势辅助功能重组.进化趋势辅助功能重组黑箱模型(如图3)是构建新的裁剪方法过程模型的核心内容，其主要分为进化趋势选择和进化趋势解题两部分，在删除被裁剪元件后，需要对系统进行功能重组，故设计者可依据多层次的进化趋势选择策略模型选择进化趋势，进而利用进化趋势解题，启发设计者获得创新解.通过以上分析，为设计者掌握此黑箱模型的内部框架提供了详细的理论知识以及方法流程，为构建基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型奠定了基础.

图3　进化趋势辅助功能重组黑箱模型Fig.3　Black-box model of functional reorganization with evolution trends

基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型如图4所示，具体步骤如下：

1)选择目标系统.目标系统可以是产品、系统或已有方案.

2)功能分析.依据系统各组件之间关系(有用功能、不足功能、过剩功能、有害功能)，构建系统功能模型.

3)确定裁剪元件，并依据根原因分析、成本分析或有害功能分析等确定裁剪元件优先顺序.

4)确定裁剪规则.按顺序依次选用裁剪规则，找到符合要求的裁剪规则.若裁剪规则1符合要求则直接转至步骤7)，若规则1不符合要求则依次选用裁剪规则2,3，转至步骤5).

5)选择进化趋势.针对选择的裁剪规则，依据多层次的进化趋势选择策略模型确定进化趋势，在此，也可借助根原因分析及有害作用分析辅助确定进化趋势.通常在根原因分析中，冲突区域所违背的进化趋势就是系统或组件潜在发展方向.

6)进化趋势解题.定位系统或组件在进化链中的当前状态，分析得出潜力状态，由潜力状态启发得到启发解:对于裁剪规则2，启发解为符合潜力状态要求的系统内组件，可提高或挖掘系统内组件的功能属性;对于裁剪规则3，启发解为系统外组件.

7)评价.以理想性和可行性作为评判标准，对裁剪后模型进行评判，若满足要求，则输出创新方案，反之，则重新确定裁剪元件继续进行裁剪操作.在本文中，理想性评价主要包括组件数、成本、有害作用等因素，可行性评价包括结构、技术以及原理等方面.

图4　基于进化趋势的裁剪方法过程模型Fig.4　The process model of trimming method based on evolution trends

4　实例应用——钢带铠装机裁剪创新设计

电缆行业是我国仅次于汽车行业的第二大行业[14-15]，在一些要求电缆承受拉力的情况下，电缆需要加装钢带铠装层，即在电缆绞线上绕包钢带，形成钢带铠装电缆.钢带铠装机如图5、图6所示.钢带铠装电缆的出现解决了电缆抗拉以及防护等问题，但企业在实际生产过程中存在一些急需改进的问题.

目前主要是把钢带均匀缠绕在绞线上，钢带盘装在钢带盘轴上，工作时钢带盘随轴一起转动.然而，当钢带盘转速太高时，回转产生不平衡的离心惯

图5　钢带铠装机Fig.5　Steel tape armoring machine

性力系，离心惯性力系发生周期性变化，致使在承载中产生附加动压力，影响机器的强度并降低机械效率[16]，同时会引起机器振动.长期高速旋转，势必会影响机器稳定性，甚至会造成事故，存在很大的安全隐患[17].现对该机进行改进，采用裁剪方法解决问题.

图6　当前钢带铠装机结构示意图Fig.6　The structure diagram of current steel tape armoring machine

4.1裁剪元件确定

对钢带铠装机进行功能分析，建立其功能模型(如图7)，找出其有害作用、不足作用及过剩作用.由问题根原因分析可知，钢带盘轴带动钢带盘间歇运动造成变化的离心力，容易引起机器振动，存在安全隐患.确定裁剪元件为钢带盘和钢带盘轴等.现已知钢带盘较重，由离心力公式可知钢带盘及钢带自重是产生巨大离心力的一个重要因素，但钢带盘为储存钢带装置，故不能裁剪，因此将对钢带盘轴进行裁剪.最终确定裁剪元件为钢带盘轴.

图7　钢带铠装机功能模型Fig.7　The functional model of steel tape armoring machine

4.2进化趋势辅助功能重组

4.2.1进化趋势的选择

基于对系统的分析，发现裁剪规则1不可行，则选择裁剪规则2，原来元件执行之功能由系统内组件执行，即钢带盘轴所提供的旋转、支撑等功能由铠装机系统内组件执行.由于钢带重量大，钢带高速旋转产生的离心力较大，机器振动严重，存在很大安全隐患，所以旋转不能太快.问题涉及时间、频率、振动等因素，则从时间进化角度筛选进化趋势，依据功能相似性对比最终选择协调性动作趋势和协调性节奏趋势.

4.2.2进化趋势解题

由于裁剪造成对钢带盘的支撑、固定、旋转等功能缺失，故依据“下一发展状态”在系统内寻找能够提供这些功能的组件.在表2中查看协调性动作趋势和协调性节奏趋势的各个进化状态，找出符合功能属性要求的下一发展状态为部分协调动作和周期协调动作.

受表6中进化状态启发寻找动作协调性的组件或周期运动组件，显然系统内组件铠装机纵轴即滚筒符合条件.由滚筒执行钢带盘轴的功能，钢带盘横穿在铠装机滚筒上，进而形成创新解即裁剪后模型，如图8所示.

表6钢带铠装机的进化趋势解题过程

Table 6The solution process with evolution trends of the steel tape armouring machine

趋势名称问题当前状态下一发展状态启发解协调性动作不协调动作部分协调动作协调结构协调性节奏连续的动作周期动作钢带盘周期旋转

图8　钢带铠装机裁剪后模型Fig.8　The model after trimming of steel tape armoring machine

4.3评价

以理想性和可行性作为评判标准对裁剪后模型进行评价.首先，此方案在裁剪过程中删除了系统内组件钢带盘轴，没有引入新组件，达到了减少系统组件的目的；钢带盘横穿在滚筒上，轴向旋转，受力均匀，回转过程中不会产生不平衡的离心惯性力系，可消除振动、噪声等有害作用，机器运行过程中的稳定性得到了保障，故可提高钢带盘转速，进而提高了生产效率；组件数的减少和生产率的提高可使其成本降低，则系统理想性得到提高.其次，裁剪后模型在原有方案基础上作了改进，利用滚筒执行钢带盘轴的功能，由于工作时滚筒本身处于旋转状态，且强度较高，故可代替钢带盘轴实现支撑、旋转等功能，方案在原理上可行.钢带铠装机新结构已通过三维软件建模仿真(如图9)，且现有机械加工技术能够为其提供技术支撑，方案已经过某电缆企业工程师验证.本方案对机器结构进行了改进，提高了机器性能，满足设计要求，则输出创新方案(如图10).与当前铠装机方案比较，对实施裁剪后方案进行评价，如表7所示.

图9　钢带铠装机新结构的建模仿真Fig.9　The modeling and simulation of steel tape armoring machine

图10　钢带铠装机创新方案Fig.10　The innovative solution of steel tape armoring machine

评价项目评价结果理想性组件数删除了钢带盘轴,由滚筒执行其功能,组件数减少有害作用/性能消除了振动、噪声等有害作用,提高了机器稳定性,提高了出线率成本降低可行性技术加工技术与原方案相似,现有机械加工技术能够制造实现结构已通过三维软件建模仿真,验证了结构可行性原理工作时滚筒本身旋转,且强度较高,可代替钢带盘轴实现支撑、旋转等功能

5　结束语

本文在现有裁剪方法应用方式及裁剪规则分类的基础上，将裁剪规则依据新功能载体来源重新划分为3类，并基于此分类原理建立了进化趋势与裁剪规则的映射关系，同时建立了多层次进化趋势选择策略与进化趋势辅助功能重组黑箱模型，构建了基于进化趋势的裁剪方法过程模型.该模型利用进化趋势指导设计者进行有用功能重组，为裁剪过程中资源的利用指明了方向，为获得高理想度的创新解创造了条件，在有效弥补传统裁剪方法资源分配盲目性的同时具有更强的可操作性和可预测性.

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Study of trimming method based on technology evolution trends

SHI Wei-gang1，2， YANG Bo-jun1，2， YU Fei1，2， LI Zuo-guo1，2， ZHANG Er-jia1，2

(1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center， Tianjin 300130， China)

Trimming is an effective method to solve problem in TRIZ, which simplifies the system and optimizes product by removing problem elements and reorganizing useful functions in system. In order to inspire and guide designers to use resources effectively in the process of trimming, technology evolution trends as the source of knowledge on the base of using trimming rules to guide the innovative process was introduced. The source of resources in problem solving with the evolution trends and function reorganizing guided by trimming rules was comprehensively analyzed, then the mapping relationship between evolution trends and trimming rules was established, a multi-level selection strategy of evolution trends based on trimming rules was proposed, evolution trends were utilized to assist the process of function reorganization. On this basis, the model of trimming process which based on evolution trends was proposed. Finally, the trimming case of armoring machine verified the rationality of the process.

evolution trend; trimming; function reorganization; trimming rule; TRIZ

2016-04-07.

本刊网址·在线期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

国家自然科学基金资助项目(51275153).

石卫刚(1990—)，男，山西长治人，硕士生，从事创新设计研究，E-mail:244582694@qq.com.

通信联系人：于菲(1986—)，女，河北保定人，博士，讲师，从事产品创新设计等研究，E-mail: feiyu529@126.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.001

TH 122

A

1006-754X(2016)04-0301-08

http://orcid.org//0000-0002-4231-7191